无线通信里的 UAV

无线通信里的 UAV

Wireless Communications with Unmanned Aerial Vehicles: Opportunities and Challenges

1. 什么是无人机？

由于其高移动性和低成本，无人机（unmanned aerial vehicles，UAVs），也通常被称为

• drones
• remotely piloted aircrafts

在过去几十年里得到了广泛的应用。

历史上，无人机主要用于军事，主要部署在敌方领土，以减少飞行员的损失。随着成本的不断降低和设备的小型化，小型无人机（通常重量不超过25kg）现在更容易被公众使用；因此，民用和商业领域出现了许多新的应用，典型的例子包括

• 天气监测
• 森林火灾探测
• 交通控制
• 货物运输
• 紧急搜救
• 通信中继

无人机大致可分为

• 固定翼 Fixed-Wing
• 旋翼 Rotary-Wing

两类，各有优缺点。例如：

1. 固定翼无人机通常具有高速和可重载（high speed and heavy payload）等特点，但它们必须保持连续的向前运动才能保持在高空，因此不适合用例如近距离检查（close inspection）这样的固定位置类型应用（stationary applications）。

2. 相比之下，旋翼无人机（如四轴飞行器 quadcopters）虽然移动性和有效载荷有限，但能够向任何方向移动，并在空中保持静止。因此，无人机的选择在很大程度上取决于应用类型。

2. UAV & Radio

UAV 实现高速无线通信将在未来的通信系统中发挥重要的作用。

事实上，UAV 辅助的无线通信提供了一种很有前途的解决方案，可以为没有基础设施覆盖的设备提供无线连接，例如，由于城市或山区地形的严重遮挡，或自然灾害造成的通信基础设施的破坏。

请注意，除了无人机之外，无线连接的另一种解决方案是通过高空平台（如气球balloons），这些平台通常在距地球表面数十公里（tens of kilometers）的平流层中运行。
与基于 UAV 的低空平台相比，基于高空平台的通信比其具有几个优势，例如更大的覆盖范围和更长的续航（endurance）。

因此，对于为非常大的地理区域提供可靠的无线覆盖来说，一般首选使用高空平台。另一方面，与基于高空平台的通信或基于地面或卫星系统（terrestrial or satellite systems）的通信相比，使用低空无人机（通常在不超过几公里的高度 not exceeding several kilometers）进行无线通信也有几个重要的优势：

1. 首先，按需的无人机系统成本更低，部署更迅速，这使得它们特别适合于意外或有限时间的任务。
2. 此外，在低空无人机的帮助下，短程 LoS 通信链路可以在大多数情况下建立，这可能导致在源和目标之间的 直接通信 或 在长距离 LoS 链路上的高空平台中继上 的显著性能改进。
3. 无人机的可操控性（maneuverability）通过动态调整无人机状态以最佳适应通信环境，为性能提升提供了新的机会。此外，自适应通信（adaptive communications）可以与无人机移动控制（mobility control）相结合，进一步提高通信性能。

例如，当无人机体验到良好的地面终端信道时，除了可以以更高的速率发射外，还可以通过降低速度来保持良好的无线连接，从而向地面终端传输更多的数据。

无人机辅助无线通信的三个典型用例

• UAV-aided ubiquitous coverage
• UAV-aided relaying
• UAV-aided information dissemination and data collection

3. 哪些考虑

1. （保障无人机安全）首先，除了地面系统中的常规通信链路外，无人机系统还需要具有更严格延迟和安全要求的附加 control and non-payload communications（CNPC）链路，以支持安全关键功能如

   • real-time contro
   • collision
   • rash avoidance

   这需要更有效的资源管理和专为无人机通信系统设计的安全机制。

2. （无人机网络的可靠连接）此外，由于无人机系统的高移动性环境，通常会产生高度动态的网络拓扑结构，这些拓扑结构通常是稀疏且间断连接的。因此，有效的多无人机协调，或无人机群作业时，需要设计保证可靠的网络连接。同时，在设计新的通信协议时需要考虑到网络连接的稀疏性和间断性。

3. （无人机续航的衍生问题）另一个主要挑战来自无人机的（size, weight, and power） (SWAP) 约束，这可能限制它们的通信、计算和续航能力。为了解决这些问题，智能能源利用和补给（intelligent energy usage and replenishment）方案就需要开发一种能量感知（energy-aware）的 UAV 部署和操作机制。

4. （小区间干扰问题）最后，由于无人机的移动性，以及缺乏固定的回程链路和中心化控制，在启用了无人机的空中基站上，相邻小区之间的干扰协调比地面蜂窝系统更具挑战性。因此，有效的干扰管理技术是无人机辅助蜂窝网络中需要专门考虑的。

4. 系统模型

无人机无线通信的通用网络架构包括两种基本类型的通信链路

• CNPC 链路
• 数据链路

4.1 Control and Non-Payload Communications Link

CNPC links 对于确保所有无人机系统的安全运行至关重要。高可靠、低延迟和安全的双向通信（双向通信通常数据速率的要求较低）必须得到这些链路的支持，以便在无人机之间以及无人机和地面控制站（GCS）之间交换 safety-critical 的信息（GCS 例如是安装在地面车辆上的专用移动终端）。
主要的 CNPC 信息流可以大致分为三类：

• Command and control from GCS to UAVs
• Aircraft status report from UAVs to ground
• Sense-and-avoid information among UAVs

即使无人机是无人驾驶的，在没有实时人工控制的情况下，无人机可以仅依靠机载计算机完成任务。
如果需要紧急的人工干预，CNPC links 就是必要的。
我们没有考虑额外的 air traffic control (ATC) links，只有当无人机在管制空域（如机场附近）时才需要。

