[논문 리뷰] Survey on Unmanned Aerial Vehicle Networks: A Cyber Physical System Perspective

Haijun Wang, Haitao Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 17.

UAV Applications and Optimization인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 사이버-물리 시스템(CPS) 관점에서 무인 항공기(UAV) 네트워크에 대한 종합적인 서베이를 제시하며, 통신, 계산, 제어 간의 상호작용을 분석한다. 이는 셀 수준, 시스템 수준, 시스템의 시스템 수준의 계층적 프레임워크를 제안하여 시스템 성능 향상에 기여하는 결합 효과를 드러내며, UAV CPS 통합 분야의 핵심 연구 과제와 향후 방향성을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 사이버-물리 시스템(CPS)의 관점에서 UAV 네트워크를 분석하여 사이버 및 물리적 구성 요소의 통합을 강조한다.
• UAV 네트워크 내 통신, 계산, 제어 간의 상호의존성을 조사한다.
• UAV 네트워크 아키텍처를 세 가지 계층적 수준으로 분류한다: 셀 수준, 시스템 수준, 시스템의 시스템 수준.
• 통신, 계산, 제어 간의 결합 효과를 드러내어 자원 활용도와 시스템 성능을 최적화한다.
• 설계 및 구현 과정에서 발생하는 개방형 연구 과제를 규명하고 향후 UAV CPS 연구를 위한 신규 방향을 제안한다.

제안 방법

• 논문은 UAV 네트워크를 사이버-물리 시스템으로 간주하는 데 중점을 두고, 통신, 계산, 제어 분야의 최근 발전을 종합한 체계적 문헌 리뷰를 수행한다.
• 세 단계로 구성된 계층적 프레임워크를 도입한다: 셀 수준(개별 UAV), 시스템 수준(협동 UAV), 시스템의 시스템 수준(다중 도메인 UAV 네트워크).
• 기존 연구에서의 사례 연구 및 성능 지표를 활용하여 통신, 계산, 제어 간의 상호작용을 분석한다.
• 임베디드 시스템, 통신 프로토콜, 실시간 제어, 계산 이전 등 핵심 구성 요소를 CPS 통합 맥락에서 검토한다.
• 정성적 및 비교 분석을 통해 세 가지 CPS 구성 요소 간의 결합 효과와 성능 트레이드오프를 설명한다.
• 통합된 프레임워크로 종합하여 사이버-물리 시스템 관점에서 UAV 네트워크 설계 및 최적화를 이해한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사이버-물리 시스템으로서의 UAV 네트워크에서 통신, 계산, 제어 구성 요소는 어떻게 상호작용하며 상호 영향을 미치는가?
• RQ2 UAV 네트워크의 다양한 계층적 수준에서 이 세 구성 요소를 결합함으로써 발생하는 성능 영향은 무엇인가?
• RQ3 사이버 및 물리 계층의 통합은 UAV 네트워크의 신뢰성, 확장성, 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 사이버-물리 시스템으로서의 UAV 네트워크 설계 및 구현 과정에서 발생하는 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 CPS 관점에서 UAV 네트워크를 분석함으로써 도출되는 새로운 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 사이버-물리 시스템으로서의 통신, 계산, 제어 통합은 센서에서 액추에이터까지의 폐쇄 루프 운영을 가능하게 한다.
• 세 구성 요소 간의 결합 효과는 지연, 신뢰성, 에너지 효율성 등 시스템 성능에 상당한 영향을 미친다.
• 셀 수준, 시스템 수준, 시스템의 시스템 수준의 계층적 프레임워크는 UAV 네트워크 분석 및 설계에 확장 가능한 방법을 제공한다.
• UAV 네트워크에서 통신 및 계산 이전은 제어 시스템과 적절히 조율될 경우 지연을 감소시키고 실시간 의사결정을 향상시킬 수 있다.
• 동적 토폴로지 관리, 안전한 데이터 교환, 교차 계층 최적화와 같은 열린 문제들이 향후 UAV CPS 개발에 있어 핵심 과제로 규명된다.
• 본 연구는 UAV 네트워크 분야의 분산된 연구 영역을 CPS 프레임워크 아래 통합하는 혁신적인 통합적 시각을 제공하며, 향후 다학제적 연구를 이끌어내는 데 기여한다.