KR20200094241A - 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법 및 그에 따른 다중 드론 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법에 관한 것으로, 다수의 드론 각각은 다른 드론으로부터 헬로 메시지가 수신되면, 자신의 이웃 테이블 정보에 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 추출하고, 상기 드론 IP 주소에 대응되는 이웃정보가 존재하는지를 체크하고, 이웃정보가 존재하면, 상기 이웃정보의 위치정보를 상기 헬로 메시지에 포함된 위치정보로 갱신하고 TTL 값을 미리 정해둔 값으로 갱신하고, 상기 이웃 정보가 존재하지 않으면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 미리 정해둔 값을 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록하는 단계; 상기 헬로 메시지가 수신되지 않은 상태에서 이웃 테이블 정보내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하면, 상기 주소 테이블 정보의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하고, 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상이면, 상기 드론은 상기 이웃 테이블 정보에서 TTL 값이 만료된 이웃정보를 삭제하는 단계; 및 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 미만이면, 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법 및 그에 따른 다중 드론 시스템{network self recovery method and multiple drone system thereof}

본 발명은 드론 제어 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론이 지상 제어 센터에 의해 제어되는 다중 드론 시스템 환경에서 드론의 네트워크 이탈이 발생하는 경우에 드론을 단계적으로 이동시켜 가면서 네트워크 자가 복구를 이행하여 네트워크 자가 복구에 소요되는 시간과 에너지를 절감시켜 네트워크의 안정성을 높일 수 있는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법 및 그에 따른 다중 드론 시스템에 관한 것이다.

드론은 재난 상황에서의 인명구조와 수색, 군사 분야에서의 정찰 임무, 농업 분야에서의 농작물 관리 및 감시와 같은 다양한 활용 분야를 가진다. 이와 같은 폭 넓은 활용 분야를 위해서는 다수의 드론을 운용하는 다중 드론 시스템이 전체 임무의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 게다가 다수의 드론을 사용하여 다중 홉 통신을 구성하는 경우에는 드론의 활동 영역을 넓힐 수 있다. 다중 드론 시스템에서는 드론과 컨트롤러 사이에 안정된 네트워크를 구성하는 것이 무엇보다 중요하다.

드론과 컨트롤러 사이의 연결이 불안정한 경우에는 임무의 실패뿐만 아니라 드론의 제어가능 범위 이탈로 인한 드론의 추락과 같은 2차 사고가 발생할 수 있다.

본 논문은 다중 드론 애드혹 네트워크 환경에서의 자율적인 네트워크 복구 기술을 제안한다.

NS-3를 이용한 시뮬레이션을 통해 제안하는 다중 드론 애드혹 환경에서의 단계적인 자가 복구 기술은 네트워크 비 복구 환경에 비해 패킷 전달률과 평균 네트워크 단절 시간 측면에서 높은 성능 향상을 보였다.

드론과 관련된 다양한 연구의 진행에 따라 광범위한 기술적 진보가 이루어졌고 실생활 및 군사 응용 분야에서의 드론 활용이 더욱 다양해지고 있는 추세이다. FANET(FLYING AD HOC NETWORK)에 대한 지금까지의 연구는 비행체간에 데이터를 효율적으로 전달하기 위한 최적의 라우팅 알고리즘과 군집 드론 운용 분야에서의 군집 드론에 대한 경로 계획 방법에 주로 중점을 두어서 진행되었다.

실제로 드론의 높은 이동성과 급변하는 주변의 환경으로 인해 드론들 사이에 링크 단절이 자주 발생함에도 불구하고, 드론들 간의 네트워크 연결성에 중점을 둔 연구는 많이 진행되지 않았다.

단일 드론 시스템에서의 네트워크 복구는 드론과 컨트롤러 사이에 연결이 끊어지는 상황이 발생하고 이를 해결하는 과정이다. 이때의 단일 드론 시스템은 하나의 컨트롤러와 하나의 드론으로 구성되는 시스템이다. 단일 드론 시스템에서는 “리턴 투 홈” 기술을 통해 네트워크 복구가 이루어진다. 즉, 드론이 컨트롤러의 제어 가능 범위를 벗어나거나 시야에서 사라지는 경우에 “리턴 투 홈” 버튼을 눌러서 드론의 초기 이륙 지점으로 되돌아오게 한다.

FANET 환경은 다수의 드론과 하나의 지상 제어 센터를 갖는 다중 드론 시스템이다. 단일 드론 시스템과는 달리, 다중 드론 시스템은 많은 수의 드론을 활용하여 이들의 협업을 통해 더 넓은 작업범위를 갖게 하고 임무수행의 효율성 또한 증가시킨다. 이러한 FANET 환경에 대해서는 I Bekmezci, O K Sahingoz, and S Temel,“Flying ad-hoc networks (FANETs): A survey,” Ad Hoc Networks, vol 11, no 3, pp 1254-1270, 2013에 개시된 바 있다. 상기 드론의 작업범위 확대는 다중 홉 통신을 이용하여 드론 간의 협업을 통해 이루어진다. 다중 홉 통신을 이용하면 특정한 장애물 뒤에 위치한 드론과의 통신도 가능하게 되고 다중 드론을 활용한 분야에서의 활용성을 더욱 확장시킬 수 있다. 이러한 드론의 작업범위 확대는 W Zafar and B M Khan, “Flying ad-hoc networks: Technological and social implications,” IEEE Technol Soc Mag, vol 35, no 2, pp 67-74, Jun 2016에 개시된 바가 있다.

상기 단일 드론 시스템에서 사용되는 “리턴 투 홈” 기술이 다중 드론 시스템에서 적용된 상황을 가정해보면 드론의 불필요한 이동을 예상할 수 있다. 드론이 컨트롤러와 연결이 끊어지게 되면 “리턴 투 홈” 동작에 의해 초기 이륙 지점까지 되돌아가야 하고 이는 과도한 배터리의 소모를 초래하고 임무의 효율 또한 저하시킨다.

일반적으로 드론은 매우 동적인 환경에서 작동하기 때문에 언제든지 통신 단절이 발생할 수 있다. 따라서 다중 드론 시스템으로의 운용 상황에서 드론과 컨트롤러 간의 단절을 고려하지 않는다면, 드론의 분실 및 추락과 같은 사고가 발생할 수 있다. 다중 드론 시스템이 FANET 구조를 지원할 수 있다면 다른 드론과의 지속적인 애드혹 통신을 통해 전체적인 연결성을 유지할 수 있으며, 다중 홉을 거쳐 컨트롤러와도 통신을 할 수 있다. 이러한 연결성은 다중 드론 시스템의 신뢰성을 향상시키고 급변하는 환경에서의 운용에 있어서 예상하기 힘든 상황을 처리할 수 있게 한다. 이러한 연결에 대해서는 E W Frew and T X Brown, “Networking issues for small unmanned aircraft systems,”J Intell Robot Syst., vol 54, no 1, pp 21-37, 2008에 개시되어 있다.

