Cognitive Aerial IoT Networks using Multi-functional UAVs for Natural Disaster Management. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (thesis) Sami_MS_Thesis _official_last.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 11 May 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

غالبًا ما تتسبب الكوارث الطبيعية في إلحاق أضرار بالبنية التحتية لشبكات الاتصالات الخلوية الأرضية وعزل السكان المتضررين، مما يخلق حاجة ملحّة إلى تغطية الأماكن المتضررة وتحديد مواقع المستخدمين أثناء عمليات الإنقاذ. وفي مثل هذه الحالات، توفر الطائرات بدون طيار حلاً مرنًا وسريع النشر لاستعادة الخدمة ودعم شبكات الطوارئ. تطور هذه الرسالة أطرًا تحليلية قائمة على الهندسة العشوائية لشبكات إنترنت الأشياء الجوية بعد الكوارث، حيث تتكامل عمليات نشر محدودة للطائرات بدون طيار مع أبراج الاتصالات الأرضية المتضررة جزئيًا. أولاً، تم تطوير إطار موجّه للاتصالات لتحليل التغطية في شبكات إنترنت الأشياء الجوية بعد الكوارث مع مستخدمين موزعين على شكل تجمُعات. وقد نُمذِجت محطات القاعدة الأرضية الباقية باستخدام عملية نقاط بواسون غير المتجانسة، بينما نُمذِج المستخدمون باستخدام عملية تجمُعية من نوع ماتيرن، وتم نشر الطائرات بدون طيار باستخدام عملية نقطية ثنائية الحد منتهية داخل تجمُعات المستخدمين. وفي ظل خفوت واقعي، وانتشار بخط رؤية وبدون خط رؤية، وسياسة ارتباط قائمة على أقصى قدرة مستقبلة، تم اشتقاق تعبيرات رياضية قابلة للمعالجة لتوزيعات المسافات، واحتمالات الارتباط، وتوصيف التداخل، واحتمال التغطية. وتُظهر النتائج أن التغطية تتأثر بدرجة كبيرة بارتفاع الطائرات بدون طيار، وأبعاد التجمُع، وموقع المستخدم، وقابلية بقاء البنية التحتية لأبراج الاتصالات الأرضية، وأن هناك عددًا أمثل من الطائرات بدون طيار لكل مساحة تجمُع. بعد ذلك، توسّع الرسالة هذا الإطار إلى بيئة تكامل الاستشعار والاتصالات ثنائية الطبقة، حيث تدعم شبكات الاتصالات، سواء جوية أو أرضية، كلاً من الاتصالات للمستخدمين وتحديد مواقعهم اعتمادًا على مؤشر قوة الإشارة المستقبلة. وقد تم تطوير تعبيرات تحليلية لقابلية التمركز، وتغطية التموضع، والأداء المشترك للاتصالات والتموضع. وبوجه عام، تقدم النتائج رؤى تصميمية مفيدة حول كيفية اختيار انتشار الطائرات بدون طيار، وارتفاعها، وحجم أسطولها بما يحقق تحسينًا مشتركًا في الاتصال وتحديد المواقع في المناطق المتأثرة بالكوارث.

English Abstract

Natural disasters often damage terrestrial cellular infrastructure and isolate affected populations, creating an urgent need for reliable communication and user localization during rescue and recovery operations. In such scenarios, uncrewed aerial vehicles (UAVs) offer a flexible and rapidly deployable solution for restoring service and supporting emergency networks. This thesis develops stochastic-geometry-based analytical frameworks for post-disaster aerial IoT networks in which finite UAV deployments complement partially damaged terrestrial base stations. First, a communication-oriented framework is developed for coverage analysis in post-disaster aerial IoT networks with clustered users. The surviving terrestrial base stations are modeled as an inhomogeneous Poisson point process, users are modeled by a Mat\'ern cluster process, and UAVs are deployed as a finite binomial point process within user clusters. Under realistic fading, LoS/NLoS propagation, and maximum-average-received-power association, tractable expressions are derived for distance distributions, association probabilities, interference characterization, and coverage probability. The obtained results show that coverage is strongly influenced by UAV altitude, cluster size, user location, terrestrial survivability, and there exists an optimal number of UAVs for a cluster size. The thesis then extends this framework to a two-tier integrated sensing and communication setting, where the same aerial-terrestrial infrastructure supports both downlink communication and RSS-based user positioning. Analytical expressions are developed for localizability, positioning coverage, and joint communication-positioning performance. Overall, the results provide useful design insights into how UAV deployment, altitude, and fleet size should be selected to jointly improve connectivity and localization in disaster-affected regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Systems Engineering Math Aerospace Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Suhail Al-dharrab,
Thesis Committee Members:	Samir Alghadhban, Ali Nasir,
Depositing User:	SAMI MAQBOL (g202392530)
Date Deposited:	12 May 2026 11:18
Last Modified:	12 May 2026 11:18
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144229