[論文レビュー] Accessing From The Sky: A Tutorial on UAV Communications for 5G and Beyond

Yong Zeng, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 215被引用数 70

ひとこと要約

この論文は、5Gおよびそれ以降のUAV通信に関する包括的な調査とチュートリアルを提供し、2つのフレームワーク（セルラー接続UAVとUAV支援ワイヤレス）、チャネル/アンテナモデル、および軌道-通信設計の共同設計を詳述します。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have found numerous applications and are expected to bring fertile business opportunities in the next decade. Among various enabling technologies for UAVs, wireless communication is essential and has drawn significantly growing attention in recent years. Compared to the conventional terrestrial communications, UAVs' communications face new challenges due to their high altitude above the ground and great flexibility of movement in the three-dimensional (3D) space. Several critical issues arise, including the line-of-sight (LoS) dominant UAV-ground channels and resultant strong aerial-terrestrial network interference, the distinct communication quality of service (QoS) requirements for UAV control messages versus payload data, the stringent constraints imposed by the size, weight and power (SWAP) limitations of UAVs, as well as the exploitation of the new design degree of freedom (DoF) brought by the highly controllable 3D UAV mobility. In this paper, we give a tutorial overview of the recent advances in UAV communications to address the above issues, with an emphasis on how to integrate UAVs into the forthcoming fifth-generation (5G) and future cellular networks. In particular, we partition our discussions into two promising research and application frameworks of UAV communications, namely UAV-assisted wireless communications and cellular-connected UAVs,where UAVs serve as aerial communication platforms and users, respectively. Furthermore, we point out promising directions for future research and investigation.

研究の動機と目的

• 5Gおよびそれ以降のセルラー網におけるUAVの役割を動機づけ、文脈づける。
• 2つの主要なUAV通信パラダイムを提示する：セルラー接続UAVとUAV支援ワイヤレス通信。
• 基本的モデル（チャネル、アンテナ、エネルギー）と軌道と通信設計の統一フレームワークを提供する。
• 干渉管理とセキュリティを含むUAV通信の設計機会、課題、および今後の研究方向を論じる。
• カバレッジ、信頼性、効率を向上させるための3D移動性をもつUAVの潜在的統合を強調する。

提案手法

• UAVの軌道設計と通信最適化を共同で扱う統一的な数学的フレームワークを導入する。
• UAVシナリオに合わせたUAV空地間チャネルとアンテナモデルをレビューする。
• 推進エネルギーと通信エネルギーを含むUAVのエネルギー消費を特性化する。
• QoSと効率を最適化するためのUAVの機動性と3D配置からの設計自由度を論じる。
• 空地間の干渉を分析し、セルラー接続とUAV支援パラダイム内での軽減アプローチを提案する。
• エネルギー効率の高い設計上の考慮事項と潜在的な学習ベースの軌道最適化手法を概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確な性能分析と設計のために、UAV空地間チャネルはどのようにモデル化すべきか？
• RQ2 QoSと効率を改善するために、UAVの軌道/配置を通信スケジューリングと共同で最適化するにはどうすべきか？
• RQ3 セルラーネットワークにおける空中ユーザとしてのUAV統合と空中プラットフォームとしての統合の主要な課題と機会は何か？
• RQ4 干渉・セキュリティ・SWAP制約をUAV対応の5G-以降のネットワークでどのように管理するか？
• RQ5 将来の研究方向（例：学習ベースの手法）はUAV通信にとって最も有望なのはどれか？

主な発見

• UAV支援とセルラー接続の両パラダイムに適用可能なUAV軌道設計と通信の共設計の統一フレームワークを提供する。
• 高度LoS優位のチャネルを、信頼性の高いリンク・マクロ分散の機会としても、干渉・セキュリティ脅威としても識別する。
• SWAP制約に対処するための3D配置/軌道設計とエネルギー効率の高いハードウェアの必要性を強調する。
• 普遍的なUAV接続と位置推定サービスのためのセルラーネットワーク（5G/6G）の活用の可能性を論じる。
• 動的ネットワークに対処するための学習ベースのUAV軌道最適化と通信設計の機会を概説する。
• UAVのセルラーネットワーク統合における既存の現場試験、標準化の取り組み、クロスレイヤ設計の考慮事項を要約する。