A Survey on Cellular-connected UAVs: Design Challenges, Enabling 5G/B5G Innovations, and Experimental Advancements

As an emerging field of aerial robotics, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have gained significant research interest within the wireless networking research community. As soon as national legislations allow UAVs to fly autonomously, we will see swarms of UAV populating the sky of our smart cities to accomplish different missions: parcel delivery, infrastructure monitoring, event filming, surveillance, tracking, etc. The UAV ecosystem can benefit from existing 5G/B5G cellular networks, which can be exploited in different ways to enhance UAV communications. Because of the inherent characteristics of UAV pertaining to flexible mobility in 3D space, autonomous operation and intelligent placement, these smart devices cater to wide range of wireless applications and use cases. This work aims at presenting an in-depth exploration of integration synergies between 5G/B5G cellular systems and UAV technology, where the UAV is integrated as a new aerial User Equipment (UE) to existing cellular networks. In this integration, the UAVs perform the role of flying users within cellular coverage, thus they are termed as cellular-connected UAVs (a.k.a. UAV-UE, drone-UE, 5G-connected drone, or aerial user). The main focus of this work is to present an extensive study of integration challenges along with key 5G/B5G technological innovations and ongoing efforts in design prototyping and field trials corroborating cellular-connected UAVs. This study highlights recent progress updates with respect to 3GPP standardization and emphasizes socio-economic concerns that must be accounted before successful adoption of this promising technology. Various open problems paving the path to future research opportunities are also discussed.Comment: 30 pages, 18 figures, 9 tables, 102 references, journal submissio

Drone Networking in 6G Era - A Technology Overview

International audienceSixth generation (6G) wireless communication networks are envisioned to be empowered with novel enabling technologies to guarantee ubiquitous coverage requirements, heterogeneous communication scenarios, improved network intelligence, spectral rates and security. 6G vision is not only limited to terrestrial networks, but also extends to non-terrestrial networks encompassing satellites and aerial networks, thus exploring a full spectra of heterogeneous communication links. In 6G scenarios, the role of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is of paramount importance, as flying devices are expected to densely populate aerial space, providing an intermediate network layer between ground networks and space ones. As a vision of fully integrated 6G heterogeneous networks, ground, aerial and satellite networks will coexist, thus realizing space-air-ground integrated communication network for 6G scenarios. This work highlights several novel 6G enabling technologies, and presents the detailed study and evaluation of communication technology candidates from the perspective of aerial communication networks, key design considerations and technical challenges

