Communication interface manager for improving performance of heterogeneous UAV networks

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2021.Prover troca de mensagens com conexões estáveis em missões compostas por múltiplos veículos aéreos não tripulados (VANT) é uma tarefa complexa. Além disso, o tráfego de diferentes classes de acesso de mensagens como voz, dados e vídeo, necessitam de diferentes requisitos de rede. Desta forma, a confiabilidade na entrega das mensagens e a qualidade do enlace são desafios importantes para garantir a troca de diferentes mensagens de forma dinâmica, atendendo aos diversos requisitos de rede com qualidade de serviço (QoS). O uso da comunicação heterogênea tem mostrado ganhos na manutenção da conexão entre nós altamente móveis, aumentando a confiabilidade na transmissão de dados, conforme visto nas MANETS e VANETs. Neste contexto, esta tese propõe um gerenciador de interface heterogêneo (IM) para redes sem fio compostas por múltiplos VANTs. Assim, dado um conjunto predefinido de interfaces, o gerenciador proposto define dinamicamente a melhor interface para enviar as próximas mensagens com base nas condições de voo detectadas e calculadas dinamicamente a partir do meio sem fio. O gerenciador considera dados de monitoramento atualizados que representam o estado atual dos enlaces de comunicação entre os VANTs durante a sua trajetória. Atualmente, uma árvore de decisão combinada a uma heurística de soma de pontos é utilizada como base para a abordagem proposta e visa apoiar as decisões do IM decidindo em tempo real entre duas ou mais interfaces de comunicação sem fio. Primeiramente, o IM é avaliado usando duas interfaces de comunicação sem fio IEEE 802.11n e IEEE 802.11p empregando diferentes bandas de frequência. Em um segundo momento, o IM aplica várias interfaces de comunicação local sem fio: IEEE 802.11n, IEEE 802.11p, IEEE 802.11ac e IEEE 802.11ax, para validar a sua característica de modularidade. Diversas simulações são realizadas usando uma configuração de simulação realista (e complexa) baseada no simulador de rede NS-3, conectado a simuladores de mobilidade Gazebo ou SUMO, gerando cenários de mobilidade 2D e 3D. Um comparação é proposta, avaliando o desempenho das interfaces de comunicação aplicadas de forma homogênea (com uma única interface) e heterogênea (usando o IM proposto com um conjunto diferente de interfaces). Dois conjuntos de métricas são constituídos para avaliar o IM em termos de camada MAC e física e de aplicação. Os resultados obtidos mostram que comparado com os casos em que uma única interface é utilizada, o IM permitiu duplicar a vazão da rede e apresentar a melhor proporção de pacotes transmitidos e recebidos com potência de recepção (-60dBm a -75dBm) e perdas de sinal (-80dB a -85dB), resultando em conexões de rede mais eficientes e estáveis.Abstract: Performing means for exchanging messages with stable connections in missions composed of multiple unmanned aerial vehicles (UAV) is a complex task. In addition, the use of different access classes such as voice, data, and video are increasingly present in the execution of applications involving networks composed of multiple UAVs. In this way, the reliability in the delivery of messages and link quality are relevant challenges for ensuring the exchange of different messages dynamically, meeting the several ToS network requirements with quality of service (QoS). The use of heterogeneous communication has shown gains in maintaining the connection among highly mobile nodes while increasing reliable data transmission, as needed in MANETS, VANETs, and, more recently, in FANETs. In this context, this thesis proposes a heterogeneous interface manager (IM) that is capable of improving communication in multi-UAV networks. Given a predefined set of available individual wireless interfaces, the proposed IM dynamically defines the best interface for sending messages based on on-flight conditions sensed and calculated dynamically from the wireless medium. The proposed IM is situated above the network link layer and contains a heuristic that decides in real-time between two or more wireless communication interfaces. It considers up-to-date monitoring data that represent the current state of the UAVs' communication links within a given environment. Currently, a decision tree (DT) with a sum of points heuristic is used as a basis for the proposed approach and aims to support the decisions of IM. The heuristic accounts for parameters, such as the number of bytes received, number of bytes lost, throughput, received signal strength indication (RSSI), and signal to noise ratio (SNR). Firstly, the proposed IM is designed using IEEE 802.11n and IEEE 802.11p wireless interfaces employing different frequency bands to validate the decision tree heuristic. Secondly, the IM applies several single-band and multiband wireless local area communication interfaces: IEEE 802.11n, IEEE 802.11p, IEEE 802.11ac, and IEEE 802.11ax, to extend the IM decision possibilities. The IM is validated with simulations conducted using a realistic (and complex) simulation setup based on the NS-3 network simulator, connected to the Gazebo or SUMO mobility simulators. This allows the UAV missions to be programmed in 2D and 3D mobility scenarios, and leave all communication aspects to be processed within NS-3. There were conducted several experimental scenarios involving different numbers of UAVs, flying at different speeds, traveling different distances and trajectories. The aim was to analyze the performance of the communication interfaces applied homogeneously (with a single interface) and heterogeneously (using the proposed IM with a different set of interfaces). The IM performance was evaluated through two set of metrics constituted by the MAC and PHY layers, and from the application layer. Obtained results show that compared with the cases where a single interface is used, the proposed IM can increase the network throughput and presents the best proportion of transmitted and received packets, reception power (-60dBm to -75dBm), and loss (-80dB to -85dB), resulting in more efficient and stable network connections. The results showed that a combination of different interfaces in the IM decisions is capable to compose a powerful solution to maintain and increase the link quality in U2U achieving message exchange over greater distances