Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d   C omputer  Scie nce   Vo l.   23 ,  No.   1 ,   Ju ly   20 21 ,  pp.   265 ~ 272   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v 23 .i 1 . pp 265 - 272          265       Journ al h om e page :  http: // ij eecs.i aesc or e.c om   T owards u sing UA V  fo r  i mp r ov in g 5G cell ular  com mu nicati on  systems       Moham ed El   Sayed  Kotb 1 ,  Wagd y R. Ani s 2 ,  A hmed  A.  Ab d - El hafez 3   1 Studen t   i n  F ac u lty   of   Engi n ee r in g - Ain - Sham s Un ive rsit y   (AS U), Eg y p t   2 Pr ofe ss or   in  F a cul t y   of Enginee ring  Ain - Sham s Unive rsit y   (AS U),  Eg y p t   3 Com m unic at ions De par tment ,   M il itar y   Techni c al Col l age   (MTC),   Eg y pt       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Feb  10 , 202 1   Re vised  Jun  5 ,   2021   Accepte d  J un  1 1,  2021       Unm anne d  ae ri al   veh ic l es  (UA Vs )  have   spark ed  a  lo t  of  in t ere st  in  the  wire le ss   net wor king  comm unity   as  an  emergi n g  subjec t  in  ae r ia l  robot ic s.   The   UA V  envi ronm ent   ca n  be  used  to  improve  UA V  com m u nic a ti ons  in  var ious  wa y s.  The se  sm art   de vic es  cate r  for  a  br oad  var i ety  of  wire le ss   te chno logi es  an d  appl icati ons  bec ause   of  UA V's   inhe ren t  featur es  rel ated  to  ver satile  m obil ity   in  3D  spac e ,   a utonomous   oper at ions  as  well   as   int ellige n t   positi oning.  Th i s  stud y   wi ll  inv esti gate  the  con ver gence  s y ner g ie s  be twee n   5G/B 5G  m obil e  s y stems   and  UA V  te chnol og ie s,  with  the   UA V  bei ng  int egr at ed  int o  c urre nt  c el lu la r  n et works   as  a  m oder n  ae r ia l  us er  equi pm ent  (UE).   In  th is  int egr at ion ,   UA Vs   play   the   f unct ion  of  ce l l ula r  fl y i ng   customers,  and  a re  hen ce   r efe rr e d  to  as  c el lu la r l y  l inke d  UA Vs   (a . k. a .   UA V - UE,   drone - UE,   5G - conne cted  drone ,   or  ae ri al   user).   The   m aj or  goal   of  thi s   rese arc h  is  to  provide   a  thoroug h  ana l y sis  of  the  int egr a ti on  t ask,   as  well   a s   m aj or  technical   bre akt hroughs  fr om   5G/B5G  and  cur ren t  work  in   prototy ping   arc hi t ecture   and   field  tr ials  th at   support   c el l - base d  UA Vs .   Thi s  stu d y   exa m ine s  re ce n t  3GP P  standa rds  adva nc es  a s  well   as  soci o - ec onom i c   cha l le nges  tha t   m ust  be  addr ess ed  bef or e  th is  p rom ising  te chno log y   c an  be   prope rl y   implemente d .   Th ere  ar e   al r ea d y   som e  a cc ess ible  issues  cl e ari ng  the  wa y   for  po te nt ial  stud y   oppor tun it ie s .   Ke yw or d s :   Ce ll ular  net work   Groun d  c ontrol  stat ion   Payl oad   Terr est rial  co m m un ic at ion s   Un m ann e d  ae rial  v ehicl es   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Moh am ed  El S ay ed  K otb   El S ay ed   Dep a rtm ent o f El ect ro nic  and  com m un ic at ion  E ngineeri ng   Faculty  of E ngineerin g ,  Ai n - Sh am s U ni ver s it y (A SU),  E gypt   Em a il :  m oh a m m ed. kotp 2@g m ai l.co m       1.   INTROD U CTION   Un m ann e d  ae r ia l  veh ic le s,  or  U AV s ,  are   ty pical ly   op e rated  a nd  ha ndle d  by  ai rcr a ft  that   do  not  have   a  hum an  pilot  on  boa rd  or  by   em bed de d  a uto nom ou s  c ompu te r  pro gr am m es.  Dro nes  a r e  a  c omm on   te rm   for   un m ann e d  aeri al   veh ic le s  ( U AV s ).   It  is  a  cutti ng - ed ge  c on ce pt  der ive d  from   aero sp a ce  rob otics  th at   has   enorm ou s  pote ntial   fo r  no vel  app li cat io ns   an d  eco no m ic   opportu niti es  in  a  var ie ty   of   in dustrie s  [ 1 ] - [ 3].   The  global UAV  m ark et  w as   asses sed  t o  be  US$ 20. 68 b il li on   i n  2017  a nd  is  a nt ic ipate d  to   reac h  US$59. 82 b il li on  by 20 26   [ 4],  w it h  a cum ulati ve  an nu al   gro wt h rate  ( C AG R )  of  14.20 perce nt du rin g  the  project ed  era .   