Exploiter les synergies entre les drones et le réseau 5G

As an expanding subject of aerial robotics, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have received substantial research attention within the wireless networking research community. As soon as national legislations enable UAVs to fly autonomously, we will witness swarms of UAV filling the skies of our smart cities to complete diverse missions: package delivery, infrastructure monitoring, event videography, surveillance, tracking, etc. Fifth generation (5G) and beyond cellular networks can improve UAV communications in a variety of ways and thus benefit the UAV ecosystem. There is a wide variety of wireless applications and use cases that can benefit from the capabilities of these smart devices, including the UAV's inherent characteristics of agile mobility in three-dimensional space, autonomous operation, and intelligent placement. The broad goal of this thesis is to provide a comprehensive analysis of the synergies that may be realized when combining 5G and beyond cellular networks with UAV technology. This thesis presents four types of UAV and cellular ecosystem integration models. "UAV-assisted cellular paradigm" refers to communication scenarios in which UAVs are used as flying (or aerial) base stations or as relays to augment current terrestrial cellular connectivity or to mitigate disaster situations. The "cellular-assisted UAV paradigm" foresees the integration of UAVs into the current cellular network as a new aerial user (flying UE) to serve a wide variety of applications and use cases. The "UAV-to-UAV paradigm" stresses the collective strength of a fleet of UAVs as a swarm and communication amongst UAVs inside the swarm. The "hybrid non-terrestrial paradigm" encompasses satellite and aerial networks, therefore examining the whole spectrum of communication links from the ground to the air to the space in the form of an integrated space-air-ground communication network. Initially, this thesis focuses on aerial base stations, which have gained great academic attention in order to provide flexible, on-demand communication services to ground users. On this occasion, we build and construct a proof-of-concept prototype platform that delineates the design components required to implement such platforms in the real world, and we then explain the necessity for optimal placement of aerial base stations for increasing communication services. To support a heterogeneous class of 5G services from various vertical industries (referred to as tenants of 5G network operators), we propose a slicing-aware aerial base station framework in which ground users with differentiated traffic requirements in terms of data rate, latency, and massive deployment are supported through intelligent resource provisioning. Second, we describe aerial users who are supported by current cellular infrastructure and examine difficulties such as coexistence of aerial users and ground users, handovers, and communication-aware trajectory optimization. The use of a swarm of UAVs is considerably more cost-effective as compared to a single UAV conducting a mission when considering realistic mission goals. A swarm of UAVs opens up new opportunities for new services and applications since the UAVs may independently coordinate their operations and work together to complete a given task. Due to the spatio-temporal dynamics of swarm topology, dependable network development with seamless communication amongst UAVs is essential for any operation to be successful. As part of this thesis, we offer centralized and decentralized network models for UAV-to-UAV (U2U) communication inside swarm and conduct a full investigation of sidelink-assisted U2U communication with performance assessment.En tant que sujet en expansion de la robotique aérienne, les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont fait l'objet d'une attention particulière de la part de la communauté de recherche sur les réseaux sans fil. Dès que les législations nationales permettront aux drones de voler de manière autonome, nous verrons des essaims de drones envahir le ciel de nos villes intelligentes pour accomplir diverses missions : livraison de colis, surveillance des infrastructures, vidéographie événementielle, surveillance, suivi, etc. Les réseaux cellulaires de cinquième génération (5G) et au-delà peuvent améliorer les communications des drones de diverses manières et profiter ainsi à l'écosystème des drones. Il existe une grande variété d'applications sans fil et de cas d'utilisation qui peuvent bénéficier des capacités de ces dispositifs intelligents, y compris les caractéristiques inhérentes du drone de mobilité agile dans l'espace tridimensionnel, le fonctionnement autonome et le placement intelligent. L'objectif général de cette thèse est de fournir une analyse complète des synergies qui peuvent être réalisées en combinant les réseaux cellulaires 5G et au-delà avec la technologie des drones. Cette thèse présente quatre types de modèles d'intégration de l'écosystème des drones et des réseaux cellulaires. Le paradigme cellulaire assisté par drone fait référence à des scénarios de communication dans lesquels les drones sont utilisés comme stations de base volantes (ou aériennes) ou comme relais pour augmenter la connectivité cellulaire terrestre actuelle ou pour atténuer les situations de catastrophe. Le paradigme des drones à assistance cellulaire prévoit l'intégration des drones dans le réseau cellulaire actuel en tant que nouvel utilisateur aérien (UE volant) pour servir une grande variété d'applications et de cas d'utilisation. Le paradigme "drone à drone" met l'accent sur la force collective d'une flotte de drones en tant qu'essaim et sur la communication entre les drones à l'intérieur de l'essaim. Le paradigme hybride non terrestre englobe les réseaux satellitaires et aériens, examinant ainsi l'ensemble du spectre des liaisons de communication du sol à l'air et à l'espace sous la forme d'un réseau de communication intégré espace-air-sol. Dans un premier temps, cette thèse se concentre sur les stations de base aériennes, qui ont fait l'objet d'une grande attention de la part des chercheurs afin de fournir des services de communication flexibles et à la demande aux utilisateurs au sol. À cette occasion, nous construisons une plateforme prototype de démonstration de faisabilité qui délimite les composants de conception requis pour mettre en œuvre de telles plateformes dans le monde réel, et nous expliquons ensuite la nécessité d'un placement optimal des stations de base aériennes pour augmenter les services de communication. Pour prendre en charge une classe hétérogène de services 5G provenant de diverses industries verticales (appelées locataires des opérateurs de réseaux 5G), nous proposons un cadre de station de base aérienne sensible au découpage dans lequel les utilisateurs au sol ayant des exigences de trafic différenciées en termes de débit de données, de latence et de déploiement massif sont pris en charge par le biais d'un approvisionnement intelligent en ressources. Ensuite, nous décrivons les utilisateurs aériens qui sont pris en charge par l'infrastructure cellulaire actuelle et examinons les difficultés telles que la coexistence des utilisateurs aériens et des utilisateurs au sol, les transferts et l'optimisation des trajectoires en fonction des communications