종래의 애드혹 네트워크의 다중 드론 제어 기술에 대해 설명한다. 대다수의 상업용 드론은 하나의 컨트롤러와 하나의 드론으로 구성되며 이는 단일 드론 시스템으로 구분된다. 단일 드론 시스템에서 드론의 비행은 컨트롤러에 의한 제어를 기반으로 하며 다양한 활용을 위해서는 드론과 컨트롤러 사이의 신뢰성 있는 연결이 매우 중요하다. 하지만 실제 운용에서는 통신 장애 및 주변 환경의 급격한 변화로 인해 컨트롤러와 드론 간의 연결이 자주 끊기는 상황이 발생한다. 이는 O K Sahingoz, “Networking models in flying ad-hoc networks(FANETs): Concepts and challenges,” J Intell Robotic Syst., vol 74, no 1, pp 512-527, 2014에 개시되어 있다.

다른 제어 기술로는 주로 군사용 목적으로 사용되는 사전에 입력된 데이터에 따른 드론 운용이다. 사전에 입력 및 프로그래밍 된 제어 방법은 이전의 데이터를 기반으로 동작하는 자동 비행을 의미한다. 이러한 방식의 단점으로는 실시간 제어 및 실시간 데이터 전송이 불가능하거나 어려운 점이다. 일반적으로, 사전에 입력된 정보에 따라서 드론이 운용되기 때문에 예정된 임무를 완수할 때까지는 제어가 불가능하다. 이는 S Wilerson, C Korpela, and K Chang, “Aerial swarms as asymmetric threats,” in Proc ICUAS, pp 381-386, Jun 2016에 개시되어 있다.

더 넓은 분야와 다양한 목적으로의 활용을 위해서는 다수의 드론들을 제어할 수 있어야 한다. 그러므로 드론 간 다중 홉 통신 기술을 적용하게 되면 지상제어 센터와의 직접적인 연결 없이 다중 홉을 통해서 간접적으로 연결을 이룰 수 있고 이를 통해 다수의 드론들이 제어될 수 있다. 뿐만 아니라 임무 수행을 위한 드론의 운용 범위 또한 확대된다. 본 연구를 진행하기에 앞서, FANET을 기반으로 한 다중 드론 실시간 제어 기술에 대해서 제안했으며, 이는 지상제어 센터의 통신 가능 범위를 벗어난 드론을 제어하기 위한 기술이며, G H Kim, J C Nam, I Mahmud, and Y Z Cho, “Multi-drone control and network self-recovery for flying Ad Hoc Networks,” in Proc ICUFN, pp 148-150, 2016에 개시되어 있다.

일반적으로 단일 콘트롤러와 다중 드론 제어 시스템에서는, 지상제어센터와 직접적으로 연결된 하나의 드론을 제외한 나머지 드론들은 지상제어센터의 전송 범위 밖에 위치하고 있다. 이때, 전송 범위 밖에 위치한 드론들은 지상제어센터와 직접적으로 연결되지 않았기 때문에 애드혹 네트워크를 사용해 서로 연결을 맺고 다중 홉을 거쳐 지상제어센터와 통신이 가능하게 된다. 이 때, 다중 홉을 거치지 않고 각 드론들이 지상제어센터와 직접 연결을 맺는다면 드론 운용 범위가 크게 줄어드는 문제점이 발생한다.

각각의 드론들은 GPS(Global Positioning System)에서 수집된 위치정보를 지상제어 센터로 전달한다. 지상제어센터는 제어하고자 하는 드론에 대한 제어 메시지를 전송하고, 다른 드론들은 단순히 릴레이 역할을 수행한다.

이 제어 메시지에는 각 드론의 IP 주소가 포함되어 있고 이를 바탕으로 자신에 대한 메시지인지 판별한다.

제어 메시지의 목적지 주소가 자신의 IP 주소와 일치하지 않으면, 메시지를 자신의 1 홉 이웃 드론에게 전달한다. 특정 드론이 자신에 대한 제어 메시지를 받은 경우에는 전달받은 제어 명령에 따라 동작을 수행한다. 따라서 애드혹 네트워크 구성을 통하여 단일 컨트롤러만으로 다수의 드론을 제어할 수 있다.

단일 드론 시스템에서의 복구 기술에 대해 설명한다.

종래의 대다수의 상업용 드론은 하나의 드론과 컨트롤러로 구성되는 단일 드론 시스템이며 드론 운용 중 사용자의 시야에서 드론이 사라진 경우, “리턴 투 홈“ 기술을 통해 드론이 비행을 시작한 지점으로 복귀시킨다. 이러한 복귀는 GPS 위치 정보를 이용해 이루어지며 어느 정도의 오차를 가질 수 있다. 따라서 GPS 위치 정보에 셀 분할 알고리즘과 확장 칼만필터를 사용하여 드론의 위치 정보를 이용한 위치 추정 정밀도를 향상시키는 연구가 이루어졌다. 이는 K-J Kim, Y-K Kim, S-H Choi, and J-M Lee, “Outdoor localization for returning of quad-rotor using cell divide algorithm and extended kalman filter,”J IKEEE, vol 17, no 4, pp 440-445, 2013에 개시된 바 있다.

또한, 단일 드론이 조종 범위를 벗어나게 되면 스스로 이를 인지하고 조종 가능 범위로 다시 돌아오도록 하는 자동 회기 드론 연구가 진행되었다. 자동 회귀 드론은 수행된 이동 명령어의 종류, 명령어 수행 시점의 배터리 잔량을 기억하여 조종 범위를 벗어났을 때 이를 역으로 수행하는 방식이다. 이 방안은 GPS 없이 데이터베이스를 이용한 백트래킹 알고리즘에 초점을 맞추었으며, 퍼지 제어를 통한 보상값으로 신호를 증폭시켜서 오차를 줄이는 방법을 사용하였다. 이는 K M Sun, S J Jang, D S Kwon, and J S Ahn, “Self-Retraceable Drone,” in Proc KICS Fall Conf, pp 463-465, 2015에 개시되어 있다.

상술한 바와 같이 종래에는 FANET 환경에서 드론의 네트워크 자가 복구 기술이 다양하게 제안되었으나 실제의 드론 운용을 고려한 네트워크 자가 복구 기술의 개발이 절실하게 요망되었다.

