Demand for unmanned aerial vehicles (UAVs) has been increasing in many applications such as surveillance, reconnaissance, and communication. Through UAV capabilities such as rapid mobility and airborne capability, UAVs can provide a communication network in an area where communication infrastructure is not temporarily available. And UAV-based relay networks can be also used for compensating for cell outage and cell overload in cellular networks, and for enhancing the connectivity of mobile ad-hoc networks. Furthermore, the UAV-based relay networks can be used to extend the communication range or the operational range of ground nodes. In order to construct reliable UAV-based relay networks, we have to solve many technical issues such as positioning, path planning, signal processing, medium access control, and routing.
In this dissertation, we investigate energy-aware control problems of UAV-based relays. Communication networks can be constructed within a short time through rapid maneuvering of UAV-based relays. The communication performance can be significantly improved through the efficient maneuvering control of UAV-based relays. However, since the UAV-based relays have a limited energy capacity and the maneuvering power depends on how to control the maneuvering, energy-efficient control and management for seamless networks is required for mission completion. Furthermore, since the maneuvering control needs the location information of ground nodes with time, communication overhead may become another problem.
First, we propose an energy-efficient circular maneuvering \& communication scheme for a UAV-based relay connecting two stationary ground nodes. Based on a new energy efficiency metric, which is defined as the ratio of network capacity to the power consumption of both maneuvering and communication, we solve an energy efficiency maximization problem. The proposed maneuvering & communication scheme significantly increases energy efficiency, compared with the conventional schemes.
Second, we focus on an energy-aware maneuvering control scheme of a small UAV-based relay which forwards the data received from a mobile access point (AP) to a stationary remote station.
In order to reduce the communication power of the AP, the UAV-based relay keeps track of the AP within a maximum allowable horizontal distance at a constant altitude, and, thus, the communication power of the AP decreases as the horizontal distance decreases. In order to determine the energy-efficient maneuvering of the UAV-based relay within the horizonal distance, we formulate a new off-line trajectory optimization problem. The solution of this problem gives an insight into how to realize the energy-efficient maneuvering. For on-line implementation of energy-efficient maneuvering, we propose two control schemes: a model predictive control scheme and a standoff tracking control scheme. These schemes can significantly reduce the maneuvering energy compared with the conventional schemes.
Third, we investigate a maneuvering control scheme of a UAV-based relay for efficient communication with mobile ground nodes. The objective of the maneuvering control scheme is to maximize the minimum ergodic link capacity which is achieved by any ground node. We propose an efficient maneuvering control scheme of the UAV-based relay which does not require any location or direction information of ground nodes.
The proposed control scheme exploits the received signal strengths (RSSs) from ground nodes but it dose not need a channel model to estimate the location of ground nodes.
Therefore, the proposed control scheme significantly reduces the communication overhead and/or computational complexity while achieving similar performance, compared with that of an optimal scheme which requires the location information of ground nodes.
Finally, we focus on energy management of UAV-based relays each of which communicates with ground nodes on their communication coverage. The coverage of a UAV-based relay is determined by its altitude and elevation angle. In order to prevent disconnections between UAV-based relays and ground nodes, some reserve UAVs should be replaced with the ones requiring recharging one to one. We propose a low-complexity, decentralized recharging management scheme for UAV-based relays, which can reduce the number of reserves required for seamless connectivity and utilize the overall energy efficiently. Furthermore, we propose a practical replacement procedure eliminating a potential risk, that is, a collision between UAV-based relays.
감시, 정찰, 통신 등의 많은 분야에서 무인항공기에 대한 수요는 나날이 증가하고 있다. 무인항공기는 빠른 기동성과 체공 능력을 통해, 통신 인프라가 일시적으로 가용하지 않는 지역에 투입하여 네트워크 서비스를 제공할 수 있다. 또한 무인항공기 기반 중계 네트워크는 셀룰러 네트워크의 셀 단절과 혼잡을 보완하기 위한 용도와 모바일 에드혹 네트워크의 연결성능을 강화하는 용도로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 지상 노드의 통신 거리 또는 작전 범위를 넓히는 용도로도 사용될 수 있다. 이러한 무인항공기 기반 중계 네트워크를 신뢰성 있게 구축하기 위해서는 위치 선정, 경로 계획, 신호 처리, 매체 접근 제어, 라우팅 등의 많은 기술적 이슈들을 해결해야 한다.
