[论文解读] Accessing From The Sky: A Tutorial on UAV Communications for 5G and Beyond

Yong Zeng, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 215被引用 70

一句话总结

本论文提供对5G及更高代 UAV 通信的综合综述与教程，详细介绍两个框架（蜂窝连接的无人机与无人机辅助无线通信）、信道/天线模型，以及联合作用轨迹-通信设计。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have found numerous applications and are expected to bring fertile business opportunities in the next decade. Among various enabling technologies for UAVs, wireless communication is essential and has drawn significantly growing attention in recent years. Compared to the conventional terrestrial communications, UAVs' communications face new challenges due to their high altitude above the ground and great flexibility of movement in the three-dimensional (3D) space. Several critical issues arise, including the line-of-sight (LoS) dominant UAV-ground channels and resultant strong aerial-terrestrial network interference, the distinct communication quality of service (QoS) requirements for UAV control messages versus payload data, the stringent constraints imposed by the size, weight and power (SWAP) limitations of UAVs, as well as the exploitation of the new design degree of freedom (DoF) brought by the highly controllable 3D UAV mobility. In this paper, we give a tutorial overview of the recent advances in UAV communications to address the above issues, with an emphasis on how to integrate UAVs into the forthcoming fifth-generation (5G) and future cellular networks. In particular, we partition our discussions into two promising research and application frameworks of UAV communications, namely UAV-assisted wireless communications and cellular-connected UAVs,where UAVs serve as aerial communication platforms and users, respectively. Furthermore, we point out promising directions for future research and investigation.

研究动机与目标

• 阐明并将无人机在5G及更高代蜂窝网络中的作用放在背景中。
• 提出两种主要的无人机通信范式：蜂窝连接的无人机和无人机辅助无线通信。
• 提供基本模型（信道、天线、能量）和用于联合作轨迹与通信设计的统一框架。
• 讨论无人机通信的设计机会、挑战及未来研究方向，包括干扰管理和安全性。
• 强调将 UAV 与三维移动性结合以提升覆盖、可靠性和效率的潜力。

提出的方法

• 引入用于无人机轨迹设计与通信优化的统一数学框架。
• 回顾适用于 UAV 情景的空地信道与天线模型。
• 表征无人机能耗，包括推进动力能耗与通信能耗。
• 讨论从无人机机动性与三维布置得到的设计自由度，以优化 QoS 与效率。
• 分析空地干扰并在蜂窝连接与无人机辅助范式中提出缓解方法。
• 概述节能设计考虑因素与潜在的基于学习的轨迹优化方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 应如何对 UAV 空地信道进行建模，以便进行准确的性能分析与设计？
• RQ2 如何将 UAV 的轨迹/部署与通信调度联合优化以提升 QoS 与效率？
• RQ3 在蜂窝网络中将 UAV 作为空中用户与作为空中平台集成时，关键挑战与机遇是什么？
• RQ4 在支持 UAV 的5G及更高网络中，如何管理干扰、安全性和 SWAP（尺寸、重量、功耗）约束？
• RQ5 哪些未来研究方向（如基于学习的方法）对无人机通信最具前景？

主要发现

• 提供一个统一的 UAV 轨迹与通信协同设计框架，适用于 UAV 辅助与蜂窝连接范式。
• 识别高海拔 LoS 主导信道既是机遇（可靠链路、宏观多样性）也是挑战（干扰、安全威胁）。
• 强调需要进行 3D 布置/轨迹设计和能耗/硬件为节省资源约束而设计的必要性，以应对 SWAP（尺寸、重量、功耗）约束。
• 讨论利用蜂窝网络（5G/6G）实现无处不在的 UAV 连接与定位服务的潜力。
• 概述在学习驱动的 UAV 轨迹优化与通信设计中处理动态网络的机会。
• 总结现有的实地试验、标准化工作和用于将 UAV 集成到蜂窝网络中的跨层设计考量。