[論文レビュー] Cooperation Techniques for A Cellular Internet of Unmanned Aerial Vehicles

Hongliang Zhang, Lingyang Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、UAVがU2Uリンクを通じてセンシングデータを中継することで、劣悪なチャネル状態でもQoSを向上させるsense-and-sendプロトコルを用いた協調型セルラーIoTのUAVを提案する。トラジェクトリ設計と無線リソース管理を共同最適化することにより、特に緊急監視などの重要なアプリケーションにおいて、システム合計スループットと信頼性が向上する。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are powerful Internet-of-Things components to provide sensing and communications in the air due to their advantages in mobility and flexibility. As aerial users, UAVs are envisioned to support various sensing applications in the next generation cellular systems, which have been studied by the Third Generation Partnership Project (3GPP). However, the Quality-of-Services (QoS) of the cellular link between the UAV and the base station may not be guaranteed when UAVs are at the cell edge or experiencing deep fading. In this article, we first introduce the non-cooperative cellular Internet of UAVs. Then we propose a cooperative sense-and-send protocol, in which a UAV can upload sensory data with the help of a UAV relay, to provide a better communication QoS for the sensing tasks. Key techniques including trajectory design and radio resource management that support the cooperative cellular Internet of UAVs are presented in detail. Finally, the extended cooperative cellular Internet of UAVs is discussed for QoS improvement with some open issues, such as massive multiple-input multiple-output systems, millimeter-wave, and cognitive communications.

研究の動機と目的

• セルラー上行リンクの信頼性が低い、特にセルエッジや深 fading 状態にあるUAVの課題に対処する。
• セルラーインfraストラクチャにUAV中継を導入することで、UAVセンシングミッションに向けた信頼性の高い低遅延データ伝送を実現する。
• センシングと通信プロセスを共同最適化し、ミッションのパフォーマンスを損なわずにリアルタイムでのデータアップロードを可能にする。
• 協調的U2UおよびU2N通信戦略を用いることで、スペクトル効率とシステム合計スループットを向上させる。
• 将来のスケーラビリティとQoS向上の観点から、高度な無線技術（マスティブMIMO、mmWave、認知無線）の活用を検討する。

提案手法

• UAVが基地局への直接リンクが劣悪な場合に、中継UAVを介してセンシングデータを送信する協調型sense-and-sendプロトコルを提案する。
• 協調UAVペアの共同トラジェクトリを設計し、U2Uリンク品質を最大化すると同時に、センシングタスクを支援する。
• 共通周波数帯での干渉を低減するため、サブチャンネル割り当てと電力制御を含む協調的無線リソース管理を実装する。
• U2NリンクにマスティブMIMOを統合し、3次元ビームフォーミングと空間多重性を活用してデータレートを向上させ、干渉を低減する。
• U2Uリンクにミリ波帯を活用し、方向性ビームフォーミングを用いて路損を補償することで、高いデータレートを達成する。
• 認知無線の原則を適用し、主なセルラー利用者が使用していない周波数帯をUAVが機会的にアクセス可能にすることで、UAVおよびセルラー通信の両方のQoSを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV中継は、チャネル状態が劣悪または深 fading 状態にあるUAVのセルラー上行リンクのQoSをどのように向上させるか？
• RQ2 協調UAV-UAVおよびUAV-基地局リンクの性能を最大化するための共同トラジェクトリ設計戦略は何か？
• RQ3 共有周波数帯環境下で、U2UおよびU2Nリンク間の干渉を最小限に抑えるために、無線リソースをどのように効率的に管理できるか？
• RQ4 マスティブMIMOは、空中セルラーIoTの文脈でU2N通信性能をどのように向上させるか？
• RQ5 認知無線技術を用いることで、UAVとセルラー利用者の間で周波数帯を共有する方法は何か？また、主サービス品質を低下させずに可能か？

主な発見

• 非協調型セルラーUAVシステムと比較して、協調型スキームはシステム合計スループットを顕著に向上させる。
• 協調UAVの共同トラジェクトリ最適化により、U2Uリンクの信頼性が向上し、データ伝送のエンドツーエンド遅延が低減する。
• サブチャンネル割り当てと電力制御を含む無線リソース管理は、共有周波数帯環境下での共周波数干渉を効果的に抑制する。
• U2NリンクにおけるマスティブMIMOは3次元ビームフォーミングを可能にし、高移動性UAV環境におけるスペクトル効率の向上と同セル干渉の低減を実現する。
• ミリ波帯は高容量U2Uリンクを実現できるが、UAVの移動性に起因するドップラーシフトとビームブロッキングのため、注意深い取り扱いが求められる。
• 認知無線に基づくアクセスにより、UAVは周波数帯を機会的に利用可能となり、混雑を低減しながらも、主なセルラー利用者のQoSを維持できる。