[논문 리뷰] Millimeter-Wave for Unmanned Aerial Vehicles Networks: Enabling Multi-Beam Multi-Stream Communications

Yiming Huo, Xiaodai Dong|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 13인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 고용량 공중 네트워워크를 위한 다중빔, 다중스트림 통신을 가능하게 하는 밀리미터파(mmWave) 무인 항공기(UAV) 공중 기지국(ABS) 프로토타입을 제안한다. 현장 시험을 통해 온화한 기상 조건에서 안정적인 기가비트/초 이상의 다운링크 및 업링크 데이터 전송 속도를 입증하여, 5G 및 그 이상의 애플리케이션을 위한 mmWave UAV 통신의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차세대 시스템에서 고용량, 재구성 가능하며 이동성이 뛰어난 무선 네트워크의 필요성을 해결하기 위해.
• UAV 기반 mmWave 통신에서의 시스템 수준 및 하드웨어적 과제를 조사하기 위해.
• 다중빔 및 다중스트림 전송을 지원하는 mmWave UAV 공중 기지국(ABS)을 설계하고 프로토타입화하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 실현 가능한 조건에서 제안된 UAV-ABS의 성능을 검증하기 위해.
• mmWave가 신뢰성 있고 고대역폭의 UAV 통신에 적합한지 입증하기 위해.

제안 방법

• 밀리미터파 대역에서 작동하는 mmWave UAV 공중 기지국(ABS)의 설계 및 구현.
• 다중 데이터 스트림을 공간적으로 다중화하기 위해 다중빔 beamforming 기법을 활용.
• 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도 향상을 위해 다중스트림 전송 기술을 활용.
• 동적 UAV 이동성과 라인오브사이트 링크 유지에 대응하기 위해 적응형 beamforming 및 beam 트래킹 통합.
• 약간의 도전적인 기상 조건에서 실시간 데이터 수집을 수행한 현장 시험 실시.
• 측정된 성능 지표를 사용하여 다운링크 및 업링크 대역폭, 안정성 및 신뢰성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 대역은 UAV 네트워크에서 고용량, 안정적이고 신뢰성 있는 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ2 다중빔 및 다중스트림 기법은 UAV-ABS 시스템에서 스펙트럼 효율성을 얼마나 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 실제 환경 조건에서 mmWave UAV 통신의 실제 성능 한계는 무엇인가?
• RQ4 프로토타입 UAV-ABS는 현장 시험에서 기가비트/초 이상의 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 UAV 이동성과 중간 수준의 기상 변화 상황에서 시스템은 어떻게 링크 신뢰성을 유지하는가?

주요 결과

• mmWave UAV-ABS 프로토타입은 다운링크 및 업링크 양 방향에서 기가비트/초 이상의 데이터 전송 속도를 달성하였다.
• 온화한 기상 조건에서도 안정적이고 신뢰할 수 있는 통신이 유지되어 내구성을 입증하였다.
• 다중빔 및 다중스트림 기법은 공간 다중화 및 높은 스펙트럼 효율성을 성공적으로 실현하였다.
• 현장 시험을 통해 mmWave 기반 고용량 UAV 통신의 실현 가능성이 실제 구현 환경에서 확인되었다.
• 고속 이동성과 재구성 가능성이 요구되는 5G 및 그 이상의 모바일 네트워크에 대해 실용적인 타당성을 입증하였다.
• 세계 최초로 mmWave 기반 공중 네트워킹을 대규모로 성공적으로 검증한 UAV-ABS 프로토타입이 성공적으로 구현되었다.