대한민국 특허공개 제1020180082316호 대한민국 특허공개 제1020180120289호 대한민국 특허공개 제1020180076582호 대한민국 특허공개 제1020180074325호

본 발명은 애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론이 지상 제어 센터에 의해 제어되는 다중 드론 시스템 환경에서 드론의 네트워크 이탈이 발생하는 경우에 드론을 단계적으로 이동시켜 가면서 네트워크 자가 복구를 이행하여 네트워크 자가 복구에 소요되는 시간과 에너지를 절감시켜 네트워크의 안정성을 높일 수 있는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법 및 그에 따른 다중 드론 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따르는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법은, 다수의 드론 각각은 다른 드론으로부터 헬로 메시지가 수신되면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 추출하고, 상기 드론 IP 주소에 대응되는 이웃정보가 존재하는지를 체크하고, 이웃정보가 존재하면, 상기 이웃정보의 위치정보를 상기 헬로 메시지에 포함된 위치정보로 갱신하고 TTL 값을 미리 정해둔 값으로 갱신하고, 상기 이웃 정보가 존재하지 않으면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 미리 정해둔 값을 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록하는 단계; 상기 헬로 메시지가 수신되지 않은 상태에서 이웃 테이블 정보내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하면, 상기 주소 테이블 정보의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하고, 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상이면, 상기 드론은 상기 이웃 테이블 정보에서 TTL 값이 만료된 이웃정보를 삭제하는 단계; 및 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 미만이면, 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 단계;를 포함하며, 상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, 자신의 이전 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록하며, 상기 이웃정보는 드론 IP 정보에 대응되는 드론 ID, 위치정보, TTL 값으로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론이 지상 제어 센터에 의해 제어되는 다중 드론 시스템 환경에서 드론의 네트워크 이탈이 발생하는 경우에 드론을 단계적으로 이동시켜 가면서 네트워크 자가 복구를 이행하여 네트워크 자가 복구에 소요되는 시간과 에너지를 절감시켜 네트워크의 안정성을 높일 수 있는 효과를 야기한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다중 드론 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이웃 테이블 정보를 예시한 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법의 흐름도.
도 5는 이동성 모델에 따른 드론의 이동상태를 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 E중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 시뮬레이션을 위한 파라메터를 예시한 도면.
도 7은 드론 속도에 따른 패킷 전달률을 비교한 도면.
도 8은 드론 속도에 따른 평균 네트워크 단절 시간을 비교한 도면.
도 9는 드론 속도에 따른 패킷 전달률을 비교한 도면.
도 10은 드론 속도에 따른 평균 네트워크 단절 시간을 비교한 도면.
도 11은 TTL 값이 7.5초일때의 드론의 이동경로를 도시한 도면.
도 12는 TTL 값이 75초일때의 드론의 이동경로를 도시한 도면.
도 13은 TTL 값에 따른 패킷 전달률과 정찰된 셀의 개수를 도시한 도면.
도 14는 라우팅 프로토콜에 따른 지연시간을 도시한 도면.

본 발명은 애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론이 지상 제어 센터에 의해 제어되는 다중 드론 시스템 환경에서 드론의 네트워크 이탈이 발생하는 경우에 드론을 단계적으로 이동시켜 가면서 네트워크 자가 복구를 이행하여 네트워크 자가 복구에 소요되는 시간과 에너지를 절감시켜 네트워크의 안정성을 높일 수 있다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법 및 그에 따르는 다중 드론 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

<다중 드론 시스템의 구성>

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다중 드론 시스템의 구성을 도시한 것이다.

상기 다중 드론 시스템은 지상 제어 센터(100)와 다수의 드론(D1~D8)으로 구성된다.

상기 지상 제어 센터(100)는 다수의 드론(D1~D8)과 통신하여 상기 다수의 드론(D1~D8)을 제어한다. 특히 상기 지상 제어 센터(100)는 미리 정해진 전송 범위내에 위치하는 드론(D1)과는 직접 통신을 이행하여 제어 메시지를 전송하며, 미리 정해진 전송 범위밖에 위치하는 드론들과는 드론들이 형성하는 애드혹 네트워크를 통해 다중 홉을 거쳐 통신을 이행하여 제어 메시지를 전송한다. 상기 제어 메시지에는 드론 IP 주소가 포함되어, 각 드론은 수신된 제어 메시지가 자신에 대한 제어 메시지이면 이에 대응되는 동작을 수행하고, 자신에 대한 제어 메시지가 아니면 애드혹 네트워크를 통해 다른 드론으로 전달한다. 이와같이 다중 드론 시스템은 애드혹 네트워크를 통해 하나의 지상 제어 센터(100)로 다수의 드론(D1~D8)을 제어할 수 있다.

상기 다수의 드론(D1~D8) 각각은 상기 지상 제어 센터(100)에 의한 제어 메시지에 따라 주어진 임무를 수행하기 위해 이동한다. 이러한 다수의 드론(D1~D8) 각각은 애드혹 네트워크를 형성하여 드론들 사이의 통신 및 지상 제어 센터(100)와의 통신을 이행한다.

또한 상기 다수의 드론(D1~D8) 각각은 자신의 IP 주소와 GPS 위치정보가 포함된 헬로 메시지(HELLO MESSAGE)를 주기적으로 애드혹 네트워크를 통해 브로드캐스팅 전송하고, 헬로 메시지가 수신되면 상기 헬로 메시지에 대응되는 이웃정보를 이웃 테이블 정보에 기록하거나 갱신하고 상기 이웃 테이블 정보에 기록된 이웃정보를 토대로 링크 단절을 감지하여 네트워크 자가 복구를 실행한다.

<이웃 테이블 정보의 구성>

상기 이웃 테이블 정보의 구성과정을 좀 더 설명한다.

상기 이웃 테이블 정보는 도 2에 도시한 바와 같이 자신의 위치정보와 이웃드론들에 대한 이웃정보들로 구성된다. 상기 이웃정보는 드론 ID 정보, 위치 정보, TTL(TIME TO LIVE) 값으로 구성된다. 상기 드론 ID 정보는 드론의 IP 주소이고, 상기 위치 정보는 위도, 경도 및 고도값으로 구성되는 GPS 위치정보이고, 상기 TTL 값은 이웃정보의 유지시간으로 다운 카운팅된다.

상기 이웃 드론의 IP 주소 항목은 이웃드론의 식별을 위해 사용된다. 그리고 TTL 값은 헬로 메시지의 전송 주기인 헬로 인터벌의 3배로 설정되며, 이웃 테이블 정보내 이웃정보의 유지 관리를 위해 사용된다.

