[논문 리뷰] UB-ANC: An Open Platform Testbed for Software-Defined Airborne Networking and Communications

SayedJalil Modares Najafabadi, Nicholas Mastronarde외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 28.

Satellite Communication Systems인용 수 5

한 줄 요약

UB-ANC는 모든 프rotocol 스택 계층에서 유연하고 실시간으로 재구성 가능한 RF 링크 실험을 가능하게 하는, 허브형 다이내믹 라디오를 사용하는 개방형 모듈식 소프트웨어 정의 항공 네트워킹 테스트베드입니다. 이는 GNU Radio와 C++ Qt를 활용하여 물리 계층에서 응용 계층 프로토콜까지 개방형이고 커스터마이징 가능한 구현을 가능하게 하여, 고정 표준 라디오를 초월한 새로운 항공 네트워킹 솔루션의 반복 가능한 평가를 가능하게 합니다.

ABSTRACT

We present the University at Buffalo's Software-Defined Airborne Networking and Communications Testbed (UB-ANC). UB-ANC is an open software/hardware platform that aims to facilitate rapid testing and repeatable comparative evaluation of various airborne networking and communications protocols at different layers of the network protocol stack. In particular, it combines quadcopters capable of autonomous flight with USRP E310 embedded software-defined radios (SDRs), which enable flexible deployment of novel communications and networking protocols, and real-time reconfigurable cognitive radio frequency (RF) links. This is in contrast to existing airborne network testbeds, which typically rely on inflexible off-the-shelf radios based on fixed standards and protocols, e.g., IEEE 802.11 (Wi-Fi) or IEEE 802.15.4 (Zigbee). UB-ANC is designed with emphasis on modularity in terms of both hardware and software, which makes it highly customizable. It is built on two open-source frameworks, namely, GNU Radio for the physical and medium access control layers and C++ Qt for the higher layers of the network protocol stack including the network, transport, and application layers. In this paper, we present the hardware and software architectures underlying UB-ANC, describe the implementation and operation of its most important components, and discuss how these components can be modified to achieve desired behaviors.

연구 동기 및 목표

• 고정 표준 라디오에 의존하는 기존 시스템의 한계를 해결하기 위해, 소프트웨어 정의 및 재구성 가능한 SDR를 사용해 고정 표준 라디오를 대체함으로써, 항공 네트워킹 연구를 위한 민첩하고 재구성 가능한 테스트베드를 제공한다.
• 다양한 프로토콜 스택 계층에서 네트워킹 및 통신 프로토콜의 빠른 프로토타이핑과 반복 가능한 비교 평가를 가능하게 한다.
• 연구자가 항공 네트워킹 실험을 커스터마이징하고 확장할 수 있도록 모듈식이고 개방 소스 기반의 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 제공한다.
• 실시간 인지 라디오 주파수 링크 적응을 위해 동적 SDR 설정을 통해 구현한다.
• IEEE 802.11 및 IEEE 802.15.4와 같은 기존 표준을 초월하여 새로운 프로토콜의 구현을 가능하게 함으로써, 기존의 제한된 표준 기반 실험을 넘어서는 연구를 지원한다.

제안 방법

• 멀티콥터와 USRP E310 소프트웨어 정의 라디오를 통합하여 이동성과 재구성 가능성을 갖춘 항공 네트워킹 테스트베드를 구성한다.
• 실시간 신호 처리와 웨이브폼의 유연성을 확보하기 위해, 물리 계층 및 중계 접근 제어 계층을 GNU Radio를 사용해 구현한다.
• 네트워크, 전송, 응용 계층을 포함한 고위 계층 프로토콜 개발을 위해 C++ Qt 프레임워크를 활용한다.
• 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 분리하여 쉽게 커스터마이징하고 확장할 수 있도록 모듈식 아키텍처를 설계한다.
• SDR 프로그래밍과 동적 프로토콜 스위칭을 통해 RF 링크의 실시간 재구성 기능을 구현한다.
• 투명성, 재현 가능성, 커뮤니티 기반 확장성을 확보하기 위해 개방 소스 소프트웨어 스택을 채택한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연하고 개방적이며 재구성 가능한 항공 네트워킹 테스트베드를 설계하여 빠른 프로토콜 평가를 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ2 고정 표준 라디오에 비해 소프트웨어 정의 라디오가 항공 네트워크 프로토콜의 적응성과 성능에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 모듈식 하드웨어와 소프트웨어 설계는 네트워킹 프로토콜의 반복 가능한 확장 가능한 비교 평가를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 항공 환경에서 임베디드 SDR 플랫폼에 실시간으로 재구성 가능한 프로토콜을 구현할 때의 실질적 제약 조건과 성능 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 GNU Radio와 C++ Qt와 같은 개방 소스 프레임워크를 효과적으로 통합하여 전체 스택 프로토콜 실험을 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• UB-ANC는 소프트웨어 정의 라디오를 통해 RF 링크의 실시간 재구성을 성공적으로 구현하여 통신 웨이브폼의 동적 적응을 지원한다.
• GNU Radio와 C++ Qt의 통합은 단일 개방형이고 확장 가능한 플랫폼 내에서 모든 네트워크 스택 계층에 걸친 종단 간 프로토콜 개발을 가능하게 한다.
• 모듈식 하드웨어 및 소프트웨어 설계는 다양한 항공 네트워킹 연구 시나리오에 대한 커스터마이징과 재사용을 촉진한다.
• 테스트베드는 고정 표준 라디오에 의존하는 이전 시스템의 한계를 극복하고 프로토콜의 반복 가능한 비교 평가를 지원한다.
• 플랫폼은 기존 Wi-Fi나 Zigbee 기반 항공 테스트베드에서 지원하지 않는 새로운 비표준 네트워킹 프로토콜의 배포를 가능하게 한다.
• 개방 소스 프레임워크의 사용은 항공 네트워킹 솔루션의 재현 가능성과 커뮤니티 기반 개발을 향상시킨다.