Migliorare la comunicazione dei UAV con il routing a tubi

I veicoli aerei senza pilota (UAV), conosciuti anche come Droni, stanno diventando sempre più popolari per diverse applicazioni. Queste includono il monitoraggio di aree, la sorveglianza, il salvataggio di persone in situazioni di emergenza e il tracciamento di obiettivi. Noi ci concentriamo sugli UAV leggeri, che sono facili da trasportare e possono coprire un gran numero di terreni. Tuttavia, affrontano alcune sfide, come un raggio di comunicazione limitato e maggiori probabilità di guasto rispetto ai droni più grandi. Questo ci porta all'idea di far lavorare insieme molti droni in modo decentralizzato, dove ogni drone può comunicare con i suoi vicini e raccogliere informazioni sulla zona senza bisogno di un controllo centralizzato.

#La necessità di Protocolli di Routing efficaci

Quando gli UAV monitorano obiettivi, devono inviare le informazioni raccolte a una stazione base (BS) per l'analisi. È qui che entrano in gioco i protocolli di routing. Questi protocolli aiutano a stabilire percorsi di comunicazione dagli UAV alla BS. Tuttavia, le reti UAV sono dinamiche, il che significa che cambiano spesso a causa del movimento dei droni e dell'ambiente. Questo può portare a percorsi interrotti e interruzioni nella comunicazione. I metodi di routing tradizionali faticano ad adattarsi rapidamente, portando a ritardi e uso eccessivo delle risorse.

Per affrontare questi problemi, proponiamo un nuovo schema di routing chiamato Pipe routing. Questo schema è progettato per migliorare la stabilità e la qualità dei percorsi dagli UAV obiettivo alla BS. È a conoscenza della mobilità, il che significa che tiene conto del movimento dei droni, e a conoscenza dell'energia, il che significa che considera i livelli di energia dei droni. Inoltre, guarda alla congestione, che si verifica quando troppi droni cercano di utilizzare lo stesso percorso e causano ritardi.

#Schema di Routing Pipe

Lo schema di routing Pipe scopre i percorsi secondo necessità e può passare a percorsi alternativi in modo proattivo quando necessario. Si concentra su un'area limitata attorno ai percorsi attivi, formando quello che chiamiamo un "pipe". Questo aiuta a ridurre le interruzioni dei percorsi e aumenta il flusso di dati. Inoltre, abbiamo sviluppato un meccanismo di controllo della topologia all'interno dello schema di routing Pipe per garantire che ci siano sempre abbastanza UAV disponibili attorno ai percorsi attivi. Questo migliora la stabilità del percorso e aumenta il throughput dei dati, mantenendo nel contempo le prestazioni di copertura complessive della rete UAV.

#Importanza degli UAV

Gli UAV dotati di tecnologie di rilevamento e localizzazione hanno guadagnato popolarità per molti casi d'uso, come il monitoraggio di ampie aree o la risposta rapida a emergenze. Siamo particolarmente interessati agli UAV leggeri ad ala fissa, che bilanciano portabilità ed efficienza, coprendo aree più grandi rispetto agli elicotteri. Tuttavia, gli UAV leggeri affrontano sfide pratiche: il loro raggio di comunicazione limitato e tassi di guasto più elevati rispetto ai droni più grandi. Per superare questi problemi, proponiamo una rete decentralizzata di UAV che possono esplorare un'area mentre svolgono rilevamenti locali e mantengono comunicazione con droni vicini senza bisogno di conoscere completamente la rete.

#Monitoraggio degli obiettivi con gli UAV

Quando un UAV trova qualcosa di importante da monitorare, diventa l'UAV obiettivo. Questo drone tiene continuamente traccia dell'obiettivo mentre invia informazioni alla BS in tempo reale. Altri UAV nella rete continuano a cercare nuovi obiettivi e assicurano una connessione stabile alla BS.

Per ottenere una comunicazione efficace dagli UAV obiettivo alla BS, un buon protocollo di routing è essenziale. La natura dinamica della rete può causare cambiamenti frequenti, portando a interruzioni dei percorsi e interruzioni del traffico. Questo può portare a perdite di dati, un aumento del consumo di risorse per il routing e ritardi.

#Sfide con i protocolli di routing esistenti

La maggior parte dei protocolli di routing attuali fatica ad adattarsi alla natura in rapida evoluzione delle reti UAV. Gli schemi reattivi, che cercano nuovi percorsi solo quando un percorso fallisce, di solito introducono ritardi perché devono trovare nuovi percorsi durante il tempo di inattività. D'altro canto, gli schemi proattivi continuano ad aggiornare i percorsi, il che può portare a un sovraccarico di controllo e congestione, poiché ogni UAV invia aggiornamenti frequenti.

