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

4.1. Three Dimensional (3D) Coverage Model
4.1.1. Preliminary
The existing radio access technologies are not primar-
ily suited for supporting flying radio devices as their de-
ployments are mainly focused to optimally serve the ground
UEs (or terrestrial UEs). The base stations (eNodeBs) are
typically designed and developed to provide optimal perfor-
mance to the ground users. The current eNodeBs are down-
tilted to serve above purpose. Down-tilting the antennas pro-
duces radiation patterns that are not useful to serve aerial
UEs, which are expected to be positioned at different alti-
tudes with respect to the ground surface. The inherent as-
sumptions made for the ground UEs are quite different from
aerial UEs. The aerial users typically fly higher than the BS
antenna height and therefore, need 3D coverage suitable for
varying UAV altitude [
53
]. The BS antennas of LTE net-
works may provide weak channel gain by using their antenna
side lobes. In the 3D space, the coverage criterion of UAVs
are functions of BS antenna height, UAV altitude, antenna
pattern, and association rules. Hence, the network model
for aerial users coexisting with ground users necessitates a
3D coverage model [
54
].
4.1.2. Associated Works and Illustrative Results
In [
52
], the authors present 3D coverage and channel
modelling of cellular-connected UAVs in the downlink and
uplink directions. The BS antenna pattern tremendously im-
pacts the coverage distribution that affects the UAV oper-
ation and mobility. As the down-tilt angle increases, the
ground BS offers smaller gains to UAV above the BS height,
thereby impacting the uplink and downlink coverage proba-
bilities. In Fig.
5
(a), the power gain pattern is illustrated for
a synchronized uniform linear antenna array (ULA) with 10
co-polarized dipole antenna elements and BS down-tilt an-
gle
𝜃
𝑡𝑖𝑙𝑡
= −10
°. (b) and (c) are the 2D elevation pattern for
BS with down-tilt angle for
𝜃
𝑡𝑖𝑙𝑡
= −10
° and
𝜃
𝑡𝑖𝑙𝑡
= −20
°,
respectively.