Delay-Sensitive Data Delivery to Ad-Hoc Nodes Using UAVs

Abstract

In disaster scenarios where communication networks are broken down, it is important to ensure a reliable data delivery from an emergency operations center to local target nodes within their effective time limits. I consider the problem of path planning using multiple UAVs as message ferries to deliver delay-sensitive information in a catastrophic disaster scenario. I propose two schemes for data delivery: 1) a direct data delivery for UAVs to serve each target by door-to-door visits in fully disconnected network, and 2) a hybrid data delivery mechanism that exploits the load-carry-and-delivery by UAVs with a mixture of localized ad-hoc routing over partially connected terrestrial networks. Without any network structure, it is inevitable for UAVs to visit each communication-wise isolated user directly. In direct delivery, the main goal is to find the optimal paths of UAVs to maximize the number of nodes that can successfully be serviced within each designated packet deadline. At the same time, I want to reduce total travel time for visiting over a virtual grid topology. I propose a distributed path planning algorithm that determines the next visit grid point based on a weighted sum of travel time and delivery deadline. Together with path planning, I incorporate a task division mechanism among encountered UAVs that collaboratively distributes the unvisited grid points with other UAVs so that the entire travel time can substantially be reduced. Simulation results demonstrate that my distributed path planning algorithm mixed with task division outperforms all baseline counterpart algorithms in terms of on-time service node rate and total travel time. Under the collapsed network, I exploit the partitioned network in hybrid mechanism. I aim to achieve reliable on-time data delivery to target nodes, while preserving low routing cost. My proposed routing methodology consists of three steps: 1) localized network construction, 2) network probing by UAVs, and 3) localized ad-hoc routing based on dynamic depth routing tree depending on data urgency. I present an innovative cost-effective local data sharing structure called localized minimal routing tree that balances with the direct data delivery by UAVs. After the initial network setup and probing procedure, each UAV makes a series of near-optimal decisions of which grid points to visit considering its localized network topology, and data urgency. My time-dependent routing mechanism dynamically decides data recipient nodes to serve more urgent data delivery with a higher priority at a time. Simulation experiments validate our combined path planning and routing approach, achieving 71% higher reliability compared to the best possible performance just using network nodes and consuming 20% lower energy compared to UAV-only approach, while maintaining high reliability. Thus, the proposed work makes a strong case for systematically combining the two approaches.;통신 네트워크가 붕괴된 재난 상황에서, 정해진 유효한 시간 내에 각 지역에 있는 타겟 노드로의 안정적인 데이터 전달을 보장하는 것은 매우 중요한 문제이다. 본 논문에서는 여러 대의 무인 비행체를 이용하여 시간 제한이 있는 정보를 전달하는 문제를 풀고자 한다. 우리는 정보 전달을 위한 두 가지 경로 탐색 방법을 제안한다. 첫째, 네트워크가 완전하게 끊어진 환경에서 통신이 고립되어 있는 사용자들에 데이터를 전달하기 위해 무인 비행체가 직접 각각의 타겟을 방문하는 직접 데이터 전달 방법이 있다. 두번째는 일부 연결된 네트워크 환경에서 무인 비행체에 모든 데이터 전달을 맡기지 않고, 비록 부분적으로 연결된 네트워크라고 하더라도 이에 의한 애드혹 라우팅을 최대한 활용하는 하이브리드 데이터 전달 방법이다. 먼저, 네트워크가 붕괴되어 통신 가능한 구조가 없을 경우, 무인 비행체가 통신이 고립된 사용자를 직접 방문하는 건 불가피하다. 직접 전달 메커니즘에서의 주요 목표는 최대한 많은 노드가 각각의 정해진 시간 내에 성공적으로 데이터를 전달받을 수 있게 하는 무인 비행체의 최적 경로를 찾는 것이다. 동시에 데이터를 필요로 하는 모든 지역을 방문하기 위해 소요되는 비행 시간을 줄이고자 한다. 본 논문에서 제안하는 분산 경로 찾기 알고리즘은 비행 시간과 데이터 데드라인을 모두 고려하여 다음 방문할 그리드를 결정한다. 뿐만 아니라, 데이터 전달 수행 중 무인 비행체들끼리 만날 경우, 업무 분담 과정을 통해 아직 방문하지 않은 지역을 분배하여 전체 비행 시간을 줄여 더 많은 지역을 방문할 수 있도록 하고자 한다. 시뮬레이션 결과를 통해 업무 분담을 포함하는 경로 찾기 시스템이 시간에 맞춰 데이터를 전달하는 효율성과 전체 비행 시간 측면에서 다른 기준 비교 알고리즘보다 우수한 결과를 보임을 증명하였다. 일부 네트워크가 붕괴되어 사용할 수 있는 통신 구조가 남아있는 환경에서는 분할된 네트워크를 이용하는 하이브리드 방법을 제안한다. 본 시스템에서는 네트워크 라우팅에서 발생하는 전송 비용을 최소화하면서 동시에 정해진 시간 내에 안정적으로 데이터를 전달하고자 한다. 제안된 라우팅 기법은 세 가지 단계로 나눌 수 있다. 각 지역에서의 통신 가능한 로컬 네트워크 형성, 무인 비행체를 통한 로컬 네트워크 파악, 그리고 데이터의 긴급성에 따라 결정된 동적 라우팅 트리를 통한 로컬 애드혹 라우팅이다. 이를 위해 무인 비행체의 직접 데이터 전달과 함께 효율적인 비용으로 데이터를 공유할 수 있는 구조인 로컬 미니멀 라우팅 트리를 도입하였다. 먼저, 무인 비행체를 통해 각 지역에 구성된 로컬 네트워크를 파악하고, 무인 비행체는 네트워크와 데이터의 긴급성을 고려하여 어느 지역을 방문할지 결정한다. 무인 비행체는 데이터를 대신 전달할 대리인 노드를 선정하여 주요한 지역들을 크게 방문하여 데이터를 맡기고, 대리인 노드들은 무인 비행체를 대신하고 로컬 네트워크의 애드혹 라우팅을 사용하여 데이터를 전달한다. 시뮬레이션 결과를 통해 무인 비행체의 데이터 전달과 로컬 네트워크를 통한 데이터 전달을 결합할 경우, 안정적이고 효율적으로 데이터를 전달할 수 있음을 입증하였다.