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

5.2.4. Beamforming and BDMA
Beamforming is a technique by which a beam (signal
element directed to the users) is transmitted from the ground
base station and directed to a specific user to minimize
interference to other neighbouring users and maximizes the
useful signal for the given user. In 5G NR, the antennas can
create and exploit beam patterns for the specific cellular-
connected UAV. This is of great importance, because of
aerial mobility of UAVs and high LoS channel conditions
from ground BSs. Beam division multiple access (BDMA)
is capable to handle large number of users and to enhance
the communication system capacity. In this case, a separate
beam is allocated to each user. This access technology is
dependent on the user positioning, location and speed of
user movement.
Beam forming requires the base station to have more
than one transceiver RF chain and the user (both aerial and
ground) to have single RF transceiver. In order to support a
greater number of users, the beam should be split. The key
challenge is to find a way to group users that are served by
a single beam without causing interference to other users at
the same time. Strategies like angle of departure (AoD) or
angle of arrival (AoA) help to measure the steering angle
from BS to mitigate interference to some extent.
In [
86
], the authors presented a study on using steer-
able directional transmitters on UAVs to evaluate the co-
existence of cellular-connected UAVs with ground user.
D. Mishra et al.:
Preprint submitted to Elsevier
Page 17 of 30

---

A Survey on Cellular-connected UAVs: Design Challenges, Enabling 5G/B5G Innovations, and Experimental Advancements
Figure 14:
Coexistence performance of aerial UE and ground
UE, 700 MHz in rural setting [
86
]
This work jointly optimized the flight path and antenna steer-
ing angle to improvise uplink throughput while minimizing
interference to other neighbour base stations. The proposal
is validated by a testbed setup involving
2 × 2
MIMO where
wide beam transmitters are employed half-power beams at
60
° on azimuth and elevation planes and
6
dBi forward gain.
Fig.
14
shows the performance variation with respect to the
throughput in presence of both ground users and aerial users.
The results show that such techniques are of utmost impor-
tance when the ground and aerial users coexist at such scale.