Minimum Cost Design of Cellular Networks in Rural Areas with UAVs, Optical Rings, Solar Panels and Batteries

Bringing the cellular connectivity in rural zones is a big challenge, due to the large installation costs that are incurred when a legacy cellular network based on fixed Base Stations (BSs) is deployed. To tackle this aspect, we consider an alternative architecture composed of UAV-based BSs to provide cellular coverage, ground sites to connect the UAVs with the rest of the network, Solar Panels (SPs) and batteries to recharge the UAVs and to power the ground sites, and a ring of optical fiber links to connect the installed sites. We then target the minimization of the installation costs for the considered UAV-based cellular architecture, by taking into account the constraints of UAVs coverage, SPs energy consumption, levels of the batteries and the deployment of the optical ring. After providing the problem formulation, we derive an innovative methodology to ensure that a single ring of installed optical fibers is deployed. Moreover, we propose a new algorithm, called DIARIZE, to practically tackle the problem. Our results, obtained over a set of representative rural scenarios, show that DIARIZE performs very close to the optimal solution, and in general outperforms a reference design based on fixed BSs

Energy-efficient resource management for continuous scenario fulfillment by UAV fleets

Unbemannte Luftfahrzeuge (unmanned aerial vehicles, UAV) sind autonom fliegende und flexibel einsetzbare mobile Roboter, welche durch ihre große Flexibilität und Erweiterbarkeit viele Möglichkeiten bieten. Insbesondere im Bereich der Katastrophenbewältigung erlangen sie immer stärkere Bedeutung, da die Aufgaben zur Aufklärung im Gebiet und zur Erschaffung einer Kommunikationsinfrastruktur ungebunden und schnell durch sie bewältigt werden können. Der Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Herausforderung der Ressourcenverwaltung in einem solchen Szenario. Während die Priorität des UAV Einsatzes klar darin besteht die Katastrophenbekämpfung unterbrechungsfrei zu unterstützten, muss ebenso auf die Verwaltung limitierter Ressourcen, wie elektrischer Energie, eingegangen werden. Wir präsentieren ein entsprechendes Systemdesign einer Ressourcenverwaltung und Strategien zur Verbesserung der Leistung und damit zur Erhöhung der Energieeffizienz des Gesamtsystems. Die Implementierung und gründliche Untersuchung eines solchen komplexen Systems von Teilsystemen ist verbunden mit hohen finanziellen Kosten, großem Test-Risiko und einer langen Entwicklungsdauer. Aus diesem Grund setzt diese Arbeit auf abstrakte ausführbare Modelle der Umgebung, des Verwaltungssystems und der UAVs. Die Verwendung dieser Modelle in einer Massensimulation mit beliebiger Komplexität und Konfiguration ermöglicht die schnelle und kostengünstige Verifikation der Funktionstüchtigkeit und die Bewertung verschiedener Verwaltungsstrategien. Im Vergleich zu der präsentierten trivialen Lösung ist die entwickelte verbesserte Lösung in der Lage den zeitlichen Anteil einzelner UAVs im Missionseinsatz zu erhöhen und die insgesamt nötige Menge an UAVs für die dauerhafte Abdeckung aller Aufgaben zu reduzieren. Die Schritte zur Optimierung reduzierten im analysierten Beispiel den Gesamtenergiebedarf aller UAVs um nahezu 20 Prozent.Unmanned aerial vehicles (UAV) are autonomous and flexible robotic systems with a remarkable degree of freedom and extendibility. They are especially valuable in the context of disaster scenarios, where arising use cases for reconnaissance and mobile communication infrastructure creation have to be addressed rapidly and unbound from restrictions in the operation field. The research focus of this thesis lies in the challenge of resource management during such an application. While the priority of the UAV utilization lies on uninterrupted task execution, concern for limited resources, like electrical energy, and resultant maintenance processes has to be dealt with on a lower management layer. We present a resource management system design and multiple competing strategies to improve its performance and overall energy efficiency. The implementation and thorough evaluation of such a complex system of systems is linked to high costs, great operational risks, and a long development time. For that reason, we developed executable models representing the environment, the resource management system, and the UAV. Through mass simulation of these models in various scenario constellations and configurations, we are able to verify the applicability of our proposed resource management system and to evaluate and optimize various aspects of its processes. In comparison to a presented trivial solution, we are able to increase the UAV flight utilization efficiency and decrease the needed amount of provided UAVs in the scenario. Our optimization efforts reduce the overall energy demand of UAVs in the analyzed example scenario by almost 20 percent

