[논문 리뷰] Cooperation Techniques for A Cellular Internet of Unmanned Aerial Vehicles

Hongliang Zhang, Lingyang Song외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 02.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 IoT 환경에서 UAV 간 U2U 링크를 통해 감지 데이터를 중계함으로써 열악한 채널 조건에서 QoS를 향상시키는 sense-and-send 프로토콜을 사용하는 협업형 무인항공기(UAV) 인터넷을 제안한다. 궤적 설계와 무선 자원 관리를 통합 최적화함으로써 시스템의 총 데이터율과 신뢰성을 향상시키며, 특히 비상 감시와 같은 핵심 응용 분야에서 유의미한 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are powerful Internet-of-Things components to provide sensing and communications in the air due to their advantages in mobility and flexibility. As aerial users, UAVs are envisioned to support various sensing applications in the next generation cellular systems, which have been studied by the Third Generation Partnership Project (3GPP). However, the Quality-of-Services (QoS) of the cellular link between the UAV and the base station may not be guaranteed when UAVs are at the cell edge or experiencing deep fading. In this article, we first introduce the non-cooperative cellular Internet of UAVs. Then we propose a cooperative sense-and-send protocol, in which a UAV can upload sensory data with the help of a UAV relay, to provide a better communication QoS for the sensing tasks. Key techniques including trajectory design and radio resource management that support the cooperative cellular Internet of UAVs are presented in detail. Finally, the extended cooperative cellular Internet of UAVs is discussed for QoS improvement with some open issues, such as massive multiple-input multiple-output systems, millimeter-wave, and cognitive communications.

연구 동기 및 목표

• 셀 엣지에 위치한 UAV나 깊은 fading 상태에서 직접 링크의 신뢰성이 떨어져 QoS를 보장할 수 없는 상황에서 셀룰러 업링크의 신뢰성을 높이기 위한 과제를 해결한다.
• 셀룰러 인fra에서 UAV 중계를 도입함으로써 UAV 감지 임무에 대한 신뢰성 있고 저지연 전송을 가능하게 한다.
• 감지 및 통신 프로세스를 통합 최적화하여 임무 성능을 저해하지 않으면서 실시간 데이터 업로드를 지원한다.
• 협업형 U2U 및 U2N 통신 전략을 통해 스펙트럼 효율성과 시스템 총 데이터율을 향상시킨다.
• 미래의 확장성과 QoS 향상을 위해 고도화된 무선 기술—맥스티브 MIMO, mmWave, 인지 무선—을 탐색한다.

제안 방법

• UAV가 직접 기지국에 연결하는 데 어려움을 겪을 경우, 중계 UAV를 통해 감지 데이터를 전송하는 협업형 sense-and-send 프로토콜을 제안한다.
• 협업 UAV 쌍의 공동 궤적을 설계하여 U2U 링크 품질을 극대화하면서도 감지 작업을 지원한다.
• 동일 대역 간 간섭을 완화하기 위해 서브채널 할당 및 전력 제어를 포함한 협업 무선 자원 관리를 구현한다.
• U2N 링크에 매크로 MIMO를 통합하여 3차원 빔포밍과 공간 Multiplexing 기능을 활용해 더 높은 데이터 전송 속도와 간섭 감소를 달성한다.
• U2U 링크에 밀리미터파 대역을 활용하여 고속 데이터 전송을 실현하며, 경로 손실을 보완하기 위해 방향성 빔포밍을 적용한다.
• 인지 무선 원리를 적용하여 UAV가 주요 셀룰러 사용자들이 사용하지 않는 스펙트럼을 유연하게 활용할 수 있도록 하여 UAV 및 셀룰러 트래픽 모두의 QoS를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 중계 기반 시스템은 어떤 방식으로 채널 조건이 열 劣한 UAV의 셀룰러 업링크 QoS를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 협업형 UAV-UAV 및 UAV-기지국 링크 성능을 극대화하기 위해 어떤 공동 궤적 설계 전략이 가장 효과적인가?
• RQ3 공유 스펙트럼 환경에서 U2U 및 U2N 링크 간 간섭을 최소화하기 위해 무선 자원을 어떻게 효율적으로 관리할 수 있는가?
• RQ4 맥스티브 MIMO는 항공 셀룰러 IoT 환경에서 U2N 통신 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 인지 무선 기법은 UAV와 셀룰러 사용자 간 스펙트럼 공유를 어떻게 가능하게 하며, 주요 서비스 품질을 저하시키지 않도록 하는가?

주요 결과

• 비협업형 셀룰러 UAV 시스템에 비해 협업형 기반 시스템에서 시스템 총 데이터율이 유의미하게 향상된다.
• 협업 UAV의 공동 궤적 최적화는 U2U 링크 신뢰성을 향상시키고 데이터 전송의 종단 간 지연을 감소시킨다.
• 서브채널 할당 및 전력 제어를 통한 무선 자원 관리 전략은 공유 스펙트럼 환경에서 동일 대역 간 간섭을 효과적으로 억제한다.
• U2N 링크에 매크로 MIMO를 적용하면 3차원 빔포밍이 가능해져 스펙트럼 효율성을 향상시키고 고속 이동 환경에서의 이웃셀 간섭을 줄인다.
• 밀리미터파 대역은 고용량 U2U 링크를 가능하게 하지만, UAV 이동성로 인한 도플러 시프트와 빔 차단 문제를 신중히 대처해야 한다.
• 인지 무선 기반 접근은 UAV가 스펙트럼을 유연하게 활용할 수 있도록 하여 혼잡도를 감소시키며, 동시에 주요 셀룰러 사용자에 대한 QoS를 유지한다.