Ключевые технологии связи для поддержки систем управления движением гражданских беспилотных летательных аппаратов (обзор зарубежной литературы)

Ожидается, что к 2035 году в Российском небе будут одновременно находиться не менее ста тысяч беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Такая численность флота БЛА делает необходимым создание систем информационной поддержки, контроля и управления полетами БЛА (англ. Unmanned Aircraft System Traffic Management – UTM), подобных той, что уже существует для пилотной авиации. Проблемы, возникающие перед авиационным сообществом, не могут быть решены без помощи беспроводной связи. Целями данной статьи являются ознакомление специалистов связи с последними достижениями гражданской беспилотной авиации и описание проблем телекоммуникационного характера, стоящих перед разработчиками масштабных систем управления БЛА. Представлены архитектура и главные функции систем UTM, а также примеры их практической реализации. Особое внимание уделено повышению безопасности полетов путем рационального выбора технологий связи для осуществления управления конфликтными ситуациями (также известного как «избежание столкновений»). Проанализирована практичность применения широкого спектра беспроводных технологий: от Wi-Fi и автоматического зависимого наблюдения радиовещательного типа (АЗН-В) до сотовых сетей пятого поколения 5G, а также бессотовых сетей (англ. cell-free), являющихся кандидатами для создания сетей связи шестого поколения 6G. В результате проведенного анализа сформирован список перспективных направлений исследований на стыке областей беспроводной связи и гражданской беспилотной авиации.

1. Doole M., Ellerbroek J., Hoekstra J. Drone delivery: urban airspace traffic density estimation // Eighth SESAR Innovation Days, 3–7 December 2018. 8 p.

2. Haddad C. Factors affecting the adoption and use of urban air mobility / C. Haddad, E. Chaniotakis, A. Straubinger, K. Plötner, C. Antoniou // Transportation Research Part A: Policy and Practice. 2020. Vol. 132. Pp. 696–712. DOI: 10.1016/j.tra.2019.12.020

3. PytlikZillig L.M. Public opinions of unmanned aerial technologies in 2014–2019: a technical and descriptive report / L.M. PytlikZillig, J.C. Walther, C. Detweiler, S. Elbaum, A. Houston [Электронный ресурс] // University of Nebraska Public Policy Center, Lincoln. 2020. URL: https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1000&context=lpz (дата обращения: 10.11.2020).

4. Cohn P. Commercial drones are here: the future of unmanned aerial systems / P. Cohn, A. Green, M. Langstaff, M. Roller [Электронный ресурс] // McKinsey&Company. 2017. URL: https://www.mckinsey.com/industries/travel-logistics-and-infrastructure/our-insights/commercialdrones-are-here-the-future-of-unmanned-aerial-systems (дата обращения: 10.11.2020).

5. Sandvik K.B. African drone stories // BEHEMOTH – A Journal on Civilisation. 2015. Vol. 8, no. 2. Pp. 73–96. DOI: 10.6094/behemoth.2015.8.2.870

6. Безбородова О.Е. Экономические и правовые вопросы использования беспилотных воздушных судов для обеспечения техносферной безопасности / О.Е. Безбородова, В.В. Шерстнев, О.С. Виноградов, Н.А. Виноградова // Fortus: экономические и политические исследования. 2018. № 2 (2). С. 19–26.

7. Vinogradov E., Minucci F., Pollin S. Wireless communication for safe UAVs: from longrange deconfliction to short-range collision avoidance // IEEE Vehicular Technology Magazine. 2020. Vol. 15, iss. 2. Pp. 88–95. DOI: 10.1109/MVT.2020.2980014

8. Motlagh N.H., Taleb T., Arouk O. Low-altitude unmanned aerial vehicles-based internet of things services: comprehensive survey and future perspectives // IEEE Internet of Things Journal. 2016. Vol. 3, iss. 6. Pp. 899–922. DOI: 10.1109/JIOT.2016.2612119

9. Gupta L., Jain R., Vaszkun G. Survey of important issues in UAV communication networks [Электронный ресурс] // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18, iss. 2. Pp. 1123–1152. DOI: 10.1109/COMST.2015.2495297 (дата обращения: 10.11.2020).

10. Hayat S., Yanmaz E., Muzaffar R. Survey on unmanned aerial vehicle networks for civil applications: a communications viewpoint [Электронный ресурс] // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18, iss. 4. Pp. 2624–2661. DOI: 10.1109/COMST.2016.2560343 (дата обращения: 10.11.2020).