즉 다수의 드론(D1~D8) 중 어느 한 드론이 이웃 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받으면, 자신의 이웃 테이블 정보에서 헬로 메시지를 보낸 드론의 IP 주소에 대응되는 드론 ID 정보가 존재하는지를 확인하고, 이전에 헬로 메시지를 보낸 적이 있는 이웃드론이라면 자신의 이웃 테이블 정보내에 이웃정보가 존재할 것이고 그렇지 않다면 이웃 테이블 정보에 해당 이웃정보가 존재하지 않을 것이다. 새로운 이웃드론인 경우에는 상기 헬로 메시지로부터 드론 IP 주소와 위치 정보를 추출하여 이웃 정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록한다. 그리고 이웃 테이블에 이미 존재하는 이웃드론으로부터 헬로 메시지를 제공받은 경우에는 해당 이웃드론에 대한 위치정보를 상기 헬로 메시지에 실린 위치정보를 토대로 갱신하고, TTL 값도 헬로 메시지 전송 주기의 3배값으로 갱신한다. 여기서, TTL 값은 시간 경과에 대응되게 다운 카운트되고, 이 TTL 값이 만료되지 않았다면 해당 이웃드론과의 링크가 정상적으로 연결되어 있음을 나타낸다.

<TTL 값에 따른 링크 단절 감지>

이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 이웃 테이블 정보의 TTL 값을 토대로 링크 단절을 감지하는 과정을 좀더 설명한다.

다수의 드론(D1~D8) 각각은 주위가 급변하고 장애물이 존재하는 환경에서 자신에게 주어진 임무를 수행하기 위해 계속 이동하므로, 실제 운용시에는 장애물이나 날씨와 같은 주변 영향으로 인해 드론 사이의 연결이 약해지거나 단절되는 상황이 발생할 수 있다. 또한 통신 가능 범위를 고려하지 않은 조종으로 인해 드론의 네트워크 이탈도 발생할 수 있다.

본 발명은 어느 한 드론이 이웃드론과의 전송 범위를 벗어나 서로 간에 헬로 메시지를 주고받을 수 없게 되면 해당 이웃드론과의 링크는 단절된 것으로 간주한다. 이는 네트워크에서 이탈된 드론의 이웃 테이블에 저장되어 있던 이웃드론의 TTL 값은 다운카운팅되어 만료되었는지 여부를 토대로 검출된다. 즉, 헬로 메시지 전송주기의 3배로 TTL 값이 설정되므로, 3번의 헬로 메시지를 전달받지 못하여 TTL 값이 만료되었다면 해당 드론과는 링크가 단절된 것이다.

이에 본 발명은 상기 다수의 드론(D1~D8) 각각이 이웃 테이블 정보의 어느 한 이웃정보에 대한 TTL 값이 만료되면, 상기 이웃 테이블 정보내에 다른 이웃정보가 존재하는지를 확인하고, 이웃 테이블 정보 내에 다른 이웃정보가 존재하면 해당 이웃드론과의 링크는 단절되었으나 다른 이웃드론과의 링크는 연결된 상태이므로 TTL 값이 만료된 이웃드론에 대한 이웃정보를 삭제한다. 이와 달리 이웃 테이블 정보내에 다른 이웃정보가 존재하지 않으면 자신이 네트워크로부터 이탈된 상태로 판단하여 네트워크 자가 복구 모드를 실행한다.

<네트워크 자가 복구 절차>

이제 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 네트워크 자가 복구 절차에 대해 설명한다.

다수의 드론(D1~D8) 각각은 주어진 임무 수행을 위해 계속해서 이동을 하다 보면 네트워크의 말단에 위치할 수 있으며, 이 경우 지상 제어 센터(100) 쪽으로의 네트워크를 유지해주는 이웃 드론과 반대의 방향으로 이동을 수행하게 되면 네트워크로부터 이탈되게 된다. 이외에도 주변 장애물에 의해 일시적으로 통신환경이 악화되는 상황에서도 네트워크 이탈 상태가 유발될 수 있다.

이러한 이유로 다수의 드론(D1~D8) 각각은 자신의 이웃 테이블에 오직 하나의 이웃드론에 대한 이웃정보만 남아있던 상태에서, 그 이웃정보의 TTL 값이 만료되면 네트워크에서 이탈된 상태로 판단하고, 네트워크 자가 복구 절차를 시작한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 네트워크 자가 복구 절차는 3단계로 구성되며, 이를 단계별로 나누어 설명한다.

- 1단계: 네트워크 자가 복구 절차의 첫번째 단계는 이웃 테이블 정보의 최상단에 저장된 자신의 이전 위치로의 이동이다. 다수의 드론(D1~D8) 각각은 현재 위치에서 지상 제어 센터로부터의 명령에 따라 이동을 시작하게 되면 자신의 현재 GPS 위치정보를 이웃 테이블 정보에 자신의 이전 위치 정보로 저장하며, 이러한 자신의 이전 위치 정보는 드론이 다른 위치로 이동할 때마다 갱신된다. 이에 상기 다수의 드론(D1~D8) 각각은 네트워크로부터의 이탈이 발생하게 되면 이웃 테이블 정보에 저장된 자신의 이전 위치 정보를 독출하여 그 위치로의 이동을 수행한다. 이러한 이동중에 다른 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받으면 해당 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 복구과정을 중단하고 상기 헬로 메시지에 따르는 이웃정보를 이웃테이블에 기록하고 TTL값이 만료된 이웃노드의 이웃정보는 삭제한 후에, 그 위치에서부터 다시 계획된 임무를 다시 수행한다. 그러나 자신의 이전 위치에 도달할 때까지 다른 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받지 못하면 1단계는 실패한 것으로 간주하고 2단계를 시작한다.

- 2단계 : 네트워크 자가 복구 절차의 두번째 단계는 이웃 테이블 정보에 마지막으로 남아있던 이웃정보의 위치 정보로의 이동을 수행하는 것이며, 상기 이웃 정보의 위치 정보로의 이동을 수행하는 동안에 다른 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받으면 해당 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 복구과정을 중단하고 상기 헬로 메시지에 따르는 이웃정보를 이웃테이블에 기록하고 TTL 값이 만료된 이웃노드의 이웃정보는 삭제한 후에, 그 위치에서부터 다시 계획된 임무를 다시 수행한다. 그러나 이웃드론의 위치에 도달할 때까지 다른 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받지 못하면 2단계는 실패한 것으로 간주하고 3단계를 시작한다.

- 3 단계 : 네트워크 자가 복구 절차의 세번째 단계는 드론이 비행을 시작한 초기의 위치, 즉 지상 제어 센터의 위치로의 이동을 수행하는 것이며, 상기 지상 제어 센터에 대한 위치정보는 초기에 기록된다. 상기 지상 제어 센터로의 이동을 수행하는 동안에 다른 드론으로부터 헬로 메시지를 전달받으면 해당 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 복구과정을 중단하고 상기 헬로 메시지에 따르는 이웃정보를 이웃테이블에 기록하고 TTL 값이 만료된 이웃노드의 이웃정보는 삭제한 후에, 그 위치에서부터 다시 계획된 임무를 다시 수행한다.

