Aeronautical Networks for In-Flight Connectivity: A Tutorial of the State-of-the-Art and Survey of Research Challenges

Abstract

Las redes aeronáuticas atraen la atención tanto de la industria como del mundo académico, ya que el acceso a Internet durante los vuelos responde a la demanda crucial del lujo con la tecnología en evolución. Esta necesidad de conectividad en vuelo (IFC) está actualmente dominada por la conectividad satelital y las soluciones de red aire-tierra (A2G). Sin embargo, el alto coste de instalación/equipo y la latencia de la conectividad satelital reducen su eficiencia. Las redes A2G se utilizan a través de las estaciones terrestres 4G/5G desplegadas en áreas terrestres para resolver los problemas de estos satélites. Este despliegue terrestre reduce el área de cobertura de las redes A2G, especialmente para vuelos remotos sobre el océano. Las Redes Ad-hoc Aeronáuticas (AANET) están diseñadas para proporcionar IFC mientras resuelven los defectos primarios de las soluciones dominantes. La AANET es una solución totalmente novedosa bajo las redes vehiculares ya que se compone de aeronaves con características ultradinámicas y desestructuradas. Estas características lo separan de las menos dinámicas Flying Ad-Hoc Networks (FANETs). Por lo tanto, los efectos ambientales y de movilidad causan desafíos específicos para los AANET. Este artículo presenta una revisión integral de estos desafíos abiertos de AANET investigándolos en las capas de enlace de datos, red y transporte. Antes de dar los detalles de estos desafíos, este artículo explora la literatura de vanguardia sobre redes satelitales y A2G para IFC. A continuación, damos nuestro interés específico a la AANET mediante la investigación de sus características particulares y desafíos de investigación abiertos. El principal punto de partida de este estudio es que hay una falta de investigación compacta sobre este tema emocionante, aunque IFC es una necesidad inevitable para la industria aeronáutica. Además, la AANET podría subrayarse dando todo el estado de la técnica sobre las soluciones dominantes de IFC. Por lo tanto, este es el primer trabajo que explora el estado de la técnica para todas las tecnologías de redes aeronáuticas existentes bajo una única encuesta integral mediante el análisis profundo de las características específicas y los desafíos de investigación abierta de los AANET. Además, la AANET es un tema novedoso y debe investigarse por separado de las FANET como se indica en la literatura actual.Les réseaux aéronautiques attirent l'attention de l'industrie et du monde universitaire puisque l'accès à Internet pendant les vols se tourne vers la demande cruciale du luxe avec la technologie en évolution. Cette nécessité de connectivité en vol (IFC) est actuellement dominée par la connectivité par satellite et les solutions de réseau air-sol (A2G). Cependant, le coût élevé de l'installation/de l'équipement et la latence de la connectivité satellite réduisent son efficacité. Les réseaux A2G sont utilisés à travers les stations au sol 4G/5G déployées sur les zones terrestres pour résoudre les problèmes de ces satellites. Ce déploiement terrestre réduit la zone de couverture des réseaux A2G, en particulier pour les vols à distance au-dessus de l'océan. Les réseaux ad hoc aéronautiques (AANET) sont conçus pour fournir une SFI tout en résolvant les principaux défauts des solutions dominantes. L'AANET est une solution entièrement nouvelle sous les réseaux véhiculaires puisqu' elle est constituée d'avions aux caractéristiques ultra-dynamiques et non structurées. Ces caractéristiques le séparent des Flying Ad-Hoc Networks (FANET) moins dynamiques. Par conséquent, les effets sur l'environnement et la mobilité entraînent des défis spécifiques pour les AANET. Cet article présente un examen holistique de ces défis AANET ouverts en les examinant dans les couches de liaison de données, de réseau et de transport. Avant de donner les détails de ces défis, cet article explore la littérature de pointe sur les réseaux satellites et A2G pour IFC. Nous donnons ensuite notre intérêt spécifique à l'AANET en étudiant ses caractéristiques particulières et ses défis de recherche ouverts. Le principal point de départ de cette étude est le manque de recherche compacte sur ce sujet passionnant, bien que la SFI soit un besoin inévitable pour l'industrie aéronautique. En outre, l'AANET pourrait être souligné en donnant à tous l'état de l'art sur les