Thr ee - dim ensi on al ,  a uton omou s ,  an d  m od ular  U A Vs  ha ve  bee n  de vel op e d  to  prov i de  ap peali ng   so luti ons  f or   a   wide  ra ng e   of  app li cat io ns ,  i nc lud in g  ci vil  a nd  pu blic  safet y,  industrial   IoT  net works,  se cur it y  and   de fen ce  i ndus trie s ,  cy be r  physi cal   struct ur es ,  at m o sp he ric  an d  e nv i ronm ental   ob s er vation,  a nd   s o    on   [5 ] - [ 7].  U AV s  ha ve  bee n  able  to  ex hi bit  su bs ta ntial   us e  acr os s  a   var ie ty   of   ci vili an  an d  industrial   app li cat io ns   in   m any  do m a ins  us in g  ne w  te chnolo gies  s uc h  as  a rtific ia l  intel li gen ce  ( AI),  t he  inter ne t  of   thing s  ( Io T ),   a nd   a ugm ented  reali ty /virtual  r eal it y  (A R/ VR).   Be cau se  U A Vs  are  a da ptiv e  al ti tud e - s upportin g  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  265   -   272   266   fly ing   platf orm s,  new   us e  cases  f or  eac h  of  t hese  a ppli cat ion s  a re  e m erg in g,   su c h  as  sa fe  a nd  accurat e   wireless  gu i ding  an d  c on t ro l  c oor din at io n,   as   well   as  eff ect i ve  kn ow le dg e  transm issi on   to   the  gro und  c ontr ol  syst e m  [ 8 ] - [ 10] .   In   order   f or   thi s  nex t  dev el opm ent  to  ta ke  pl ace,  two  li nes  of   in vestigat io n  are  need e d.   First,  ho w  a   wireless  netw orkin g  netw or k  th at   is  desig ned  a nd  integ r at ed  to   m eet   t he  s pecific  ne eds  of  dron e s   w hile  enab li ng   acce s sibil it y  and   ea sy  operati on  f or  num ero us  a pp li cat io ns   is  app li ed   [ 11 ] - [ 13] .  Anothe r  im portan t   factor  to  co ns i der  is  the  exte nt  to  w hich  sci entifi c  an d  te c hnologica l  pro blem s  arise  fro m   this  m erg er.   To   this  end,  w e  will  f oc us   on  dem on strat ing   disti nctive c har act e risti cs an d  acc om pan yi ng ch al le nges  [14 ] - [ 16] .     1.1.      Re quirem en t  for  UAV  c om munica tion   U A V req uirem ents ca n be cat egorised  into  t wo grou ps   fro m   the stan dpoi nt of c onta ct  [1 7]:     Com m un ic at io n  co ntr ol  and   non - payl oad   (CNP C):  T his  refe rs  to  flig ht  op erati on s'   tim e - crit ic al   con trol   an d  safety   co ntro ls .  To   m ai ntain  a  sta ble  an d  e ff ect ive  U AV   serv ic e,   CNPC   requires   na vi gational  updat es,   wayp oin t  upda te s,  an d  ATC   updates.   CN P C  ty pical ly   need s  ve ry  safe   a nd  ef fici ent  c onnec ti vity   with   lo w  data  rate  requir e m ents  (f ew  hund red  K b/s ).  Th e  CNPC  reli abili ty   crit erion   is  le ss  than  a  pack et   er r or   rat e  of   10 − 3 (PER ).     Payl oad   c ommun ic at io n :  Thi s  ref er s  to  any   know le dge  di ssem inati on   pr ocedu res  bet w een  the  U A V  and  la nd   sta ti on s  t hat  ar e  par t  of  a  UAV  m issi on .  F or   e xam ple,  in  a  m on it or in g  proce du re,  a  UAV  m us t   transm it   real - tim e  vid eo   to  a b ase  sta ti on/re m ote  pilot  via  payl oad  com m un ic at io n.  Payl oad  com m un ic at io n  necessit at es  th e  us e  of   a  m edia  capa ble  of   ha nd li ng  hi gh   data  rates  (often  higher   in  f ull  H D  vi deo   transm issi on  or  w irel ess  b ac khaulin g) [1 8].     1.2.       In teg r ati on o ppo r tu ni ties  w ith cell ular  network   UAV pe netrati on into  the m obil e n et w ork  is one  of thr ee  br oad p a ra dig m s [ 19 ] , [ 20] :     UAV - a ssist ed c el lular commun ic at io ns : U A Vs  are inte nd e d  to serve as f l yi ng  b ase  po i nts,  relay s,  or  a nc hor   locat ion s  that  m ay   intel li gen tl y  relocate   the m sel ves  to  im pr ov e  the  vi sible  qu al it y  of   ex per ie nce  ( QO E ),  sp ect r um   dep en da bili ty ,  and   c overa ge   gains  of  pr ese nt  w irel ess  te rr es tria l  networ ki ng    syst e m s  [2 1 ] ,  [ 22] .  T his  a rc hitec ture  ca n  be  see n  i n  Fi g ur e   1   ( a ) .  Be c ause  of  it s  dy nam ic   m ob il ity  and  reposit ion i ng,  the  adoptio n  of  UAVs  prov i des  a  wide  vari et y  of   ben e fits  to  the  curren t  te rr est rial   con ta ct   schem e.  On   req ue st,  the  UAV' s  base  sta ti on   (f ly - in  base  sta ti on   or   relay s)  co uld   be  pr ov i ded,  w hich  is  an  at tract ive  op ti on  f or   disaste r  m anag em ent.  