Exploiter les synergies entre les drones et le réseau 5G

As an expanding subject of aerial robotics, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have received substantial research attention within the wireless networking research community. As soon as national legislations enable UAVs to fly autonomously, we will witness swarms of UAV filling the skies of our smart cities to complete diverse missions: package delivery, infrastructure monitoring, event videography, surveillance, tracking, etc. Fifth generation (5G) and beyond cellular networks can improve UAV communications in a variety of ways and thus benefit the UAV ecosystem. There is a wide variety of wireless applications and use cases that can benefit from the capabilities of these smart devices, including the UAV's inherent characteristics of agile mobility in three-dimensional space, autonomous operation, and intelligent placement. The broad goal of this thesis is to provide a comprehensive analysis of the synergies that may be realized when combining 5G and beyond cellular networks with UAV technology. This thesis presents four types of UAV and cellular ecosystem integration models. "UAV-assisted cellular paradigm" refers to communication scenarios in which UAVs are used as flying (or aerial) base stations or as relays to augment current terrestrial cellular connectivity or to mitigate disaster situations. The "cellular-assisted UAV paradigm" foresees the integration of UAVs into the current cellular network as a new aerial user (flying UE) to serve a wide variety of applications and use cases. The "UAV-to-UAV paradigm" stresses the collective strength of a fleet of UAVs as a swarm and communication amongst UAVs inside the swarm. The "hybrid non-terrestrial paradigm" encompasses satellite and aerial networks, therefore examining the whole spectrum of communication links from the ground to the air to the space in the form of an integrated space-air-ground communication network. Initially, this thesis focuses on aerial base stations, which have gained great academic attention in order to provide flexible, on-demand communication services to ground users. On this occasion, we build and construct a proof-of-concept prototype platform that delineates the design components required to implement such platforms in the real world, and we then explain the necessity for optimal placement of aerial base stations for increasing communication services. To support a heterogeneous class of 5G services from various vertical industries (referred to as tenants of 5G network operators), we propose a slicing-aware aerial base station framework in which ground users with differentiated traffic requirements in terms of data rate, latency, and massive deployment are supported through intelligent resource provisioning. Second, we describe aerial users who are supported by current cellular infrastructure and examine difficulties such as coexistence of aerial users and ground users, handovers, and communication-aware trajectory optimization. The use of a swarm of UAVs is considerably more cost-effective as compared to a single UAV conducting a mission when considering realistic mission goals. A swarm of UAVs opens up new opportunities for new services and applications since the UAVs may independently coordinate their operations and work together to complete a given task. Due to the spatio-temporal dynamics of swarm topology, dependable network development with seamless communication amongst UAVs is essential for any operation to be successful. As part of this thesis, we offer centralized and decentralized network models for UAV-to-UAV (U2U) communication inside swarm and conduct a full investigation of sidelink-assisted U2U communication with performance assessment.En tant que sujet en expansion de la robotique aérienne, les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont fait l'objet d'une attention particulière de la part de la communauté de recherche sur les réseaux sans fil. Dès que les législations nationales permettront aux drones de voler de manière autonome, nous verrons des essaims de drones envahir le ciel de nos villes intelligentes pour accomplir diverses missions : livraison de colis, surveillance des infrastructures, vidéographie événementielle, surveillance, suivi, etc. Les réseaux cellulaires de cinquième génération (5G) et au-delà peuvent améliorer les communications des drones de diverses manières et profiter ainsi à l'écosystème des drones. Il existe une grande variété d'applications sans fil et de cas d'utilisation qui peuvent bénéficier des capacités de ces dispositifs intelligents, y compris les caractéristiques inhérentes du drone de mobilité agile dans l'espace tridimensionnel, le fonctionnement autonome et le placement intelligent. L'objectif général de cette thèse est de fournir une analyse complète des synergies qui peuvent être réalisées en combinant les réseaux cellulaires 5G et au-delà avec la technologie des drones. Cette thèse présente quatre types de modèles d'intégration de l'écosystème des drones et des réseaux cellulaires. Le paradigme cellulaire assisté par drone fait référence à des scénarios de communication dans lesquels les drones sont utilisés comme stations de base volantes (ou aériennes) ou comme relais pour augmenter la connectivité cellulaire terrestre actuelle ou pour atténuer les situations de catastrophe. Le paradigme des drones à assistance cellulaire prévoit l'intégration des drones dans le réseau cellulaire actuel en tant que nouvel utilisateur aérien (UE volant) pour servir une grande variété d'applications et de cas d'utilisation. Le paradigme "drone à drone" met l'accent sur la force collective d'une flotte de drones en tant qu'essaim et sur la communication entre les drones à l'intérieur de l'essaim. Le paradigme hybride non terrestre englobe les réseaux satellitaires et aériens, examinant ainsi l'ensemble du spectre des liaisons de communication du sol à l'air et à l'espace sous la forme d'un réseau de communication intégré espace-air-sol. Dans un premier temps, cette thèse se concentre sur les stations de base aériennes, qui ont fait l'objet d'une grande attention de la part des chercheurs afin de fournir des services de communication flexibles et à la demande aux utilisateurs au sol. À cette occasion, nous construisons une plateforme prototype de démonstration de faisabilité qui délimite les composants de conception requis pour mettre en œuvre de telles plateformes dans le monde réel, et nous expliquons ensuite la nécessité d'un placement optimal des stations de base aériennes pour augmenter les services de communication. Pour prendre en charge une classe hétérogène de services 5G provenant de diverses industries verticales (appelées locataires des opérateurs de réseaux 5G), nous proposons un cadre de station de base aérienne sensible au découpage dans lequel les utilisateurs au sol ayant des exigences de trafic différenciées en termes de débit de données, de latence et de déploiement massif sont pris en charge par le biais d'un approvisionnement intelligent en ressources. Ensuite, nous décrivons les utilisateurs aériens qui sont pris en charge par l'infrastructure cellulaire actuelle et examinons les difficultés telles que la coexistence des utilisateurs aériens et des utilisateurs au sol, les transferts et l'optimisation des trajectoires en fonction des communications

