[論文レビュー] Millimeter-Wave for Unmanned Aerial Vehicles Networks: Enabling Multi-Beam Multi-Stream Communications

Yiming Huo, Xiaodai Dong|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

UAV Applications and OptimizationEngineering参考文献 13被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、高容量の空中ネットワーク向けに、マルチビーム・マルチストリーム通信を可能にするミリ波（mmWave）無人航空機（UAV）空中基地局（ABS）プロトタイプを提案する。実地試験では、やや厳しい天候条件下でも安定したギガビット/秒単位のダウンリンクおよびアップリンクデータレートを達成し、5G以降の応用分野におけるmmWave UAV通信の実現可能性を検証した。

ABSTRACT

With the fifth-generation (5G) mobile networks being actively standardized and deployed, many new vehicular communications technologies are developed to support and enrich various application scenarios. Unmanned aerial vehicle (UAV) enabled communications emerges as one of many promising solutions of constructing the next-generation highly reconfigurable and mobile networks. In this article, we first investigate and envision the challenges of future UAV applications from the net-work, system, and hardware design perspectives, and then pre-sent a UAV aerial base station (ABS) prototype which works at millimeter-wave (mmWave) bands and enable multi-beam mul-ti-stream communications. In terms of the field trial tests of the first UAV-ABS of its kind in the world, multi-giga-bit-per-second data rate of uplink and downlink is verified with good stability and reliability against mildly challenging weather conditions.

研究の動機と目的

• 次世代システムにおける高容量、再構成可能でモバイルな無線ネットワークのニーズに対応すること。
• UAVを活用したmmWave通信におけるシステムレベルおよびハードウェア上の課題を調査すること。
• マルチビームおよびマルチストリーム伝送を支援するmmWave UAV空中基地局（ABS）の設計およびプロトタイピングを行うこと。
• 実環境における実地試験を通じて、提案されたUAV-ABSの性能を検証すること。
• mmWaveが信頼性高く高スループットなUAV通信に適しているかどうかを実証すること。

提案手法

• ミリ波帯で動作するmmWave UAV空中基地局（ABS）の設計および実装。
• 複数のデータストリームを空間的に多重化するためにマルチビーム beamforming 技術を採用。
• スペクトル効率およびデータレートの向上のため、マルチストリーム伝送を活用。
• 動的なUAV移動および視線リンクの維持のため、適応型ビームフォーミングおよびビームトラッキングを統合。
• 多少の悪条件の天候下において、リアルタイムのデータ収集を伴う実地試験を実施。
• 測定された性能指標を用いて、ダウンリンクおよびアップリンクスループット、安定性、信頼性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWave帯域は、UAVネットワークにおいて高容量で安定的かつ信頼性のある通信を可能にするか？
• RQ2 マルチビームおよびマルチストリーム技術は、UAV-ABSシステムにおけるスペクトル効率をどの程度効果的に向上させるか？
• RQ3 実際の環境条件下におけるmmWave UAV通信の実際の性能限界は何か？
• RQ4 プロトタイプのUAV-ABSは、実地試験でギガビット/秒単位のデータレートを達成できるか？
• RQ5 UAVの移動および中程度の天候変動下でも、システムはリンクの信頼性をどのように維持できるか？

主な発見

• mmWave UAV-ABSプロトタイプは、ダウンリンクおよびアップリンク両方向でギガビット/秒単位のデータレートを達成した。
• 若干の悪条件の天候下でも安定的かつ信頼性の高い通信が維持され、耐障害性が裏付けられた。
• マルチビームおよびマルチストリーム技術により、空間多重化と高いスペクトル効率が実現された。
• 実地試験により、実環境での展開状況においてmmWaveが高容量UAV通信に適していることが確認された。
• 高い移動性および再構成性を要件とする5G以降のモバイルネットワークにおいて、実用的かつ実現可能であることが示された。
• 世界で初めてのUAV-ABSプロトタイプが、大規模なmmWaveベースの空中ネットワークを成功裏に検証した。