[论文解读] A Survey on Cellular-connected UAVs: Design Challenges, Enabling 5G/B5G Innovations, and Experimental Advancements

Debashisha Mishra, Enrico Natalizio|arXiv (Cornell University)|May 2, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 168被引用 152

一句话总结

本文综述了在5G/B5G中蜂窝连接的 UAVs（UAVs 作为空中 UE），概述了集成挑战、5G 创新、测试平台和社会经济因素。

ABSTRACT

As an emerging field of aerial robotics, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have gained significant research interest within the wireless networking research community. As soon as national legislations allow UAVs to fly autonomously, we will see swarms of UAV populating the sky of our smart cities to accomplish different missions: parcel delivery, infrastructure monitoring, event filming, surveillance, tracking, etc. The UAV ecosystem can benefit from existing 5G/B5G cellular networks, which can be exploited in different ways to enhance UAV communications. Because of the inherent characteristics of UAV pertaining to flexible mobility in 3D space, autonomous operation and intelligent placement, these smart devices cater to wide range of wireless applications and use cases. This work aims at presenting an in-depth exploration of integration synergies between 5G/B5G cellular systems and UAV technology, where the UAV is integrated as a new aerial User Equipment (UE) to existing cellular networks. In this integration, the UAVs perform the role of flying users within cellular coverage, thus they are termed as cellular-connected UAVs (a.k.a. UAV-UE, drone-UE, 5G-connected drone, or aerial user). The main focus of this work is to present an extensive study of integration challenges along with key 5G/B5G technological innovations and ongoing efforts in design prototyping and field trials corroborating cellular-connected UAVs. This study highlights recent progress updates with respect to 3GPP standardization and emphasizes socio-economic concerns that must be accounted before successful adoption of this promising technology. Various open problems paving the path to future research opportunities are also discussed.

研究动机与目标

• 对在5G/B5G中蜂窝连接的 UAVs 的应用与用例进行分类和映射。
• 分析将 UAVs 作为空中 UE 集成到蜂窝网络中的设计挑战与技术要求。
• 突出5G/B5G 架构创新、网络虚拟化，以及用于 UAV 连接的实际原型化努力。
• 总结影响采用的正在进行的标准化、监管和社会经济因素。

提出的方法

• 回顾并综合现有文献，重点关注基于蜂窝辅助 UAV 的范式。
• 给出由蜂窝连接支持的 UAV 应用和用例的分类。
• 讨论与蜂窝网络中 UAV 相关的 3D 覆盖、UAV-地面信道特性、移动性和干扰管理。
• 调查5G/B5G 创新及其对 UAV 连接的适用性，包括测试平台和现场试验。
• 概述影响部署的标准化活动和社会经济因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G/B5G网络中，蜂窝连接的 UAV 的主要应用领域和用例有哪些？
• RQ2 作为空中UE 运行的 UAV 在覆盖、信道模型、干扰、移动性等方面的关键集成挑战是什么？
• RQ3 哪些5G/B5G 创新（架构、虚拟化、切片、PHY 改进）对蜂窝连接的 UAV 影响最大？
• RQ4 在蜂窝网络中 UAV 连接的实验原型、现场试验和测试平台的现状是？
• RQ5 为实现广泛采用必须解决哪些标准化、监管和社会经济问题？

主要发现

• UAVs 可以作为飞行基站、中继或空中 UE 来扩展蜂窝网络能力。
• 蜂窝连接的 UAV 通过授权频谱实现 BVLoS 操作，具有实现可靠、低时延连接的潜力。
• 3D 覆盖模型、UAV-地面信道以及干扰管理是关键设计考虑因素。
• 5G/B5G 创新，如网络虚拟化、网络切片、MEC 与 PHY 改进，对 UAV 连接具有相关性。
• 存在活跃的实验测试平台和现场试验，展示了原型化进展以及理论与部署之间的差距。
• 标准化、监管和社会经济因素对蜂窝连接 UAV 的采用至关重要。