[論文レビュー] Survey on Unmanned Aerial Vehicle Networks: A Cyber Physical System Perspective

Haijun Wang, Haitao Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

UAV Applications and Optimization被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、通信、計算、制御の相互作用を分析するサイバーフィジカルシステム（CPS）の視点から、無人航空機（UAV）ネットワークの包括的サーベイを提示している。階層的フレームワーク（セルレベル、システムレベル、システムの集合レベル）を提案し、システム性能を向上させる結合効果を明らかにするとともに、UAV CPS統合における主な研究課題と今後の方向性を同定している。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) networks are playing an important role in various areas due to their agility and versatility, which have attracted significant attention from both the academia and industry in recent years. As an integration of the embedded systems with communication devices, computation capabilities and control modules, the UAV network could build a closed loop from data perceiving, information exchanging, decision making to the final execution, which tightly integrates the cyber processes into the physical devices. Therefore, the UAV network could be considered as a cyber physical system (CPS). Revealing the coupling effects among the three interacted components in this CPS system, i.e., communication, computation and control, is envisioned as the key to properly utilize all the available resources and hence improve the performance of the UAV networks. In this paper, we present a comprehensive survey on the UAV networks from a CPS perspective. Firstly, we respectively research the basics and advances with respect to the three CPS components in the UAV networks. Then we look inside to investigate how these components contribute to the system performance by classifying the UAV networks into three hierarchies, i.e., the cell level, the system level, and the system of system level. Further, the coupling effects among these CPS components are explicitly illustrated, which could be enlightening to deal with the challenges in each individual aspect. New research directions and open issues are discussed at the end of this survey. With this intensive literature review, we try to provide a novel insight into the state-of-the-art in the UAV networks.

研究の動機と目的

• サイバーフィジカルシステム（CPS）の視点からUAVネットワークを分析し、サイバーとフィジカルの要素の統合を強調する。
• UAVネットワークにおける通信、計算、制御の相互依存関係を調査する。
• UAVネットワークアーキテクチャを3つの階層的レベル（セルレベル、システムレベル、システムの集合レベル）に分類する。
• 通信、計算、制御の間の結合効果を明らかにし、リソース利用効率とシステム性能の最適化を図る。
• UAV CPS研究における未解決の課題を同定し、今後の研究方向性を提案する。

提案手法

• 本稿は、UAVネットワークをサイバーフィジカルシステムとして扱うにあたり、通信、計算、制御分野における進展を統合する体系的文献レビューを実施している。
• 3段階の階層的フレームワーク（セルレベル：個々のUAV、システムレベル：協調的UAV、システムの集合レベル：多分野のUAVネットワーク）を導入している。
• 既存研究からの事例研究と性能指標を用いて、通信、計算、制御の相互作用を分析している。
• 組み込みシステム、通信プロトコル、リアルタイム制御、計算オフローディングといった主要な要素を、CPS統合の文脈で検討している。
• 定性的および比較的分析手法を用いて、3つのCPSコンponents間の結合効果と性能トレードオフを示している。
• 得られた知見を統合的にまとめ、CPSの視点からUAVネットワーク設計と最適化を理解するための統一的フレームワークを提示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVネットワークがサイバーフィジカルシステムとして機能する際、通信、計算、制御の各コンponentsはどのように相互作用し合い、互いにどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 UAVネットワークの異なる階層的レベルにおいて、これらの3つのコンponentsを結合することの性能的影響は何か？
• RQ3 サイバー層とフィジカル層の統合は、UAVネットワークの信頼性、スケーラビリティ、効率性をどのように向上させ得るか？
• RQ4 UAVネットワークをサイバーフィジカルシステムとして設計・展開するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 CPSの視点からUAVネットワークを分析することで、どのような新しい研究方向性が浮かび上がってくるか？

主な発見

• UAVネットワークをサイバーフィジカルシステムとして統合することで、センシングからアクチュエータ作動までのクローズドループ運用が可能になる。
• 通信、計算、制御の3つのCPSコンponents間の結合効果は、特に遅延、信頼性、エネルギー効率の面でシステム性能に顕著な影響を与える。
• セルレベル、システムレベル、システムの集合レベルからなる階層的フレームワークは、UAVネットワークの分析と設計をスケーラブルに行う手段を提供する。
• 通信と計算のオフローディングを制御システムと適切に連携させることで、遅延を低減し、リアルタイム意思決定を向上させることができる。
• 本サーベイでは、動的トポロジ管理、安全なデータ交換、クロスレイヤ最適化といった未解決の問題が、今後のUAV CPS開発において極めて重要であると同定している。
• 本研究は、UAVネットワーク分野における断片的な研究分野をCPSパラダイムの下で統合する画期的な包括的視点を提供し、今後の学際的研究を導くものである。