To  ad dress  the   need s  of   c on s um ers  in  ho tsp ot  areas,  op ti m al   3D   po sit io ning  an d  synch r on isa t ion   of  fly ing   base  sta ti on s  will   exp an d  th e  reach  an d  da ta   rate  of   current   wireless  netw orks.   T hese  adv a ntage s  undo ub te dly  sat isfy  co m plex,   dynam ic   a nd   grow i ng   data   requirem ents for  cell ular 5G/ B5G   net works.     Com m un ic at io ns   with  cel lul ar  assist ed   U AV s:  This  is   al so   known  a s   m ob il e  un m a nn e d  ae rial   ve hicle s   (UAVs) .  Fly ing   U AVs,  as  s how n  in  Fi g ure  1   ( b ) ,  are  c urr ent  aerial   us er  syst e m s  (U Es)   of   te r restrial   UEs   that  co nn ect   to   the  net work  ne tworks  of  the   sk y' s  cel ls.  In  recent  ye ar s,  du e  t o  it s  su cc ess  in  est ablis hi ng   secur e   wi reless  com m un ic at ion s  with  la nd  cel lular   sta ti on s,   this  a ppr oac h  has  r ecei ved   a   lot   of    at te ntion   [23].     UAV - U AV   c om m un ic at ion - UAV   c omm un ic at ion :  In   t his  m od el ,  a  com m un it y  of   UAVs  interact s  wi th  the   gro und  us er   i n  a  t ru st worth y  m ann er   in  orde r  to   enc our age  a utono m ou s  fligh t,   fleet   co ordinati on,   an d  colli sion   av oi dan ce .  Fig ur e   1   ( c ) ,  de picts  the  arch it ect ur e .  The  a uthors   lo oked  at   secur e  a nd   di rect  com m un ic at ion s  betwee n U AV s  that  us e t he  sam e rad io   sp ect r um  an d  c onnect cel lular  so il   us ers   [ 24] .             (a)   (b)   (c)     Figure  1. U AV - cel lular  netw ork  integ rati on  opport un it ie s , ( a)  UAV - as sist ed  cel lular  co m m un ic at ion , (b )  Ce ll ular - assist ed UA V  c omm un ic at io n,   (c ) UA V - U AV co m m un ic at ion   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       To wa rd s  usi ng  U AV  for  im provi ng  5G cel lu lar c ommunic at ion  syste m   ( M ohamed  El  Sa y ed  K otb )   267   2.   RESEA R CHS A ND TUTO RIA L S  RELA TE D   Wor k  is  on   th e  increase  to  e xp l or e  the  inte rp la y  betwee n  UAVs  an d  cel lular  netw or ks.  In   re cent   ye ars,   new  ide as  ha ve  bee n  pro posed   to  a dd ress  the   pr ob le m s  of   sci ence,  te chnolo gical ,  so ci o - eco nom i c  an d  secur it y  issue s.  T he  li te ratur e  i nclu des  m any  po ll s,  pr ese ntati ons  and  guides   that  offe r  a  c oh e re nt   unde rstan ding  of   this  stu dy  f ie ld.  T hese  w orks  not  only   al low  the  rese arch   group  to  m on it or   con ti nuou s   researc h,   but  al so   to  br i ng  tog et he r  t he  knowle dge  t hat  pr act it io ner s  and  resea rcher s  in  the  com m un it y  require.   The  m ajo rity   of   the  resea rch   a nd   tut or ia ls  are   pr im aril y  fo cu sed  on :  i)   U A V  i nteg rati on  oppo rtu niti es   with  5G/B 5g o  cel lular  net works  f ro m   a  UAV - assist ed  cel lular  c omm un ic at ion   per s pecti ve ,  ii )  new  dev el op m ents,   fu t ur e  tre nds,   and   c halle nge s  for  U A V  cel lular  com m un ic at ion ,  or   ii i)  detai le d  analy s is  and  perform ance  stud y  with  reg a r d  to  sp eci fic  c omm un ic at ion   pro blem s,  su ch  as  the  canal.  Our  disse rtat ion ,  on   the  oth e r  hand ,  is  fo c us e d  on  the  cel lular  UAV  c omm un ic at ion s  co nce pt.  W e  wa nt  to  outl ine  ou r  existi ng  researc h  a nd   t utoria ls,  as  we ll   as  wo r k  on   cel lular  U AV s ,  to  em ph asi se  the  i m po rta nc e  and   novelty   of   ou r   new resea rc hs   in co m par iso n t o  pre vious  res earch .   The  m ajo rity   of  cu rr e nt  resea rch s   are  f ocu s ed  on   an d  disc us se d  in  detai l  on  U A V - as sist ed  cel lula r   con ta ct .  T he re   is  a  sm a ll   num ber   of   re sear chs   f oc us in g  on  the  cel lula r  UAV  m od el ,  Howe ver,  the  current  works  are d is pe rsed  and d o  not  pro vid e a  co m pr ehen sive   unde rstan ding of  the p ara dig m .  In  o the r  wor ds,  only   a  few  sp eci fic  aspects  of  ce ll ular  U AV  co nn ect ivit y  ha ve   bee n  th oro ughly  in vestigat ed  th us   far,  s uc h  as   UAV - gro und  channel  m od e ll ing   or   opti m iz at ion   traje ct or y  or   MI MO.  