Os veículos aéreos não tripulados (VANTs) vêm apresentando destaque crescente no setor aeronáutico mundial, tanto no desenvolvimento dos mesmos quanto nas diferentes aplicações desses veículos, devido ao seu grande potencial de utilização. Em muitas aplicações, a utilização de múltiplos VANTs apresenta várias vantagens sobre um VANT sozinho. No entanto, o agrupamento pode experimentar problemas inerentes à comunicação sem fio, podendo originar novos problemas como inviabilizar a coordenação e a execução cooperativa de uma missão, por exemplo. Em um cenário não colaborativo, VANTs com algum nível de autonomia e que partilhem do mesmo espaço aéreo também deverão ser capazes de trocar informações entre si, principalmente informações sobre posicionamento e rota de voo, e também estarão suscetíveis aos distúrbios da comunicação sem fio. Para balancear as vantagens e as desvantagens, esses robôs precisarão se comunicar cientes das restrições e utilizando a rede de modo otimizado, por meio da aplicação de algoritmos que equilibrem adequadamente técnicas de difusão de informações e técnicas de mitigação de retransmissões. Neste projeto de doutorado foi feita a investigação sobre o método de disseminação de dados, por meio de broadcasting, em uma rede móvel ad hoc entre VANTs, denominada Flying Ad hoc Networks (FANETs). FANETs são um novo paradigma que pode superar as restrições de missões de um único VANT. As FANETs são compostas por vários VANTs que cooperam para realizar alguma missão crítica (por exemplo, uma missão de busca e resgate). Para manter a coordenação, todos os VANTs devem continuamente enviar ou retransmitir mensagens através do canal sem fio para garantir que todos os membros da rede saibam o estado da rede. Geralmente, a troca de dados necessários para manter a sincronização da missão exige o uso de broadcast para que todos os membros da rede possam recebê-los. No entanto, quando essa troca de mensagens é feita arbitrariamente, isso pode causar o problema da tempestade de broadcast (BSP), levando o meio sem fio a um estado inoperante. Apesar de alguns esforços relatados na literatura para o provimento de técnicas gerais de mitigação do problema BSP, o desafio de agregar novas informações ou conhecimento a receptores que estejam voando, ao invés de apenas espalhar os dados na rede, tem recebido menos atenção. Nesta tese, além de demonstrar que o problema BSP intensifica a contenção de rede à medida que o número de VANTs aumenta, também foi criado um método que se prova mais eficiente que os existentes até então. Tal técnica, denominada de Algoritmo Baseado em Vizinhança Dinâmica para o Problema da Tempestade de Broadcast (DNA-BSP), foi desenvolvida e validada com base em experimentos de mundo real e em simulações computacionais. Ele pode mitigar o problema BSP, que é um desafio real nas FANETs, reduzindo a redundância de mensagens em mais de 98% e tornando a entrega de mensagens 99,5% mais rápida do que no cenário de flooding, superando as técnicas gerais de mitigação do BSP quando aplicado em FANETs. Os resultados detalhados neste texto também poderão orientar trabalhos futuros ao fornecer informações úteis para o planejamento e otimização de redes ad hoc móveis para VANTs. / Unmanned aerial vehicles (UAVs) have been showing increasing notoriety in the global aviation scene, both on their development and on the different applications for these vehicles, due to their high potential of use. In many applications, using multiple UAVs has several advantages over a single UAV. However, a cluster of UAVs may experience issues inherent to wireless communication, which may lead to new complications such as making mission coordination and cooperative execution impractible. In a non-collaborative scenario, UAVs with some level of autonomy which share the same airspace should also be able to exchange information among themselves, especially positioning and flight path information, and may also be susceptible to wireless communication disturbances. These robots have to use the network fairly and should communicate under restrictions, appropriately adjusting techniques that disseminate information and that mitigate broadcasts, in order to balance the advantages and disadvantages of being a group. This Ph.D. research investigates how broadcasting is used to disseminate data throughout ad hoc mobile networks between UAVs called Flying Ad hoc Networks (FANETs). FANETs are a new paradigm that can overcome the mission constraints of single UAVs. FANETs are composed of several UAVs that cooperate to accomplish a critical mission (e.g., hazardous area monitoring). Aiming to maintain UAVs coordination, all aircraft must continuously retransmit or relay messages through the wireless channel to assure that every member knows the FANET status. However, when this message exchange is done blindly, it may cause the broadcast storm problem (BSP), leading the wireless medium to a dysfunctional state. Despite some efforts reported in the literature for providing general techniques to mitigate the broadcast storm problem, the challenge of aggregating new information or knowledge to receivers, instead of just spreading the information in the network, has received less attention. In this research, it has been proved that the broadcast storm problem causes network contention as the number of UAVs increases, and the innovative Dynamic Neighborhood-based Algorithm for the Broadcast Storm Problem (DNA-BSP) has been provided as a countermeasure, which was developed and validated based on computer simulations and outdoor experiments. It can mitigate the broadcast storm problem, which is a real challenge in FANETs, reducing message redundancy in more than 98%, and making message delivery 99,5% faster than in flooding scenario, outperforming classical broadcast storm mitigation techniques when applied in FANETs. Our detailed results can also guide future researches and provide useful insights for engineers planning and optimizing mission-critical mobile ad hoc network with support of UAVs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-13062019-090320 |
| Date | 22 March 2019 |
| Creators | Pires, Rayner de Melo |
| Contributors | Branco, Kalinka Regina Lucas Jaquie Castelo, Ciferri, Cristina Dutra de Aguiar |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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