KR101427770B1 - 편대비행 ｕａｖ 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법 - Google Patents

편대비행 ｕａｖ 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법 Download PDF

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Abstract

편대비행 UAV 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법이 제공된다. 본발명의 실시예에 따른 네트워크 형성 방법은, 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하여, 주변 노드들에 대해 수신된 비콘 메시지의 LQI와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하고, 링크 비용을 기초로 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정한다. 이에 의해, LQI와 함께 누적 홉수를 고려하여 산출된 링크 비용을 기초로 부모 노드를 선정하므로, 최적의 트리 네트워크의 링크 설정이 가능해진다.

Description

편대비행 ＵＡＶ 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법{Method of dynamic tree topology formation in swarming UAV sensor network}
본 발명은 토폴로지 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편대비행 UAV 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법에 관한 것이다.
무선 네트워크에서 토폴로지 생성과 라우팅을 위해 링크를 선택하는 매트릭에 관한 연구는 Hop, RSSI, LQI((Link Quality Indicator)), ETX등의 매트릭을 사용하고 있다. 홉과 LQI를 이용하여 링크 비용을 계산하는 방식은 전체 경로의 홉의 수가 작은 링크를 선택하는 간단한 홉수 방식, 일정 Threshold 안에서는 전체 경로가 작은 홉 수를 선택하는 Shortest Path with Link Quality Threshold 방식, PDR로 링크의 품질을 결정하는 링크 품질 방식, 전체 경로의 링크를 누적하여 이것을 링크 선택 시 사용하는 Multihop LQI 기법, WL과 HC를 링크 설정 매트릭으로 사용하여 전체 경로에서 일정 Threshold LQI 이하의 링크를 갖는 경로를 선택하며, 만약 이 값이 같을 경우 홉의 수가 작은 링크를 선택하는 Hop Count While Avoiding Weak Links 기법, 여러 전체 경로에서 최소 LQI 값이 큰 경로를 선택하는 MAX-LQI 기법 및 Minimum LQI 기법 등 다수의 기법들이 있다.
이 기법들은 링크 선택 시 Hop, LQI, ETX등의 매트릭을 사용함에 있어, 선/후로 순서를 정하여 사용하고 있다. 이에 따라, 선 적용한 매트릭에 우선 순위를 두게 되며, 후에 적용되는 매트릭은 선 적용된 매트릭에 종속되어, 부정확한 결과가 초래될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, LQI와 함께 누적 홉수를 고려하여 산출된 링크 비용을 기초로 부모 노드를 선정하는 네트워크 형성 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 네트워크 형성 방법은, 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하는 단계; 주변 노드들에 대해, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하는 단계; 및 링크 비용을 기초로, 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하는 단계;를 포함한다.
그리고, 링크 비용은, 부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있지 않은 경우, LQI에 비례하고, 누적 홉수에 지수승으로 반비례할 수 있다.
또한, 부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있는 경우, 상기 링크 비용은, LQI에 비례하고, '비콘 메시지의 누적 홉수와 이미 설정된 싱크 노드까지의 누적 홉수 간의 차'에 지수승으로 반비례할 수 있다.
그리고, 비콘 메시지의 주기는, 네트워크 환경에 따라 동적으로 가변될 수 있다.
또한, 상기 네트워크를 구성하는 노드들은, UAV(Unmanned Aerial Vehicle)들일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 센서 네트워크를 구성하는 UAV는, 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하고, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 산출한 링크 비용을 기초로 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, LQI와 함께 누적 홉수를 고려하여 산출된 링크 비용을 기초로 부모 노드를 선정하므로, 최적의 트리 네트워크의 링크 설정이 가능해진다.
이에 따라, 편대비행을 수행하는 다수의 UAV들이 재난 모니터링, 환경감시 및 재난구호 등의 정보 수집 및 정찰 등 장애물, RF 간섭 등의 여러 외부 문제들로 인해 동적으로 네트워크 조건이 바뀌는 환경에서도, 지속적으로 변화하는 환경에 적응하여 트리를 동적으로 형성하여 UAV들의 임무 수행에 만전을 기할 수 있게 된다.
