대규모 FANET에서 UAV 편대간 통신을 위한 링크 상태 예측에 기반한 반응적 라우팅 기법 A Reactive Routing Scheme based on the Prediction of Link State for Communication between UAV Squadrons in a Large-Scale FANET원문보기
In applications which are covered wide range, it is possible that one or more number of Unmanned Aerial Vehicle(UAV) squadrons are used to perform a mission. In this case, it is most important to communicate seamlessly between the UAV squadrons. In this paper, we applied the modified OLSR(OSLR-Pds) ...
In applications which are covered wide range, it is possible that one or more number of Unmanned Aerial Vehicle(UAV) squadrons are used to perform a mission. In this case, it is most important to communicate seamlessly between the UAV squadrons. In this paper, we applied the modified OLSR(OSLR-Pds) which can prediction for state of the link for the communication in UAV squadron, and applied the modified AOMDV which can build multi-path for the communication between UAV Squadrons. The mobility of nodes are modeled using Gauss-Markov algorithm, and relative speed between nodes were calculated by derive equation of movement, and thereby we can predict link state for in a squadron and between squadrons. An experiment for comparing AODV, AOMDV and the proposed routing protocol was conducted by three factors such as packet delivery ratio, end to end delay, and routing overhead. In experiment result, we make sure that the proposed protocol performance are superior in these three factors. However, if the density of the nodes constituting FANET are too low, and if the moving speed of node is very slow, there is no difference to others protocols.
In applications which are covered wide range, it is possible that one or more number of Unmanned Aerial Vehicle(UAV) squadrons are used to perform a mission. In this case, it is most important to communicate seamlessly between the UAV squadrons. In this paper, we applied the modified OLSR(OSLR-Pds) which can prediction for state of the link for the communication in UAV squadron, and applied the modified AOMDV which can build multi-path for the communication between UAV Squadrons. The mobility of nodes are modeled using Gauss-Markov algorithm, and relative speed between nodes were calculated by derive equation of movement, and thereby we can predict link state for in a squadron and between squadrons. An experiment for comparing AODV, AOMDV and the proposed routing protocol was conducted by three factors such as packet delivery ratio, end to end delay, and routing overhead. In experiment result, we make sure that the proposed protocol performance are superior in these three factors. However, if the density of the nodes constituting FANET are too low, and if the moving speed of node is very slow, there is no difference to others protocols.
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문제 정의
편대 내와 편대 간의 라우팅 모두에 상대 속도를 활용한다. 그리고 편대 간의 통신은 링크 단절 가능성이 높기 때문에 다중 경로를 구성하는 AOMDV를 변형하여 적용함으로써 통신 경로 확보 가능성을 최대한 높이고자 하였다.
본 논문에서는 다수의 UAV 편대들로 구성된 대규모 FANET의 효율적인 통신을 위하여 FANET의 빠른 토폴로지의 변화, 제한된 자원 및 통신 환경 등의 특성을 고려한 라우팅 방식을 제안한다. 빠른 토폴로지의 변화에 대응할 수 있도록 노드들의 이동 방향과 상대 속도를 활용하고, 제한된 자원 및 통신 환경의 특성을 고려하여 UAV 편대 내 통신으로는 사전적 라우팅 방식을 사용하고 이와 연계할 수 있는 UAV 편대 간 통신을 위해서는 반응적 라우팅 방식을 제안한다.
본 논문에서는 다수의 UAV 편대를 재해 지역, 전장, 국경 감시, 그리고 급하게 통신망을 구성하고 정보를 제공해야 하는 다양한 상황에 적용할 수 있도록 OLSR-Pds과 변형 AOMDV를 혼합한 복합형 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안된 복합형 프로토콜에서는 UAV가 이동하는 방향과 속력을 이용하여 UAV 간 상대 속도를 계산하는데 이는 가우스-마코프(Gauss-Markov) 모델을 기반으로 하였다.
본 장에서는 다수의 UAV 편대들로 구성된 대규모 FANET의 효과적인 통신을 위하여 FANET의 빠른 토폴로지의 변화, 제한된 자원 및 통신 환경 등의 특성을 고려한 효율적인 라우팅 방식을 제안한다. 먼저 UAV 노드들의 빠르고 불규칙적인 움직임으로 인한 빠른 토폴로지의 변화에 대응할 수 있도록 2장의 기존 연구에서 언급한 노드들의 이동 방향과 상대속도를 통한 링크 상태 예측 기법을 적용한다.