11. Zeng Y., Wu Q., Zhang R. Accessing from the sky: a tutorial on UAV communications for 5G and beyond // Proceedings of the IEEE. 2019. Vol. 107, iss. 12. Pp. 2327–2375. DOI: 10.1109/JPROC.2019.2952892

12. Mozaffari M. A tutorial on UAVs for wireless networks: applications, challenges, and open problems / M. Mozaffari, W. Saad, M. Bennis, Y. Nam, M. Debbah [Электронный ресурс] // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. Vol. 21, iss. 3. Pp. 2334–2360. DOI: 10.1109/COMST.2019.2902862 (дата обращения: 14.11.2020).

13. Vinogradov E. Tutorial on UAVs: a blue sky view on wireless communication / E. Vinogradov, H. Sallouha, S. De Bast, M.M. Azari, S. Pollin // Journal of Mobile Multimedia. 2020. Vol. 14, iss. 4. Pp. 395–468. DOI: 10.13052/jmm1550-4646.1443

14. Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах [Электронный ресурс] // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4, № 4. С. 13–23. URL: https://www.sut.ru/doci/nauka/review/20164/13-23.pdf (дата обращения: 14.11.2020).

15. Пантелеймонов И.Н. Основные направления создания высоконадежной системы связи и управления БПЛА / И.Н. Пантелеймонов, А.В. Белозерцев, А.А. Монастыренко, В.В. Боцва, А.В. Наумкин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2020. № 6 (723). С. 78–88. DOI: 10.18698/0536-1044-2020-6-78-88

16. Braun S., Friedewald M., Valkenburg G. Civilizing drones: military discourses going civil? // Science & Technology Studies. 2015. Vol. 28, no. 2. Pp. 73–87. DOI: 10.23987/sts.55351

17. Веремеенко К.К. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов / К.К. Веремеенко, С.Ю. Желтов, Д.А. Козорез, М.Н. Красильщиков, Н.В. Ким и др. / Под ред. М.Н. Красильщикова, Г.Г. Себрякова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 556 с.

18. Верба В.С., Татарский Б.Г. Комплексы с беспилотными летательными аппаратами. В 2-х кн.: Кн. 1. Принципы построения и особенности применения комплексов с БЛА: монография / Под ред. В.С. Вербы, Б.Г. Татарского. М.: Радиотехника, 2016. 512 с.

19. Верба В.С., Татарский Б.Г. Комплексы с беспилотными летательными аппаратами. В 2-х кн.: Кн. 2. Робототехнические комплексы на основе БЛА: монография / Под ред. В.С. Вербы, Б.Г. Татарского. М.: Радиотехника, 2016. 824 с.

20. Kopardekar P. Unmanned aircraft system traffic management (UTM) concept of operations / P. Kopardekar, J. Rios, T. Prevot, M. Johnson, J. Jung, J.E. Robinson // 16th AIAA Aviation Technology Integration and Operations Conference. Washington, D.C., 13–17 June 2016. DOI: 10.2514/6.2016-3292

21. Lappas V. EuroDRONE, a european UTM testbed for U-Space / V. Lappas, G. Zoumponos, V. Kostopoulos, H. Shin and others // International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). Athens, Greece, 1–4 September 2020. Pp. 1766–1774.

22. Kunzi F. Framework for risk-based derivation of performance and interoperability requirements for UTM avionics // IEEE/AIAA 35th Digital Avionics Systems Conference (DASC). Sacramento, CA, 2016. Pp. 1–10. DOI: 10.1109/DASC.2016.7778050

23. Belkhouche F. Modeling and calculating the collision risk for air vehicles // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2013. Vol. 62, no. 5. Pp. 2031–2041. DOI: 10.1109/TVT.2013.2238265

24. Weinert A. Well-clear recommendation for small unmanned aircraft systems based on unmitigated collision risk / A. Weinert, S. Campbell, A. Vela, D. Schuldt, J. Kurucar // Journal of Air Transportation. 2018. Vol. 26, no. 3. Pp. 113–122. DOI: 10.2514/1.D0091

25. Schroth F. The DRL sets world record with drone whizzing at 179.6 mph [Электронный ресурс] // dronelife. 2017. URL: https://dronelife.com/2017/07/14/drone-racing-league-drl-buildsfastest-racing-drone/#:~:text=The%20fastest%20racing%20drone%2C%20the,46%2C000%20RPMs (дата обращения: 20.11.2020).

26. Johnson S.C., Petzen A., Tokotch D. Exploration of detect-and-avoid and well-clear requirements for small UAS maneuvering in an urban environment // 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Denver, Colorado 5–9 June 2017. DOI: 10.2514/6.2017-3074

27. Geister D. Concept for urban airspace integration DLR U-Space blueprint [Электронный ресурс] // Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt. 2017. URL: https://www.dlr.de/dlr/presse/Portaldata/1/Resources/documents/2017/Concept_for_Urban_Airspace_Integration.pdf (дата обращения: 20.11.2020).

