[논문 리뷰] Cellular-Connected UAV: Potentials, Challenges and Promising Technologies

Yong Zeng, Jiangbin Lyu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 06.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 12인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 기존의 셀룰러 네트워크에 무인 항공기(드론)를 통합하여 고용량, 저지연, 신뢰성 있는 드론 통신을 위한 전환적 해결책으로 셀룰러 연결 드론을 제안한다. 3차원 다수 안테나(MIMO) 빔포밍이 스펙트럼 효율을 크게 향상시킴을 입증하며, 10架의 드론을 사용할 경우 5번째 백분위수 합산 속도를 약 30 Mbps에서 68 Mbps 이상으로 증가시킨다. 이는 혼합된 공중 및 지상 사용자를 포함하는 미래의 3차원 이질적 네트워크에서의 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 민간 드론 배치를 가능하게 하기 위해 고용량, 저지연, 초고신뢰성 드론-지상 통신을 해결하기 위한 긴급한 필요성을 충족시키기 위해.
• 로컬 라인(LoS) 링크에 의한 간섭 및 이동성 관리와 같은 셀룰러 연결 드론 시스템의 고유한 과제를 규명하기 위해.
• 미래의 3차원 이질적 네트워크를 위한 유망한 기술, 예를 들어 3차원 빔포밍, 밀리미터파, 셀룰러 지원 드론 군집 통신을 탐색하기 위해.
• 실제 드론 밀도 및 배치 시나리오를 반영한 시뮬레이션 기반의 시스템 성능 검증을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기존 셀룰러 네트워크에 드론을 공중 사용자 기지국(UE)으로 통합하여 광범위한 커버리지와 고급 무선 접근 기술을 활용하기 위해 제안한다.
• 기지국에서 균일 평면 어레이를 사용하는 3차원 다수 MIMO 시스템 모델을 적용하고, 최대 비율 전송(MRT) 빔포밍을 사용해 성능을 평가한다.
• 드론을 고도가 변하는(1.5–300 m) 것으로 모델링하고, 반경 1000 m 디스크 내에서 수평 위치를 균일하게 분포시킨다. 이는 고정 고도의 지상 사용자 기지국과 대비된다.
• 다양한 수의 드론과 빔포밍 기법에 대해 달성 가능한 합산 속도의 경험적 누적분포함수(CDF)를 사용해 시스템 스펙트럼 효율을 평가한다.
• 고정 안테나 패턴 빔포밍과 3차원 빔포밍을 비교하여 스펙트럼 효율 및 사용자 공정성 향상의 이점을 정량화한다.
• 경로 최적화, 밀리미터파 통신, 셀룰러 지원 드론 간 통신(U2U 네트워킹)을 향후 연구의 핵심 설계 방향으로 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드론을 셀룰러 네트워크에 통합함으로써 기존의 포인트 투 포인트 링크에 비해 통신 신뢰성, 용량, 커버리지가 어떻게 향상되는가?
• RQ2 로컬 라인(LoS) 지배적인 드론-기지국 채널로 인해 셀룰러 연결 드론의 주요 성능 제약, 특히 간섭과 스펙트럼 효율 측면에서 무엇이 되는가?
• RQ3 다양한 공중 및 지상 사용자 시나리오에서 3차원 빔포밍과 다수 MIMO를 통해 시스템 스펙트럼 효율과 공정성이 얼마나 향상되는가?
• RQ4 3차원 이질적 환경에서 확장 가능하고 안전하며 효율적인 셀룰러 연결 드론 네트워크를 실현하기 위해 가장 유망한 기술과 시스템 설계는 무엇인가?
• RQ5 어떻게 하면 셀룰러 백홀과 U2U 통신을 통해 드론 군집 운영을 효율적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 10대의 드론이 네트워크에 존재할 경우, 고정 안테나 패턴을 사용할 경우 약 30 Mbps 수준이었던 5번째 백분위수 사용자 기지국(UE) 합산 속도가 최대 비율 전송(MRT)을 사용하는 3차원 빔포밍로 인해 68 Mbps를 초과한다.
• 드론 수가 증가함에 따라 직접 연결된 기지국과의 강한 링크에도 불구하고, 비연결된 기지국과의 로컬 라인(LoS) 링크에 의한 간섭 증가로 인해 전체 시스템 스펙트럼 효율이 저하된다.
• 3차원 빔포밍은 간섭을 크게 완화하고 스펙트럼 효율을 향상시켜 고성능 셀룰러 연결 드론 시스템을 실현하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 기존의 매크로 셀 인fra를 재사용함으로써 셀룰러 연결 드론은 광범위한 액세스, 향상된 신뢰성, 보안성 및 비용 효율성 측면에서 두드러진 이점을 제공한다.
• 밀리미터파(mmWave) 통신은 유리한 로컬 라인(LoS) 전파 특성 덕분에 드론에 유망한 기술이지만, 고속 이동성과 차단 현상을 처리하기 위해 고도의 3차원 빔포밍 기술이 필요하다.
• 셀룰러 지원 드론 간 통신(U2U)과 다수 MIMO는 확장 가능하고 효율적인 드론 군집 운영을 실현하기 위한 타당한 솔루션으로 간주된다.