由于 CNPC 所支持的关键功能，该 links 一般应在受保护的频谱范围内运行。当前指定了两类频带：

• the L-band (960–977 MHz)
• the C-band (5030–5091 MHz)

此外，考虑延迟的因素，GCS 和无人机之间的直接链路总是首选（被称为 primary CNPC links），通过卫星的 secondary CNPC links 也可以作为备份（backup），以增强可靠性和鲁棒性。

CNPC links 的另一个关键要求是更高的安全性。特别是，应该使用有效的安全机制来避免所谓的幽灵控制（ghost control）场景，这是一种潜在的灾难性情况。在这种情况下，无人机是由未经授权的代理通过欺骗控制或导航信号控制的（controlled by unauthorized agents via spoofed control or navigation signals）。因此，CNPC links 应采用强大的认证技术，并可能辅以新兴的物理层安全技术。

4.2 Data Link

另一方面，数据链路的目的是针对地面终端提供任务相关的通信支持，根据应用场景的不同，地面终端可能包括

• 地面基站 (BS)
• 移动终端
• 网关节点
• 无线传感器等。

以 UAV-aided ubiquitous coverage为 例，无人机维护的数据链路需要支持以下通信模式：

• Direct mobile-UAV communication as for BS offloading or during complete BS malfunction
• UAV-BS and UAV-gateway wireless backhaul
• UAV-UAV wireless backhaul

这些数据链路的 capacity requirement 主要取决于应用类型，可能从 UAV-sensor links 的几 kbps 到 UAV-gateway wireless backhaul 的几十 Gbps 不等。与CNPC链路相比，数据链路通常在延迟和安全要求方面具有更高的容忍度（tolerance）。

在频谱方面，UAV 数据链路可以重复使用已分配给特定应用的现有频段，如，同时支持蜂窝网络覆盖的 LTE 频段，或者可以分配专用的新频段来提高性能，如，使用 mmWave、高容量 UAV-UAV 无线回程的波段。

5. 信道

CNPC & data links 都包括两类信道

• 无人机-地面 信道
• 无人机-无人机 信道

与广泛研究的地面通信信道相比，这两类信道具有一些独特的特性。

5.1 UAV-Ground Channel

虽然人们已经了解了用于航空应用的有人驾驶飞机的 air-ground channels，但 UAV-ground channels 的系统测量和建模工作仍是 ongoing。和有人驾驶的飞机系统不同，地面位置通常在开放区域有高高的天线塔，UAV-ground channels 由于更复杂的操作环境而更加复杂。

虽然在大多数情况下我们都希望会有 LoS 链路，但有时也会被地形、建筑物或机身本身（terrain, buildings, or the airframe）等障碍所阻挡。特别是，最近的测量表明，UAV-ground channels 可能遭受严重的 airframe shadowing，在飞机操纵（aircraft
maneuvering）期间长达数十秒，这需要考虑到关键任务操作（mission-critical operations）。

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Probabilistic LoS model: LoS probability increases with elevation angle $\theta =\frac{h}{R}$
$$P_{LOS}=\frac{1}{1+\alpha \exp \left(-\beta \left[\theta -\alpha \right]\right)}$$

$\beta$ and $\alpha$: S-curve parameters (constants) that depend on the environment (Accessing From The Sky: A Tutorial on UAV Communications for 5G and Beyond and Optimal LAP Altitude for Maximum Coverage)

Increasing LOS probability by increasing elevation angle or UAV’s altitude

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• 对于低空（low-altitude）无人机，由于山脉、地面、树叶等的反射、散射和衍射，UAV-ground channels 也可能构成多个多径成分。
• 对于在沙漠或海洋（desert or sea）上运行的无人机，由于 LoS 和表面反射路径的优势，主要考虑 two-ray model。
• 另一种广泛使用的模型是随机的 Rician fading model，该模型由确定性的 LoS 分量和具有一定统计分布的随机散射分量组成。根据地面终端周围的环境和采用的频率，UAV-ground channels 可以采用广泛变化的莱斯因子（in hilly terrain 在山区）：
  • 15 dB for L-band
  • 28 dB for C-band

5.2 UAV-UAV Channel

The UAV-UAV channels are mainly dominated by the LoS component.
尽管地面反射可能会导致非常少量的多径衰落，但与 UAV-ground / ground-ground 相比，其影响是最小的。

此外，UAV-UAV channel 可能比 UAV-ground counterparts 有更高的多普勒频率，由于 UAV 之间潜在的较大相对速度。这种信道特性直接影响 UAV-UAV 链路的频谱分配。一方面，LoS链路的优势可能意味着新兴的 mmWave 通信可以用于实现大容量 UAV-UAV 无线回程。另一方面，由于无人机之间的相对速度较高，加之 mmWave 频段的频率较高，会导致多普勒频移过大。

6. 我们可以做什么？

6.1 UAV 部署和路径规划

6.2 Energy-aware deployment and operation

6.3 MIMO for UAV

7. 利用无人机控制的移动性和通信的相互作用（Interplay）

7.1 UAV-enabled mobile relaying

7.2 D2D-enhanced UAV information dissemination

目标：deliver a bulky common file to a massive number of ground terminals scattered in a wide area（将大文件分发给分布在大面积区域内大量的终端设备）

方案：D2D enhanced information dissemination

• Phase I: limited UAV multicasting while flying, each terminal is likely to receive a (different) portion of the file

• Phase II: file sharing among ground terminals via D2D

• Advantages: offload UAV, saves flying time and energy, enhanced performance

• 设计问题：D2D文件共享和无人机路径/速度优化