[论文解读] A Survey on Millimeter-Wave Beamforming Enabled UAV Communications and Networking

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 313被引用 8

一句话总结

本综述对无人机（UAV）通信中的毫米波（mmWave）波束成形进行了全面分析，涵盖系统潜力、信道建模、天线结构及网络技术。它识别了mmWave-UAV蜂窝网络与自组织网络中的关键挑战与解决方案，为波束成形、能效以及雷达-通信一体化系统等未来研究提供了路线图。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have found widespread commercial, civilian, and military applications. Wireless communication has always been one of the core technologies for UAV. However, the communication capacity is becoming a bottleneck for UAV to support more challenging application scenarios. The heavily-occupied sub-6 GHz frequency band is not sufficient to meet the ultra high-data-traffic requirements. The utilization of the millimeter-wave (mmWave) frequency bands is a promising direction for UAV communications, where large antenna arrays can be packed in a small area on the UAV to perform three-dimensional (3D) beamforming. On the other hand, UAVs serving as aerial access points or relays can significantly enhance the coverage and quality of service of the terrestrial mmWave cellular networks. In this paper, we provide a comprehensive survey on mmWave beamforming enabled UAV communications and networking. The technical potential of and challenges for mmWave-UAV communications are presented first. Then, we provide an overview on relevant mmWave antenna structures and channel modeling. Subsequently, the technologies and solutions for UAV-connected mmWave cellular networks and mmWave-UAV ad hoc networks are reviewed, respectively. Finally, we present open issues and promising directions for future research in mmWave beamforming enabled UAV communications and networking.

研究动机与目标

• 分析将毫米波通信与无人机平台集成的技术潜力及关键挑战，以支持高容量、低时延的应用。
• 回顾适用于无人机的毫米波天线结构与信道建模技术，包括三维波束成形与传播特性。
• 研究无人机连接的毫米波蜂窝网络的使能技术，如波束覆盖、回传、空中中继以及对空中用户设备的支持。
• 研究毫米波-UAV自组织网络的设计与性能，包括网络架构、邻居发现、路由与安全机制。
• 识别开放的研究问题与未来方向，包括能量采集、雷达-通信一体化系统以及空海一体化通信。

提出的方法

• 对无人机通信中的毫米波波束成形进行系统性综述，综合近期关于硬件、传播与网络技术的研究成果。
• 回顾适用于无人机的毫米波天线结构，强调在高频段实现三维波束成形的紧凑型高增益阵列。
• 分析考虑视 Line-of-Sight（LoS）主导、仰角相关路径损耗及大气影响的毫米波-UAV信道模型。
• 评估无人机连接的毫米波蜂窝网络中的波束成形技术，包括波束训练、波束选择与移动性管理的波束管理。
• 研究毫米波-UAV自组织网络中的资源分配、路由与安全机制，包括子-6 GHz/毫米波混合操作。
• 提出未来研究方向，如雷达-通信一体化系统、能量采集以及空海一体化网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在支持高数据速率的同时，克服无人机通信中毫米波的高路径损耗与遮挡问题？
• RQ2 UAV与地面、UAV与UAV以及UAV与飞机之间的毫米波信道特性有何关键差异？
• RQ3 无人机如何通过空中中继、回传与波束管理技术，有效支持移动用户设备的毫米波蜂窝网络？
• RQ4 在邻居发现、路由与安全方面，毫米波-UAV自组织网络面临的主要挑战与设计原则是什么？
• RQ5 未来研究方向中，如雷达-通信一体化、能量采集与空海一体化等，哪些最有可能推动毫米波-UAV系统的发展？

主要发现

• 毫米波频段提供了丰富的频谱，可满足新兴无人机应用（如VR、AR与智慧城市）对超高速率的需求。
• 无人机可实现较高的视 Line-of-Sight（LoS）概率，为定向毫米波波束成形提供有利的传播条件。
• 毫米波频段的高路径损耗与遮挡问题，要求采用先进的波束成形与波束管理技术以保障无人机通信的可靠性。
• 无人机上紧凑的高增益毫米波天线阵列可实现有效的三维波束成形，提升频谱效率与链路可靠性。
• 无人机可通过作为空中基站或中继站，增强陆地毫米波蜂窝网络，在偏远或灾后区域提升覆盖与容量。
• 能量采集、雷达-通信一体化系统以及空海一体化网络等方面仍存在开放挑战，需进一步研究以实现实际部署。