Exploiter les synergies entre les drones et le réseau 5G

En tant que sujet en expansion de la robotique aérienne, les véhicules aériens sans pilote (UAV) ont fait l'objet d'une attention particulière de la part de la communauté de recherche sur les réseaux sans fil. Dès que les législations nationales permettront aux drones de voler de manière autonome, nous verrons des essaims de drones envahir le ciel de nos villes intelligentes pour accomplir diverses missions : livraison de colis, surveillance des infrastructures, vidéographie événementielle, surveillance, suivi, etc. Les réseaux cellulaires de cinquième génération (5G) et au-delà peuvent améliorer les communications des drones de diverses manières et profiter ainsi à l'écosystème des drones. Il existe une grande variété d'applications sans fil et de cas d'utilisation qui peuvent bénéficier des capacités de ces dispositifs intelligents, y compris les caractéristiques inhérentes du drone de mobilité agile dans l'espace tridimensionnel, le fonctionnement autonome et le placement intelligent. L'objectif général de cette thèse est de fournir une analyse complète des synergies qui peuvent être réalisées en combinant les réseaux cellulaires 5G et au-delà avec la technologie des drones. Cette thèse présente quatre types de modèles d'intégration de l'écosystème des drones et des réseaux cellulaires. Le paradigme cellulaire assisté par drone fait référence à des scénarios de communication dans lesquels les drones sont utilisés comme stations de base volantes (ou aériennes) ou comme relais pour augmenter la connectivité cellulaire terrestre actuelle ou pour atténuer les situations de catastrophe. Le paradigme des drones à assistance cellulaire prévoit l'intégration des drones dans le réseau cellulaire actuel en tant que nouvel utilisateur aérien (UE volant) pour servir une grande variété d'applications et de cas d'utilisation. Le paradigme "drone à drone" met l'accent sur la force collective d'une flotte de drones en tant qu'essaim et sur la communication entre les drones à l'intérieur de l'essaim. Le paradigme hybride non terrestre englobe les réseaux satellitaires et aériens, examinant ainsi l'ensemble du spectre des liaisons de communication du sol à l'air et à l'espace sous la forme d'un réseau de communication intégré espace-air-sol. Dans un premier temps, cette thèse se concentre sur les stations de base aériennes, qui ont fait l'objet d'une grande attention de la part des chercheurs afin de fournir des services de communication flexibles et à la demande aux utilisateurs au sol. À cette occasion, nous construisons une plateforme prototype de démonstration de faisabilité qui délimite les composants de conception requis pour mettre en œuvre de telles plateformes dans le monde réel, et nous expliquons ensuite la nécessité d'un placement optimal des stations de base aériennes pour augmenter les services de communication. Pour prendre en charge une classe hétérogène de services 5G provenant de diverses industries verticales (appelées locataires des opérateurs de réseaux 5G), nous proposons un cadre de station de base aérienne sensible au découpage dans lequel les utilisateurs au sol ayant des exigences de trafic différenciées en termes de débit de données, de latence et de déploiement massif sont pris en charge par le biais d'un approvisionnement intelligent en ressources. Ensuite, nous décrivons les utilisateurs aériens qui sont pris en charge par l'infrastructure cellulaire actuelle et examinons les difficultés telles que la coexistence des utilisateurs aériens et des utilisateurs au sol, les transferts et l'optimisation des trajectoires en fonction des communications.As an expanding subject of aerial robotics, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have received substantial