가설 설정
1로 설정하여 홉 수는 크게 고려하지 않는 것으로 가정하고 실험하였다. 그리고 두 개의 UAV 편대는 서로 통신이 가능한 거리까지 특정 시간동안 접근하는 것을 가정하고 있다. 또한 수식 (4)와 수식 (5)의 Primary_Value와 Critical_Value는 각각 –3과 –5이다.
OLSRPds의 Hello 주기는 1초로 고정하였다. 그리고 수식 (1)의 w1과 w2는 각각 0.9와 0.1로 설정하여 홉 수는 크게 고려하지 않는 것으로 가정하고 실험하였다. 그리고 두 개의 UAV 편대는 서로 통신이 가능한 거리까지 특정 시간동안 접근하는 것을 가정하고 있다.
논문에서의 실험은 ns-3 시뮬레이터를 이용하였다. 시뮬레이션 한 UAV는 로터리 블레이드(Rotary Blade)의 움직임을 가정하였다. 가우스-마코프 알고리즘을 적용하여 만든 이동 모델은 C++로 구현하였다.
이 식의 의미는 특정 노드가 현재의 이동 방향을 유지한다면 대상 노드의 전송 범위 내에 들어갈 때까지의 시간을 의미하며, 라우팅을 위한 판정 매트릭 시간(Time to Decision Metric for Routing: TDMR)이 된다. 하나의 이동 노드 n0가 다른 이동 노드인 d0를 목적 노드로 하여 전송을 하고자 하고, 각 노드의 전송 범위는 Rang이라고 가정하고 홉 수를 추가하여 얻어진 최종적인 이웃 선택을 위한 수식은 다음과 같이 유도된다.
제안 방법
UAV의 속도를 5m/s∼50m/s로 변경하면서 세 가지인자를 측정하였고, 편대 당 노드의 개수를 10∼50으로 변경하면서 다시 세 가지 인자에 대해 측정하였다.
OLSR과 같은 사전적인 프로토콜은 FANET의 노드가 빠르게 움직일 때 미리 설정한 Hello 주기를 기다리면 토플로지 변화를 따라갈 수 없다. 그러므로 OLSR-Pds는 UAV가 전송 범위를 벗어나는지 예측하고 이를 다음 홉에서 제거하는 방법을 적용하였다.
먼저 UAV 노드들의 빠르고 불규칙적인 움직임으로 인한 빠른 토폴로지의 변화에 대응할 수 있도록 2장의 기존 연구에서 언급한 노드들의 이동 방향과 상대속도를 통한 링크 상태 예측 기법을 적용한다. 그리고 UAV 편대 내 통신으로는 사전적 라우팅 방식으로 2장에서 기술한 기존의 OSLR-Pds 프로토콜을 사용하고 UAV 편대 간 통신을 위해서는 제한된 자원 및 통신 환경 차이의 특성을 고려하여 OSLR-Pds 프로토콜과 연계할 수 있는 새로운 반응적 라우팅 방식을 제안한다. UAV 편대 간의 통신 환경은 빠른 토폴로지 변화로 인한 링크 단절 가능성이 높기 때문에 단일 경로를 구성하는 AODV보다 다중 경로를 구성하는 AOMDV를 변형하여 적용함으로써 통신 경로 확보 가능성을 최대한 높일 수 있도록 한다.
이 연구에서는 먼저 라우팅 프로토콜이 링크 상태를 확인하고 예측할 때 UAV의 이동 방향과 속도를 이용하여 UAV 간의 상대 속도를 계산하고 링크 유지 가능성을 예측한다. 그리고 UAV 편대 내의 통신을 위해 예측된 링크 상태를 OLSR에 적용하여 변형하였다.
2장에서는 관련 연구로 FANET 관련 라우팅 프로토콜 연구 내용과 분석을 제시하였다. 그리고 기존의 UAV 노드간 링크 상태 예측에 기반한 UAV 편대 내 통신을 위한 라우팅 기법을 설명하였다. 3장에서는 다수의 UAV 편대로 구성된 대규모 FANET의 특성을 고려한 멀티 라우팅 방식과 2장에서 설명한 UAV 편대 내 라우팅 기법에 연계한 UAV 편대 간 통신에 적절한 라우팅 방식에 대해 제안하였다.
