[논문 리뷰] Survey on UAV Cellular Communications: Practical Aspects, Standardization Advancements, Regulation, and Security Challenges

Azade Fotouhi, Haoran Qiang외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 05.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 135인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 무인 항공기(UAV)를 셀룰러 네트워크에 통합하는 데 관한 종합적인 서베이를 제공하며, 실용적 UAV 유형, 간섭 관리, 비행 기지국, 표준화(3GPP), 규제 및 사이버-물리 보안을 다룹니다. 높은 고도에서의 간섭과 물리적 신뢰성 등의 주요 과제를 규명하고, UAV 보조 5G 네트워크 분야에서 진행 중인 산업 프로토타입과 학술 연구를 강조합니다.

ABSTRACT

The rapid growth of consumer Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is creating promising new business opportunities for cellular operators. On the one hand, UAVs can be connected to cellular networks as new types of user equipment, therefore generating significant revenues for the operators that can guarantee their stringent service requirements. On the other hand, UAVs offer the unprecedented opportunity to realize UAV-mounted flying base stations that can dynamically reposition themselves to boost coverage, spectral efficiency, and user quality of experience. Indeed, the standardization bodies are currently exploring possibilities for serving commercial UAVs with cellular networks. Industries are beginning to trial early prototypes of flying base stations or user equipments, while academia is in full swing researching mathematical and algorithmic solutions to address interesting new problems arising from flying nodes in cellular networks. In this article, we provide a comprehensive survey of all of these developments promoting smooth integration of UAVs into cellular networks. Specifically, we survey (i) the types of consumer UAVs currently available off-the-shelf, (ii) the interference issues and potential solutions addressed by standardization bodies for serving aerial users with the existing terrestrial base stations, (iii) the challenges and opportunities for assisting cellular communications with UAV-based flying relays and base stations, (iv) the ongoing prototyping and test bed activities, (v) the new regulations being developed to manage the commercial use of UAVs, and (vi) the cyber-physical security of UAV-assisted cellular communications.

연구 동기 및 목표

• 소비자 및 상업용 UAV를 기존 셀룰러 네트워크의 사용자 장비 및 비행 기지국으로 통합하는 데 분석하기.
• 고고도 UAV와 지상 기지국 간의 시야 간섭으로 인해 발생하는 간섭 문제를 규명하고 해결책을 제시하기.
• 4G 및 5G 네트워크에서 UAV를 지원하기 위해 3GPP에서 진행 중인 표준화 노력에 대해 서베이하기.
• 상업용 UAV 배치를 위한 규제 개혁 및 안전 우려 사항을 검토하기.
• UAV 보조 셀룰러 네트워크에서의 사이버-물리 보안 위협 및 시스템 신뢰성 문제를 조사하기.

제안 방법

• Parrot, DJI, Kogan 등의 플랫폼을 포함한 상용 UAV 및 그 기술 사양을 서베이하기.
• 간섭 모델 분석 및 상향/하향 간섭을 완화하기 위한 전력 제어 및 빔포밍 기법 제안하기.
• 배치, 이동성 및 궤적 계획 최적화를 통한 UAV 기반 비행 기지국(UAV-BS) 평가로 커버리지 및 스펙트럼 효율성 향상하기.
• 3GPP의 연구 항목 및 UAV 통신을 위한 표준화 로드맵 검토하기.
• FAA 및 EASA의 규제 프레임워크 평가로 공중 통제, 개인정보 보호 및 안전성에 중점을 두기.
• UAV-BS 및 UAV-UE 시스템에서의 스푸핑, 조작, 물리적 고장 위험 등의 사이버-물리 위협 식별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고고도 UAV는 기존 지상 셀룰러 네트워크의 간섭 수준에 어떤 영향을 미치며, 어떤 완화 기법이 제안되는가?
• RQ2 동적 네트워크 커버리지 향상 목적으로 UAV 기반 비행 기지국을 구현할 때 발생하는 주요 기술적 및 운영 과제는 무엇인가?
• RQ3 3GPP와 같은 표준화 기구는 4G 및 5G 셀룰러 네트워크에서 UAV 통합을 어떻게 대응하고 있는가?
• RQ4 공용 공역에서의 상업용 UAV 운영을 가능하게 하기 위해 개발 중인 규제 및 안전 프레임워크는 무엇인가?
• RQ5 UAV 보조 셀룰러 통신에서 주요 사이버-물리 보안 위협은 무엇이며, 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 3GPP는 셀룰러 네트워크에 UAV 통합을 탐색하기 위한 연구 항목을 시작했으며, 고고도 UAV에서의 시야 간섭으로 인한 상행 및 하행 간섭의 심각성을 규명했다.
• 기존 4G 시스템은 추가적인 간섭 관리 메커니즘을 통해 UAV를 수용할 수 있지만, 5G 및 그 이상 네트워크는 UAV 전용 과제를 더 잘 대응할 수 있다.
• Nokia 및 Ericsson과 같은 주요 벤더들이 현장 시험에서 프로토타입 UAV 기반 비행 기지국을 시연하여 동적 네트워크 배치의 실현 가능성을 입증했다.
• 학술 연구는 커버리지 및 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 UAV 궤적, 위치 및 이동성 최적화 알고리즘 개발에 적극적으로 기여하고 있다.
• 배터리 고갈, 바람에 의한 불안정성 및 충돌 위험과 같은 물리적 신뢰성 문제는 서비스 지속성을 확보하기 위해 시스템 설계 모델에 통합되어야 한다.
• 스푸핑, 조작 및 무단 액세스와 같은 새로운 보안 위협이 UAV 보조 셀룰러 네트워크에서 발생하고 있으며, 통합된 사이버-물리 방어 메커니즘이 필요로 한다.