📡 QoS-Aware Autonomous Mobile Mesh Relay System

Self-healing Mobile Relay Robot for Infrastructure-less Disaster Communication

BATMAN-ADV 메시 네트워킹과 연결성 인식 내비게이션을 사용하여 NLOS 및 재난 환경에서 고장난 통신 링크를 자율적으로 복구하는
모바일 중계 로봇 시스템입니다.

🔗 Quick Links

• 🎥 Demo GIFs: Without Relay | With Relay
• 🧩 System Architecture: Jump
• 🚀 Run: Jump

통신 음영 지역(NLOS) 극복을 위한 자율 이동형 메시 중계 시스템

Intel Edge AI SW Academy 8th Gen - Team 4 Project > 개발 기간: 2025.11.21 ~ 2026.1.5

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📖 프로젝트 개요 (Overview)

재난 현장, 지하 통로, 터널과 같은 환경에서는 구조 인력의 이동에 따라
기존 통신 인프라(LTE/5G)가 급격히 약화되거나 완전히 단절되는 문제가 반복적으로 발생합니다.
고정형 중계기나 단순 신호 증폭 방식은 이러한 동적인 환경 변화에 효과적으로 대응하기 어렵습니다.

본 프로젝트는 이러한 한계를 해결하기 위해,
통신 품질(TQ/RSSI)을 실시간으로 분석하고 중계 로봇이 직접 이동하여
통신 경로를 물리적으로 재구성하는 자율 이동형 메시 중계 시스템을 제안합니다.

💡 핵심 기능 (Key Features)

• 📡 자가 치유 네트워크 (Self-Healing Network): - BATMAN-ADV 기반 Layer 2 메시 네트워크

• 중앙 AP, IP 설정, NAT/DHCP 없이 노드 자동 합류 및 경로 복구

• 🤖 통신 품질 기반 자율 주행 (Connectivity-Aware Navigation): - Nav2/SLAM 미사용

• 링크 품질(TQ/RSSI)을 목적 함수로 하는 Gradient-based 이동 제어
• 지도 없이 통신 품질을 직접 최적화

• 🧱 NLOS(비가시권) 극복: - 코너, 장애물, 거리 증가로 인한 통신 단절을 물리적 중계로 해결
• 🖥️ 실시간 모니터링 GUI: - 네트워크 토폴로지, TQ, 로봇 상태를 직관적으로 시각화

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👤 내 역할 및 기여

이 프로젝트에서 저는 통신 품질을 기반으로 중계 로봇이 이동하도록 하는 핵심 로직의 설계 및 구현을 담당했습니다.

• TQ/RSSI를 최적화 목표로 사용하는 연결 인식 내비게이션 알고리즘을 설계 및 구현
• BATMAN-ADV 메시 네트워크 메트릭을 ROS 2 제어 루프에 연동
• SLAM 또는 Nav2에 의존하지 않는 자율 릴레이 재배치 로직 개발
• RSSI/TQ 노이즈로 인한 불안정한 움직임을 분석하고 제어 파라미터 조정
• 리눅스 네트워킹과 ROS 2 기반 로봇 제어 간의 연동 및 시스템 통합에 기여

🧠 디자인 근거(Design Rationale)

• Why I Chose BATMAN-ADV?

  • 자가 치유 기능을 갖춘 L2 메시 라우팅
  • 노드 이동성 및 인프라 장애에 강인함
  • 재난 및 임시 네트워크에 적합

• Why I Used Gradient-based Navigation Instead of Nav2/SLAM?

  • 위치 정확성이 아닌 커뮤니케이션 품질이 주요 목표
  • 사전 지도나 위치 확인이 필요 없음
  • 불안정한 환경에 적합한 가볍고 반응형 제어

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📸 Qt Dashboard Screenshot

Qt 기반 관제 대시보드 – 메시 네트워크(TQ) 및 시스템 동작을 실시간 시각화

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🛠️ 시스템 아키텍처 (System Architecture)

본 시스템은 ROS 2를 미들웨어로 사용하며, Batman-adv 커널 모듈을 통해 투명한(Transparent) 메시 네트워크를 형성합니다.

flowchart LR
    A["Command Center<br/>(Qt Dashboard)"] <-->|Batman-adv Mesh| B("Relay Robot<br/>TurtleBot3")
    B <-->|Batman-adv Mesh| C["Explorer Client<br/>Camera/Sensor"]
    
    subgraph "Relay Robot Logic"
    B1[TQ Analyzer] --> B2[Connectivity Gradient Navigation]
    B2 --> B3[Motor Control]
    end

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📂 디렉토리 구조 (Directory Structure)