Un altro problema sorge quando più UAV condividono percorsi verso la BS. Questo può portare a nodi congestionati, che sono soggetti a guasti. Inoltre, UAV a bassa energia possono interrompere il flusso di dati se vengono scelti per partecipare ai percorsi, poiché potrebbero esaurire la batteria.

#Caratteristiche chiave del protocollo di routing Pipe

Per contrastare queste sfide, un protocollo di routing di successo dovrebbe essere a conoscenza della mobilità, della congestione e dell'energia. Questo significa:

1. A conoscenza della mobilità: Il protocollo seleziona i percorsi in base al movimento degli UAV, garantendo che i percorsi siano duraturi.

2. A conoscenza della congestione: Il protocollo trova percorsi che minimizzano la congestione e evitano nodi sovraccarichi.

3. A conoscenza dell'energia: Seleziona nodi con energia sufficiente per supportare comunicazioni affidabili.

Per far funzionare questo, il protocollo deve avere una consapevolezza locale dei percorsi disponibili tra la sorgente e la destinazione, il che dipende dal modello di mobilità specifico utilizzato dai droni.

#Modelli di mobilità per reti robuste

Utilizziamo il modello di mobilità BS-CAP, che aiuta a migliorare la connettività sia per la rete sia per la stazione base. Il nostro obiettivo principale è fornire percorsi stabili e di alta qualità tra gli UAV obiettivo e la BS. Proponiamo un meccanismo di controllo della topologia basato sui feromoni per aumentare la densità degli UAV attorno ai percorsi attivi, rendendo più accessibili i percorsi di alta qualità.

#Il processo di routing Pipe

Lo schema di routing Pipe mantiene un percorso stabile tra ogni UAV obiettivo e la BS. Opera in un modo che è a conoscenza della mobilità, della congestione e dell'energia. Questo protocollo può adattarsi a reti dinamiche e passare proattivamente a percorsi quando necessario.

In questo schema, gli UAV sul percorso attivo sono anche coinvolti nella copertura dell'area e nell'esplorazione. Il percorso può degradarsi nel tempo a causa dei cambiamenti nella rete. Il protocollo di routing Pipe mantiene informazioni su un'area ristretta attorno al percorso attivo per aiutare a passare a percorsi migliori quando necessario.

Per selezionare i migliori percorsi, il protocollo tiene conto di vari parametri, come la lunghezza del percorso e i livelli di energia. Se l'energia di qualche UAV scende sotto una certa soglia, viene evitato per garantire un percorso di trasmissione stabile verso la BS.

#Migliorare la connettività con il controllo della topologia

Gli UAV seguono il modello di mobilità BS-CAP, che aiuta a migliorare la copertura e la connettività. Abbiamo sviluppato uno schema di controllo della topologia che altera le traiettorie degli UAV vicino al percorso attivo per supportare un pipe robusto e un percorso di comunicazione stabile. Questo miglioramento garantisce che i percorsi alternativi rimangano disponibili, portando a una migliore prestazione complessiva.

Quando le condizioni lo permettono, l'approccio di controllo della topologia applica una maschera di feromoni per attrarre gli UAV verso aree dove la densità dei droni è bassa. Questa maggiore densità può fornire connessioni aggiuntive, mantenendo linee di comunicazione robuste.

#Routing basato su relay per confronto

Un approccio di routing alternativo assegna specifici UAV come nodi relay che si concentrano esclusivamente sul mantenimento dei percorsi verso la BS, mentre altri UAV gestiscono la copertura dell'area. Questo metodo crea un percorso di comunicazione stabile ma può portare a congestione e punti di guasto se diversi UAV condividono lo stesso percorso.

Abbiamo implementato uno schema di routing semplice basato su relay per un confronto con i nostri metodi di routing Pipe proposti. In questo schema, quando un UAV trova un obiettivo, stabilisce un percorso verso la BS e designa i nodi lungo questo percorso come nodi relay. Questi UAV relay volano in un modello circolare per mantenere il percorso. Tuttavia, quando i nodi relay falliscono, è necessario creare un nuovo percorso, il che può portare a maggiore congestione.

#Simulazione e impostazione

Per valutare i nostri metodi di routing proposti, abbiamo condotto simulazioni utilizzando una flotta di 30-50 UAV leggeri ad ala fissa. Gli esperimenti si sono svolti in un'area di 6 chilometri per 6 chilometri, dove non esisteva alcuna infrastruttura di comunicazione fissa. Ogni UAV aveva un raggio di trasmissione di circa 1 chilometro.

Abbiamo testato gli UAV in varie condizioni, concentrandoci su impostazioni con un singolo obiettivo e più obiettivi. Abbiamo anche studiato l'effetto dei guasti degli UAV sulle prestazioni. Analizzando le metriche di routing e copertura, siamo stati in grado di confrontare l'efficacia dei nostri metodi di routing Pipe e dello schema di controllo della topologia con i metodi tradizionali.

