[논문 리뷰] Network Formation in the Sky: Unmanned Aerial Vehicles for Multi-hop Wireless Backhauling

Ursula Challita, Walid Saad|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 28.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 16인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 소형 기지국(SBS)을 핵심 네트워크에 연결하기 위해 무인 항공기(UAV)를 위한 탈중앙화된 네트워크 형성 게임을 제안한다. 가상의 힘장과 함께 민첩한 네트워크 형성 알고리즘을 사용하여 UAV는 안정적인 트리 구조로 자율적으로 조직되며, 15개의 UAV 네트워크에서 직접적인 스타 토폴로지 링크 대비 최대 40% 높은 데이터 전송률과 41% 낮은 지연을 달성한다.

ABSTRACT

To reap the benefits of dense small base station (SBS) deployment, innovative backhaul solutions are needed in order to manage scenarios in which high-speed ground backhaul links are either unavailable or limited in capacity. In this paper, a novel backhaul scheme that utilizes unmanned aerial vehicles (UAVs) as an on-demand flying network linking ground SBSs and the core network is proposed. The design of the aerial backhaul scheme is formulated as a network formation game among UAVs that seek to form a multi-hop backhaul network in the air. To solve this game, a myopic network formation algorithm which reaches a pairwise stable network upon convergence, is introduced. The proposed network formation algorithm enables the UAVs to form the necessary multi-hop backhaul network in a decentralized manner thus adapting the backhaul architecture to the dynamics of the network. Simulation results show that the proposed network formation algorithm achieves substantial performance gains in terms of both rate and delay reaching, respectively, up to 40% and 41% compared to the formation of direct communication links with the gateway node (for a network with 15 UAVs).

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 SBS 배치에서 신뢰할 수 없거나 용량이 제한된 지상 백홀 문제를 해결하기 위해.
• 중앙 집중식 제어 없이 UAV가 안정적이고 다중점 경로의 공중 백홀 네트워크를 자율적으로 형성할 수 있도록 하기 위해.
• 탈중앙화된, 이득 기반 링크 형성 방식을 통해 전송률과 지연 측면에서 백홀 성능을 최적화하기 위해.
• 쌍별 안정적인 네트워크 토폴로지에 수렴하는 분산 알고리즘을 설계하기 위해.
• 가상의 힘장으로 인한 동적 UAV 이동성을 통합하여 링크 품질과 네트워크 안정성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 각 UAV가 자율적인 이득을 최적화하는 자기 중심의 에이전트로 행동하는 네트워크 형성 게임으로 UAV 백홀 형성 문제를 수립한다.
• 이득 증가에 기반해 링크를 수립하거나 해체할 수 있는 민첩한 네트워크 형성 알고리즘을 도입한다.
• 공기-공기(A2A) 및 공기-지상(A2G) 링크 품질 향상을 위해 UAV의 위치를 동적으로 조정하기 위해 가상의 힘장을 사용한다.
• SBS와 핵심 네트워크 간 双방향 트래픽을 지원하기 위해 주파수 분할 중계(FDD) 모델을 활용한다.
• 달성 가능한 전송률, 홉 수, 트래픽 부하를 기반으로 이득을 정의하며, 더 짧고 용량이 큰 경로를 선호한다.
• 쌍별 안정적인 네트워크 구조로 수렴함을 보장하여 장기적인 연결성과 성능을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 백홀이 없는 상황에서 UAV가 SBS를 핵심 네트워크에 연결하기 위해 자율적으로 안정적인 다중점 경로 백홀 네트워크를 형성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 UAV가 개별 이득을 최적화하면서도 네트워크 전체의 연결성과 성능을 보장할 수 있는 탈중앙화된 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 가상의 힘장이 도입될 경우 UAV 이동성과 최종 네트워크 토폴로지의 링크 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 다중점 경로 UAV 백홀이 직접적인 스타 토폴로지 링크 대비 전송률과 지연 측면에서 어떤 성능 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ5 네트워크 크기(수의 UAV)가 제안된 알고리즘의 수렴 시간과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 네트워크 형성 알고리즘은 15개의 UAV 네트워크에서 직접 스타 토폴로지 백홀 대비 평균 전송률을 최대 40% 향상시킨다.
• 동일한 조건에서 알고리즘이 평균 종단 간 지연을 스타 토폴로지 대비 최대 41% 감소시킨다.
• 네트워크 크기에 따라 지연 증가율이 스타 토폴로지 대비 더 느린 속도(12.6%)로 증가함을 확인하여 더 나은 확장성을 보여준다.
• 알고리즘은 안정적인 쌍별 안정 네트워크로 수렴하며, 네트워크 크기에 따라 5~20개의 UAV에서 4~170회 반복 후 수렴한다.
• UAV는 더 높은 혼잡도를 가진 짧은 링크보다 거리가 길고 홉 수가 적고 혼잡도가 낮은 링크를 선호하여 전체 이득과 성능 향상을 달성한다.
• 가상의 힘장은 UAV를 최적의 위치로 안내하여 A2A 및 A2G 링크 품질을 향상시키고 안정적인 네트워크 형성 가능성을 확보한다.