[論文レビュー] Architecture and Algorithms for an Airborne Network

Arunabha Sen, Pavel Ghosh+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2010

UAV Applications and Optimization参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、航空機、無人航空機（UAV）、人工衛星などの移動体を空中ネットワーキングプラットフォーム（ANP）として用い、ミッションクリティカルな航空路で継続的かつ3次元的なカバレッジを確保する制御された空中ネットワーク（AN）アーキテクチャを提案する。本稿では、最適なANP速度、送信範囲、軌道半径、ANP数を計算するためのアルゴリズムを導入し、最小限のノード数でトポロジ的に安定した接続カバレッジを実現する。結果として、どの航空路の寸法であっても、1軌道あたり5台のANPのみで完全な3次元カバレッジを達成できる。

ABSTRACT

The U.S. Air Force currently is in the process of developing an Airborne Network (AN) to provide support to its combat aircrafts on a mission. The reliability needed for continuous operation of an AN is difficult to achieve through completely infrastructure-less mobile ad hoc networks. In this paper we first propose an architecture for an AN where airborne networking platforms (ANPs - aircrafts, UAVs and satellites) form the backbone of the AN. In this architecture, the ANPs can be viewed as mobile base stations and the combat aircrafts on a mission as mobile clients. The combat aircrafts on a mission move through a space called air corridor. The goal of the AN design is to form a backbone network with the ANPs with two properties: (i) the backbone network remains connected at all times, even though the topology of the network changes with the movement of the ANPs, and (ii) the entire 3D space of the air corridor is under radio coverage at all times by the continuously moving ANPs. In addition to proposing an architecture for an AN, the contributions of the paper include, development of an algorithm that finds the velocity and transmission range of the ANPs so that the dynamically changing backbone network remains connected at all times, development of a routing algorithm that ensures a connection between the source-destination node pair with the fewest number of path switching, given the dimensions of the air corridor and the radius of the coverage sphere associated with an ANP, development of an algorithm that finds the fewest number of ANPs required to provide complete coverage of the air corridor at all times, development of an algorithm that provides connected-coverage to the air corridor at all times, and development of a visualization tool that depicts the movement patterns of the ANPs and the resulting dynamic graph and the coverage volume of the backbone network.

研究の動機と目的

• 移動体である空中ネットワーキングプラットフォーム（ANP）の制御された移動性を活用し、ミッションクリティカルな戦闘機支援を目的としたトポロジ的に安定した空中ネットワーク（AN）を設計すること。
• 移動するANPによる動的トポロジにもかかわらず、ANのバックボーンが常に接続された状態を保証すること。
• 常に完全な3次元電波カバレッジを空域に提供し、すべての戦闘機がネットワークにアクセス可能であることを保証すること。
• 接続性とカバレッジを維持しながら、完全なカバレッジに必要なANP数を最小限に抑えること。
• 動的制約下でANP速度、送信範囲、軌道半径、ノード数のためのアルゴリズムを開発および評価すること。

提案手法

• ANPを移動型基地局とし、戦闘機を3次元的な空域内での移動端末として扱うANアーキテクチャを提案する。
• 動的移動状態下でもネットワーク接続性を維持できるように、ANP速度と送信範囲を計算するアルゴリズムを開発する。
• 送信元ノードと受信先ノード間の経路切り替えを最小限に抑えるルーティングアルゴリズムを導入する。
• 空域の完全な3次元カバレッジに必要なANPの最小数を特定するためのカバレッジ最適化アルゴリズムを設計する。
• 非線形制約付き最適化（Nimbusソルバを用いて）を用い、幾何的制約下で最適な軌道半径とANP数を求解する。
• 2種類の異なるANP軌道配置戦略（1および2）を採用し、ノード数の最小化を目的とした性能評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的トポロジが生じる中でも、バックボーンネットワークの継続的接続性を確保するために、ANP速度と送信範囲をどのように計算できるか？
• RQ2 長方形の空域に対して完全な3次元カバレッジを提供するために、必要なANPの最小数は何か？
• RQ3 空域寸法およびカバレッジ半径に応じて、1軌道あたりのANP数はどのように変化するか？
• RQ4 どのANP軌道配置戦略が、完全カバレッジに必要なANP総数を最小化するか？
• RQ5 空域寸法およびカバレッジ半径が変化しても、1軌道あたりのANP数を一定に保てるか？

主な発見

• ANPの軌道あたりの数は、目的関数の数学的最小化の結果、空域長、幅、高さ、カバレッジ半径に関係なく最適に5台に固定される。
• ANPのカバレッジ半径（$r_s$）を増加させると、必要なANP数（$mn$）は減少し、軌道半径（$r_o$）は増加する。これは予想通りの結果である。
• 空域の高さ（$H_{ac}$）を増加させると、軌道半径（$r_o$）は減少し、ANP総数（$mn$）は増加する。これはカバレッジにかかる幾何的制約によるものである。
• すべてのテストケースにおいて、ANP配置戦略1は戦略2よりもノード数が少ないが、長さと幅が等しい場合を除き、両者は同一となる。
• 最適な軌道半径は、不変カバレッジシリンダの高さが空域高さ（$H_{ac}$）に等しい以上であるという制約下で、最大化されるべきである。
• 可視化ツールは、動的ANP移動、ネットワークトポロジの変化、および時間経過に伴う変化するカバレッジ体積をリアルタイムで効果的に可視化した。