6/11 혁신자 워크샵 발표자료 - krnet.or.krB1%E8%C8%B2%B3… · 6/11 혁신자 워크샵 발표자료 Author: hnkim Created Date: 6/8/2016 10:24:13 PM ...

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드론편대에기반한통신및방송인프라구성

2016.06.22

김황남고려대학교 전기전자공학부 WINE연구실

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Introduction

무선 통신 시스템에서 통신을 사용하

는 일반기기는 기지국 혹은 AP를 통

하여 인터넷으로연결 됨

지진과 같은 자연 재해가 발생하여 기지국

고장 또는 기지국과 코어망 사이의 연결이

끊기면 해당 기지국에 연결되어 있는 기기

들은 인터넷에 연결할 수 없음

인터넷 서비스를 받을 수 없는 지역

에 서비스를 제공하기 위하여 여러

가지 방법이 연구되어 왔음

이동형 차량 기지국, LTE베낭 등

KRNET 2016 워크샵 2

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Introduction

지상에 기반한 방법들의 경우 이동과 관련한 제약을 많이 받음

도로, 교량등이 없거나 손상된 지역에서는 서비스를제공하기가 힘듬

위성 통신을 사용하면 이러한 제약을 해결할 수 있으나위성과 통신하기 위한 장비가 필요

전 세계에 인터넷 서비스를 제공하기 위한연구개발이 Google과 Facebook에서 진행되고 있음

Project Loon (Google) & internet.org (Facebook)


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드론에서사용되는주파수대역

RC용 채널 – 27 MHz, 75 MHz, 2.4 GHz 등 Telemetry용 채널 – 433 MHz, 900 MHz 등 FPV(영상전송)용 채널 – 5.8 GHz 등 GPS용 채널 – 1.6 GHz


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드론네트워크에사용가능한통신

LTE (Cellular Network) Radio unit(RU)만을 드론에 탑재하는 구성 RU의 DAC까지 Baseband I/Q sample을 전달해야 함

IP rate에 비해 상대적으로 많은 대역폭이 필요

Femto cell을 드론에 탑재하는 구성 일반 e-NB보다 적은 수의 사람들에게 서비스 제공 가능

Femto cell과 외부와의 연결은 Wi-Fi 등의 연결 사용

이 경우 최대 throuhgput이 Wi-Fi의 최대 throughput으로 한정


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드론네트워크에사용가능한통신

Wi-Fi (IEEE 802.11) 주변의 다른 드론/통신기기와의 혼선 가능성

통신거리의 제약이 있으나 multi-hop 통신의 구현이 용이함 드론 환경에 알맞은 routing 기법을 사용하여야 함

Telemetry 일반 통신에 사용하기에는 데이터 전송량이 부족 3DR Radio의 경우 최대 921600 bps

FM 라디오 방송 라디오만 있으면 방송을 수신할 수 있음 데이터 통신에 사용하기에는 데이터 전송량이 부족


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IEEE 802.11 기반드론네트워크구성[Net-Drone]

드론들을 활용하여 모바일 네트워크 인프라 제공 드론간의 Aerial Ad-hoc 네트워크를 통해서 사용자에게 네트워크서비스를 제공

드론의 자율 판단 및 GCS를 통한 원격 제어를 통한 편대 관리 편대 비행 기술을 바탕으로 환경에 알맞게 드론들을 배치

드론들의 상태에 따라 추가 파견/귀환 등의 작업이 가능

비행 컨트롤러와 네트워크 관리 모듈이 유기적으로 동작하여효율적으로 서비스를 제공 드론간 네트워크의 연결성을 드론의 이동을 통해서 유지

네트워크를 필요로 하는 사람들의 분포에 따른 드론 배치 등의 동작이 가능


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드론네트워크의특성

GCS의 역할

드론 편대 전반적인 관리 총괄

편대 단위의 임무 부여 및 각 드론에게 임무 수행을 위한 이동계획 수립

드론 편대는 GCS로부터 관리되며, GCS는 각각의 드론/편대의 이동 계획을 수립하고 이동 명령을 전달하는 역할을 수행함

드론들간, 그리고 GCS와의 연결성 유지가 매우 중요함

GCS중심의 중앙 처리방식이 효율적인 구조

Line-of-sight (LoS)