28. Косьянчук В.В., Сельвесюк Н.И., Хамматов Р.Р. Обзор основных путей повышения безопасности системы АЗН-В // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т. 22, № 1. С. 39–50. DOI: 10.26467/2079-0619-2019-22-1-39-50

29. Colpaert A., Vinogradov E., Pollin S. Aerial coverage analysis of cellular systems at LTE and mmWave frequencies using 3D city models [Электронный ресурс] // Sensors. 2018. Vol. 18, no. 12. ID 4311. DOI: 10.3390/s18124311 (дата обращения: 20.11.2020).

30. Azari M.M. Coexistence of terrestrial and aerial users in cellular networks / M.M. Azari, F. Rosas, A. Chiumento, S. Pollin // 2017 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). Singapore, 2017. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/GLOCOMW.2017.8269068

31. Lyu J., Zhang R. Network-connected UAV: 3-D system modeling and coverage performance analysis [Электронный ресурс] // IEEE Internet of Things Journal. 2019. Vol. 6, no. 4. Pp. 7048–7060. DOI: 10.1109/JIOT.2019.2913887 (дата обращения: 20.11.2020).

32. Van Der Bergh B., Chiumento A., Pollin S. LTE in the sky: Tradingoff propagation benefits with interference costs for aerial nodes // IEEE Communications Magazine. 2016. Vol. 54, no. 5. Pp. 44–50. DOI: 10.1109/MCOM.2016.7470934

33. Fakhreddine A. Handover challenges for cellular-connected drones / A. Fakhreddine, C. Bettstetter, S. Hayat, R. Muzaffar, D. Emini // Proceedings of the 5th Workshop on Micro Aerial Vehicle Networks, Systems, and Applications DroNet. Association for Computing Machinery, 2019. Pp. 9–14. DOI: 10.1145/3325421.3329770

34. Hayat S. An experimental evaluation of LTE-A throughput for drones / S. Hayat, C. Bettstetter, A. Fakhreddine, R. Muzaffar, D. Emini // Proceedings of the 5th Workshop on Micro Aerial Vehicle Networks, Systems, and Applications DroNet. Association for Computing Machinery, 2019. Pp. 3–8. DOI: 10.1145/3325421.3329765

35. Huang Y. 3D Beam tracking for cellular-connected UAV / Y. Huang, Q. Wu, T. Wang, G. Zhou, R. Zhang // IEEE Wireless Communications Letters. 2020. Vol. 9, iss. 5. Pp. 736–740. DOI: 10.1109/LWC.2020.2968312

36. Huang Y. Massive MIMO for cellular-connected UAV: challenges and promising solutions / Y. Huang, Q. Wu, R. Lu, X. Peng, R. Zhang // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59, no. 2. Pp. 84–90. DOI: 10.1109/MCOM.001.2000552

37. Colpaert A., Vinogradov E., Pollin S. 3D beamforming and handover analysis for UAV networks // 2020 IEEE Globecom Workshops. GC Wkshps, 2020. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/GCWkshps50303.2020.9367570

38. Strohmeier M. Realities and challenges of nextgen air traffic management: the case of ADS-B / M. Strohmeier, M. Schafer, V. Lenders, I. Martinovic // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52, no. 5. Pp. 111–118. DOI: 10.1109/MCOM.2014.6815901

39. Consiglio M. Sense and avoid characterization of the independent configurable architecture for reliable operations of unmanned systems / M. Consiglio, B. Duffy, S. Balachandran, C. Munoz, L. Glaab [Электронный ресурс] // Thirteenth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM2019). NTRS – NASA Technical Reports Server. URL: http://www.atmseminar.org/seminarContent/seminar13/papers/ATM_Seminar_2019_paper_50.pdf (дата обращения: 27.11.2020).

40. Marques M. Sense and avoid implementation in a small unmanned aerial vehicle / M. Marques, A. Brum, S. Antunes, J.G. Mota // 13th APCA International Conference on Automatic Control and Soft Computing (CONTROLO). Ponta Delgada, 2018. DOI: 10.1109/CONTROLO.2018.8514548

41. Minucci F., Vinogradov E., Pollin S. Avoiding collisions at any (low) cost: ADS-B like position broadcast for UAVs [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 121843–121857. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3007315 (дата обращения: 27.11.2020).

42. Lin C.E., Shao P.C., Lin Y.Y. System operation of regional UTM in Taiwan [Электронный ресурс] // Aerospace. 2020. Vol. 7, iss. 5. Pp. 7–65. DOI: 10.3390/aerospace7050065 (дата обращения: 27.11.2020).

