[論文レビュー] Cellular-Connected UAV: Potentials, Challenges and Promising Technologies

Yong Zeng, Jiangbin Lyu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 12被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、既存のセルラーネットワークに無人航空機（UAV）を統合することで、高容量、低遅延、信頼性の高いドローン通信を実現する画期的なソリューションとして、セルラー接続型UAVを提案する。3次元 massive MIMO ビームフォーミングがスペクトル効率を顕著に向上させることを示しており、10台のUAVを用いた場合、5パーセンタイルの合計データレートが約30 Mbpsから68 Mbpsを超えるまで向上する。これは、地上ユーザーと混合した将来の3次元ヘテロジニアスネットワークにおけるその可能性を示している。

ABSTRACT

Enabling high-rate, low-latency and ultra-reliable wireless communications between unmanned aerial vehicles (UAVs) and their associated ground pilots/users is of paramount importance to realize their large-scale usage in the future. To achieve this goal, cellular-connected UAV, whereby UAVs for various applications are integrated into the cellular network as new aerial users, is a promising technology that has drawn significant attention recently. Compared to the conventional cellular communication with terrestrial users, cellular-connected UAV communication possesses substantially different characteristics that bring in new research challenges as well as opportunities. In this article, we provide an overview of this emerging technology, by firstly discussing its potential benefits, unique communication and spectrum requirements, as well as new design considerations. We then introduce promising technologies to enable the future generation of three-dimensional (3D) heterogeneous wireless networks with coexisting aerial and ground users. Last, we present simulation results to corroborate our discussions and highlight key directions for future research.

研究の動機と目的

• 大規模な民間UAVの展開を可能にするために、高容量、低遅延、超信頼性の高いUAV-地上間通信を実現するための緊急のニーズに対処すること。
• ライン・オブ・サイト（LoS）リンクに起因する干渉やモビリティ管理といった、セルラー接続型UAVシステムに特有の課題を特定すること。
• 将来の3次元ヘテロジニアスネットワークにおける、3次元ビームフォーミング、mmWave、セルラー支援UAVスウォームといった有望技術の探求。
• 現実のUAV密度および展開シナリオを想定したシミュレーションを用いた、システム性能の検証。

提案手法

• 既存のセルラーネットワークにUAVを空中のユーザー設備（UE）として統合し、広域カバレッジと高度な無線アクセス技術を活用すること。
• 基地局に均一平面アレイを備えた3次元 massive MIMO システムモデルを採用し、最大効率送信（MRT）ビームフォーミングを用いて性能を評価する。
• UAVの高度を1.5～300 mの範囲で可変とし、半径1000 mの円形領域内で水平方向に一様に分布させる。これは固定高度の地上UEとは対照的である。
• 異なる数のUAVおよびビームフォーミング方式下でのシステムスペクトル効率を評価するために、達成可能な合計データレートの経験的累積分布関数（CDF）を用いる。
• 固定アレイパターンビームフォーミングと3次元ビームフォーミングを比較し、スペクトル効率およびユーザー公平性の向上を定量的に評価する。
• トラジェクトリ最適化、mmWave通信、セルラー支援UAV間（U2U）ネットワーク化を、今後の研究における主な設計方向性として導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVをセルラーネットワークに統合することで、従来のポイントツーポイントリンクと比較して、通信の信頼性、容量、カバレッジがどのように向上するか？
• RQ2 LoS支配のUAV-基地局（BS）チャネルに起因する干渉およびスペクトル効率の制限要因としての、セルラー接続型UAVの主な性能限界は何か？
• RQ3 3次元ビームフォーミングを用いた massive MIMO は、空中ユーザーと地上ユーザーが混合した環境下で、システムのスペクトル効率および公平性をどの程度向上できるか？
• RQ4 3次元ヘテロジニアス環境下で、スケーラブルで安全かつ効率的なセルラー接続型UAVネットワークを実現するための、最も有望な技術およびシステム設計は何か？
• RQ5 UAVスウォーム運用を、セルラー回廊およびU2U通信によって効率的に支援するにはどうすればよいか？

主な発見

• 10台のUAVがネットワークに存在する状況では、固定アレイパターンを用いる場合の5パーセンタイルUE合計データレートが約30 Mbpsから、最大効率送信（MRT）を用いた3次元ビームフォーミングに切り替えると68 Mbpsを超えるまで向上する。
• UAVの数が増加するにつれて、直接接続された基地局以外の基地局とのLoSリンクに起因する干渉が増加するため、全体のシステムスペクトル効率が低下する傾向にある。
• 3次元ビームフォーミングは干渉を顕著に低減し、スペクトル効率を向上させる。これは、高性能なセルラー接続型UAVシステム実現における不可欠な役割を果たしていることを示している。
• 既存のマクロセルインfraを再利用することで、セルラー接続型UAVは、広域アクセス、信頼性の向上、セキュリティ、コスト効率の面で顕著な利点を提供する。
• mmWave通信は、好都合なLoS伝搬特性を有するためUAVに有望であるが、高い移動性と遮断に備えるために高度な3次元ビームフォーミング技術が不可欠である。
• セルラー支援UAV間（U2U）通信および massive MIMO は、スケーラブルかつ効率的なUAVスウォーム運用を実現するための実現可能なソリューションである。