[논문 리뷰] Accessing From The Sky: A Tutorial on UAV Communications for 5G and Beyond

Yong Zeng, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 13.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 215인용 수 70

한 줄 요약

이 논문은 5G 및 이후 세대를 위한 UAV 통신에 대한 포괄적 설문 및 튜토리얼을 제공하며, 두 가지 프레임워크(셀룰러 연결 UAV와 UAV 보조 무선 통신), 채널/안테나 모델, 및 결합 궤도-통신 설계를 자세히 다룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 그 이후의 셀룰러 네트워크에서 UAV의 역할을 동기 부여하고 맥락화한다.
• 두 가지 주요 UAV 통신 패러다임: 셀룰러 연결 UAV와 UAV 보조 무선 통신을 제시한다.
• 기본 모델(채널, 안테나, 에너지)과 궤도 및 통신 설계의 결합을 위한 통합 프레임워크를 제공한다.
• 간섭 관리 및 보안을 포함한 UAV 통신의 설계 기회, 도전 과제 및 향후 연구 방향을 논의한다.
• 커버리지, 신뢰성 및 효율성을 향상시키기 위한 3D 모빌리티와의 UAV 통합 가능성을 강조한다.

제안 방법

• UAV 궤도 설계와 통신 최적화를 결합한 통합 수학적 프레임워크를 소개한다.
• UAV 시나리오에 맞춘 공-지 채널 및 안테나 모델을 검토한다.
• 추진 에너지와 통신 에너지를 포함한 UAV 에너지 소모를 특성화한다.
• QoS 및 효율성 최적화를 위한 UAV 모빌리티와 3D 배치에서의 설계 자유도(DoF)를 논의한다.
• 셀룰러 연결 및 UAV 보조 패러다임에서 공-지 간섭을 분석하고 완화 방안을 제시한다.
• 에너지 효율적인 설계 고려사항과 잠재적 학습 기반 궤도 최적화 접근법을 개요한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 성능 분석 및 설계를 위해 UAV 공-지 채널을 어떻게 모델링해야 하는가?
• RQ2 QoS 및 효율성을 개선하기 위해 UAV의 궤도/배치를 통신 스케줄링과 함께 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ3 셀룰러 네트워크에서 UAV를 공중 사용자로 통합하는 것과 공중 플랫폼으로 통합하는 것의 주요 도전과 기회는 무엇인가?
• RQ4 UAV-enabled 5G 및 그 이후 네트워크에서 간섭, 보안 및 SWAP 제약은 어떻게 관리할 수 있는가?
• RQ5 향후 연구 방향(예: 학습 기반 방법)이 UAV 통신에 대해 가장 유망한 것은 무엇인가?

주요 결과

• UAV 궤도 설계와 통신의 공동 설계에 대한 통합 프레임워크를 제공하여 UAV 보조 패러다임과 셀룰러 연결 패러다임 모두에 적용 가능하다.
• 고고도 LoS-지배 채널을 기회(신뢰 가능한 링크, 매크로 다이버시티)로서와 도전(간섭, 보안 위협)으로 모두 식별한다.
• SWAP 제약에 대처하기 위한 3D 배치/궤도 설계 및 에너지 효율적인 하드웨어의 필요성을 강조한다.
• 셀룰러 네트워크(5G/6G) 활용의 가능성을 논의하며 UAV 연결 및 위치 서비스의 범용성을 높인다.
• 동적 네트워크를 다루기 위한 학습 기반 UAV 궤도 최적화 및 통신 설계의 기회를 제시한다.
• UAV를 셀룰러 네트워크에 통합하기 위한 기존 현장 시험, 표준화 노력 및 계층 간 설계 고려사항을 요약한다.