[논문 리뷰] A Survey on Millimeter-Wave Beamforming Enabled UAV Communications and Networking

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 313인용 수 8

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 무인 항공기(UAV) 통신에서 밀리미터파(mmWave) 빔포밍에 대해 체계적으로 분석하며, 시스템 잠재력, 채널 모델링, 안테나 구조, 네트워킹 기술을 포함한다. mmWave-UAV 릴레이 및 셀룰러 네트워크의 핵심 과제와 해결책을 규명하고, 향후 빔포밍, 에너지 효율성, 통합 레이더-통신 시스템 분야의 연구 방향도 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속, 저지연 응용을 위한 mmWave 통신을 UAV 플랫폼에 통합하는 데 있어 기술적 잠재력과 핵심 과제를 분석하기 위해.
• UAV에 특화된 mmWave 안테나 구조와 채널 모델링 기법을 검토하며, 3차원 빔포밍 및 전파 특성도 포함한다.
• UAV 기반 mmWave 셀룰러 네트워크를 위한 enabling 기술을 검토한다. 빔 커버리지, 백홀, 공중 릴레이, 공중 사용자 장비 지원을 포함한다.
• mmWave-UAV 애드혹 네트워크의 설계 및 성능을 조사한다. 네트워크 아키텍처, 이웃 장치 탐지, 라우팅, 보안을 포함한다.
• 에너지 수확, 공동 레이더-통신 시스템, 공중 및 해양 통합 통신을 포함한 열린 연구 과제와 향후 방향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 최근 연구에서의 하드웨어, 전파, 네트워킹에 관한 통합된 결과를 바탕으로, UAV 통신에서의 mmWave 빔포밍에 대한 체계적 서베이를 수행한다.
• UAV에 적합한 mmWave 안테나 구조를 검토하며, 고주파 대역에서 3차원 빔포밍을 위한 소형, 고이득 어레이에 중점을 둔다.
• mmWave-UAV 채널 모델을 분석하며, 시야(LoS) 우세성, 고도에 따른 경로 손실, 대기 영향을 고려한다.
• 이동성 대응을 위한 빔 트레이닝, 빔 선택, 빔 관리 기법을 포함한, UAV 기반 mmWave 셀룰러 네트워크의 빔포밍 기술을 평가한다.
• 하이브리드 sub-6 GHz/mmWave 운영을 포함한, mmWave-UAV 애드혹 네트워크의 자원 할당, 라우팅, 보안 메커니즘을 검토한다.
• 향후 연구 방향으로 공동 레이더-통신 시스템, 에너지 수확, 공중 및 해양 통합 네트워크를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 빔포밍은 높은 경로 손실과 차단 문제를 어떻게 극복하면서도 고속 데이터 전송을 지원할 수 있는가?
• RQ2 UAV-지상, UAV-비행기, UAV-비행기 간 링크 간 mmWave 채널 특성의 주요 차이는 무엇인가?
• RQ3 이동 중 사용자 장비를 위한 빔 관리, 백홀, 공중 릴레이를 통해 UAV는 어떻게 효과적으로 mmWave 셀룰러 네트워크를 지원할 수 있는가?
• RQ4 이웃 장치 탐지, 라우팅, 보안 측면에서 mmWave-UAV 애드혹 네트워크의 주요 과제와 설계 원칙은 무엇인가?
• RQ5 공동 레이더-통신, 에너지 수확, 공중 및 해양 통합을 포함한 향후 연구 방향 중 mmWave-UAV 시스템에서 가장 유망한 것은 무엇인가?

주요 결과

• mmWave 대역은 VR, AR, 스마트 시티와 같은 새로운 UAV 응용 분야의 초고속 데이터 전송 요구를 충족시킬 수 있는 풍부한 스펙트럼을 제공한다.
• UAV는 높은 시야(LoS) 확률을 확보할 수 있어, 방향성 mmWave 빔포밍에 유리한 전파 조건을 제공한다.
• mmWave 대역의 높은 경로 손실과 차단 문제는 신뢰성 있는 UAV 통신을 위해 고도의 빔포밍 및 빔 관리 기술이 필요하다.
• UAV에 탑재된 소형, 고이득 mmWave 안테나 어레이를 통해 효과적인 3차원 빔포밍이 가능해져 스펙트럼 효율성과 링크 신뢰성이 향상된다.
• UAV는 지상 mmWave 셀룰러 네트워크를 보완하기 위해 공중 기지국 또는 릴레이 역할을 하여, 원거리 또는 재난 영향 지역의 커버리지 및 용량을 향상시킬 수 있다.
• 에너지 수확, 공동 레이더-통신 시스템, 공중 및 해양 통합 네트워크 분야에 여전히 열린 과제가 존재하며, 실용적 구현을 위해 추가 연구가 필요하다.