또한 변형 AOMDV는 링크 독립적인 경로를 설정한다. 그리고 표준적인 AOMDV의 라우팅 요청(Route Request, RREQ)와 라우팅 응답(Route Reply, RREP) 메시지를 수정하여 노드의 속도, 위치 정보를 함께 송신한다.
UAV의 속도를 5m/s∼50m/s로 변경하면서 세 가지인자를 측정하였고, 편대 당 노드의 개수를 10∼50으로 변경하면서 다시 세 가지 인자에 대해 측정하였다. 노드 속도가 변경될 때는 2개의 편대에 노드 수는 각각 25개, 총 50개로 고정하였고, 노드 개수가 변경될 때는 노드 속도를 15m/s로 고정하였다. OLSRPds의 Hello 주기는 1초로 고정하였다.
본 장에서는 다수의 UAV 편대들로 구성된 대규모 FANET의 효과적인 통신을 위하여 FANET의 빠른 토폴로지의 변화, 제한된 자원 및 통신 환경 등의 특성을 고려한 효율적인 라우팅 방식을 제안한다. 먼저 UAV 노드들의 빠르고 불규칙적인 움직임으로 인한 빠른 토폴로지의 변화에 대응할 수 있도록 2장의 기존 연구에서 언급한 노드들의 이동 방향과 상대속도를 통한 링크 상태 예측 기법을 적용한다. 그리고 UAV 편대 내 통신으로는 사전적 라우팅 방식으로 2장에서 기술한 기존의 OSLR-Pds 프로토콜을 사용하고 UAV 편대 간 통신을 위해서는 제한된 자원 및 통신 환경 차이의 특성을 고려하여 OSLR-Pds 프로토콜과 연계할 수 있는 새로운 반응적 라우팅 방식을 제안한다.
변형 AOMDV의 주경로 설정 단계와 대체 경로설정 단계 및 경로 유지 단계를 알고리즘 위주로 간략하게 기술하였다.
본 논문에서는 다수의 UAV 편대들로 구성된 대규모 FANET의 효율적인 통신을 위하여 FANET의 빠른 토폴로지의 변화, 제한된 자원 및 통신 환경 등의 특성을 고려한 라우팅 방식을 제안한다. 빠른 토폴로지의 변화에 대응할 수 있도록 노드들의 이동 방향과 상대 속도를 활용하고, 제한된 자원 및 통신 환경의 특성을 고려하여 UAV 편대 내 통신으로는 사전적 라우팅 방식을 사용하고 이와 연계할 수 있는 UAV 편대 간 통신을 위해서는 반응적 라우팅 방식을 제안한다.
가우스-마코프 알고리즘을 적용하여 만든 이동 모델은 C++로 구현하였다. 실험은 AODV, AOMDV, 그리고 제안 기법을 대상 프로토콜로 하여 비교하였다. 측정 인자는 패킷전송률, 종단 간 지연, 그리고 라우팅 오버헤드이다.
최근 UAV의 이동이 빠르고 불규칙한 움직임으로 인한 FANET의 급격한 토폴로지 변화에 빠르게 대응할 수 있도록 링크 상태 예측을 기반으로 한 라우팅 방식이 제안되었다[5]. 이 방식에서는 노드의 이동 방향과 속도를 이용한 링크 상태를 예측을 반영하여 역시 사전적 라우팅 방식인 OLSR을 변형한 OLSR-Pds라는 FANET용 라우팅 프로토콜을 제시하였다. 이 라우팅 기법의 경우 대규모 FANET에서의 UAV 편대 간 통신에도 그대로 적용하기에는 라우팅 테이블 갱신을 위한 처리량의 오버헤드가 너무 커서 다소 적절하지 못하다.
이러한 특성으로 인해 FANET의 토폴로지가 빠르게 변화할 수 있는 환경에 적절히 대응할 수 있도록 UAV간 링크 상태 예측에 기반한 OLSR-Pds 라우팅 기법이 제안되었다[5]. 이 연구에서는 먼저 라우팅 프로토콜이 링크 상태를 확인하고 예측할 때 UAV의 이동 방향과 속도를 이용하여 UAV 간의 상대 속도를 계산하고 링크 유지 가능성을 예측한다. 그리고 UAV 편대 내의 통신을 위해 예측된 링크 상태를 OLSR에 적용하여 변형하였다.