본 논문에서는 무인항공기 기반 중계기의 에너지 인지형 제어 문제를 다룬다. 통신 네트워크는 무인항공기 기반 중계기의 빠른 기동성을 이용하여 단시간 내에 구축할 수 있고, 통신 성능은 효율적인 기동 제어를 통해 더욱 향상 시킬 수 있다. 하지만 무인항공기 기반 중계기의 에너지 용량이 제한되어 있고, 기동을 어떻게 제어 하냐에 따라 기동 전력의 소모율이 달라지기 때문에, 임무 완수를 위한 에너지 효율적인 제어와 중단 없는 네트워크를 위한 에너지 관리가 반드시 필요하다. 추가적으로 기동 제어를 위해서는 지상 노드의 위치정보가 필요하므로, 통신 오버헤드가 또 다른 문제로 대두될 수 있다.
본 논문에서는 우선 무인항공기 기반 중계기가 두 개의 고정 지상 노드를 연결하는 상황을 위하여 에너지 효율적인 원형 기동과 통신 방식을 제안하였다. 네트워크의 용량 대 기동과 통신을 포함한 전력 소모의 비로 표현되는 새로운 에너지 효율 측정 체계를 이용하여, 에너지 효율 최대화 문제를 해결하였다. 기존 방식과 비교했을 때 제안한 기동 및 통신 방식은 네트워크의 에너지 효율을 상당히 향상시킬수 있다.
두 번째로 모바일 액세스 포인트로 부터 받은 정보를 고정 원격 스테이션에 전달하는 무인항공기 기반 중계기의 에너지 인지형 기동 제어 방식을 제안하였다. 액세스 포인트의 통신 전력을 절약하기 위해 무인항공기 기반 중계기는 최대로 허용되는 수평거리 안에서 액세스 포인트를 추종한다. 그래서 허용 수평거리를 줄일수록 액세스 포인트의 통신 전력을 줄일 수 있다. 이때 허용 수평거리 안에서의 에너지 효율적인 기동을 결정하기 위해 새로운 오프라인 궤적 최적화 문제를 다룬다. 문제의 해결책은 에너지 효율적인 기동을 실제로 어떻게 구현할 것인가에 대한 통찰력을 제공해 준다. 또한 실시간에서도 적용할 수 있는 에너지 효율적인 기동을 위해 모델 예측 제어 방식과 스탠드오프 추종 제어 방식을 제안하다. 기존 방식과 비교했을 때 이들 방식은 기동 에너지를 상당히 줄일 수가 있다.
세 번째로 다수의 모바일 지상 노드들과의 효율적인 통신을 위한 무인항공기 기반 중계기의 기동 제어 방식을 다룬다. 기동 제어의 목적은 어느 지상 노드나 달성할 수 있는 최소의 에르고딕 링크 용량을 최대화 하는 것이다. 본 논문에서는 지상 노드의 위치나 방향정보를 전혀 필요로 하지 않는 새로운 기동 제어 방식을 제안한다.
제안한 방식은 지상 노드들로 부터 수신되는 신호 세기를 이용하나, 지상 노드의 위치를 예측하기 위한 채널 모델은 필요로 하지 않는다. 그러므로 제안한 방식은 지상 노드의 위치정보를 필요로 하는 최적의 방식과 비교 했을 때 비슷한 성능을 보이면서도 통신 오버헤드와 계산 복잡도를 획기적으로 줄일 수가 있다.
마지막으로 각자 자신의 통신 담당 범위내의 지상 노드들과 통신하는 무인항공기 기반 중계기들의 에너지 관리 방식에 대해 다룬다. 한 대의 통신 담당 범위는 무인항공기 기반 중계기의 고도와 수직각에 의해 결정된다.
지상노드와의 중단 없는 연결을 보장하기 위해, 에너지 고갈로 충전을 필요로 하는 무인항공기는 예비 무인항공기와 임무 지역 상공에서 일대일로 교체되어야 한다. 낮은 계산 복잡도와 분산적으로 작동하면서, 전반적인 에너지를 효율적으로 사용하고, 예비 무인항공기의 소요를 줄일 수 있는 무인항공기 기반 중계기들의 충전 관리 방식을 제안한다. 추가적으로 무인항공기 기반 중계기간의 잠재적인 충돌 위험을 방지할 수 있는 실질적인 교체 방식도 제안한다.