#Metriche di prestazione

Abbiamo misurato le prestazioni della nostra rete UAV utilizzando diverse metriche:

• Rapporto di consegna dei pacchetti (PDR): Questo misura il totale dei pacchetti di dati ricevuti dalla BS rispetto al totale dei pacchetti generati dagli UAV obiettivo. Un PDR più elevato indica una migliore efficienza comunicativa.

• Interruzioni dei percorsi: Il numero di interruzioni del percorso durante la simulazione. Meno interruzioni sono migliori, poiché significano percorsi più stabili.

• Tempo di up del percorso: La percentuale di tempo in cui un UAV obiettivo mantiene un percorso valido verso la BS. Una percentuale più alta indica maggiore stabilità.

• Copertura: La percentuale media dell'area coperta dagli UAV durante un periodo specificato.

• Equità nella copertura: Questo misura quanto equamente tutte le sezioni dell'area sono visitate dagli UAV.

#Valutazione delle prestazioni per scenari con un singolo obiettivo

Nelle nostre simulazioni, abbiamo prima valutato le prestazioni di routing e copertura quando c'era solo un obiettivo da monitorare. Abbiamo testato varie posizioni dell'obiettivo per identificare tendenze e miglioramenti delle prestazioni dei nostri schemi di routing. I risultati hanno mostrato che man mano che la distanza tra l'obiettivo e la BS aumentava, le prestazioni di routing diminuivano.

• La lunghezza media del percorso aumentava man mano che l'obiettivo si allontanava dalla BS, influenzando il throughput dei dati e i ritardi.

• Il PDR migliorava man mano che l'obiettivo si avvicinava alla BS, con migliori prestazioni osservate a densità di UAV più elevate.

• Il tempo di up del percorso aumentava anche con più UAV, mentre abbiamo osservato che lo schema relay forniva stabilità con quasi zero interruzioni dei percorsi.

In generale, i nostri schemi di routing Pipe e TC-Pipe hanno costantemente superato i metodi tradizionali, dimostrando la loro capacità di mantenere un PDR più elevato e minori interruzioni dei percorsi.

#Prestazioni per scenari con più obiettivi

Successivamente, abbiamo valutato le prestazioni della rete UAV nel monitorare più obiettivi contemporaneamente. Il comportamento di routing in questi contesti è diventato più complesso, con maggiori possibilità di interferenze e congestione.

I risultati hanno indicato che il nostro schema di routing TC-Pipe ha continuato a eccellere, fornendo il miglior PDR e stabilità del routing. La lunghezza del percorso è rimasta costante in vari scenari, dimostrando che la formazione del pipe ha effettivamente accolto più flussi di dati.

In generale, il metodo TC-Pipe ha permesso una migliore gestione dei percorsi disponibili, garantendo connessioni stabili anche con obiettivi sovrapposti.

#Gli effetti dei guasti dei nodi

Abbiamo anche studiato come i guasti dei nodi abbiano impattato i nostri metodi di routing. Abbiamo simulato scenari in cui una certa percentuale di UAV ha fallito durante le operazioni.

Abbiamo trovato le seguenti tendenze:

• A densità di UAV più basse, meno droni rimanevano a mantenere la copertura, risultando in prestazioni di routing ridotte.

• A densità più elevate, il degrado delle prestazioni era meno grave, dimostrando che un numero robusto di UAV può mitigare l'impatto dei guasti individuali.

Nel sistema basato su relay, le prestazioni sono rimaste più stabili quando UAV relay erano assegnati a compiti specifici, il che ha aiutato a mantenere le connessioni. Tuttavia, la sua copertura ha risentito poiché più droni erano assegnati come relay, limitando le capacità di copertura.

#Conclusioni

In sintesi, abbiamo esplorato le sfide affrontate dalle reti UAV nel routing e nella comunicazione quando monitorano obiettivi. Abbiamo sviluppato un nuovo schema di routing, chiamato Pipe routing, che è a conoscenza della mobilità, della congestione e dell'energia. Inoltre, abbiamo proposto un meccanismo di controllo della topologia per mantenere connessioni robuste e ridurre la frequenza delle interruzioni dei percorsi.

Le nostre valutazioni sperimentali hanno mostrato che sia gli approcci Pipe routing che TC-Pipe hanno migliorato significativamente le prestazioni di routing rispetto agli schemi tradizionali. Questi metodi hanno fornito percorsi di comunicazione resilienti, dimostrando la loro idoneità per applicazioni reali in reti di monitoraggio UAV decentralizzate.

Man mano che la tecnologia degli UAV evolve, questi metodi di routing possono essere adattati per vari usi, dalla risposta a disastri alla sorveglianza, assicurando al contempo una comunicazione efficace all'interno della rete. I risultati suggeriscono che la combinazione di routing proattivo e controllo della topologia offre una strada promettente per migliorare le capacità delle reti UAV.