이와 같이 편대 내에는 OLSR-Pds를 이용한 단일경로 라우팅을 활용하고 편대 간에는 변형 AOMDV를 이용하여 서로 멀어질 확률이 높은 편대 간의 통신 경로 설정 확률을 높일 수 있다. 이제 실험을 통해 사전적 프로토콜인 OLSR-Pds과 반응적 프로토콜인 변형 AOMDV의 특징을 조합한 FANET용 복합형 프로토콜의 성능을 평가하고 분석한다.
중복 RREQ가 도착했을 때 시퀀스 번호가 이전 RREQ 보다 크다면 경로를 찾기 위해 재발송한 RREQ이므로 낮은 기준의 수식 (4)를 만족할 경우 대체 경로로 수용하고(step 1-2), 이전 RREQ와 시퀀스 번호가 같다면 엄격한 조건을 제시하는 수식 (5) 를 만족할 때만 대체 경로로 수용한다. 이후 목적 노드가 포함된 UAV 편대의 포워딩 노드는 조건을 만족하는 대체 경로로 수용된 노드에 대해 RREP를 발송한다. 그리고 RREP를 발송한 노드의 정보를 주기적으로 확인하고, 실제 데이터가 전달되면 자신의 MPR Selector Set에 포함된 노드로 패킷 전송을 수행한다.
그리고 AOMDV도 링크 상태를 예측하는 기법을 사용하지 않고 주로 홉 카운트에 의한 경로 갱신을 수행하기 때문에 FANET과 같은 노드의 고속 이동 환경에서 다중 경로를 충분히 확보할 수가 없다. 제안 프로토콜은 UAV 편대 내에서는 OLSR-Pds를 통해 경로를 미리 알고 있고, 편대 간에는 다중 경로를 설정할 수 있으며, 이런 경로를 설정할 때 링크의 상태를 미리 예측하는 기법을 사용한다. 따라서 Fig.
제안한 복합형 프로토콜을 단일 경로 프로토콜인 AODV 및 다중 경로 프로토콜인 AOMDV에 대해 패킷 전송률, 종단 간 전송 지연, 그리고 라우팅 오버헤드에 대해 비교 실험을 수행하였다. 실험 결과 패킷 전송률과 종단 간 전송 지연에서는 제안한 프로토콜이 우수하였으며, 라우팅 오버헤드의 경우에는 노드 속도가 상대적으로 고속이고 노드 수가 충분한 경우에 제안 프로토콜이 우수함을 확인하였다.
대상 데이터
논문에서의 실험은 ns-3 시뮬레이터를 이용하였다. 시뮬레이션 한 UAV는 로터리 블레이드(Rotary Blade)의 움직임을 가정하였다.
실험은 AODV, AOMDV, 그리고 제안 기법을 대상 프로토콜로 하여 비교하였다. 측정 인자는 패킷전송률, 종단 간 지연, 그리고 라우팅 오버헤드이다. UAV의 속도를 5m/s∼50m/s로 변경하면서 세 가지인자를 측정하였고, 편대 당 노드의 개수를 10∼50으로 변경하면서 다시 세 가지 인자에 대해 측정하였다.
이론/모형
두 노드 사이의 링크가 얼마 동안 유지될 수 있는지를 노드의 움직임에 기반하여 계산하기 위해 가우스-마코프 모델을 이용하여 이동성 모델링을 하여 노드의 이동성을 3차원 속도 벡터로 나타내었다. 이 속도 벡터를 이용하여 링크 유지 확률을 계산하고 다음 경로로 선택할 것인지를 판정하는 식을 생성하였다.
본 논문에서는 다수의 UAV 편대를 재해 지역, 전장, 국경 감시, 그리고 급하게 통신망을 구성하고 정보를 제공해야 하는 다양한 상황에 적용할 수 있도록 OLSR-Pds과 변형 AOMDV를 혼합한 복합형 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안된 복합형 프로토콜에서는 UAV가 이동하는 방향과 속력을 이용하여 UAV 간 상대 속도를 계산하는데 이는 가우스-마코프(Gauss-Markov) 모델을 기반으로 하였다. 편대 내와 편대 간의 라우팅 모두에 상대 속도를 활용한다.
