Data Gathering and Dissemination over Flying Ad-hoc Networks in Smart Environments

The advent of the Internet of Things (IoT) has laid the foundations for new possibilities in our life. The ability to communicate with any electronic device has become a fascinating opportunity. Particularly interesting are UAVs (Unmanned Airborne Vehicles), autonomous or remotely controlled flying devices able to operate in many contexts thanks to their mobility, sensors, and communication capabilities. Recently, the use of UAVs has become an important asset in many critical and common scenarios; thereby, various research groups have started to consider UAVs’ potentiality applied on smart environments. UAVs can communicate with each other forming a Flying Ad-hoc Network (FANET), in order to provide complex services that requires the coordination of several UAVs; yet, this also generates challenging communication issues. This dissertation starts from this standpoint, firstly focusing on networking issues and potential solutions already present in the state-of-the-art. To this aim, the peculiar issues of routing in mobile, 3D shaped ad-hoc networks have been investigated through a set of simulations to compare different ad-hoc routing protocols and understand their limits. From this knowledge, our work takes into consideration the differences between classic MANETs and FANETs, highlighting the specific communication performance of UAVs and their specific mobility models. Based on these assumptions, we propose refinements and improvements of routing protocols, as well as their linkage with actual UAV-based applications to support smart services. Particular consideration is devoted to Delay/Disruption Tolerant Networks (DTNs), characterized by long packet delays and intermittent connectivity, a critical aspect when UAVs are involved. The goal is to leverage on context-aware strategies in order to design more efficient routing solutions. The outcome of this work includes the design and analysis of new routing protocols supporting efficient UAVs’ communication with heterogeneous smart objects in smart environments. Finally, we discuss about how the presence of UAV swarms may affect the perception of population, providing a critical analysis of how the consideration of these aspects could change a FANET communication infrastructure.L'avvento dell'Internet of Things (IoT) ha gettato le basi per nuove possibilità nella vita di tutti i giorni. La capacità di comunicare con qualsiasi dispositivo elettronico è diventata un'opportunità affascinante. Particolarmente interessanti sono gli UAV (Unmanned Airborne Vehicles), dispositivi volanti autonomi o controllati a distanza in grado di operare in molti contesti grazie alla loro mobilità, ai sensori e alle capacità di comunicazione. Recentemente, l'uso degli UAV è diventato una risorsa importante in molti scenari critici e comuni; in tal modo, vari gruppi di ricerca hanno iniziato a considerare le potenzialità degli UAV applicate agli ambienti intelligenti. Gli UAV possono comunicare tra loro formando una rete Ad-hoc volante (FANET), al fine di fornire servizi complessi che richiedono il coordinamento di diversi UAV; tuttavia, questo genera anche numerosi problemi di comunicazione. Questa dissertazione parte da questo punto di vista, concentrandosi innanzitutto su problemi di rete e potenziali soluzioni già presenti nello stato dell'arte. A tal fine, i problemi peculiari di instradamento in reti mobili ad-hoc tridimensionali sono stati studiati attraverso una serie di simulazioni per confrontare diversi protocolli di instradamento ad-hoc e comprenderne i limiti. Da questa conoscenza, il nostro lavoro prende in considerazione le differenze tra le classiche MANET e le FANET, evidenziando le prestazioni di comunicazione specifiche degli UAV e dei loro specifici modelli di mobilità. Sulla base di questi presupposti, proponiamo perfezionamenti e miglioramenti dei protocolli di routing, nonché il loro collegamento con le applicazioni reali basate su droni per supportare servizi intelligenti. Particolare attenzione è dedicata alle reti DTN (Delay / Disruption Tolerant Networks), caratterizzate da lunghi ritardi di trasmissione dei pacchetti e connettività intermittente, un aspetto critico quando sono coinvolti gli UAV. L'obiettivo è fare leva su strategie context-aware per progettare soluzioni di routing più efficienti. Il risultato di questo lavoro include la progettazione e l'analisi di nuovi protocolli di routing che rendono più efficiente la comunicazione tra UAV, supportando anche la comunicazione con diversi dispositivi in ambienti intelligenti ed eterogenei. Infine, discutiamo come la presenza di sciami di droni possa influenzare la percezione della popolazione, fornendo un'analisi critica di come la considerazione di questi aspetti potrebbe cambiare un'infrastruttura di comunicazione FANET