In this paper, we characterize the performance of a three-dimensional (3D) two-hop cellular network in which terrestrial base stations (BSs) coexist with unmanned aerial vehicles (UAVs) to serve a set of ground user equipment (UE). In particular, a UE connects either directly to its serving terrestrial BS by an access link or connects first to its serving UAV which is then wirelessly backhauled to a terrestrial BS (joint access and backhaul). We consider realistic antenna radiation patterns for both BSs and UAVs using practical models developed by the third generation partnership project (3GPP). We assume a probabilistic channel model for the air-to-ground transmission, which incorporates both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) links. Assuming the max-power association policy, we study the performance of the network in both amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) relaying protocols. Using tools from stochastic geometry, we analyze the joint distribution of distance and zenith angle of the closest (and serving) UAV to the origin in a 3D setting. Further, we identify and extensively study key mathematical constructs as the building blocks of characterizing the received signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) distribution. Using these results, we obtain exact mathematical expressions for the coverage probability in both AF and DF relaying protocols. Furthermore, considering the fact that backhaul links could be quite weak because of the downtilted antennas at the BSs, we propose and analyze the addition of a directional uptilted antenna at the BS that is solely used for backhaul purposes. The superiority of having directional antennas with wirelessly backhauled UAVs is further demonstrated via simulation.


翻译:在本文中,我们描述一个三维(3D)双跳蜂窝网络的性能,其中地面基地台站与无人驾驶航空飞行器(UAVs)共存,为一组地面用户设备(UE)服务。特别是,UE通过接入链接直接连接到其为地面BS服务的地面BS,或首先连接到其服务的UAV,然后无线反射到地面BS(联合访问和反向),我们利用第三代伙伴关系项目(3GPP)开发的实用模型,为BS和UAV提供现实的天线性辐射模式。我们假设一个无线性能模式,然后无线反向地面BS(UAVs)的性能模式。我们利用从空中到地面的静电流路比比的概率比比比,我们用直径直径直径直径直到直径直径直方向,我们用直径直径直直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直向上,我们研究网络直径直径直径直径直地研究网络直地研究网络向右向右前方向前方向前方向右方向推进方方方方方方方向右推进方向右推进方向右推进方向推进方向右推进方,研究网络向前推进方向前推进方,我们方,我们方向右和直向后方向前方向方向推进方向前方向前方向前方向前方向前方向前方向前方向前方向前方方方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方向方

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