T hese   works  do  no t   offe r  a   com pr ehe ns ive   analy sis,  with  rev ie w  hi gh li gh ts  of  al l  so r ts  dev ote d  to  m ob il e  UA Vs,  bu t  rathe r  a  un iq ue   su bject   in  detai l.  Ther e fore,  a  coh e sive  w ork  i s  sti l l  la cking   and   pro vid es  a n  over view  of   al l  t ypes  of   res earch   pro gr ess .   This  re searc h  a i m s  to  fill   this  vo i d  a nd   f ocu s es  exclu sively   on  cel lular  UAVs.   The  resea r ch  incl ud e s   analy sis  on   sta te - of - the - art  t echnolo gies,  s yner gisti c  converge nce  pro bl e m s  fo r   UAVs  as  ae rial   use rs  i n    5G /  B5 G  m ob il e  networks,  th e  under ly in g  ne twork  a rch it e ct ur es,  5G  im p rovem ents  to  physi cal   la ye rs,   fiel d  te sti ng ,  sim ul at ion   an d  te st  bed   creati on.  Netw ork  vi r tuali zat ion   f unct ions  intera ct ion   ( NFV)  In   the   arch it ect ural   con te xt  of  5G/B 5G   pro gr ess ,   cl oud  inf rastr uctu re  te ch no l og y  f or  m ob il e  li nk ed  U AVs  al so  pro vid es t he  cl oudificat io n  a nd s of t war e  of  ne twork  r es ourc es,  prom oting  them .       3.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   It  is  near ly   i m p os sible  to  sim u la te   all  that  go es  on   in  the  rea l  wo rld  with  re al - w or ld U A V s,  includi ng   the  uniq ue  cha ll eng es  an d  a dvanta ges  of  th os e  ai rcr a fts  li nk e d  by  cel lular  netw orks .  T her e  is  a  de fici ency  of  academ ic   li te r at ur e.  Var i ou s   ongo i ng   e ffo rts  are  unde rt aken   by  acad e m ic s  fr om   b oth   the  b us i ne ss  an d  academ ia   wh o  are  fo c us i ng  on  m or e  pract ic al   prototypes   that  will   li kel y  exp a nd  t he  capab il it ie s  of   these  ongoin g  te c hnologies  [25].  The  sig nifican ce  of  t he  m os t  oft en   dif fers  dep e ndin g  on  (on)  the   pu rpo se  f or   wh ic h  the  c oncept  or   obje ct ive  that   the   prototype s  a re  desi gned  and   (as  c ompare d  to  t he   oth e r  con ce pts/o bjec ti ves  that  are   r eal iz ed) ,  a nd  f un ct io n  im plem entat ion   (s   a re,  in   tu rn,  of t en  reli a nt  on  t he  m ai n   obj ect ive .  By   way  of  e xam ple,  one,   a  rese arch  pr oj ect   m ay   co ncen trat e   f ully   inv est ig at e  5G/5 G  networ k  op e rati ons  a nd  eff ic ie nt  us e  of   unm ann ed  aerial   veh ic le s   (UA Vs)   5  a nd  the .  A nothe r   prototype   can   place   pr i or it y o n havi ng  a n  e ff ic ie nt,  pre dicta ble conn ect ivit y  with  good  qual it y of  se rv ic e  (QoS )  guara ntees.   Additi on al ly ,  e ach  prot otype  is  able  to  i m ple m ent  separ at e   hardw a re  a nd  so ft war e  fli ght  sta cks  to  reach  the  sam e  end   ta r get.  Althou gh   it   is  up   to  the  own ers  to  ch oo se  t he  ty pe  of   plat form s  they   us e,  Ope n  so urce  or  propriet ary  ha rdwa re  a nd  softwa r e  are  both  poss ible.  T hu s ,  c urren t  i niti at ives  fo c us   on  go al s   hav e   a   strong  detai ls  and   pur pose   to  the  pr oduc t  that  m ake  them   m or e  valuab le   or  inte resti ng   t o  cu s tom ers,   con t rib uting   m eaning   an d  trai ts  to  the  design   of   the  pro du ct   bei ng  desig ned.  Be fore  there  are   of fici al   sta nd a rds  a vaila ble,  we  m u st  purs ue  t hese  prototypin g  ef for ts  with ou t   re ga rd  to  t he  nee d  for  c om patibil i ty   or  the possi bili ty  o f  conflic ts.   But  we' re  sti ll  la cking   a n  op tim a l  rep rese nt at ion   of  cel lular - c onnecte d  dro ne  pr oto ty pe .  Alth ough   these p arti cula r  f eat ur es of the  p erf ect  pro t ot ype   would depe nd   on   proj ect   requirem ents, th e goal i s i m p or ta nt:   the  pro duct   m us t  ha ve  a   set   of   c riti cal   featur es   that  are   not  to o  c om ple x.   So   far,  our  stud y  has  done   exactl y   no t hing  but  presum e  an  op ti m al   and   li st  al l - inclusi ve  pr oto ty pe,   a nd   i nv est iga te   the  fa ct or s  that  go  into  it .  