[论文解读] Cellular-Connected UAV: Potentials, Challenges and Promising Technologies

Yong Zeng, Jiangbin Lyu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 12被引用 28

一句话总结

本文提出将无人机（UAV）通过蜂窝网络连接，作为实现高容量、低时延和高可靠无人机通信的变革性解决方案，通过将无人飞行器整合进现有蜂窝网络来实现。研究结果表明，三维大规模MIMO波束成形显著提升了频谱效率——在10架无人机的情况下，第5百分位和速率从约30 Mbps提升至超过68 Mbps，凸显其在融合空中与地面用户的未来三维异构网络中的潜力。

ABSTRACT

Enabling high-rate, low-latency and ultra-reliable wireless communications between unmanned aerial vehicles (UAVs) and their associated ground pilots/users is of paramount importance to realize their large-scale usage in the future. To achieve this goal, cellular-connected UAV, whereby UAVs for various applications are integrated into the cellular network as new aerial users, is a promising technology that has drawn significant attention recently. Compared to the conventional cellular communication with terrestrial users, cellular-connected UAV communication possesses substantially different characteristics that bring in new research challenges as well as opportunities. In this article, we provide an overview of this emerging technology, by firstly discussing its potential benefits, unique communication and spectrum requirements, as well as new design considerations. We then introduce promising technologies to enable the future generation of three-dimensional (3D) heterogeneous wireless networks with coexisting aerial and ground users. Last, we present simulation results to corroborate our discussions and highlight key directions for future research.

研究动机与目标

• 为应对大规模民用无人机部署所迫切需要的高容量、低时延和超可靠无人机-地面通信，提出解决方案。
• 识别蜂窝连接无人机系统中的独特挑战，包括视 Line-of-Sight (LoS) 链路引起的干扰以及移动性管理问题。
• 探索未来三维异构网络中具有前景的技术，如三维波束成形、毫米波通信及蜂窝辅助无人机蜂群通信。
• 通过仿真验证在真实无人机密度和部署场景下的系统性能。

提出的方法

• 提出将无人机作为空中用户设备（UE）集成进现有蜂窝网络，以利用其广泛覆盖和先进的无线接入技术。
• 采用基于基站处均匀平面阵列的三维大规模MIMO系统模型，并使用最大比率传输（MRT）波束成形评估性能。
• 对无人机建模时采用可变高度（1.5–300 m）和在半径1000 m圆盘内均匀分布的水平位置，与固定高度的地面UE形成对比。
• 使用可实现和速率的累积分布函数（CDF）评估不同无人机数量和波束成形方案下的系统频谱效率。
• 将固定波束赋形模式与三维波束成形进行对比，量化频谱效率和用户公平性的增益。
• 提出轨迹优化、毫米波通信及蜂窝辅助无人机间（U2U）网络作为未来研究的关键设计方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 将无人机集成进蜂窝网络后，与传统点对点链路相比，其在通信可靠性、容量和覆盖范围方面有何提升？
• RQ2 蜂窝连接无人机的关键性能限制是什么，特别是由于无人机-基站（UAV-BS）链路以视 Line-of-Sight (LoS) 为主，导致的干扰和频谱效率问题？
• RQ3 在混合空中与地面用户场景下，三维波束成形结合大规模MIMO能在多大程度上提升系统频谱效率和公平性？
• RQ4 在三维异构环境中，哪些最具前景的技术和系统设计能够实现可扩展、安全且高效的蜂窝连接无人机网络？
• RQ5 如何通过蜂窝回传和U2U通信高效支持无人机蜂群操作？

主要发现

• 当网络中存在10架无人机时，采用固定波束赋形模式的第5百分位用户设备（UE）和速率约为30 Mbps，而采用最大比率传输（MRT）的三维波束成形后，和速率提升至超过68 Mbps。
• 尽管无人机与关联基站之间存在更强的直接链路，但随着无人机数量增加，系统整体频谱效率因非关联基站之间的视 Line-of-Sight (LoS) 干扰增加而下降。
• 三维波束成形显著降低了干扰并提升了频谱效率，凸显其在构建高性能蜂窝连接无人机系统中的关键作用。
• 通过复用现有宏蜂窝基础设施，蜂窝连接无人机在普遍接入、增强可靠性、安全性和成本效益方面具有显著优势。
• 毫米波（mmWave）通信对无人机具有前景，因其具备有利的视 Line-of-Sight (LoS) 传播特性，但需要先进的三维波束成形技术以应对高移动性和遮挡问题。
• 蜂窝辅助无人机间（U2U）通信和大规模MIMO是实现可扩展且高效的无人机蜂群操作的可行解决方案。