도 1은 편대비행 UAV들로 구축된 센서 네트워크를 예시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 UAV 센서 네트워크를 간략하게 도식화한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 편대비행 UAV 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 4는 부모-자식 간 링크 재설정 과정의 설명에 제공되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
센서와 무선 통신 모듈을 장착하고 동력을 사용하여 조종사 없이 스스로 자율 비행하는 UAV(Unmanned Aerial Vehicle : 무인 비행체)는 고정형 센서 및 감시 장비만으로는 전 영역을 커버할 수 없는 중요시설, 도심지, 재난 및 재해지역, 방사능 유출지역, 화재지역, 군사작전 지역 등에서 감시 및 정찰활동을 통한 재난 정보수집 및 피해자 구호, 산불감시, 환경 모니터링, 농업 관리 자동화, 시설물 관리 등 매우 다양한 응용분야에 활용될 수 있다.
UAV들은 특정 공간을 순환 비행 또는 3차원 배열 이동 비행하면서 목적에 따라 데이터를 수집하고, 이 데이터를 원격으로 전송하는 기능을 수행한다는 점에서, 무선 통신 네트워크로 기능한다.
도 1에는 편대비행 UAV들(110 내지 150)로 구축된 센서 네트워크를 예시하였다. 도시된 편대비행 UAV 센서 네트워크는 직접 센싱을 통해 데이터를 생성하거나, 지상의 센서들(11 내지 15)의 데이터를 순환/이동 비행하면서 수집하기 위한 네트워크이다.
이하에서는, 도 1에 도시된 편대 비행하는 UAV들이 센서 네트워크 트리 토폴로지를 형성하는 과정에 대해 상세히 설명한다. 이를 위해, 도 2에는 도 1에 도시된 UAV들(110 내지 150)을 트리 네트워크 형식으로 간략하게 도식화하였고, 도시된 UAV들(110 내지 150) 중 UAV-5(150)가 부모-자식 간 링크를 설정하는 과정을 도 3에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 편대비행 UAV 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성 방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 싱크 노드인 UAV-1(110)이 링크 설정을 위한 비콘 메시지(LINK_ANN)를 주변의 노드들인 UAV-2(120)와 UAV-3(130)에 전송하면서(S210), 트리 토폴로지 형성이 개시된다.
S210단계 이후에는 UAV-1(110)의 1홉 거리에서 비콘 메시지(LINK_ANN)을 직접 수신한 UAV-2(120)와 UAV-3(130)에서 부모-자식 간 링크를 설정이 수행되는데, 도 3에는 UAV-5(150)의 부모-자식 간 링크를 설정하는 과정만을 도시한 관계로, UAV-2(120)와 UAV-3(130)의 부모-자식 간 링크 설정은 나타나 있지 않았음에 유념하여야 한다.
부모-자식 간 링크를 설정한 UAV-2(120)와 UAV-3(130)은 UAV-1(110)로부터 수신한 비콘 메시지(LINK_ANN)의 홉 카운트를 1 만큼 증가시키고 자신의 주소를 추가하여 자신의 이웃 UAV들에게 릴레이 한다(S220, S230).
S220단계와 S230단계를 통해 부모 노드 후보 노드들인 UAV-2(120)와 UAV-3(130)으로부터 비콘 메시지(LINK_ANN)를 수신한 UAV-5(150)는 UAV-2(120)에 대한 링크 비용과 UAV-3(130)에 대한 링크 비용을 산출하고, 산출된 링크 비용이 높은 UAV를 부모 노드로 선정한다(S240).
S240단계에서, UAV-5(150)는 동적으로 변할 수 있는 무선 UAV 네트워크에서 동적 트리 토폴로지 형성을 위해 홉과 LQI(Link Quality Indicator) 함께(동시에) 고려하여 링크 비용을 계산하여 부모-자식 간의 링크를 선택한다.
구체적으로, UAV-5(150)는 Hop-LQI Weight 방정식을 이용하는데, Hop-LQI Weight 방정식은 토폴로지 형성을 위한 링크비용 계산식으로, 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Costi = LQIi*αHOPi
여기서, Costi는 UAV-i에 대한 링크 비용이고, LQIi는 UAV-i의 LQI이며, HOPi는 싱크 노드인 UAV-1(110)로부터 UAV-5(150)까지의 누적 홉수이고, α는 0 보다 크고 1 보다 작은 상수, 즉, 0<α<1 이다.
LQIi는 UAV-i로부터 수신한 비콘 메시지(LINK_ANN)의 RSSI로 할 수 있지만, 다른 파라미터를 더 부가한 연산으로 정의하는 것이 가능하다. HOPi는 UAV-i로부터 수신한 비콘 메시지(LINK_ANN)의 홉 카운트로부터 결정 가능하다.
수학식 1에 따르면, 링크 비용은, LQI에 비례하고, 누적 홉수에 지수승으로 반비례하도록 계산됨을 확인할 수 있다.
이하에서는, S240단계에 의해 UAV-3(130)이 UAV-5(150)의 부모 노드로 선정된 경우를 가정하고, 링크 설정을 위한 이후의 단계들에 대해 상세히 설명한다.
UAV-5(150)는 S240단계에서 부모 노드로 선정한 UAV-3(130)에 링크 설정 요청 메시지(ASSOC_REQ)를 전송하는데, 이는 UAV-3(130)의 부모 노드인 UAV-1(110)로 전달된다(S250).