a   prototype  is  re fer e nced  to  re veal  the  featu r es  that  us e rs  m ay   hav e  a nd  m ake  a  com p ariso n  with  pr evio us  pro du ct s  to  ou t li ne  the  featu re s  to  wh ic h  en d  us ers  would  li ke  to  ha ve  in  a   giv e n  co ntext  a  c om plete l y  no n - exh a us ti ve   l ist   of  these  feat ur es   at tem pts  to  gi ve  yo u  a n  a nalo gy  f or  this  pro duct   is  m eant  to  ser ve  as  a   util it arian  pur pose ,   not  as   an   exh a us ti ve   s pe ci ficat ion .  Exa m ples  of   new  to  existi ng  us e   cases,   pa rtic ul arly  new feat ur es , c an be  disco vered th r ough the   evo l ution   of e volvin g  a ppli cat ion s  for ce ll ular - c onnected  UAV s .   We  are  sp eci f ic al ly   loo king   at   wh at   e xists  in  the  a rch it ect ur e  a nd   de velo pm ent  of   current  a nd  po te ntial   us es  of   U A Vs  with  resp ect   to  LTE /4G/5G/B   ov e r   cel lular  network   net wor ks   he re.  The  que ries   are  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  265   -   272   268   out li ne d  in  the   fo ll owin g  wa ys.   A nd  ab ou t  90   per ce nt  ope n - s ource  4G   c onnected  dev ic es  wer e  te ste d,  fr ee  and   li ghtwei gh t  UA V  is  def i ne d,   bri ngin g  f ort h  a  new,  li ght  weigh t,  sta bl e,  and   li ghtwei gh t  cl ass  of   cel lular   connecte d  ve hi cl e.  To  deliv er  a  f ully   autonom ou s  a nd  fail - safe  fly ing,  this   desig n  an d  de velo pm ent  integrates  op e n - s ource  hard war e  a nd  ope n - softwa re  ha r dware/ op e n - software  bu il ding  blo c ks .  T his  c on ta in s  a  com pr ehe ns i ve  e xp la nation  of  flig ht  co nt ro ls,  rad i o  a nt enn as ,  an d  4G  cel lular  m od em   har dware   an d  so ft war e  opti ons,  as  well   as  on   cel lula r  m od em s  that  us e  4G   a nd  ex pa nd  this  sc hem atic,  the  ha rdware   and  so ft war e  c ompone nts  em plo ye d  in  the  pr oto ty pe  dev el op m ent  are  de picte d  in  Fi gure  2.   A n  intri cat el y  desig ne d  a nd  highly   com plex  a vionics  sc hem at ic   is  seen   in  Fig ur e   3,  wh il e  the  equ i pm ent  diagr a m s   and   detai l  schem ati cs  are  ta bula te d  in  Ta ble  1.   The  pr oto ty pe  is  exam ined  to   m ake  su re  it   has  ade quat e  f li gh t   tim es,  sta ys  lev el ,  kn ow s  w hi ch  directi on  the  wi nd   is  bl owin g,   perform s  in  the  ai r  aut onom ou sly ,  an d  gi ves   real - ti m e v ideo  i m ages.   T he  si gn i ficant  dev el op m ents that  ha ve  ta ke n plac e in this  work  are li ste d belo w :   4.   Com m ercial  o f f  the  sh el f  (C O TS) ha rdwar e   and ap plica ti ons.   5.   Fo r  the  r ec ord, t he  lo ngest  ti m e, the  U A V h as b ee n  al of t i n t he  ai r  for o ve r  a n hour.   6.   W or king  in  ta nd em   with  pr ogra m m ing ,  th is  do c um ent   sh ows  us er s  th e  strai gh t forward ,  su cci nct  an d  pr eci se  path   to   co ncep t  a nd  init ia l  desig n,   wh ic h  la ys  out   the  total   c ours e  of  w hole   pro j ect   creati on  from   sta rt to finish . T her e  is a n  int eracti ve on li ne  m anu al  ( wi ki) and s upplem entary m a te rial  to  this  pag e .           Figure  2. Proto ty pe  desi gn and c onfig ur at i ons           Figure  3. Sc he m at ic  o f  the a vi on ic s c om po ne nts       Ce ll ular - co nne ct ed  U A Vs  ty pical ly   hav e   a  var ie ty   of  Se nsors   that  recor d  a nd  dissem i nate  data   are   com m on   on  c el lular - c onnect ed  UAVs  w hi ch  cha nges  t heir  l ocati on s   co ntinuo us ly   acco rd i ng   t o  these  recorde d  data  as  sho wn   i n  Figure  4  betw een  cel ls  an d  this  m ov em ent   ha d  been   sim ulate d  as  sho wn  in     Figure s   5  a nd   6   (see  in  ap pe nd i x)   to  cl arify   this  research   a tt it ud e  and   ex pl ai n  the  m entioned   fly in g  plat form .   This  increase s   the  li kelihood  of   vu l ner a bi li ty  exp osu re.  This  fly ing   platfor m   is  su bject   to  cy ber - physi cal   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       To wa rd s  usi ng  U AV  for  im provi ng  5G cel lu lar c ommunic at ion  syste m   ( M ohamed  El  Sa y ed  K otb )   269   at ta cks  ai m ing   at   ob ta ini ng,  i ns pe ct ing,   an d  m anipula ti ng   in form at ion   a bout  UAV  payl oa ds  by  reprog ram m ing   it   to  perf orm   un desira ble  act s.  