<다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법의 절차>

상기한 다중 드론 시스템에 적용 가능한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 네트워크 자가 복구 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 네트워크 자가 복구 방법의 전체적인 흐름도이다.

다중 드론 시스템 환경에 구비되는 다수의 드론(D1~D8) 각각은 헬로 메시지가 수신되거나 이웃 테이블내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하는지를 체크한다(200단계).

상기 헬로 메시지가 수신되면, 해당 드론은 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 추출하고, 상기 드론 IP 주소에 대응되는 드론 ID를 포함하는 이웃정보가 이웃 테이블 정보에 존재하는지를 체크한다(202단계).

상기 이웃 테이블 정보에 해당 이웃 정보가 존재하면, 상기 드론은 이웃 테이블 정보에서 해당 드론 ID에 대응되는 이웃정보의 위치정보를 상기 헬로 메시지에 포함된 위치정보로 갱신함과 아울러 TTL 값을 헬로 메시지 전송 주기의 3배값으로 갱신한다(204단계).

이와 달리 상기 이웃 테이블 정보에 상기 이웃 정보가 존재하지 않으면, 상기 드론은 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록한다(206단계). 즉 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 헬로 메시지 전송 주기의 3배값을 드론 ID 정보와 위치정보와 TTL 값으로 구성하여 이웃정보로 구성한다.

그리고 상기 헬로 메시지가 수신되지 않은 상태에서 이웃 테이블 정보내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하면, 해당 드론은 이웃 테이블 정보의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되지 않은 이웃정보의 수가 1이상인지를 체크한다(208단계).

상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃정보의 수가 1이상이면, 상기 드론은 이웃 테이블 정보에서 TTL 값이 만료된 이웃정보를 삭제한다(210단계).

이와 달리 TTL 값이 만료되지 않은 이웃정보의 수가 1미만이면, 상기 드론은 네트워크 자가 복구 모드를 실행한다(212단계).

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 네트워크 자가 복구 모드의 절차도이다.

드론은 네트워크 자가 복구 모드가 실행되면 이웃 테이블 정보에 기록해둔 자신의 이전 위치정보에 따르는 위치로 이동한다(300단계). 상기 자신의 이전 위치정보에 따르는 위치로의 이동중에 상기 드론은 다른 드론으로부터의 헬로 메시지가 수신되거나 이전 위치로의 이동이 완료되는지를 체크한다(302단계).

상기 이전 위치로의 이동중에 다른 드론으로부터의 헬로 메시지가 수신되면, 상기 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 헬로 메시지를 수신한 위치에서 정지하고(304단계), 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 헬로 메시지 전송 주기의 3배값을 이용하여 이웃정보를 생성하고, 이 생성된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에 기록하고(306단계), TTL 값이 만료된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에서 삭제하고 다시 계획된 임무를 다시 수행한다(308단계).

상기한 바와 다르게 드론이 자신의 이전 위치로의 이동을 완료할 때까지도 헬로 메시지를 수신받지 못하면, 상기 드론은 TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 이웃 노드의 위치정보에 따르는 위치로 이동을 수행한다(310단계).

이후 상기 드론은 TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 이웃 노드의 위치정보에 따르는 위치로 이동하는 중에 다른 드론으로부터의 헬로 메시지가 수신되거나 TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 이웃 노드의 위치정보에 따르는 위치로의 이동이 완료되는지를 체크한다(312단계).

상기 TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 이웃 노드의 위치정보에 따르는 위치로 이동하는 중에 헬로 메시지가 수신되면, 상기 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 헬로 메시지를 수신한 위치에서 정지하고(304단계), 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 헬로 메시지 전송 주기의 3배값을 이용하여 이웃정보를 생성하고, 이 생성된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에 기록하고(306단계), TTL 값이 만료된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에서 삭제하고 다시 계획된 임무를 다시 수행한다(308단계).

상기한 바와 다르게 TTL 값이 만료된 드론의 위치로의 이동을 완료할 때까지도 헬로 메시지를 수신받지 못하면, 상기 드론은 미리 기록된 지상 제어 센터의 위치로 복귀한다(314단계). 이러한 지상 제어 센터의 위치로 복귀하는 중에도 헬로 메시지가 수신되면, 상기 드론은 네트워크 복구가 성공한 것으로 판단하여 헬로 메시지를 수신한 위치에서 정지하고, 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 헬로 메시지 전송 주기의 3배값을 이용하여 이웃정보를 생성하고, 이 생성된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에 기록하고, TTL 값이 만료된 이웃정보를 이웃 테이블 정보에서 삭제하고 다시 계획된 임무를 다시 수행한다.

<성능분석>

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법을 평가하기 위해 시뮬레이션 툴로서 NS-3(Network Simulator 3)[10]를 사용하였고, 패킷 전달률과 평균 네트워크 단절 시간을 성능 평가 지표로 활용하였다. 또한, 이웃 테이블의 엔트리 관리를 위해 사용되는 TTL값의 변화에 대한 정찰 범위의 영향을 확인하기 위해 정찰된 셀의 개수를 지표로 활용하였다. 본 발명에 따르는 네트워크 자가 복구 기술과 네트워크 복구 절차를 수행하지 않는 네트워크 비 복구 기술과의 성능 비교 시뮬레이션을 수행했다.

먼저 시뮬레이션 환경에 대해 설명한다.

시뮬레이션 시나리오에서는 네 대의 드론이 대각으로 배치되어 서로의 전송 범위 내에 고정되어 있으며 한 대의 드론만 시뮬레이션 영역 내에서 정의된 이동성 모델에 따라 이동한다. 시뮬레이션 영역은 5,000m ㅧ 5,000m이고 모든 드론 및 지상제어 센터의 통신거리는 1,000m로 설정되었다.

본 시뮬레이션에서의 각 드론은 Random Waypoint Mobility Model[11]에 따라 움직이게 되는데, 드론은 다음으로 이동할 웨이포인트를 무작위로 선택하고 설정된 일정한 속력으로 이동하게 된다.

도 5는 상기 시뮬레이션을 위한 이동성 모델에 따른 드론의 이동을 나타낸다. 전체 시뮬레이션 영역은 500m ㅧ 500m 크기의 셀로 나누어지고 각 셀의 중심은 드론이 이동하는 웨이포인트로 설정되었다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 총 100개의 셀이 존재하며 드론이 특정 셀의 웨이포인트에 위치한 경우에는 해당 셀의 전체영역을 정찰한 것으로 가정한다.

상기 도 5에서 중심 셀에 위치한 드론은 둘러싼 8개의 셀 중에서 임의로 하나의 웨이포인트를 다음 목적지로 선정하여 이동한다.

