[논문 리뷰] SkyLiTE: End-to-End Design of Low-Altitude UAV Networks for Providing LTE Connectivity

Karthikeyan Sundaresan, Eugene Chai외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 16.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 6인용 수 29

한 줄 요약

SkyLiTE는 저공 무인 항공기(UAV)를 위한 종단 간, 자가 조직화되는 LTE 네트워크 아키텍처를 제안하며, 소프트웨어 정의 RAN(SkyRAN), 코어(SkyCore), 백홀(SkyHaul) 모듈을 통합하여 즉시 요구되는 최적화된 LTE 연결성을 제공한다. 이 시스템은 프로토타입 테스트를 통해 실현 가능성을 입증하여 실시간 재구성과 액세스, 백홀, 코어 네트워크 전반에 걸친 다층 최적화를 가능하게 하는 동적 UAV 기반 모바일 네트워크를 구현한다.

ABSTRACT

Un-manned aerial vehicle (UAVs) have the potential to change the landscape of wide-area wireless connectivity by bringing them to areas where connectivity was sparing or non-existent (e.g. rural areas) or has been compromised due to disasters. While Google's Project Loon and Facebook's Project Aquila are examples of high-altitude, long-endurance UAV-based connectivity efforts in this direction, the telecom operators (e.g. AT&T and Verizon) have been exploring low-altitude UAV-based LTE solutions for on-demand deployments. Understandably, these projects are in their early stages and face formidable challenges in their realization and deployment. The goal of this document is to expose the reader to both the challenges as well as the potential offered by these unconventional connectivity solutions. We aim to explore the end-to-end design of such UAV-based connectivity networks particularly in the context of low-altitude UAV networks providing LTE connectivity. Specifically, we aim to highlight the challenges that span across multiple layers (access, core network, and backhaul) in an inter-twined manner as well as the richness and complexity of the design space itself. To help interested readers navigate this complex design space towards a solution, we also articulate the overview of one such end-to-end design, namely SkyLiTE-- a self-organizing network of low-altitude UAVs that provide optimized LTE connectivity in a desired region.

연구 동기 및 목표

• 저공 UAV 네트워크의 LTE 연결성을 위한 복잡하고 상호 의존적인 층 간 과제를 해결하기 위해.
• UAV 기반 모바일 네트워크를 위한 액세스, 백홀, 코어 네트워크 기능을 통합한 통합형 종단 간 아키텍처를 개발하기 위해.
• 재난 영향 지역이나 농촌 지역에서 요구에 따라 자가 조직화되는 LTE 연결성을 실현하기 위해.
• UAV 플랫폼에 직접 구현된 완전 기능성, 표준 준수 모바일 네트워크의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• SkyLiTE는 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 원리를 활용하여 OpenAirInterface 기반의 재구성 가능한 RAN 모듈인 SkyRAN을 개발하여 동적 무선 자원 관리를 구현한다.
• SkyCore는 OpenEPC를 사용하여 경량화되고 엣지 최적화된 EPC(향상된 패킷 코어)를 구현하여 UAV에서 완전한 모바일 네트워크 기능을 가능하게 한다.
• SkyHaul은 mmWave와 FSO(Free Space Optics)를 활용하여 UAV와 지상국 간 고속도 연결을 유지하는 동적 백홀 연결성을 제공한다.
• 시스템은 예측 경로 계획과 SDN 제어를 통해 실시간 사용자 단말(UE) 위치 추적 및 RAN과 백홀의 공동 최적화를 가능하게 한다.
• 설계는 회전익 및 고정익 UAV 모두를 지원하며, 고정익 UAV 구현에서 UAV 이동성 및 경로 제어를 고려한 확장된 고려 사항을 포함한다.
• 프로토타입은 모든 모듈을 하나의 UAV 플랫폼에 통합하여 실제 환경 조건에서 종단 간 기능성과 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저공 UAV에 최소한의 지상 기반 인프라로 완전 기능성의 자가 조직화되는 LTE 네트워크를 종단 간으로 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ2 UAV 기반 모바일 네트워크에서 RAN, 백홀, 코어 네트워크 설계 간의 핵심 상호의존성은 무엇인가?
• RQ3 동적 UAV 이동성과 위치 조정을 어떻게 활용하여 실시간으로 네트워크 성능을 최적화할 수 있는가?
• RQ4 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 오픈소스 통신 스택은 비용 효율적이고 표준 준수 UAV 네트워크를 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ5 저공과 고공 UAV 네트워크 간 설계 트레이드오프의 주요 차이는 무엇인가?

주요 결과

• SkyLiTE는 오픈소스 RAN 및 EPC 스택을 사용하여 단일 UAV 플랫폼에서 종단 간 자가 조직화되는 LTE 네트워크를 성공적으로 구현하였다.
• SkyRAN, SkyCore, SkyHaul의 통합은 무선, 백홀, 코어 기능의 실시간 재구성 및 동적 최적화를 가능하게 한다.
• 프로토타입은 UAV가 표준 준수 모바일 네트워크를 완전히 호스팅할 수 있으며, 완전한 연결성과 이동성 지원 기능을 갖춘다는 것을 검증하였다.
• 시스템은 회전익 및 고정익 UAV를 모두 지원하며, 후자의 경우 지속적인 이동성을 관리하기 위한 향상된 경로 계획 메커니즘을 제공한다.
• SkyHaul의 mmWave 및 FSO 활용은 동적 UAV 네트워크에 적합한 고용량, 저지연 백홀 링크를 제공한다.
• 설계는 다중 UAV 네트워크로 확장 가능하며, SkyHaul을 통해 확장성 있고 자가 치유 기능을 갖춘 백홀 토폴로지가 가능하다.