43. Arshad R. Velocity-aware handover management in two-tier cellular networks / R. Arshad, H. ElSawy, S. Sorour, T.Y. Al-Naffouri, M. Alouini [Электронный ресурс] // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017. Vol. 16, no. 3. Pp. 1851–1867. DOI: 10.1109/TWC.2017.2655517 (дата обращения: 27.11.2020).

44. Ngo H.Q. Cell-free massive MIMO: uniformly great service for everyone / H.Q. Ngo, A. Ashikhmin, H. Yang, E.G. Larsson, T.L. Marzetta // 2015 IEEE 16th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), 2015. Pp. 201–205. DOI: 10.1109/SPAWC.2015.7227028

45. Buzzi S., D’Andrea C. Cell-free massive MIMO: user-centric approach // IEEE Wireless Communications Letters. 2017. Vol. 6, no. 6. Pp. 706–709. DOI: 10.1109/LWC.2017.2734893

46. Ngo H.Q. Cell-free massive MIMO versus small cells / H.Q. Ngo, A. Ashikhmin, H. Yang, E.G. Larsson, T.L. Marzetta // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017. Vol. 16, no. 3. Pp. 1834–1850. DOI: 10.1109/TWC.2017.2655515

47. Zhang J. Cell-free massive MIMO: a new next-generation paradigm / J. Zhang, S. Chen, Y. Lin, J. Zheng, B. Ai, L. Hanzo [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 99878– 99888. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2930208 (дата обращения: 27.11.2020).

48. D'Andrea C. Cell-free massive MIMO for UAV communications / C. D'Andrea, A. Garcia-Rodriguez, G. Geraci, L.G. Giordano, S. Buzzi // 2019 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), 2019. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/ICCW.2019.8756714

49. Shokry M. Leveraging UAVs for coverage in cell-free vehicular networks: a deep reinforcement learning approach / M. Shokry, D. Ebrahimi, C. Assi, S. Sharafeddine, A. Ghrayeb [Электронный ресурс] // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2020. DOI: 10.1109/TMC.2020.2991326 (дата обращения: 11.12.2020).

50. Vinogradov E., Kovalev D.A., Pollin S. Simulation and detection performance evaluation of a UAV-mounted passive radar [Электронный ресурс] // IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2018. Pp. 1185–1191. DOI: 10.1109/PIMRC.2018.8580940 (дата обращения: 11.12.2020).

51. Sallouha H. Localization in ultra narrow band IoT networks: design guidelines and tradeoffs / H. Sallouha, A. Chiumento, S. Rajendran, S. Pollin [Электронный ресурс] // IEEE Internet of Things Journal. 2019. Vol. 6, no. 6. Pp. 9375–9385. DOI: 10.1109/JIOT.2019.2931628 (дата обращения: 11.12.2020).

52. Guvenc I. Detection, tracking, and interdiction for amateur drones / I. Guvenc, F. Koohifar, S. Singh, M.L. Sichitiu, D. Matolak // IEEE Communications Magazine. 2018. Vol. 56, no. 4. Pp. 75–81. DOI: 10.1109/MCOM.2018.1700455

53. Azari M.M. Key technologies and system trade-offs for detection and localization of amateur drones / M.M. Azari, H. Sallouha, A. Chiumento, S. Rajendran, E. Vinogradov, S. Pollin // IEEE Communications Magazine. 2018. Vol. 56, no. 1. Pp. 51–57. DOI: 10.1109/MCOM.2017.1700442

54. Hügler P. Radar taking off: new capabilities for UAVs / P. Hügler, F. Roos, M. Schartel, M. Geiger, C. Waldschmidt // IEEE Microwave Magazine. 2018. Vol. 19, no. 7. Pp. 43–53. DOI: 10.1109/MMM.2018.2862558

55. Gageik N., Benz P., Montenegro S. Obstacle detection and collision avoidance for a UAV with complementary low-cost sensors [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2015. Vol. 3. Pp. 599–609. DOI: 10.1109/ACCESS.2015.2432455 (дата обращения: 27.01.2021).

56. Rozantsev A., Lepetit V., Fua P. Detecting flying objects using a single moving camera // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2017. Vol. 39, no. 5. Pp. 879–892. DOI: 10.1109/TPAMI.2016.2564408

57. Шаров В.Д., Елисеев Б.П., Воробьев В.В. Анализ недостатков в описании процедур управления риском безопасности полетов в документах ИКАО // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т. 22, № 2. С. 49–61. DOI: 10.26467/2079-0619-2019-22-2-49-61