네트워크 비 복구 기술의 경우에는 시뮬레이션 동안 계속해서 무작위로의 이동을 수행하는 반면, 본 발명의 네트워크 자가 복구 기술의 경우에는 네트워크 이탈이 발생하지 않은 상태일 때에만 무작위로의 이동을 한다. 네트워크 이탈이 발생하면, 본 발명의 네트워크 자가 복구 기술에 따라 복구 절차를 수행한다. 시뮬레이션에서 이동성 드론의 속력은 5, 15, 25, 35, 45, 55 m/s로 바꾸어가며 비교하였다. 지상 제어 센터와 나머지 드론은 (0, 0), (500, 500), (1,000, 1,000), (1,500, 1,500) 지점에 대각선 형태로 고정되었다. (0, 0)에 위치한 지상 제어 센터는 매 초 1,000 bytes의 패킷을 전송하며 이 패킷은 고정된 드론들을 거쳐 이동성 드론에게 전달된다. 라우팅 프로토콜로는 OLSR과 AODV를 고려했다. 동일한 상황에서 본 발명의 네트워크 자가 복구 동작을 수행하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 패킷 전달률과 평균 네트워크 단절 시간을 비교하였다. 시뮬레이션에 적용된 파라미터는 도 6에 도시하였다.

그리고 시뮬레이션을 통한 제안 기술의 성능을 비교하기 위해 아래의 네 가지 메트릭을 사용하였다.

먼저 패킷 전달률은 지상제어 센터에서 전송된 패킷 중에 목적지인 이동 드론에게 성공적으로 전달된 패킷의 수의 비로 정의된다.

그리고 평균 네트워크 단절 시간은 어떤 드론이 이동으로 인해 네트워크에서 이탈한 시간에 대한 평균값으로 정의된다.

그리고 정찰된 셀의 개수는 전체 시뮬레이션 영역을 이루는 셀 중에 드론이 한 번이라도 이동한 셀들의 합으로 정의된다. 하나의 셀은 500m ㅧ 500m의 크기를 가지며 셀의 중심인 웨이포인트까지 도달한 경우에 해당 셀을 정찰한 것으로 간주한다. 이 메트릭은 시뮬레이션에서 사용된다.

그리고 지연 시간은 지상 제어 센터에서 전송된 패킷이 목적지인 이동성 드론에게 전달되기까지 걸린 시간으로 정의된다.

이제 시뮬레이션 결과를 설명한다.

도 7은 OLSR 라우팅 프로토콜로 동작하는 드론의 속도 변화에 따른 패킷 전달률을 나타낸다. 드론의 속도가 5m/s일 때는 비 복구 기술의 패킷 전달률이 약 70%로 나타났고 각 드론들의 통신범위에 비해 드론 자체의 속도가 매우 낮았기 때문에 상대적으로 높은 패킷 전달률을 보였다. 드론의 속도가 증가함에 따라서 패킷 전달률은 감소하는 모습을 확인할 수 있다. 속도가 15m/s가 되었을 때 약 50%의 패킷 전달률을 보였고, 최대 속도인 55m/s일 때는 불과 20%의 패킷 전달률을 보였다.

그러나 본 발명에 따르는 네트워크 복구 기술의 경우, 드론의 속도가 5m/s일 때의 패킷 전달률은 90%로 나타났다. 뿐만 아니라, 드론의 속도가 증가함에 따라 패킷 전달률은 감소했지만 그 감소폭은 네트워크 비 복구 기술에 비해 현저히 낮았다. 속도가 15m/s일 때 약 80%의 패킷 전달률, 최대 속도인 55m/s일 때 60%정도의 패킷 전달률을 보였다.

따라서 네트워크 복구 기술은 네트워크 비 복구 기술보다 저속에서는 약 20%, 고속에서는 약 40% 더 높은 패킷 전달률을 가졌다.

도 8은 드론의 속도 변화에 따른 평균 네트워크 단절 시간을 나타낸다. 드론의 속도와 상관없이, 네트워크 비 복구 기술은 네트워크 복구 기술보다 훨씬 긴 네트워크 단절 시간을 보였다. 이는 네트워크 비 복구기술의 경우, 드론이 무작위로 이동하기 때문에 드론의 속도와는 무관하게 긴 시간 동안 네트워크와 단절되는 상황이 자주 발생하여 전체적으로 긴 시간의 네트워크 단절 시간을 나타냈다. 다만, 비 복구 상태로 동작하는 상황에서 관찰할 수 있는 사실은 드론의 속도가 최저일 때는 드론의 느린 속도로 인해 네트워크 단절 시간의 편차가 컸으며 최대 단절 시간이 높은 쪽으로 치중되어 있었다. 반면, 드론이 최대 속도일 때는 네트워크 단절 시간의 편차는 작으나 그 횟수가 더 많았기 때문에 높은 평균 네트워크 단절 시간을 확인할 수 있었다.

이어서 본 발명에 따르는 네트워크 복구 기술의 경우에는 드론의 속도에 따라 약간의 차이를 보였다. 드론의 속도가 느릴 때는 약 40초의 평균 네트워크 단절 시간을 보였으나 최고 속도인 55m/s가 되었을 때, 25초 정도의 네트워크 평균 단절 시간을 보였다. 드론의 속도가 느릴 때는 네트워크 단절을 인지하고 복구를 위한 이동을 수행하는 것이 속도가 느리기 때문에 긴 시간이 걸리는 반면, 속도가 빠를 때는 복구를 위한 이동에 걸리는 시간이 줄어들기 때문에 단절 시간이 짧게 나타났다. 따라서 속도가 증가함에 따라 평균 네트워크 단절 시간은 조금씩 감소하는 것을 확인했다.

도 9는 AODV 라우팅 프로토콜로 동작하는 드론의 속도 변화에 따른 패킷 전달률을 나타낸다. 드론의 속도가 5m/s일 때는 비 복구 기술의 패킷 전달률이 약 75%로 나타났고 OLSR 라우팅 프로토콜로 동작할 때와 마찬가지로 각 드론들의 통신범위에 비해 드론 자체의 속도가 매우 낮았기 때문에 상대적으로 높은 패킷 전달률을 보였다. 속도가 15m/s가 되었을때 약 60%의 패킷 전달률을 보였고, 최대 속도인 55m/s일 때는 30%의 패킷 전달률을 보였다.

