[논문 리뷰] Technological Trends and Key Communication Enablers for eVTOLs

Abdullah Abu Zaid, Baha Eddine Youcef Belmekki외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 17.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전기 수직 이륙 및 착륙(eVTOL) 항공기의 통신 능력을 위한 종합적인 통신 지원 기반 기술—아키텍처, 무선 인터페이스, 네트워킹, 주파수 대역, 보안, 계산 능력 등—을 제안한다. 비교 시뮬레이션을 통해 도시 환경에서 공중 기반 통신 인fra구조가 기존의 래디오 타워 기반 기반 시스템보다 우수한 신뢰성, 낮은 지연, 높은 데이터 전송 속도를 제공함을 입증하며, 안전하고 보안이 강화되고 자율 주행이 가능한 eVTOL 운영을 위한 필수 조건을 충족한다.

ABSTRACT

The world is looking for a new exciting form of transportation that will cut our travel times considerably. In 2021, the time has come for flying cars to become the new transportation system of this century. Electric vertical take-off and landing (eVTOL) vehicles, which are a type of flying cars, are predicted to be used for passenger and package transportation in dense cities. In order to fly safely and reliably, wireless communications for eVTOLs must be developed with stringent eVTOL communication requirements. Indeed, their communication needs to be ultra-reliable, secure with ultra-high data rate and low latency to fulfill various tasks such as autonomous driving, sharing a massive amount of data in a short amount of time, and high-level communication security. In this paper, we propose major key communication enablers for eVTOLs ranging from the architecture, air-interface, networking, frequencies, security, and computing. To show the relevance and the impact of one of the key enablers, we carried out comparative simulations to show the superiority compared to the current technology. We compared the usage of an air-based communication infrastructure with a tower mast in a realistic scenario involving eVTOLs, delivery drones, pedestrians, and vehicles.

연구 동기 및 목표

• eVTOL을 활용한 안전하고 확장 가능한 도시 항공 이동을 실현하기 위해 초고신뢰성, 저지연, 고보안, 고대역폭 무선 통신 시스템의 긴급한 필요성을 해결한다.
• eVTOL 운영을 위한 다층적 기술 요소—네트워크 아키텍처, 무선 인터페이스, 주파수 대역, 보안 프로토콜, 엣지 컴퓨팅—를 식별하고 평가한다.
• 혼잡한 도시 환경에서 혼합된 공중 및 지상 교통이 존재하는 상황에서 공중 기반 통신 인fra구조가 기존 탑 기반 시스템 대비 성능 우월성을 입증한다.
• 자율 비행, 실시간 데이터 공유, 고밀도 도시 공중 영역 내 보안 운영을 지원하는 향후 eVTOL 통신 시스템을 위한 통합 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 동적 자원 할당을 위해 소프트웨어 정의 네트워킹 기반의 고도화된 무선 인터페이스 설계, 밀리미터파 및 테라헤르츠 주파수 대역, 엣지 컴퓨팅 통합을 포함한 다층 통신 프레임워크를 제안한다.
• 고고도 플랫폼 또는 드론으로 구성된 공중 기반 통신 인fra구조를 도입하여 도시 환경에서 커버리지와 용량을 향상시킨다.
• eVTOL, 배달 드론, 보행자, 지상 차량을 포함한 현실적인 도시 환경을 모델링한 시뮬레이션 환경을 구현하여 시스템 성능을 평가한다.
• 블록 오류율, 지연, 스펙트럼 효율성과 같은 비교 시뮬레이션 지표를 사용하여 공중 기반 인fra구조를 기존 탑 기반 배치와 비교 평가한다.
• 통신 무결성과 위조 및 간섭 공격에 대한 저항력을 확보하기 위해 종단 간 암호화 및 인증 프로토콜을 포함한 보안 메커니즘을 통합한다.
• 자율 eVTOL 항법 및 교통 조율을 위한 실시간 의사결정을 가능하게 하기 위해 네트워크 엣지에 엣지 컴퓨팅 기능을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼잡한 도시 환경에서 eVTOL 운영에 있어 공중 기반 통신 인fra구조는 기존 탑 기반 시스템 대비 신뢰성과 지연 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 자율 eVTOL을 위한 초고신뢰성, 저지연, 고대역폭 통신을 달성하기 위해 필요한 주요 기술적 지원 기반은 무엇인가?
• RQ3 밀리미터파 및 테라헤르츠 주파수 대역은 eVTOL 네트워크의 엄격한 데이터 전송 속도 및 용량 요구사항을 어떻게 충족하는가?
• RQ4 엣지 컴퓨팅은 실시간 eVTOL 제어 및 교통 관리에 있어 종단 간 지연을 어떻게 줄이는가?
• RQ5 도시 항공 이동 네트워크에서 사이버 위협에 대응하기 위해 보안 메커니즘은 통신 스택에 어떻게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 공중 기반 통신 인fra구조는 다수의 공중 및 지상 사용자가 존재하는 고밀도 도시 지역에서 블록 오류율과 종단 간 지연을 크게 감소시켜 탑 기반 기반 시스템을 뛰어넘는 성능을 보인다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 아키텍처는 고밀도 교통 환경에서도 블록 오류율이 10^-5 이하로 유지되어 eVTOL 안전 기준을 충족함을 확인한다.
• 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역의 사용은 1 Gbps를 초과하는 데이터 전송 속도를 가능하게 하여 eVTOL에서 유도하는 고해상도 센서 및 항법 데이터의 실시간 전송을 지원한다.
• 엣지 컴퓨팅 통합으로 제어 루프 지연이 10 ms 이하로 감소하여 자율 비행 조작 및 충돌 회피에 대한 실시간 반응이 가능해진다.
• 제안된 보안 프레임워크는 강력한 인증 및 암호화 프로토콜을 통해 신호 위조 및 간섭 공격과 같은 일반적인 위협을 효과적으로 완화한다.
• 전반적인 시스템은 혼합 교통이 존재하는 도시 환경에서 확장성과 내구성을 입증하였으며, eVTOL, 배달 드론, 지상 차량 간의 공존을 지원한다.