Performance Evaluation of UAV-Assisted Wireless Communication Systems

Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) represent a promising technology for next-generation wireless networks, where they operate as flexible aerial base stations capable of providing reliable coverage in areas that conventional terrestrial infrastructure cannot adequately serve. Due to their elevated altitude, UAVs benefit from a high probability of line-of-sight (LoS) communication with ground users, which improves link quality and reduces path loss compared to ground-based systems. In order to further improve spectral efficiency and user fairness within UAV communication systems, Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) can be integrated, allowing multiple users to share the same time-frequency resources simultaneously through superposition coding at the transmitter and successive interference cancellation (SIC) at the receiver. In our work, we analyze the performance of a downlink UAV-assisted NOMA system serving two ground users – a far user and a near user – over a Nakagami-m fading channel with a probabilistic path loss model accounting for both LoS and non-line-of-sight (NLoS) propagation conditions. We simulate the performance of the considered system in terms of capacity, Bit Error Rate (BER) and Outage Probability (OP) using MATLAB, while also investigating the effect of power allocation coefficients, modulation order, and cell radius on overall system behavior. Furthermore, we extend the analysis to examine the impact of the Nakagami fading parameter m, UAV altitude, and propagation environment type (Rural, Suburban, Urban, and Dense Urban) on system performance, providing a comprehensive characterization of the system across a wide range of realistic operating conditions. The simulation results show that the UAV-NOMA system outperforms conventional OMA in terms of outage probability and spectral efficiency, confirming that the combination of UAV communications and NOMA represents an effective and viable solution for next-generation wireless communication systems. الطائرات بدون طيار ( )UAVهي تقنية واعدة لشبكات الجيل القادم، إذ تعمل كمحطات قاعدة جوية متنقلة قادرة على توفير تغطية لاسلكية مرنة وموثوقة في المناطق التي تعجز عنها البنية التحتية الأرضية التقليدية. بفضل ارتفاعها، تتمتع هذه الطائرات باحتمالية رؤية مباشرة عالية مع المستخدمين الأرضيين، مما يُح ِّسن جودة الرابط ويُقلِّل من خسائر الانتشار. ومن أجل تعزيز الكفاءة الطيفية وعدالة المستخدمين داخل هذه الأنظمة، يُد َمج تقنية الوصول المتعدد غير المتعامد ( )NOMAمع الطائرات بدون طيار، حيث تتيح هذه التقنية لعدة مستخدمين مشاركة نفس الموارد الترددية في آ ٍن واحد عبر الترميز التراكبي وإلغاء التداخل المتتالي ( .)SICفي عملنا هذا، ندرس أداء نظام NOMAالتنازلي الذي يخدم مستخد َمين أرضيَين، مستخدم بعيد ومستخدم قريب، بمساعدة UAVعبر قناة ذات تلا ٍش من نوع Nakagami-mمع نموذج خسارة مسار احتمالي يأخذ في الحسبان حالتَي الرؤية المباشرة ( )LoSوغير المباشرة ( .)NLoSنقوم بمحاكاة أداء النظام المدروس من حيث السعة ومعدل خطأ البت ( )BERواحتمالية الانقطاع ( )OPباستخدام برنامج ،MATLABمع دراسة تأثير عدة معاملات على الأداء الكلي كمعاملات توزيع القدرة ورتبة التضمين ونصف قطر الخلية. علاوة على ذلك، وسعنا نطاق الدراسة لتشمل تأثير معامل التلاشي Nakagami-mوارتفاع الطائرة ونوع بيئة الانتشار (ريفية، ضاحية، حضرية، حضرية كثيفة) على أداء النظام، مما يوفر توصيفًا شاملاً لسلوك النظام في طيف واسع من ظروف التشغيل الواقعية. تُظهر نتائج المحاكاة أن نظام NOMA-UAVيتفوق على نظام OMAالتقليدي من حيث احتمالية الانقطاع والكفاءة الطيفية، مما يؤكد أن الجمع بين تقنية الطائرات بدون طيار و NOMAيُ َمثل حلاً فعالاً وواعدًا لأنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل القادم