[论文解读] Cooperation Techniques for A Cellular Internet of Unmanned Aerial Vehicles

Hongliang Zhang, Lingyang Song+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于感知-转发协议的协作式无人机蜂窝物联网，通过无人机间（U2U）链路中继传感数据，以在信道质量差的条件下提升服务质量（QoS）。通过联合优化轨迹设计与无线资源管理，该方案提升了系统总速率与可靠性，尤其适用于应急监控等关键应用。

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.

研究动机与目标

• 解决无人机在小区边缘或深度衰落区域时，蜂窝上行链路不可靠的问题，确保QoS无法保障的情况。
• 通过在蜂窝基础设施中引入无人机中继，实现无人机传感任务的可靠、低时延数据传输。
• 联合优化感知与通信过程，支持实时数据上传，同时不损害任务性能。
• 通过协作式U2U与U2N通信策略，提升频谱效率与系统总速率。
• 探索先进无线技术——大规模MIMO、毫米波及认知无线电——以支持未来可扩展性与QoS增强。

提出的方法

• 提出一种协作式感知-转发协议，无人机通过中继无人机传输传感数据，避免与基站之间的劣质直接链路。
• 设计协作无人机对的联合轨迹，以最大化U2U链路质量，同时支持感知任务。
• 实施协作式无线资源管理，包括子信道分配与功率控制，以减轻同频干扰。
• 在U2N链路中集成大规模MIMO，利用三维波束成形与空间复用技术，提升数据速率并降低干扰。
• 利用毫米波频段实现U2U链路，以实现高速率传输，同时借助定向波束成形克服路径损耗。
• 应用认知无线电原理，使无人机能够机会性地接入主蜂窝用户未使用的频谱，确保无人机与蜂窝业务的QoS。

实验结果

研究问题

• RQ1 无人机中继如何提升处于恶劣信道条件或深度衰落区域的无人机蜂窝上行链路的QoS？
• RQ2 何种联合轨迹设计策略可最大化协作式无人机-无人机及无人机-基站链路的性能？
• RQ3 在共享频谱环境中，如何高效管理无线资源，以最小化U2U与U2N链路之间的干扰？
• RQ4 大规模MIMO在空中蜂窝物联网背景下，如何提升U2N通信性能？
• RQ5 认知无线电技术如何在不降低主服务质量的前提下，实现无人机与蜂窝用户之间的频谱共享？

主要发现

• 与非协作式蜂窝无人机系统相比，该协作方案显著提升了系统总速率。
• 对协作无人机实施联合轨迹优化，可增强U2U链路可靠性，并降低数据传输的端到端时延。
• 通过子信道分配与功率控制实现的无线资源管理，能有效抑制共享频谱场景下的同频干扰。
• 在U2N链路中采用大规模MIMO可实现三维波束成形，提升频谱效率，并降低高速移动无人机环境中的小区间干扰。
• 毫米波频段可实现高容量U2U链路，但需谨慎应对无人机移动性带来的多普勒频移与波束阻塞问题。
• 基于认知无线电的接入方式使无人机能够机会性地使用频谱，降低网络拥塞，同时维持主蜂窝用户的服务质量。