[論文レビュー] A Survey on Millimeter-Wave Beamforming Enabled UAV Communications and Networking

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 313被引用数 8

ひとこと要約

本サーベイは、無人航空機（UAV）通信におけるミリ波（mmWave）ビームフォーミングについて、システムの潜在能力、チャネルモデリング、アレイ構造、ネットワーキング技術を網羅的に分析している。mmWave-UAVのセルラーおよびアドホックネットワークにおける主な課題と解決策を特定し、ビームフォーミング、エネルギー効率、統合レーダ・通信システム分野における今後の研究のためのロードマップを提示している。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have found widespread commercial, civilian, and military applications. Wireless communication has always been one of the core technologies for UAV. However, the communication capacity is becoming a bottleneck for UAV to support more challenging application scenarios. The heavily-occupied sub-6 GHz frequency band is not sufficient to meet the ultra high-data-traffic requirements. The utilization of the millimeter-wave (mmWave) frequency bands is a promising direction for UAV communications, where large antenna arrays can be packed in a small area on the UAV to perform three-dimensional (3D) beamforming. On the other hand, UAVs serving as aerial access points or relays can significantly enhance the coverage and quality of service of the terrestrial mmWave cellular networks. In this paper, we provide a comprehensive survey on mmWave beamforming enabled UAV communications and networking. The technical potential of and challenges for mmWave-UAV communications are presented first. Then, we provide an overview on relevant mmWave antenna structures and channel modeling. Subsequently, the technologies and solutions for UAV-connected mmWave cellular networks and mmWave-UAV ad hoc networks are reviewed, respectively. Finally, we present open issues and promising directions for future research in mmWave beamforming enabled UAV communications and networking.

研究の動機と目的

• 高容量・低遅延応用を想定した、mmWave通信をUAVプラットフォームに統合する技術的潜在力と主な課題を分析すること。
• UAVに特化したmmWaveアンテナ構造とチャネルモデリング技術をレビューすること。3次元ビームフォーミングと伝搬特性を含む。
• UAV接続mmWaveセルラーネットワークの実現技術を検討すること。具体的には、ビームカバレッジ、バックホール、空中リレーや航空機用端末機器のサポートを含む。
• mmWave-UAVアドホックネットワークの設計と性能を調査すること。ネットワークアーキテクチャ、隣接ノード発見、ルーティング、セキュリティを含む。
• 未解決の研究課題と今後の方向性を特定すること。具体的には、エネルギー回収、共同レーダ・通信システム、空海連携通信を含む。

提案手法

• 最近の研究から得られたハードウェア、伝搬特性、ネットワーキングに関する知見を統合し、UAV通信におけるmmWaveビームフォーミングに関する体系的サーベイを実施する。
• UAVに適したmmWaveアンテナ構造をレビューし、高周波帯域における3次元ビームフォーミングを実現する小型で高利得のアレイを強調する。
• mmWave-UAVチャネルモデルを分析し、視線（LoS）優位性、高度依存パスロス、大気影響を考慮する。
• 移動するユーザ端末機器を想定した、UAV接続mmWaveセルラーネットワークにおけるビームフォーミング技術を評価する。具体的には、ビームトレーニング、ビーム選択、移動管理を含む。
• mmWave-UAVアドホックネットワークにおけるリソース割り当て、ルーティング、セキュリティメカニズムを検討する。ハイブリッドSub-6 GHz/mmWave運用を含む。
• 今後の研究方向性を提案する。具体的には、共同レーダ・通信システム、エネルギー回収、空海連携ネットワークを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveビームフォーミングは、UAV通信における高いパスロスと遮断問題をどのように克服し、高データレートを実現できるか？
• RQ2 UAV間（UAV-to-ground）、UAV同士（UAV-to-UAV）、UAVと航空機（UAV-to-aircraft）間のリンクにおけるmmWaveチャネル特性の主な相違点は何か？
• RQ3 移動するユーザ端末機器をサポートするため、UAVは空中リレーやバックホール、ビーム管理をどのように効果的に行えるか？
• RQ4 隣接ノード発見、ルーティング、セキュリティという観点から、mmWave-UAVアドホックネットワークにおける主な課題と設計原則は何か？
• RQ5 今後の研究分野として有望な分野—共同レーダ・通信、エネルギー回収、空海連携通信—の中で、mmWave-UAVシステムにとって最も有望な分野は何か？

主な発見

• mmWave帯域は、VR、AR、スマートシティなどの新興UAV応用分野が求める超高データレート要件を満たすための豊富なスペクトルを提供する。
• UAVは高い視線（LoS）確率を達成でき、方向性の強いmmWaveビームフォーミングに有利な伝搬条件を有する。
• mmWave帯域における高いパスロスと遮断は、信頼性の高いUAV通信を実現するための高度なビームフォーミングおよびビーム管理技術の導入を必要とする。
• UAVに搭載された小型で高利得のmmWaveアンテナアレイは、効果的な3次元ビームフォーミングを可能にし、スペクトル効率と回線信頼性を向上させる。
• UAVは、空中基地局やリレーサービスとして機能することで、地上のmmWaveセルラーネットワークを強化し、山間部や災害発生地域におけるカバレッジと容量を向上させることができる。
• エネルギー回収、共同レーダ・通信システム、空海連携ネットワーク分野には未解決の課題が残っており、実用的導入のためのさらなる研究が求められている。