드론 기반의 DTN 환경에서 메시지 우선순위와 배터리 잔량을 고려한 개선된 MaxProp 알고리즘

Abstract

UAV(Unmanned Aerial Vehicle), 통칭 드론의 시장은 꾸준히 확대되어가고 있고 그 적용 범위 또한 확장 중에 있다. 그 중 드론을 통신 노드로, 중개(Relay) 노드로 사용하는 경우 드론의 특성상 연결 단절 시간이 긴 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 우주 환경이나 재난 환경에 특화된 DTN(Delay Tolerant Network)을 기반으로 한 드론 네트워크에 관한 연구가 진행되고 있다. 이는 Store-and-forward 방식을 토대로 하여 각 홉(Hop) 간의 연결이 맺어질 때 마다 홉 단위로 메시지를 전송한다. 그리고 항상 복사본을 저장하여 긴 지연 시간 동안 다음 홉과의 연결에 대기한다. 최초(Source) 노드부터 최종 목적(Destination) 노드까지의 연결이 보장될 때에만 전송을 수행하는 기존 지상의 TCP/IP 기반 네트워크와는 상반된 점이다. 이 DTN 기반의 라우팅 프로토콜에는 Flooding 방식으로 무조건 메시지를 뿌려주는 Epidemic 라우팅 등 여러 가지가 있으나, 본 논문에서는 이 중 MaxProp 라우팅 알고리즘을 분석/개선하여 성능을 확인하였다. MaxProp 알고리즘은 라우팅 테이블을 기반으로 하여 각 노드와의 접촉 확률을 계산하고, 이를 상시 업데이트한다. 또한 각 메시지 별로 거쳐 온 홉 수를 저장토록 하여 홉 수가 적은(상대적으로 최신의) 메시지가 우선 전송될 수 있도록 메시지 큐를 관리하는 방식이다. 따라서 홉 수가 많은 메시지의 경우, 오랫동안 목적 노드까지 도달하지 못한 만큼 전달 확률이 낮다고 가정하여 보다 낮은 우선순위를 갖게 된다. 본 논문에서는 이에 메시지 자체가 갖는 우선순위를 추가하여 긴박한 정보가 보다 높은 확률로 전달될 수 있도록 고려하였다. 예를 들어 재난 환경에서 통신 기반시설이 손상되거나 손실되었을 경우 드론을 띄워 임시로 통신망을 구축할 수 있는데, 여기서 보다 긴박한 정보(생존자의 구조 요청, 부상자의 건강 정보, 구조대의 작업 상황 등)를 높은 확률로 전달하기 위함이다. 이를 위해 메시지의 종류에 따라 홉 카운트를 비교하는 임계값(Threshold)을 다르게 적용시켜서 중요한 메시지의 경우 보다 높은 확률로 우선 전송되도록 하였다. 또한 드론의 특성상 한정된 배터리를 사용하는 점을 고려하여, 배터리 잔량이 기준치에 도달했을 경우 우선순위가 높은 메시지는 홉 카운트를 비교하지 않고 최우선적으로 전달하도록 하였다. 이렇게 개선된 MaxProp 라우팅 알고리즘의 성능을 확인하기 위해 본 논문에서는 ONE(Opportunistic Networking Environment) simulator를 사용하였다. 해당 시뮬레이터에 드론을 중개 노드로 한 클러스터(Cluster) 모델을 적용하였고, 이에 개선된 MaxProp 알고리즘을 적용하여 버퍼 크기와 전송 범위에 따른 메시지 전달 확률과 오버헤드 비율, 전송 지연 시간을 측정하였다. 우선 버퍼 크기에 따른 시뮬레이션 결과로 중요 메시지 전달률은 평균 34.47% 상승하였으며 오버헤드는 28.09% 감소하였고, 전송 지연 시간 또한 26.94% 감소하여 보다 우수한 성능을 나타냈다. 또한 전송 범위에 따른 시뮬레이션 결과로 중요 메시지 전달률은 평균 23.82% 상승, 오버헤드는 8.91% 감소, 전송 지연 시간은 18.09% 감소하여 향상된 성능을 확인할 수 있었다.