research attention within the wireless networking research community. As soon as national legislations enable UAVs to fly autonomously, we will witness swarms of UAV filling the skies of our smart cities to complete diverse missions: package delivery, infrastructure monitoring, event videography, surveillance, tracking, etc. Fifth generation (5G) and beyond cellular networks can improve UAV communications in a variety of ways and thus benefit the UAV ecosystem. There is a wide variety of wireless applications and use cases that can benefit from the capabilities of these smart devices, including the UAV's inherent characteristics of agile mobility in three-dimensional space, autonomous operation, and intelligent placement. The broad goal of this thesis is to provide a comprehensive analysis of the synergies that may be realized when combining 5G and beyond cellular networks with UAV technology. This thesis presents four types of UAV and cellular ecosystem integration models. "UAV-assisted cellular paradigm" refers to communication scenarios in which UAVs are used as flying (or aerial) base stations or as relays to augment current terrestrial cellular connectivity or to mitigate disaster situations. The "cellular-assisted UAV paradigm" foresees the integration of UAVs into the current cellular network as a new aerial user (flying UE) to serve a wide variety of applications and use cases. The "UAV-to-UAV paradigm" stresses the collective strength of a fleet of UAVs as a swarm and communication amongst UAVs inside the swarm. The "hybrid non-terrestrial paradigm" encompasses satellite and aerial networks, therefore examining the whole spectrum of communication links from the ground to the air to the space in the form of an integrated space-air-ground communication network. Initially, this thesis focuses on aerial base stations, which have gained great academic attention in order to provide flexible, on-demand communication services to ground users. On this occasion, we build and construct a proof-of-concept prototype platform that delineates the design components required to implement such platforms in the real world, and we then explain the necessity for optimal placement of aerial base stations for increasing communication services. To support a heterogeneous class of 5G services from various vertical industries (referred to as tenants of 5G network operators), we propose a slicing-aware aerial base station framework in which ground users with differentiated traffic requirements in terms of data rate, latency, and massive deployment are supported through intelligent resource provisioning. Second, we describe aerial users who are supported by current cellular infrastructure and examine difficulties such as coexistence of aerial users and ground users, handovers, and communication-aware trajectory optimization. The use of a swarm of UAVs is considerably more cost-effective as compared to a single UAV conducting a mission when considering realistic mission goals. A swarm of UAVs opens up new opportunities for new services and applications since the UAVs may independently coordinate their operations and work together to complete a given task. Due to the spatio-temporal dynamics of swarm topology, dependable network development with seamless communication amongst UAVs is essential for any operation to be successful. As part of this thesis, we offer centralized and decentralized network models for UAV-to-UAV (U2U) communication inside swarm and conduct a full investigation of sidelink-assisted U2U communication with performance assessment

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A High-End IoT Devices Framework to Foster Beyond-Connectivity Capabilities in 5G/B5G Architecture

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