A survey on Cellular-connected uavs: Design Challenges, Enabling 5G/B5g innovations, and Experimental Advancements

5.2. Hardware and Physical layer consideration
The performance of cellular-connected UAVs in 5G net-
works significantly depends on the underlying physical layer
signal processing. In this section, we highlight the candidate
physical layer techniques that influence the UAV communi-
cation. The key techniques are massive MIMO (Multiple
Input Multiple Output) antenna, mmWave communication
(3-300 GHz), beamforming and beam division multiple ac-
cess (BDMA), as well as some new modulation schemes.
In 4G LTE, Orthogonal frequency division multiplexing
(OFDM) and Orthogonal frequency division multiple ac-
cess (OFDMA) are predominantly used for multiplexing and
multiple access method. 5G/B5G networks is considering
new waveforms to support efficient air interface [
81
]. These
new waveforms are superior than OFDM and no longer re-
quire strict orthogonality and synchronization. Table
6
pro-
vides a brief categorization of different waveforms for 5G
from implementation perspective.
5.2.1. 5G NR
5G new radio (NR) is a new radio interface and radio ac-
cess network which is designed and developed for advanced
cellular connectivity. It utilizes novel modulation schemes
and access technologies that help the underlying system to
cater to high data rate services and low latency requirements.
The first version of 5G NR started in 3GPP Rel-15. 5G NR
supports the frequency ranges in sub 6 GHz or in mmWave
range (24.25 to 52.6 GHz). It has greater coverage and en-
hanced efficiency because of beamformed controls, MIMO
and access mechanisms. 5G NR is expected to cater to three
broad categories of services i.e., (i) extreme mobile broad-
band (eMBB), (ii) ultra-reliable low latency communication
(URLLC) and (iii) massive machine type communication
(mMTC). Specifically, the expectations for each of the men-
tioned scenarios are:
D. Mishra et al.:
Preprint submitted to Elsevier
Page 16 of 30

---

A Survey on Cellular-connected UAVs: Design Challenges, Enabling 5G/B5G Innovations, and Experimental Advancements
• For eMBB use case scenario, the data rate is promised
as 100 Mbps and three time more spectral efficiency
than 4G systems. It will be able to support a device
that moved with a maximum speed of 500 km/h.
• For URLLC use case scenario, the goal is to achieve
1 ms latency with reliability 99.999%. It means, the
reliability of the wireless link will not be met, if more
than one data unit out of
10
5
data units does not get
delivered within 1 ms.
• For mMTC use case scenario, the density of de-
vices that 5G will be able to handle will reach nearly
1000000 per square kilometer.
URLLC ensures strict latency and reliability require-
ments for the application. 5G NR focuses on framing,
packetization, channel coding and diversity enhancements
for achieving URLLC. One of the most vital scenarios of
URLLC is the remote piloting of cellular-connected UAVs
in BVLoS range. Package delivery, remote surveillance and
border patrolling are some of the use cases that demand UAV
operations in BVLoS range. Due to the changing altitude,
velocity and distance between remote UAV and ground sta-
tion, the URLLC requirements may vary. URLLC is the key
use case scenario to enable BVLoS UAV operations, which
assist in safe UAV piloting to avoid crashes, obstacles etc.
Cellular-connected UAVs can benefit from 5G NR design as
it offers dominant uplink data transmissions from UAV to
ground BS, especially for many demanding use cases per-
taining to streaming, surveillance, imaging etc. The down-
link data transmission requirement is much smaller in con-
trast to uplink. Moreover, the sub 6 GHz and millimetre
wave spectrum could potentially be used for the downlink
and uplink respectively, considering the asymmetric traffic
requirements.