AODV 라우팅 프로토콜이 적용된 네트워크 복구 기술의 경우, 드론의 속도가 5m/s일 때의 패킷 전달률은 대략 90%로 나타났다. 드론의 속도가 증가함에 따라 패킷 전달률은 감소했지만 그 감소폭은 네트워크 비 복구 기술에 비해 현저히 낮았다. 속도가 35m/s일때 약 80%의 패킷 전달률, 최대 속도인 55m/s일 때 77%정도의 높은 패킷 전달률을 보였다. 따라서 AODV 라우팅 프로토콜이 적용된 본 발명의 네트워크 복구 기술은 네트워크 비 복구 기술보다 저속에서는 약 15%, 고속에서는 약 47% 더 높은 패킷 전달률을 가졌다.

도 10은 AODV 라우팅 프로토콜로 동작하는 드론의 속도 변화에 따른 평균 네트워크 단절 시간을 나타낸다. 네트워크 비 복구 기술은 네트워크 복구 기술보다 훨씬 긴 네트워크 단절 시간을 보였다. 네트워크 비 복구 기술은 드론이 무작위로 이동하기 때문에 드론의 속도와는 무관하게 긴 시간동안 네트워크와 단절되는 상황이 발생했다. OLSR 라우팅 프로토콜이 적용된 경우와 마찬가지로, 드론의 속도가 최저일 때 느린 속도로 인해 네트워크 단절 시간의 편차가 컸으며 단절 시간의 최댓값이 높은 쪽으로 치중되어 있었다. 반면 드론이 최대 속도일 때는 네트워크 단절 시간의 편차는 속도가 느릴 때에 비해서는 작으나 그 횟수가 더 많았기 때문에 높은 평균 네트워크 단절 시간을 보였다.

반면에 AODV 라우팅 프로토콜로 동작하는 본 발명에 따르는 네트워크 복구 기술은 드론의 속도에 따라 차이를 보였다. 드론의 속도가 낮을 때는 약 100초의 평균 네트워크 단절 시간을 가졌으나 최고 속도인 55m/s가 되었을때, 25초 정도의 평균 단절 시간을 가졌다. 드론의 속도가 낮을 때는 네트워크 단절을 인지하고 복구를 위한 이동을 수행하는 것이 오래 걸리는 반면, 속도가 빠를 때는 복구를 위한 이동에 걸리는 시간이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 속도가 증가함에 따라 평균 네트워크 단절 시간이 감소하는 것을 확인했다.

각 라우팅 프로토콜에 대한 패킷 전달률에는 약간의 차이가 있었다. 드론이 저속으로 동작하는 경우에는 거의 비슷한 값을 가졌다. 하지만 드론의 속도가 증가함에 따라서 AODV 라우팅 프로토콜은 OLSR 라우팅 프로토콜보다 약 19% 더 높은 패킷 전달률을 보였다. 드론의 속도가 저속에서 고속으로 증가함에 따라 점차 패킷 전달률도 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 결국, 저속 환경에서는 AODV와 OLSR이 유사한 성능을 보였지만 고속 환경에서는 AODV가 더 높은 패킷 전달률을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

이제 TTL 값에 따른 정찰 범위의 변화를 설명한다. 이웃 테이블 정보의 이웃정보인 엔트리 관리를 위해 사용되는 TTL 값의 변화에 따른 정찰 범위의 영향을 확인하기 위한 시뮬레이션을 수행했다. 시뮬레이션을 위한 대부분의 파라미터는 도 6의 표와 동일하지만, 라우팅 프로토콜은 AODV, 드론의 속력은 55m/s로 고정되었고 TTL 값은 기존 값에서 25, 5, 75, 10배로 증가시키며 비교하였다.

도 11은 TTL 값이 7.5초일 때의 드론의 이동 경로를 나타내며, 드론 이동 경로는 (1,500, 1,500) 지점에 위치한 드론을 중심으로 왼쪽위로 밀집되어 있음을 확인할 수 있다. TTL 값이 최소일 때, 드론은 먼 거리를 이동하지 못한 채 네트워크 자가 복구를 시작하기 때문에 비교적 좁은 범위의 지역에서만 이동을 한다.

도 12는 기존의 TTL 값인 7.5초의 10배인 75초일 때의 드론의 이동 경로를 나타낸다. 도 11에서는 (3,000, 3,250) 영역 내에서만 이동이 이루어졌지만, 도 12에서는 (4,500, 5,000)까지의 범위 내에서 이동 한것을 알 수 있다. TTL 값이 증가했기 때문에 드론은 이전보다 더 먼 거리를 이동하게 되고 네트워크로부터의 이탈 이후 뒤늦게 복구 동작을 시작한다. 네트워크 이탈을 뒤늦게 감지하기 때문에 네트워크 단절 시간은 증가하게 되지만 더 넓은 영역에서의 임무수행이 가능하다.

도 13은 TTL 값에 따른 패킷 전달률과 드론에 의해 정찰된 셀의 개수를 나타낸다. 전체 100개의 셀 중에서 TTL이 75초일 때는 약 47개의 셀을 정찰했으며 75초일 때는 약 65개의 셀을 정찰하였다. 이로부터 이웃 테이블 정보의 이웃정보인 엔트리를 관리하는 TTL 값이 증가함에 따라 드론이 정찰한 셀의 수는 증가하는 것을 알수 있다. 하지만 TTL 값이 증가함에 따라 네트워크로부터의 단절된 시간이 증가하므로 패킷 전달률은 점차 감소하게 된다. TTL 값이 7.5초인 경우에는 약 80%의 패킷 전달률을 보였지만 75초일 때는 20% 감소된 60%의 패킷 전달률을 보였다. 따라서 TTL 값의 증가에 따라서 패킷 전달률은 감소하지만, 더 넓은 범위로의 정찰이 가능해진다. 또한, 두 그래프가 교차하는 지점으로부터 최적의 TTL 값을 얻을 수 있다.

이제 라우팅 프로토콜에 따르는 지연시간에 대해 설명한다.

드론 애드혹 네트워크에서는 지상 제어 센터로부터의 제어 메시지의 신속한 전달이 무엇보다 중요하기 때문에 각 라우팅 프로토콜에 따른 지상 제어 센터로부터 이동 드론까지의 지연시간에 대한 성능 비교를 수행했다.

도 14는 이동성 드론의 속력 변화에 따른 AODV와 OLSR의 지연시간을 나타낸다. 정적 라우팅 프로토콜인 OLSR의 경우에는 동적 라우팅 프로토콜인 AODV보다 낮은 지연시간을 보였다. 두 가지의 라우팅 프로토콜 모두, 드론의 속력이 증가함에 따라 지연시간이 점차 감소했지만 약간의 변동을 나타냈다. AODV의 경우에는 드론의 속력이 15m/s에서 25m/s로 증가할 때 지연시간의 큰 변화폭을 보였으며 25m/s 이후에는 근사한 값의 지연시간을 보였다.