Intel-4th-Project
├── 📂 comm_pkg                   # Batman-adv 및 네트워크 상태 모니터링 모듈 (Non-ROS)
└── 📂 ros2_turtlebot_createdpkg  # ROS 2 핵심 패키지
    ├── 📂 relay_bot_pkg          # [Core] 통신 품질 기반 자율 주행 노드 (Nav2 미사용, 자체 알고리즘)
    └── 📂 robot_Qt               # [GUI] 관제 센터용 Qt 대시보드 어플리케이션

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🎥 시연 시나리오 (Demonstration)

1. 코너(Corner) 극복 시나리오

Without Relay

• 탐사 로봇이 코너를 돌아가면 통신 링크가 급격히 약화되거나 완전히 단절됨

With Mobile Relay

• 통신 품질(TQ) 저하를 감지한 중계 로봇이 코너 입구로 이동
• 메시 네트워크가 재구성되며 영상 스트림 유지

2. 거리 연장(Line Extension) 시나리오

Without Relay

• 탐사 거리가 증가함에 따라 통신 품질이 임계치 이하로 하락
• 영상 프레임 드롭 및 연결 불안정 발생

With Mobile Relay

• 중계 로봇이 전진하여 최적 중계 위치 확보
• 통신 가능 거리 및 링크 안정성 확장

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🎥 Demo Videos

NLOS Recovery Demo

Without Relay

With Mobile Relay

✅ Results (Impact)

• TQ/RSSI를 기반으로 릴레이 로봇을 재배치하여 NLOS 코너 시나리오에서 링크 복구를 시연했습니다.
• 직접 통신(중계 없이)에 비해 안정적인 비디오 스트리밍을 유지합니다.

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📷 Experimental Setup (Mobile Relay Robot)

위 데모는 실제 복도/코너 환경에서 촬영했으며, 아래는 실험에 사용한 TurtleBot3 기반 중계 로봇 구성입니다.

TurtleBot3 기반 이동형 메시 중계 로봇 실험 구성
BATMAN-ADV 메시 네트워크를 통해 물리적으로 통신 경로를 재구성

🚀 설치 및 실행 (Installation & Usage)

사전 요구 사항 (Prerequisites)

• Hardware: TurtleBot3 (Burger/Waffle), Raspberry Pi 4, USB Wi-Fi Dongle (Mesh mode 지원)
• OS: Ubuntu 22.04 LTS (Jammy Jellyfish)
• ROS 2: Humble Hawksbill

빌드 및 실행

# 1. 워크스페이스 이동 및 클론
cd ~/turtlebot3_ws/src/
git clone https://github.com/mmc47047/Relay_Bot.git

# 2. 의존성 설치 및 빌드
cd ~/turtlebot3_ws
colcon build --symlink-install
source install/local_setup.bash

# 3. Batman-adv 설정 (각 노드에서 실행)
sudo bash comm_pkg/scripts/setup_batman.sh

# 4. 중계 로봇 노드 실행
ros2 launch relay_bot_pkg relay_system.launch.py

# 5. Qt GUI 실행 (PC)
ros2 run robot_Qt gui_dashboard

✅ Verification (Expected Status)

Mesh interface

bash
ip -4 addr show bat0
sudo batctl o

ROS 2 topics

ros2 topic list | grep -E "tq|rssi|cmd_vel"
ros2 topic echo /cmd_vel

Expected behavior

• TQ/RSSI가 감소하면 중계 로봇이 이동을 시작함

• 중계 로봇이 위치를 잡으면 TQ가 회복되고 통신이 안정화됨

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⚠️ 제한 사항 및 향후 작업

• RSSI/TQ 변동으로 인해 릴레이 움직임에 국부적인 진동이 발생할 수 있습니다
• 단일 릴레이 시나리오; 다중 릴레이 조정은 향후 작업입니다
• 장애물 인식 내비게이션은 더 복잡한 환경에 통합될 수 있습니다

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🧠 What I Learned

• 배트맨-ADV를 사용하여 레이어 2 메시 네트워크를 구현하고 기존 IP 라우팅과의 차이점을 이해
• SLAM이나 Nav2에 의존하지 않고 연결성을 인식하는 내비게이션 알고리즘을 설계
• 실제 환경에서 RSSI/TQ 노이즈와 반응 제어의 실용적인 도전 과제 학습
• ROS 2, 리눅스 네트워킹 및 임베디드 시스템을 단일 자율 시스템에 통합

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👥 개발팀 소개 (Team Members)

역할	이름	담당 업무	GitHub
팀장	김성준	프로젝트 총괄, ROS2 자율 주행 알고리즘 구현	@seolihan651jw
팀원	김영교	Batman-adv Mesh 네트워크 구축 및 커널 모듈 최적화	@mmc47047
팀원	윤찬민	Qt GUI 대시보드 개발, 시스템 통합 테스트	@CMYMC
팀원	정찬영	ROS2 센서 데이터 처리 및 하드웨어 제어	@salnock

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📜 License

This project is licensed under the MIT License - see the LICENSE file for details.