[논문 리뷰] Architecture and Algorithms for an Airborne Network

Arunabha Sen, Pavel Ghosh외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 22.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비행체(기체, 드론, 인공위성 포함), 항공망 플랫폼(ANP)으로서의 이동성 플랫폼을 사용하여 임무 핵심 항공 통로에서 지속적인 연결성과 3차원 커버리지를 보장하는 제어형 공중망(AN) 아키텍처를 제안한다. 최적의 ANP 속도, 전송 범위, 궤도 반경 및 ANP 수를 유지함으로써 최소한의 노드로도 위상적으로 안정적이고 연결된 커버리지를 확보하는 알고리즘을 도입하여, 궤도당 다섯 대의 ANP만으로도 통로의 치수에 관계없이 완전한 3차원 커버리지를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임무 핵심 전투기 지원을 위해 공중망 플랫폼(ANP)의 제어 가능한 이동성을 갖춘 위상적으로 안정적인 공중망(AN) 설계.
• 이동하는 ANP로 인한 동적 위상 변화에도 불구하고 AN 백본이 항상 연결되어 있도록 보장.
• 항공 통로 전체에 대해 항상 완전한 3차원 무선 커버리지를 제공하여 모든 전투기의 네트워크 접근성을 확보.
• 연결성과 커버리지를 유지하면서도 완전한 커버리지를 위해 필요한 ANP 수를 최소화.
• 동적 제약 조건 하에서 ANP 속도, 전송 범위, 궤도 반경 및 노드 수를 위한 알고리즘 개발 및 평가.

제안 방법

• ANP를 이동형 기지국으로, 전투기를 3차원 항공 통로 내 이동 클라이언트로 사용하는 AN 아키텍처 제안.
• 이동하는 동안에도 네트워크 연결성을 유지하기 위해 ANP 속도와 전송 범위를 계산하는 알고리즘 개발.
• 원천과 목적지 노드 간 경로 전환을 최소화하는 라우팅 알고리즘 도입.
• 항공 통로의 완전한 3차원 커버리지를 위해 필요한 최소 ANP 수를 결정하는 커버리지 최적화 알고리즘 설계.
• 기하학적 제약 조건 하에서 최적 궤도 반경과 ANP 수를 구하기 위해 비선형 제약 최적화(노미우스 솔버 사용) 활용.
• 두 가지 다른 ANP 궤도 배치 전략(1번 및 2번)을 도입하고, 노드 수 최소화 측면에서 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 위상 변화가 있더라도 지속적인 백본 네트워크 연결성을 확보하기 위해 ANP 속도와 전송 범위는 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ2 직육면체 항공 통로 전체에 대해 완전한 3차원 커버리지를 제공하기 위해 필요한 최소 ANP 수는 얼마인가?
• RQ3 통로의 치수와 커버리지 반경에 따라 궤도당 ANP 수는 어떻게 변하는가?
• RQ4 완전한 커버리지를 위해 필요한 총 ANP 수를 최소화하는 데 가장 효과적인 ANP 궤도 배치 전략은 무엇인가?
• RQ5 다양한 통로 치수와 커버리지 반경에서도 궤도당 ANP 수를 일정하게 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 목적 함수의 수학적 최소화로 인해, 통로의 길이, 너비, 높이 또는 커버리지 반경에 관계없이 궤도당 ANP 수는 최적으로 다섯 대로 고정된다.
• ANP 커버리지 반경($r_s$)을 증가시키면 필요한 ANP 수($mn$)는 감소하고 궤도 반경($r_o$)은 증가하는 것이 예상되로 나타났다.
• 항공 통로의 높이($H_{ac}$)가 증가함에 따라 궤도 반경($r_o$)은 감소하고 총 ANP 수($mn$)는 기하학적 제약 조건으로 인해 증가한다.
• 모든 시험 케이스에서 전략 1이 전략 2보다 더 낮은 노드 수를 기록했으며, 길이가 너비와 동일한 경우를 제외하고는 둘 다 동일하다.
• 고정된 커버리지 실린더의 높이가 통로 높이($H_{ac}$)와 같거나 초과하도록 제약 조건을 충족하는 한 최적 궤도 반경은 최대화되어야 한다.
• 시각화 도구는 동적 ANP 이동, 네트워크 위상 변화 및 실시간으로 변화하는 커버리지 부피를 성공적으로 시각화했다.