OLSR의 경우, AODV와는 다르게 저속과 고속상황에서의 지연시간 변동 폭이 크지 않았으며 드론의 속력이 증가함에 따라 지연시간의 표준편차가 점차 줄어들었다. 하지만 AODV는 속력의 변화와는 무관하게 일정하지 않은 지연시간의 표준편차를 보였다. 결론적으로 지연시간 측면에서는 정적 라우팅 프로토콜인 OLSR이 더 나은 성능을 보였다.

상기한 본 발명은 다중 드론 시스템 환경에서 드론의 네트워크 이탈이 발생하는 경우, 이웃 위치를 기반으로 한 단계적 자가 복구 기술에 대해 제안하였다. 시뮬레이션 결과는 다중 드론 네트워크 환경에서 본 발명이 네트워크 비 복구 기술보다 낮은 평균 네트워크 단절 시간과 높은 패킷 전달률을 보였다. 또한 본 발명은 드론의 속도가 증가함에 따라 패킷 전달률이 조금 감소했지만, 네트워크 비 복구 기술보다는 훨씬 높은 성능을 보였다. 또한, 평균 네트워크 단절 시간 측면에서는 약 200초정도 더 낮은 단절 시간을 보였다. 또한 AODV와 OLSR 라우팅 프로토콜의 적용에 따른 비교로는 AODV 라우팅 프로토콜의 경우에 고속 환경에서 더 높은 패킷 전달률을 가졌고 저속 환경에서는 높은 지연시간을 보였다. OLSR 라우팅 프로토콜의 경우는 저속 환경에서 더 낮은 평균 네트워크 단절 시간을 보였으며 전반적으로 AODV 라우팅 프로토콜에 비해 낮은 지연시간을 보였다. 또한, TTL 값이 정찰된 셀의 개수와 패킷 전달률에 미치는 영향을 살펴보았으며, TTL 값이 증가함에 따라 패킷 전달률은 감소했지만 정찰된 셀의 개수는 증가하는 것을 확인했다.

100 : 지상 제어 센터
D1~D8 : 다수의 드론

Claims (14)

1. 애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론이 지상 제어 센터에 의해 제어되는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법에 있어서,
   다수의 드론 각각은 다른 드론으로부터 헬로 메시지가 수신되면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 추출하고, 상기 드론 IP 주소에 대응되는 이웃정보가 존재하는지를 체크하고, 이웃정보가 존재하면, 상기 이웃정보의 위치정보를 상기 헬로 메시지에 포함된 위치정보로 갱신하고 TTL 값을 미리 정해둔 값으로 갱신하고, 상기 이웃 정보가 존재하지 않으면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 미리 정해둔 값을 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록하는 단계;
   상기 헬로 메시지가 수신되지 않은 상태에서 이웃 테이블 정보내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하면, 상기 주소 테이블 정보의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하고, 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상이면, 상기 드론은 상기 이웃 테이블 정보에서 TTL 값이 만료된 이웃정보를 삭제하는 단계; 및
   상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 미만이면, 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 단계;를 포함하며,
   상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, 자신의 이전 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록하며,
   상기 이웃정보는 드론 IP 정보에 대응되는 드론 ID, 위치정보, TTL 값으로 구성됨을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미리 정해둔 수는 1임을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 미리 정해둔 값은 상기 헬로 메시지 전송 주기의 3배임을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, 자신의 이전 위치로 이동한 후에도 헬로 메시지가 수신되지 않으면, TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 위치정보의 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 위치정보의 위치로 이동한 후에도 헬로 메시지가 수신되지 않으면, 미리 저장된 지상 제어 센터의 위치정보의 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 네트워크 자가 복구 모드에서 상기 드론은 상기 네트워크 복구 판단하면, TTL 값이 만료된 이웃정보를 상기 이웃 테이블에서 삭제함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 네트워크 자가 복구 모드에서 상기 드론은 상기 네트워크 복구 판단하면, 이동을 중지하고 미리 계획된 임무를 수행함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템 환경에서의 네트워크 자가 복구 방법.
8. 다중 드론 시스템 환경에 있어서,
   애드혹 네트워크를 형성하는 다수의 드론과,
   전송범위내에 위치하는 드론을 통해 상기 다수의 드론으로 제어 메시지를 전송하여 상기 다수의 드론을 제어하는 지상 제어 센터로 구성되며,
   상기 다수의 드론 각각은 다른 드론으로부터 헬로 메시지가 수신되면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 추출하고, 상기 드론 IP 주소에 대응되는 이웃정보가 존재하는지를 체크하고, 이웃정보가 존재하면, 상기 이웃정보의 위치정보를 상기 헬로 메시지에 포함된 위치정보로 갱신하고 TTL 값을 미리 정해둔 값으로 갱신하고, 상기 이웃 정보가 존재하지 않으면, 상기 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보와 미리 정해둔 값을 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블 정보에 기록하고,
   상기 헬로 메시지가 수신되지 않은 상태에서 이웃 테이블 정보내의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되는 이웃정보가 존재하면, 상기 주소 테이블 정보의 이웃정보들 중 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하고, 상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 이상이면, 상기 드론은 상기 이웃 테이블 정보에서 TTL 값이 만료된 이웃정보를 삭제하고,
   상기 TTL 값이 만료되지 않은 이웃 드론의 수가 미리 정해둔 수 미만이면, 네트워크 자가 복구 모드를 실행하며,
   상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, 자신의 이전 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록하며,
   상기 이웃정보는 드론 IP 정보에 대응되는 드론 ID, 위치정보, TTL 값으로 구성됨을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 미리 정해둔 수는 1임을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 미리 정해둔 값은 상기 헬로 메시지 전송 주기의 3배임을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
11. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, 자신의 이전 위치로 이동한 후에도 헬로 메시지가 수신되지 않으면, TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 위치정보의 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 네트워크 자가 복구 모드를 실행하는 드론은, TTL 값이 만료된 이웃정보에 기록된 위치정보의 위치로 이동한 후에도 헬로 메시지가 수신되지 않으면, 미리 저장된 지상 제어 센터의 위치정보의 위치로 이동하면서 헬로 메시지가 수신되는지를 체크하고, 헬로 메시지가 수신되면 네트워크 복구로 판단하여 자신의 이웃 테이블에 수신한 헬로 메시지에 포함된 드론 IP 주소와 위치정보를 이용하여 이웃정보를 생성하여 이웃 테이블에 기록함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
13. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 자가 복구 모드에서 상기 드론은 상기 네트워크 복구 판단하면, TTL 값이 만료된 이웃정보를 상기 이웃 테이블에서 삭제함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
14. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 자가 복구 모드에서 상기 드론은 상기 네트워크 복구 판단하면, 이동을 중지하고 미리 계획된 임무를 수행함을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.

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