링크 설정 요청 메시지(ASSOC_REQ)에 대한 응답으로 UAV-1(110)는 UAV-3(130)에 링크 설정 응답 메시지(ASSOC_RSP)를 전송하는데, UAV-3(130)은 UAV-1(110)로부터 수신한 링크 설정 응답 메시지(ASSOC_RSP)를 UAV-5(150)로 전달한다(S260).
이후, UAV-5(150)가 UAV-3(130)에 링크 설정 확정 메시지(LINK_SET)를 전송하고, UAV-3(130)가 UAV-1(110)에 링크 설정 확정 메시지(LINK_SET)를 전달한다(S270).
이후, 링크 설정 확정 메시지(LINK_SET)에 대한 응답으로 UAV-1(110)이 UAV-3(130)에 응답 메시지(ACK)를 전송하고, UAV-3(130)가 응답 메시지(ACK)를 UAV-5(150)로 전달하면(S280), UAV-3(130)와 UAV-5(150) 사이에 부모-자식 간 링크가 설정 완료된다. 따라서, UAV-5(150)는 UAV-3(130)의 자식으로, UAV-1(110)의 손자가 된다.
이후, 설정된 주기가 경과 하면, 싱크 노드인 UAV-1(110)이 비콘 메시지(LINK_ANN)를 다시 전송하는데(S310), 이에 의해 부모-자식 간 링크 재설정에 의한 트리 토폴로지 변경 절차가 개시된다.
이하에서, UAV-5(150)가 부모-자식 간 링크 재설정하는 과정에 대해 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 비콘 메시지(LINK_ANN)가 수신되었는데(S410-Y), 부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있는 경우(S420-Y), UAV-5(150)는 수신된 비콘 메시지(LINK_ANN)의 싱크 노드 주소가 자신의 싱크 노드 주소와 일치하는지 판단한다(S430).
S430단계에서 양자가 일치하지 않는 것으로 판단되면(S430-N), UAV-5(150)는 S410단계에서 수신된 비콘 메시지(LINK_ANN)을 폐기한다(S495). 수신된 비콘 메시지(LINK_ANN)의 싱크 노드 주소가 자신의 싱크 노드 주소와 일치하지 않는 경우는, 수신된 비콘 메시지(LINK_ANN)는 자신이 소속되지 않은 다른 센서 네트워크로부터 수신된 메시지이기 때문이다.
한편, S430단계에서 양자가 일치하는 것으로 판단되면(S430-Y), UAV-5(150)는 비콘 메시지(LINK_ANN)를 전송한 부모 후보 노드들에 대한 링크 비용들을 각각 산출하고, 산출된 링크 비용이 가장 높은 UAV를 부모 노드로 선정한다(S440).
S440단계에서 UAV-5(150)가 이용하는 Hop-LQI Weight 방정식은, 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Costi = LQIi*αdiff( HOPi , HOPp )
Costi, LQIi 및 α는 전술한 수학식 1과 동일하지만, α의 지수 부분이 전술한 수학식 1과 상이하다. 수학식 2에서 α의 지수 부분은 HOPi와 HOPp의 차인데, HOPp는 싱크 노드인 UAV-1(110)로부터 UAV-5(150)까지의 현재 설정된 경로에 따른 누적 홉수를 의미한다.
수학식 2에 따르면, 링크 비용은, LQI에 비례하고, '비콘 메시지의 누적 홉수와 이미 설정된 싱크 노드까지의 누적 홉수 간의 차'에 지수승으로 반비례하도록 계산됨을 확인할 수 있다.
S440단계에서 선정된 부모 노드가 이전에 설정된 부모 노드와 일치하는 경우(S450-Y), 절차가 종료된다. 하지만, S440단계에서 선정된 부모 노드가 이전에 설정된 부모 노드와 일치하지 않는 경우(S450-N), UAV-5(150)는 새로운 부모 노드와의 부모-자식 간 링크를 설정하기 위해, S460단계 내지 S480단계를 수행한다.
구체적으로 UAV-5(150)는, 새로운 부모 노드로 선정한 UAV에 링크 설정 요청 메시지(ASSOC_REQ)를 전송하고(S460), 그에 대한 응답으로 링크 설정 응답 메시지(ASSOC_RSP)를 수신하면(S470), 링크 설정 확정 메시지(LINK_SET)를 전송하고(S480), 그에 대한 응답 메시지(ACK)를 수신하여, 부모-자식 간 링크 변경을 완료한다.
한편, 비콘 메시지(LINK_ANN)가 수신되었는데(S410-Y), 부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있지 않은 경우는(S420-N), 전술한 도 3의 S240단계 내지 S270단계에 따라 부모-자식 간 링크를 설정하게 된다.
지금까지, 편대비행 UAV 센서 네트워크의 동적 트리 토폴로지 형성의 일환으로, 부모-자식 간 링크 설정/재설정 과정에 대해, 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서, 트리 토폴로지 형성/재형성의 시작이 되는 싱크 노드의 비콘 메시지 송신 주기는, 네트워크 환경에 따라 동적으로 가변되도록 구현 가능하다. 즉, 네트워크 환경이 양호한 경우 비콘 메시지 송신 주기를 길게 하고, 네트워크 환경이 열악한 경우 비콘 메시지 송신 주기를 짧게 하는 것으로 구현가능하다.
또한, 링크 비용을 계산함에 있어 사용되는 상수 α 역시 네트워크 상태에 따라 가변되도록 구현가능하다. 구체적으로, 네트워크 환경이 양호하여 링크 비용 산출에 있어 LQI 비중을 축소시키거나, 네트워크 환경이 열악하여 링크 비용 산출에 있어 LQI 비중을 확대시키기 위해, 상수 α 를 0~1 범위에서 조정하는 것이 가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 내지 150 : UAV(Unmanned Aerial Vehicle)
11 내지 15 : 지상 센서

