Wireless Communications with Unmanned Aerial Vehicles: Opportunities and Challenges

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

广泛应用于过去几十年。

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，民用和商业领域有许多新的应用，包括典型的例子

• 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

无人机大致可以分为

• 固定翼 Fixed-Wing
• 旋翼 Rotary-Wing

各有优缺点。

1. 固定翼无人机通常有高速和可重载（high speed and heavy payload）但它们必须保持持续的向前运动才能保持在高空，因此不适合近距离检查（close inspection）这种固定位置类型的应用（stationary applications）。

2. 相比之下，旋翼无人机(如四轴飞机) quadcopters）虽然移动性和有效载荷有限，但它可以向任何方向移动，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。

UAV 高速无线通信的实现将在未来的通信系统中发挥重要作用。

事实上，UAV 辅助无线通信提供了一个非常有前途的解决方案，可以为没有基础设施覆盖的设备提供无线连接，如城市或山区地形严重堵塞或自然灾害造成的通信基础设施损坏。

请注意，除无人机外，无线连接的另一个解决方案是通过高空平台（如气球balloons），这些平台通常离地球表面几十公里（tens of kilometers）在平流层中运行。
与基于 UAV 的低空平台相比，基于高空平台通信有几个优点，比如覆盖面更大，续航时间更长（endurance）。

因此，一般首选为非常大的地理区域提供可靠的无线覆盖高空平台。另一方面，与基于高空平台基于地面或卫星系统的通信（terrestrial or satellite systems）与通信相比，使用低空无人机(通常高度不超过几公里) not exceeding several kilometers）无线通信也有几个重要优势:

1. 首先，按需的无人机系统成本更低，部署更迅速，这使得它们特别适用于事故或有限时间的任务。
2. 此外，在低空无人机的帮助下，短程 LoS 在大多数情况下，可以建立通信链路，这可能导致源与目标之间的关系 直接通信 或 在长距离 LoS 链路上的高空平台中继上 性能显著提高。
3. 无人机的可操控性（maneuverability）通过动态调整无人机状态，最好适应通信环境，为提高性能提供了新的机会。此外，自适应通信（adaptive communications）可与无人机移动控制（mobility control）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通道时，它不仅可以以更高的速度发射，还可以通过降低速度来保持良好的无线连接，从而将更多的数据传输到地面终端。

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

1. （确保无人机安全）首先，无人机系统除了地面系统中的常规通信链路外，还需要更加严格延迟和安全要求的附加 control and non-payload communications（CNPC）支持安全关键功能，如链路

   • real-time contro
   • collision
   • rash avoidance

   这需要更有效的资源管理和专门为无人机通信系统设计的安全机制。

2. （无人机网络可靠连接）此外，由于无人机系统的高移动环境，通常会产生高度动态的网络拓扑结构，通常是稀疏间断连接因此，有效多无人机协调，或者无人机组运行时，需要设计可靠的网络连接。同时，在设计新的通信协议时，需要考虑网络连接的稀疏性和间歇性。

3. （无人机续航衍生问题）另一个主要挑战来自无人机（size, weight, and power） (SWAP) 限制它们的通信、计算和耐力。为了解决这些问题，智能能源的利用和供应（intelligent energy usage and replenishment）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集中控制，相邻社区之间的干扰协调比地面蜂窝系统更具挑战性。因此，无人机辅助蜂窝网络需要特别考虑有效的干扰管理技术。

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

CNPC links 确保所有无人机系统的安全运行至关重要。这些链路必须支持高可靠、低延迟和安全的双向通信（通常对双向通信的数据速率要求较低），以便在无人机、无人机和地面控制站之间（GCS）之间交换 safety-critical 的信息（GCS 例如，安装在地面车辆上的专用移动终端）。
主要的 CNPC 信息流大致可分为三类：

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

即使无人机无人驾驶，无人机也可以在没有实时人工控制的情况下使用仅依靠机载计算机完成任务。
如需紧急人工干预，CNPC links 有必要。
我们没有考虑额外的 air traffic control (ATC) links，只有无人机在控制空域(如机场附近)时才需要。

由于 CNPC 支持的关键功能， links 一般应在受保护的频谱范围内运行。目前指定了两种频带：

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

另外，考虑延迟因素，GCS 与无人机的直接链路总是首选(称为 primary CNPC links），通过卫星的 secondary CNPC links 也可作为备份（backup），提高可靠性和鲁棒性。

CNPC links 另一个关键要求是更高的安全性。特别是要采用有效的安全机制，避免所谓的幽灵控制（ghost control）这是一种潜在的灾难性情况。在这种情况下，无人机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。

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

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。

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）。

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

• 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

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。

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