성능/효과
또한 노드 간의 상대 속도 계산을 위한 시간도 필요하다는 단점을 지닌다. 그러나 제안한 복합형 라우팅 프로토콜은 사전적, 반응적 프로토콜의 특징을 동시에 가지며, 위치 기반의 특성도 가지고 있어 링크 상태를 미리 예측할 수 있고, 이를 통해 노드가 고속으로 이동하는 FANET의 토플로지 변화에 적응할 수 있기 때문에 FANET용 라우팅 프로토콜로 적합한 것으로 판단된다.
세 프로토콜 모두 노드 수가 총 20개일 때 50% 이상의 오버헤드를 발생시킨다. 노드 수가 가장 작을 때 AODV가 가장 낮은 오버헤드를 보이며, 제안 프로토콜은 편대 내 경로를 위한 기본적인 오버헤드와 편대 간 통신을 위한 변형 AOMDV가 동작하여 55%의 오버헤드가 발생한다. AODV는 낮은 노드 밀집도로 인해 RRER을 많이 수신하는 상태, 즉 경로 단절 상태가 자주 발생하기 때문에 가장 높은 오버헤드를 가진다.
제안한 복합형 프로토콜을 단일 경로 프로토콜인 AODV 및 다중 경로 프로토콜인 AOMDV에 대해 패킷 전송률, 종단 간 전송 지연, 그리고 라우팅 오버헤드에 대해 비교 실험을 수행하였다. 실험 결과 패킷 전송률과 종단 간 전송 지연에서는 제안한 프로토콜이 우수하였으며, 라우팅 오버헤드의 경우에는 노드 속도가 상대적으로 고속이고 노드 수가 충분한 경우에 제안 프로토콜이 우수함을 확인하였다. 제안 프로토콜은 UAV 내의 GPS 정보가 필요하고 링크 상태를 예측하기 위한 컴퓨팅 자원을 소모한다.
6에 나타나 있다. 실험 영역 내에 노드의 수가 매우 적은 편대 당 10개, 즉 총 노드 수가 20개 일 경우 패킷 전송률은 AODV가 약 75%, AOMDV가 약 79%, 그리고 제안 프로토콜이 약 85%이다. 네트워크에 노드가 희소한 상태이므로 실험의 가정에 따라 두 편대가 접근하지 않으면 패킷 전송률은 더 낮게 나타날 수도 있다.
이와 같은 실험 결과를 요약해보면 제안한 라우팅 프로토콜은 노드의 속도가 고속인 경우와 적절한 노드 밀집도(실험에서는 50개)를 가지는 경우 최적의 성능을 보인다.
제안 프로토콜은 나머지 두 프로토콜과 비교해서 노드 수가 적을 때 비교적 높은 오버헤드를 보이며 노드 수가 40∼50개 구간에서 오버헤드가 크게 감소한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FANET은 무엇인가?
FANET(Flying ad hoc network)은 고정된 베이스 스테이션이나 유선 백본 네트워크에 의존 없이 노드들 간의 동적인 데이터 전송을 수행하는 UAV 노드들의 집합으로 정의된다. 그 동안 FANET용 라우팅 프로토콜에 대한 연구로는 일반적으로는 MANET(Mobile Ad hoc Network)의 라우팅 기술을 일부 수정하여 많이 사용하였다[2,3].
FANET의 토폴로지가 빠르게 변화하는 환경에 대응할 수 있도록 OLSR-Pds 라우팅 기법이 제안된 이유는 무엇인가?
FANET을 구성하는 UAV 노드들은 이동 속도가 빠르고 다소 불규칙적인 움직임을 보인다. 이러한 특성으로 인해 FANET의 토폴로지가 빠르게 변화할 수 있는 환경에 적절히 대응할 수 있도록 UAV간 링크 상태 예측에 기반한 OLSR-Pds 라우팅 기법이 제안되었다[5].
AOMDV 프로토콜은 어떤 프로토콜의 확장인가?
한편 반응식 라우팅 방식인 AOMDV(Ad hoc OnDemand Multipath Distance Vector Routing)[8] 프로토콜은 루프가 없고 링크 비겹침 경로들을 계산하기 위한 AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing) 프로토콜의 확장이다. 다중경로들을 유지하기 위하여 각 목적지를 위한 라우팅 경로들은 해당 홉 카운트를 가진 다음 홉들의 리스트를 포함하게 된다.
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