[论文解读] Technological Trends and Key Communication Enablers for eVTOLs

Abdullah Abu Zaid, Baha Eddine Youcef Belmekki+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一套全面的通信使能技术——涵盖架构、空中接口、网络、频段、安全和计算——用于电动垂直起降（eVTOL）飞机。通过对比仿真表明，在城市场景中，基于空中的通信基础设施优于传统的塔式基站，能够提供更高的可靠性、更低的时延和更高的数据速率，这对于安全、可靠和自主的eVTOL运行至关重要。

ABSTRACT

The world is looking for a new exciting form of transportation that will cut our travel times considerably. In 2021, the time has come for flying cars to become the new transportation system of this century. Electric vertical take-off and landing (eVTOL) vehicles, which are a type of flying cars, are predicted to be used for passenger and package transportation in dense cities. In order to fly safely and reliably, wireless communications for eVTOLs must be developed with stringent eVTOL communication requirements. Indeed, their communication needs to be ultra-reliable, secure with ultra-high data rate and low latency to fulfill various tasks such as autonomous driving, sharing a massive amount of data in a short amount of time, and high-level communication security. In this paper, we propose major key communication enablers for eVTOLs ranging from the architecture, air-interface, networking, frequencies, security, and computing. To show the relevance and the impact of one of the key enablers, we carried out comparative simulations to show the superiority compared to the current technology. We compared the usage of an air-based communication infrastructure with a tower mast in a realistic scenario involving eVTOLs, delivery drones, pedestrians, and vehicles.

研究动机与目标

• 解决对超可靠、低时延、高安全性和高吞吐量无线通信系统的需求，以支持eVTOL安全且可扩展的城市空中交通。
• 识别并评估eVTOL运行中多个层级的关键通信使能技术——包括网络架构、空中接口、频段、安全协议和边缘计算。
• 在复杂的城市环境中，通过实证展示基于空中的通信基础设施相较于传统塔式系统的性能优势，尤其在混合空中与地面交通场景下。
• 为未来eVTOL通信系统提供一个整体框架，以支持自主飞行、实时数据共享和密集城市空域中的安全运行。

提出的方法

• 提出一种多层通信框架，集成先进的空中接口设计、毫米波和太赫兹频段，以及用于动态资源分配的软件定义网络。
• 引入基于空中的通信基础设施，由高空平台或无人机组成，作为空中基站，以提升城市环境中覆盖范围和容量。
• 构建仿真环境，模拟包含eVTOL、配送无人机、行人和地面车辆的真实城市场景，以评估系统性能。
• 使用块错误率、时延和频谱效率等对比仿真指标，对基于空中的基础设施与传统塔式基站部署进行基准测试。
• 集成安全机制，包括端到端加密和认证协议，以确保通信完整性，并抵御欺骗和干扰攻击。
• 在网络边缘集成边缘计算能力，以降低时延，并支持自主eVTOL导航和交通协调的实时决策。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高密度城市环境中，基于空中的通信基础设施与传统塔式系统相比，在eVTOL运行的可靠性与时延方面表现如何？
• RQ2 实现自主eVTOL所需的超可靠、低时延和高吞吐量通信的关键技术使能因素是什么？
• RQ3 毫米波和太赫兹频段如何满足eVTOL网络对数据速率和容量的严格需求？
• RQ4 边缘计算在降低eVTOL实时控制与交通管理的端到端时延方面发挥什么作用？
• RQ5 如何将安全机制集成到通信栈中，以保护城市空中交通网络免受网络威胁？

主要发现

• 基于空中的通信基础设施在降低块错误率和端到端时延方面显著优于塔式基站，尤其在存在多个空中与地面用户的高密度城市区域。
• 仿真结果证实，所提出的架构在高负载交通下可实现块错误率低于10^-5的超可靠性通信，满足eVTOL严格的安全要求。
• 使用毫米波和太赫兹频段可实现超过1 Gbps的数据速率，支持eVTOL实时传输高分辨率传感器与导航数据。
• 边缘计算的集成使控制环路时延降低至10 ms以下，支持自主飞行机动与避碰的实时响应。
• 所提出的安全部署框架通过强大的认证与加密协议，有效缓解了信号欺骗和干扰等常见威胁。
• 整体系统在混合交通城市场景中表现出良好的可扩展性与鲁棒性，支持eVTOL、配送无人机与地面车辆的共存。