Channel models for UAV communication

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are being used more every day for several purposes in many fields. Merging increasing demand of UAVs and technological developments in telecommunication field, has become necessary and appealing, because of various applications of UAVs. Nevertheless, UAVs communication has gained more important role to achieve the successful flight and operations. In this sense, the two communication types of UAVs can be stated as crucial functions of UAVs which are command & control communication and payload communication. The former one is typical telemetry communication that transmits and receives small amount of data which is not difficult to handle it. On the other hand, the latter one can be challenging. UAVs are used for sending bulky data such as images, video streams, radar images. Such payload data transfers can be problematic to suffice the quality of the received data packages in different network layouts, for instance, in hilly rural areas, or densely populated urban areas. For this reason, to attain adequate data quality, the communication links shall have high throughput level. Consequently, modelling the physical layer to overcome system constraint can bring improvement on channel throughputs. Therefore, in this thesis, UAVs communication channel model defined by 3GPP, is being analysed with regards to its antenna parameters and multipath fading and, compared with the satellite/HAPS (High Altitude Platform Systems) channel models in many aspects in order to understand how HAPS parameters defined in Non-Terrestrial Network Channel Models would be valid also for the existing UAVs communications. The work involves simulations of UAV Channel Modelling and NTN Channel Model for HAPS which are run with the QuaDRiGa simulation setup. The comparison has been made to demonstrate how UAVs parameters would be improved based on the defined 3GPP channel model and, in addition to that, it is analysed how applicable the NTN channel model could be for UAVs communication.

I veicoli aerei senza pilota (UAV) vengono utilizzati ogni giorno di più per diversi scopi in molti campi. La combinazione della crescente domanda di UAV e degli sviluppi tecnologici nel campo delle telecomunicazioni è diventata necessaria e attraente, a causa delle varie applicazioni degli UAV. Tuttavia, la comunicazione degli UAV ha acquisito un ruolo ancora più importante per ottenere efficienti operazioni di volo. In questo senso, i due tipi di comunicazione degli UAV che possono essere definiti come funzioni cruciali degli UAV sono la comunicazione di comando e controllo e la comunicazione dati. Il primo è una tipica comunicazione telemetrica che trasmette e riceve una piccola quantità di dati che non è difficile da gestire mentre il secondo può essere impegnativo. Gli UAV vengono infatti utilizzati per inviare dati voluminosi come immagini, flussi video, immagini radar. Tali trasferimenti di dati possono essere problematici per quanto riguarda la qualità dei pacchetti di dati ricevuti in diversi layout di rete, ad esempio nelle aree rurali collinari o nelle aree urbane densamente popolate. Per questo motivo, per ottenere un'adeguata qualità dei dati, i collegamenti di comunicazione devono avere un livello di throughput elevato. Di conseguenza, modellare il livello fisico per valutare i vincoli del sistema può portare a un miglioramento della previsione del throughput del canale. Pertanto, in questa tesi, il modello di canale di comunicazione UAV definito da 3GPP, viene analizzato per quanto riguarda i suoi parametri di antenna e fading multipath e, confrontato con i modelli di canale satellitare / HAPS (High Altitude Platform Systems) in molti aspetti per capire come i parametri HAPS definiti nei modelli di canale di rete non terrestre possano risultare validi anche per le comunicazioni UAV esistenti. Il lavoro comprende simulazioni di UAV Channel Modeling e NTN Channel Model per HAPS che vengono eseguite con il simulaztore QuaDRiGa. Il confronto è stato effettuato per dimostrare come i parametri degli UAV sarebbero migliorati in base al modello di canale 3GPP definito e inoltre viene analizzato quanto possa essere applicabile il modello di canale NTN per la comunicazione degli UAV.