solutions IFC dominantes. Par conséquent, il s'agit du premier travail explorant l'état de l'art pour toutes les technologies de réseau aéronautique existantes sous une seule enquête complète en analysant en profondeur les caractéristiques spécifiques et les défis de recherche ouverts des AANET. De plus, l'AANET est un sujet nouveau et devrait être étudié séparément des FANET comme indiqué dans la littérature actuelle.The aeronautical networks attract the attention of both industry and academia since Internet access during flights turns to the crucial demand from luxury with the evolving technology. This In-Flight Connectivity (IFC) necessity is currently dominated by the satellite connectivity and Air-to-Ground (A2G) network solutions. However, the high installation/equipment cost and latency of the satellite connectivity reduce its efficiency. The A2G networks are utilized through the 4G/5G ground stations deployed on terrestrial areas to solve these satellites' problems. This terrestrial deployment reduces the coverage area of A2G networks, especially for remote flights over the ocean. The Aeronautical Ad-hoc Networks (AANETs) are designed to provide IFC while solving the primary defects of dominating solutions. The AANET is an entirely novel solution under the vehicular networks since it consists of aircraft with ultra-dynamic and unstructured characteristics. These characteristics separate it from the less dynamic Flying Ad-Hoc Networks (FANETs). Therefore, the environmental and mobility effects cause specific challenges for AANETs. This article presents a holistic review of these open AANET challenges by investigating them in data link, network, and transport layers. Before giving the details of these challenges, this article explores the state-of-the-art literature about satellite and A2G networks for IFC. We then give our specific interest to the AANET by investigating its particular characteristics and open research challenges. The main starting point of this study is that there is a lack of compact research on this exciting topic, although IFC is an inevitable need for the aeronautical industry. Also, the AANET could be underlined by giving all state-of-the-art about the dominating IFC solutions. Therefore, this is the first work exploring the state-of-the-art for all the existing aeronautical networking technologies under a single comprehensive survey by deeply analyzing specific characteristics and open research challenges of AANETs. Additionally, the AANET is a novel topic and should be separately investigated from the FANETs as given in current literature.تجذب شبكات الطيران انتباه كل من الصناعة والأوساط الأكاديمية لأن الوصول إلى الإنترنت أثناء الرحلات الجوية يتحول إلى الطلب الحاسم من الفخامة مع التكنولوجيا المتطورة. تهيمن على ضرورة الاتصال على متن الطائرة حاليًا حلول الاتصال عبر الأقمار الصناعية وشبكة النقل الجوي إلى الأرض (A2G). ومع ذلك، فإن ارتفاع تكلفة التركيب/المعدات والكمون في اتصال الأقمار الصناعية يقلل من كفاءتها. يتم استخدام شبكات A2G من خلال المحطات الأرضية 4G/5G المنتشرة في المناطق الأرضية لحل مشاكل هذه الأقمار الصناعية. يقلل هذا الانتشار الأرضي من مساحة تغطية شبكات A2G، خاصة بالنسبة للرحلات الجوية عن بُعد فوق المحيط. تم تصميم الشبكات المخصصة للملاحة الجوية (AANETs) لتوفير مؤسسة التمويل الدولية مع حل العيوب الأساسية للحلول المهيمنة. تعد شبكة AANET حلاً جديدًا تمامًا في ظل شبكات المركبات لأنها تتكون من طائرات ذات خصائص ديناميكية للغاية وغير منظمة. تفصلها هذه الخصائص عن الشبكات المخصصة للطيران (FANETs) الأقل ديناميكية. لذلك، تسبب الآثار البيئية والمتعلقة بالتنقل تحديات محددة لشبكات AANET. تقدم هذه المقالة مراجعة شاملة لتحديات AANET المفتوحة هذه من خلال التحقيق فيها في روابط البيانات والشبكات وطبقات النقل. قبل تقديم تفاصيل هذه التحديات، تستكشف هذه المقالة أحدث المؤلفات حول شبكات الأقمار الصناعية و A2G لمؤسسة التمويل الدولية. ثم نولي اهتمامنا الخاص لشبكة AANET من خلال التحقيق في خصائصها الخاصة وتحديات البحث المفتوحة. نقطة البداية الرئيسية لهذه الدراسة هي أن هناك نقصًا في الأبحاث المدمجة حول هذا الموضوع المثير، على الرغم من أن مؤسسة التمويل الدولية هي حاجة حتمية لصناعة الطيران. أيضًا، يمكن التأكيد على AANET من خلال إعطاء كل ما هو حديث حول حلول مؤسسة التمويل الدولية المهيمنة. لذلك، هذا هو العمل الأول الذي يستكشف أحدث ما توصلت إليه جميع تقنيات شبكات الطيران الحالية في إطار مسح شامل واحد من خلال التحليل العميق للخصائص المحددة والتحديات البحثية المفتوحة لشبكات AANET. بالإضافة إلى ذلك، فإن AANET هو موضوع جديد ويجب التحقيق فيه بشكل منفصل عن FANET كما هو موضح في الأدبيات الحالية.