드론 간의 통신은 대부분의 경우 LoS 환경이 보장됨

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GCS-routing

Ground Control Station 중심의 중앙 라우팅 프로토콜 드론의 위치에 따른 라우팅 경로를 생성하여연결성 보장

GCS가 드론의 움직임에 따라 실시간으로 변경된 라우팅 정보 전달

GCS-routing 절차1. 초기 네트워크 구성 처음 배치 될 드론의 위치를 기반으로 라우팅 테이블을

생성, 배포

2. GPS 정보 수집 및 라우팅 테이블 생성 드론들의 GPS 정보를 수집하여 라우팅 테이블을

주기적으로 생성

3. 드론 토폴로지의 변화에 따른 재 라우팅 기존의 라우팅 테이블과 변화가 있는 드론에게만

새로운 라우팅 테이블 전송


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Net-Drone 네트워크구성 1

3대의 드론으로 구성된 선형 토폴로지

네트워크 설정: 단일 통신 경로

라우팅 알고리즘: DSDV


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Net-Drone 네트워크구성 2, 3 임무 수행 시간을 증가시키기 위한 드론 교체

Failure 발생 시 서비스를 유지하기 위해 새로운 드론 투입

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Net-Drone 임무 수행 시간을 증가시키기 위한 드론 교대

네트워크 설정: 다중 통신 경로, 드론 hand-off

라우팅 알고리즘: DSDV, OLSR, GCS-routing


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Net-Drone 임무 수행 시간을 증가시키기 위한 드론 교대




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드론 failure 발생 시 이를 대체하기 위한 새로운 드론 투입




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드론 failure 발생 시 이를 대체하기 위한 새로운 드론 투입




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Net-Drone 네트워크구성 2, 3 성능

DSDV, OLSR과 같은 실험을 진행하여 성능 비교 네트워크 단절 시간과 네트워크 안정성 측면 모두 GCS-routing이 좋은 성능을 보임

T1: 임무 수행 시간을 증가시키기 위한 드론 교체

T2: 드론 failure 발생 및 이를 대체하기 위한 새로운 드론 투입

KRNET 2016 워크샵

Replacement Drone Failure Average

GCS-routing 0.5 1.5 1.0

DSDV 19.0 16.0 17.5

OLSR 3.0 3.5 3.3

표 1. 상황/라우팅기법별통신단절시간

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드론의 이동시 드론들의 위치에 따른 Topology 구성으로 연결성 유지



GCS


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실험결과

DSDV, OLSR과 같은 실험을 진행하여 성능 비교

이동하는 드론이 GCS에게 지속적으로 데이터를 보냄으로써 얼마나 안정적으로 네트워크가 유지되는지 확인


GCS-routing

DSDV

OLSR

*DSDV with HELLO interval 2sec and 4sec

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실험결과

DSDV, OLSR과 같은 실험을 진행하여 성능 비교

이동하는 드론이 GCS에게 지속적으로 데이터를 보냄으로써 얼마나 안정적으로 네트워크가 유지되는지 확인


*Result of DSDV with HELLO interval 2sec

0

200

400

600

800

1000

1200

Thro

ugh

pu

t (K

bp

s)

GCS-routing DSDV-2sec OLSR

GCS-routing DSDV – 2sec* OLSR

Throughput (Kbps) 947.5 756.4 798.7

Standard deviation 219.7 441.5 417.1

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드론을활용한 FM 방송기법

Wi-Fi 통신을 활용한 네트워크의 한계 사용자가 직접 네트워크에 접속하여 정보를 얻어야 함

다양한 정보를 얻기에는 유리하나 재난 상황에서 중요한정보만을 빠르게 전달받기에는 힘듦

급성 호우, 지진 등

재난방송 매채를 활용하면 재난 지역에 위치한 사람들에게중요한 정보만을 빠르게 제공하는 것이 가능

공식 재난방송 매체 – FM 방송, DMB 방송


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드론을활용한 FM 방송

다음의 세 가지 방법으로 FM 방송 송출이 가능1. 방송파일을 파견 전에 미리 저장하고 목적지에 도착 후방송을 송출

2. 드론이 목적지에서 Ad-hoc 네트워크를 통해 방송할 파일을다운 받은 뒤에 방송을 송출

3. 드론이 목적지에서 Ad-hoc 네트워크를 통해 음성 방송을실시간으로 스트리밍 받아 이를 바로 방송으로 송출

추가적인 회로를 장착하지 않은 순수한 Raspberry pi를 사용하여 FM 방송을 송출 소프트웨어 상으로 송출 주파수 변경 가능 파견된 상태에서 명령을 통해 여러 주파수로 옮겨가며 방송이 가능


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드론을활용한 FM 방송실험

한강 광나루 비행장에서 실험을 진행 드론 편대의 네트워크를 통한실시간 음성 스트리밍을FM 방송으로 송출

편대를 이루는 드론들 중 한 드론이 기능을 멈추어도끊김없이 방송을 수신함을 확인


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드론을활용한 FM 방송실험영상



라우팅 알고리즘: GCS-routing

비행 컨트롤러: Pixhawk (offboard-control)


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감사합니다!


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