Claims (6)

  1. 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하는 단계;
    주변 노드들에 대해, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하는 단계; 및
    링크 비용을 기초로, 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하는 단계;를 포함하고,
    링크 비용은,
    부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있지 않은 경우,
    LQI에 비례하고, 누적 홉수에 지수승으로 반비례하는 것을 특징으로 하는 네트워크 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하는 단계;
    주변 노드들에 대해, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하는 단계; 및
    링크 비용을 기초로, 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하는 단계;를 포함하고,
    부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있는 경우,
    상기 링크 비용은,
    LQI에 비례하고, '비콘 메시지의 누적 홉수와 이미 설정된 싱크 노드까지의 누적 홉수 간의 차'에 지수승으로 반비례하는 것을 특징으로 하는 네트워크 형성 방법.
  4. 주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하는 단계;
    주변 노드들에 대해, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하는 단계; 및
    링크 비용을 기초로, 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하는 단계;를 포함하고,
    비콘 메시지의 주기는,
    네트워크 환경에 따라 동적으로 가변되는 것을 특징으로 하는 네트워크 형성 방법.
  5. 네트워크를 형성하는 방법에 있어서,
    주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하는 단계;
    주변 노드들에 대해, 수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 링크 비용을 산출하는 단계; 및
    링크 비용을 기초로, 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하는 단계;를 포함하고,
    상기 네트워크를 구성하는 노드들은,
    UAV(Unmanned Aerial Vehicle)들인 것을 특징으로 하는 네트워크 형성 방법.
  6. UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 센서 네트워크 시스템에 있어서,
    UAV 센서 네트워크 시스템을 구성하는 UAV는,
    주변 노드들로부터 비콘 메시지들을 수신하고,
    수신된 비콘 메시지의 LQI(Link Quality Indicator)와 함께 누적 홉수를 고려하여 산출한 링크 비용을 기초로 주변 노드들 중 하나를 부모 노드로 선정하고,
    링크 비용은,
    부모-자식 간 링크가 이미 설정이 되어 있지 않은 경우,
    LQI에 비례하고, 누적 홉수에 지수승으로 반비례하는 것을 특징으로 하는 UAV 센서 네트워크 시스템.
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