This   fly ing  platf or m   is  vulne rab le   t o  cy ber - physi cal   at ta cks  aim ed  at   ste aling ,  i ns pecti ng,  an d  ab us in g  UAV  payl oa d  deta il s  by  r epro gr am m ing  it   to  do   un de sirable   act ion s.  E xisti ng   sa fety   inform ation   m easur es  are  not  sui ta ble  fo r  m obil e  UA Vs  sinc e  they   do   not   ta ke  account  of   po t entia l  risks   to   s ever al   on - bo a r d  se ns ors  a nd  UAV  act uat or s .  A n  intr uder  c an  ex plo it   the  con ta ct   an d  c on tr ol  m echan ism   of   UA V  an d  the refor e  m ake  br in ging  it   back   onli ne  ver y  chal le ng in g.   New   secur it y  m et ho dolo gies   m us t  al so   be   est ablishe d  in  order  to   preve nt  a bove - m entioned  int ru si on s   a nd  ha ckin g  proce dures.       Table  1.   S ho w s the a vionics c om po ne nts that   we re  us ed   Co m p o n en t   Mod el   Flig h t Co n troller   O m n ib u s F4  Pr o   GPS   BN - 220   Rad io  Rx   TBS Nano   Ca m er a  &  Video   Tx   TX05   Co m p u ter   Ras p b err y  Pi  Z e ro  W   4 G M o d e m   Verizon  USB7 3 0 L   4 G Anten n a   TS9           (a)   (b)     Figure  4. U AV d irect io n wit h a disc on ti nuit y  thres hold  with  two se par at e c el lular lay ou ts ,  ( a)  UA V  trajecto ry w it h first cel l l ay ou t , (b) U A V  tra j e ct or y  with sec ond ce ll  lay ou t       7.   CONCL US I O N   In   this  pa per,  we  ha ve  c onduct ed  a n  exte nsi ve  analy sis  on  the  UAV  c onnecti vity   m od el   (cell ular   li nk ed   U A V)   wh e r e  UAV  is   em bed ded  as   a  m od ern  aer ia l  UE  in  est a blishe d  5G/B 5G  cel ls.  Fir stl y,  the   com pr ehe ns ive   ta xo nom y  of   t he  dif fer e nt  te chnolo gy  fiel ds  of   ne w  ap plica ti on s  as  well   as  the  te chn ol og ic a l   pro blem s   of   U AV   inc orp or at ion   with  cel lul ar  netw orks.   We  then  c on ce ntrate  on  prom isi ng   netw ork  desig ns  and  p hysic al   la ye r  enh a ncem e nts  for  5G/B 5G  netw orks  in v ie w  of  cel lular  li nk e d  U AV s   hardw a re  an d  dev i c e   desig n  c halle nges.  The   co re  adv a nce d  5G  s olu ti ons  ha ve  been  el ab or at e d  s uch  that  U AV  co nnect ivit y  acro ss   m ob il e sp ec tru m  is integrated  an d faci li ta te d  sea m le ssly . T o  assess the  de sign  e ff ic ie ncy  b ene fit and  Re search   real  im ple m entat ion   c halle nge s,  we   ha ve  highli gh te d  e nd ea vours  to   buil d  work i ng  pr oto t ypes,  as   well   a s  fiel d  te sts  and  m od el li ng .  P rog ress  in  3GP P  sta nd ard i zat io n  op e r at ion s,  natio na l  and  f or ei gn  le gislat ion   a nd  so ci o - econom ic   hu rdl es  issues  will   need   to  be  co nsi der e d  be fore  the  la te st  te chn ology  can  be  a dopted  s uccess fu ll y .   We  ho pe  that  t his  stu dy  w ou l d  be  a  val uab l e  and   i nspirin g  ai d  f or   researc her s  i n  m ob i le   connecte d  U A Vs  to   op e n  a  holi sti c p ic ture  and  ha r ness  t heir  m axim u m  p otentia l.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  265   -   272   270   APPE ND I X           Figure  5 .   MAT LAB  a nim ation           Figure  6. En d of  sim ulatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       To wa rd s  usi ng  U AV  for  im provi ng  5G cel lu lar c ommunic at ion  syste m   ( M ohamed  El  Sa y ed  K otb )   271   REFERE NCE S   [1]   K.  P.  Vala vani s,   G.  J.  Vac htsevanos ,   “ Handbook  of  unm anne d  ae ria l  vehicl es, ”  Sp ringer,   vol.   1,   n o.   5/6,   pp.   43 - 47 ,   2015.     [2]   R.   W .   B ea rd ,   T.  W .   McLain, “ Sm al l  unm anne d   ai rcr aft :   Th eor y   and  pra ct i ce,” Princ e ton  univ ersity   pre ss ,   2012 .     [3]   M.  As adpour ,   B .   Van  d en  Bergh ,   D.  Giust ini ano ,   K.  A.  Hum m el ,   S.  Polli n   and   B .   Plattner ,   “ Micr o  ae r ia l   vehicl e   net works :  An  e xper imental  an aly sis  of  ch alleng es  and  opportun it ie s , ”  I EE E   Comm unic ati ons  M agazine,   vol .   52 ,   no.   7 ,   pp .   141 - 1 49,   2014 ,   doi :   10 . 1109/M COM . 2014. 6852096 .    [4]   L.   Godage ,   “ Global   Unm anne d   Aeri al   Veh icle   Marke t  (UA V)  Industr y   Ana l ysis  and  Forec as t  (2018 - 2026), ”   Montana   Le dg er ,   2019 .     [5]   S.  Ha y at,  E.  Yanm az ,   R .   Muz aff ar ,   “ Surve y   on  unm anne d  a eri a l  vehicl e  ne tworks  for  ci vil  appl i ca t ions:  A  comm unic a ti ons   vie wpoint , ”  IE EE   Comm unic at ions  Re searchs  and   Tutor ial s,   vol.   18,   no .   4,   pp .   2624 - 2661,   2016,   doi :  10 . 1109/CO MS T. 2016. 2560 343.     [6]   R.   Shaker i  e t  al . ,   “ Design  cha l l enge s  of  m ult i - UA V  sy st ems   in  c y b er - ph y s ica l  appl i ca t ions:  A  comprehe nsive  rese arc h   and  fu t ure   dir ec t ions,”   IEE E  Comm uni cat ions  R ese arc hs  and   Tutor ial s,   vol.  21,   no .   4 ,   pp.   3340 - 3385 ,   2019,   doi :  10 . 11 09/COMS T. 2019. 2924143.     [7]   H.  W ang,   H.  Zh ao,   J.  Zha ng ,   D.   Ma,   J.  Li   and  J.  W ei ,   “ Resea rc h  on  unm anne d  ae ri al   v ehi c le   n e tworks:  A  c y ber   ph y sic al s y st e m   per spec t ive,”   IE EE   Comm unic a t ions R ese archs   a nd   Tutor ial s,   vo l .   2 ,   no .   5 ,   pp .   14 2 - 168,   2019 .     [8]   M.  Moza ffa ri ,   W .   Saad,   M.  Benni s,  Y. - H.  Na m   and  M.  Deb bah,   “ A  tut oria l   on  uavs  for  w ire l ess  net works :  Applic a ti ons,  ch al l enge s,  and  o pen  probl ems , ”  IEEE  communi cat ions  researc hs  and   tut orials ,   vol .   21 ,   no.   3 ,     pp.   2334 - 2360 ,   2019,   doi :  10 . 11 09/COMS T. 2019. 2902862.   [9]   Y.  Ze ng,   R .   Zh ang,   T .   J.  Li m ,   “ W ire le ss   com m unic at ions  wit h  unm anne d  aeria l  veh ic l es:  Opportunit i es  and   cha l le nges, ”  I EEE  Comm unic at io ns Magazine ,   vo l.   54 ,   no .   5 ,   pp .   3 6 - 42,   2016 ,   doi : 10.1109/ MCO M.2016. 7470933 .     [10]   A.  Fotouhi  et   a l. ,   “ Rese arc h  on   uav  cellular  co m m unic at ions:  Prac tical   aspe c t s,  standa rdi zatio n  adva nc ements,  reg ulation,   and  sec uri t y   chall eng es, ”  IE EE   Comm unic ati ons R ese a rchs  and   Tutor ia ls,   vol.   21 ,   no.   4 ,   pp.   3417 - 3442,   2019,   doi :  10 . 11 09/COMS T. 2019. 2906228.   [11]   P.  Marsch   et  a l. ,   “ 5G  rad io  a cc ess  net work  arc hi te c ture:  De sign  guide l ine s   and  ke y   consi der ations,”   I EEE  Comm unic ati ons Magazine ,   vol .   54,   no .   11 ,   pp .   2 4 - 32,   2016 ,   doi : 10.1109/ MCO M. 2016. 1600147C M.    [12]   P.  Marsch,   I.   Da  Silva ,   Ö.  Bula k ci ,   M.  Te sanov i c,   S.  E.   El   A y ou bi   and  M.  Säily ,   “ Emerging  net work  arc hit e ct ur e  and  func t ional  design  conside r at ions  for  5G  rad io  a ccess , ”  Tr ansacti ons  on  Eme rging  Tel ec omm unic at ion s  Technol ogi es,   v ol.   27 ,   no .   9 ,   pp .   1168 - 1177,   201 6,   doi :  10 . 1002/ett. 3073 .   [13]   S.  D.  Murugana tha n,   X .   Li n ,   H. L.   Maa ttanen ,   Z .   Zou ,   W .   A.  H apsa ri   and   S.  Yasukawa,   “ An  over vie w  of  3GP P   rel e ase - 15  stud y   on  enha n ce d   LTE  support  fo r  co nnec t ed  dron es, ”   arXiv   p rep rin t a rXiv:1805. 0082 6,   2018 .   [14]   B.   Li ,   Z.   Fei   and   Y.  Zha ng,   “ UA V  comm unic at ions  for  5G  and  be y ond:  Re ce n t  ad vanc es  and  futur e  tre nds, ”  IEEE   Inte rnet   of   Things   Journal,   vol. 6, no. 2, pp. 2241 - 2263,   2018 ,   doi : 10.1109/ JIO T. 2 018. 2887086.     [15]   I.   Bor - Yali n iz,  M.  Sale m ,   G.  Se ner at h   and  H.  Yaniko m ero glu,   “ Is  5G  rea d y   for  drone s:  A  look  i nto  cont empora r y   and  prospec ti ve   wire le ss   net wor ks  from   a  stand ard izati on   per sp ec t ive , ”  I EE E   W irel ess  Comm unic ati ons ,   vol .   26 ,   no.   1 ,   pp .   18 - 27 ,   2019,   doi :   10. 11 09/MW C. 2018. 1800229.   [16]   S.  A.  R.   Naqvi,  S.  A.  Hass an,   H.   Perva iz   and  Q.  Ni,   “ Drone - ai ded  comm unic a ti on  as  a  ke y   en abl er  for  5G  an d   resil i ent   public   safe t y   n et wor ks,”   IEE E  Co mm unic ati ons  Magazine,   vol .   56,   no.   1,   p p.   36 - 42,   201 8,     doi :  10 . 1109/M COM . 2017. 1700451.   [17]   R.   J.  Kerc ze ws k i,   J.  D.  W il son   and  W .   D.  Bish op,   “ Freque nc y   spec trum  for  int egr ation  of  unma nned  ai r cra f t ,”   IEE E /A IA A  32nd  Digit al   Av ionics  Syste ms   Confe renc e  ( DASC) ,   201 3,   pp.   6D 5 – 1,   doi :  10 . 1109/M AES.2010. 5546 294.   [18]   3GP P  TR  36. 777,   “ Te chn ic a l  spec if ic a ti on  grou p  rad io  a ccess   net work:   stud y   o n  enha nc ed  L TE   support  for  ae r i al  vehi c le s , ”   vol .   1 5,   2017 .     [19]   Y.  Ze ng,   Q.  W u   and  R.   Zha ng ,   “ Acc essing  from   the   sk y :  A  tut or i al   on  UA V  com m unic at ions  for  5G  and  be y ond , ”  Proce ed ings o f   t he  IE EE,   vol .   10 7,   no .   12 ,   2019 ,   pp.   2327 - 2375 ,   doi :  10 . 1109/JP ROC.2019. 2952 892.   [20]   E.   Vi nogr adov,   H.  Sall ouha ,   S. D e  Bast,   M.   M. A za ri   and  S.  Pol li n,   “ Tut o rial  on  UA V:  A bl ue  sky   v ie w on  wire les s  comm unic at ion,”  arXiv   pre pr int  arXiv :1901. 0230 6,   2019 ,   doi :  10 . 13052/j m m 1550 - 4646. 1443.   [21]   A.  Chakra bort y ,   E.   Chai ,   K.  Sundare san,   A.  Khojaste pour   and  S.  Ranga rajan,   “ Sk y RAN :  a  self - orga nizing  LTE   RAN   in  the   sk y, ”  Pro ce ed ings  of  the   14 th  Int e rnational   Conf e renc e  on  eme rgi ng  Net working  EX perime n ts  and   Technol ogi es,   A CM,   2018 ,   pp .   2 80 - 292.     [22]   K.  Sundare san,   E.   Ch ai ,   A.  Cha kra bort y   and  S.  Ranga ra ja n ,   “ Sky L iT E :  End - to - End  Design  of  L ow - Alti tude   UA V   Networks for  Pr ovidi ng  LT E   Co nnec t ivi t y , ”   arXi v  pre prin t arXiv:1802.06042,   201 8.     [23]   Y.  Ze ng,   J.  L y u   and  R.   Zha ng ,   “ Cel lular - conn ect ed  UA V:  Potent ia l,   ch al l enge s,  a nd  prom ising  te chnol ogie s, ”  IEEE  Wirel ess  Comm unic ati ons ,   vol .   2 6,   no .   1 ,   pp .   120 - 127,   2018 ,   doi : 10.1109/ MW C. 2018. 1800023.     [24]   M.  M.  Aza ri ,   G.   Gera ci,  A.  Gar c ia - Rodrigu ez   an d  S.  Polli n,   “ Cellula r  UA V - to - UA V  com m unic ations,”   IE EE   30t h   Annual   In te rnati onal  Symposium   on  P ersonal,   In door and  Mobile   Radi o   Comm unic ati ons ( PIM RC ) ,   2019,   pp .   1 – 7 .   [25]   N.  S.  T ea m ,   “ Ne tSim   int erf a ci ng  with  MA TL AB’s   Sim uli nk  for  UA V  Sim ula ti on :  NetSim  Support  Portal,”   2021 .   [Online ] .   Available:  htt ps: // support. t et cos . com/ support/solut ion s/art i cl es/14000 121929 - net sim - m at la b - in te rfa c i ng - for - uav - drone - f l y ing - adhoc - n et w ork - sim ula ti ons, 2021.             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   23 , N o.   1 ,  Ju ly   20 21 :  265   -   272   272   BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS         Prof.  Dr.   Wag dy   R.   An is ,   he   r ec e ive d  h is  B. Sc .   from   the  E le c tr ic a l  Eng ine e ring   Depa rtment ,   Ain  sham s  univ ersity ,   Ca iro,   Eg y pt .   M.Sc.   from   Ain   sham s  univ ersity   in  1977.   P h. D.  in  1985  Curre ntly   Emer it us  Profess or  at   El e ct roni cs   E ngine er ing  and   El ectrical   Co m m unic at ions.     Email :   wagdia n i s51@ eng. asu. ed u. eg         Ass.   Pr of.  D r.   Ah me d  A.  Ab del - Hafe z ,  h e  recei ved  his  B. Sc.   and  M.S c.   from   the   Com m unic at ion  Engi ne eri ng  De par tment,  Mili tar y   Te chn ical   Co ll eg e,   C ai ro,  Eg y pt   in  1990 ,   1997  respe ctively .     Ph.D.  from   Otta wa  Univer si t y   in  2003.   Curr ent l y   He ad  of  c r y ptogr ap h y   rese arc h  ce n te r  since   2012,   Eg ypti an  Arm ed  Force s.  His  rese a rc h  int ere sts  in cl u ding  Applie d  c r y p togra ph ,   and   Inform at ion   Sec urity .   Email:  aa b del haf ez @gm ai l . com           Mohame d  El  Say ed  Kotb  El  Say ed ,  h e  re ce iv ed  his  B. Sc.   from   the   Com m unic at ion   Engi ne eri ng  De par tment,  fa cul t y   of   engi n ee r ing ,   z aga z ig  univ er sit y ,   z agazi g ,   E g y pt   in  2010 ,   m aste r  studen t   in  Ain  sham s  unive rsit y   c om m unic at ion  and  e le c tronics  Depa rtment .     Curre ntly ,   m ember  of  cr y ptogr aph y   r ese ar ch  c ent er  sin ce   201 5,   Eg y ptian  Ar m ed  Force s.   Email :   m ohammed. kotp2@gm ail . com           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.