H3N - Analysewerkzeuge für hybride Wegewahl in heterogenen, unterbrechungstoleranten Ad-Hoc-Netzen für Rettungskräfte

Rettungskräfte müssen unter widrigen Bedingungen zuverlässig kommunizieren können, um in Rettungseinsätzen effizient arbeiten zu können und somit Leben zu retten. Idealerweise ist dazu ein selbstorganisiertes Ad-Hoc-Netz notwendig, weil die Kommunikationsinfrastruktur ggf. beschädigt oder überlastet sein kann. Um die geforderte Robustheit der Kommunikation auch in Szenarien mit größeren zu überbrückenden Entfernungen zu gewährleisten, werden zusätzlich Mechanismen benötigt, die eine Unterbrechungstoleranz ermöglichen. Verzögerungstolerante Netze (engl. Delay Tolerant Networks, kurz: DTN) stellen solche Mechanismen bereit, erfordern aber zusätzliche Verzögerungen, die für Rettungskommunikation nachteilig sind. Deshalb werden intelligente hybride Wegewahlverfahren benötigt, um die Verzögerung durch DTN-Mechanismen zu begrenzen. Außerdem sollten entsprechende Verfahren heterogene Netze unterstützen. Das ermöglicht zusätzlich eine effizientere Weiterleitung durch die Nutzung von Geräten mit unterschiedlichen Kommunikationstechnologien und damit auch Reichweiten. Um solche Systeme und die dafür benötigten Kommunikationsprotokolle zu entwickeln, werden verschiedene Analysewerkzeuge genutzt. Dazu gehören analytische Modelle, Simulationen und Experimente auf der Zielsystemhardware. Für jede Kategorie gibt es verschiedene Werkzeuge und Frameworks, die sich auf unterschiedliche Aspekte fokussieren. Dadurch unterstützen diese herkömmlichen Analysemethoden jedoch meistens nur einen der oben genannten Punkte, während die Untersuchung von hybriden und/oder heterogenen Ansätzen und Szenarien nicht ohne weiteres möglich ist. Im Falle von Rettungskräften kommt hinzu, dass die charakteristischen Merkmale hinsichtlich der Bewegung der Knoten und des erzeugten Datenverkehrs während eines Einsatzes ebenfalls nicht modelliert werden können. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene Erweiterungen zu existierenden Analysewerkzeugen sowie neue Werkzeuge zur Analyse und Modelle zur Nachbildung realistischer Rettungsmissionen untersucht und entwickelt. Ziel ist es, die Vorteile existierender Werkzeuge miteinander zu kombinieren, um ganzheitliche, realitätsnahe Untersuchungen von hybriden Protokollen für heterogene Netze zu ermöglichen. Die Kombination erfolgt in Form von gezielten Erweiterungen und der Entwicklung ergänzender komplementärer Werkzeuge unter Verwendung existierender Schnittstellen. Erste Ergebnisse unter Verwendung der entwickelten Werkzeuge zeigen Verbesserungspotentiale bei der Verwendung traditioneller Protokolle und erlauben die Bewertung zusätzlicher Maßnahmen, um die Kommunikation zu verbessern. Szenarien zur Kommunikation von Rettungskräften werden dabei als ein Beispiel verwendet, die Tools sind jedoch nicht auf die Analyse dieses Anwendungsfalls beschränkt. Über die reine Analyse verschiedener existierender Ansätze hinaus bildet die entwickelte Evaluationsumgebung eine Grundlage für die Entwicklung und Verifikation von neuartigen hybriden Protokollen für die entsprechenden Systeme.Communication between participating first responders is essential for efficient coordination of rescue missions and thus allowing to save human lives. Ideally, ad hoc-style communication networks are applied to this as the first responders cannot rely on infrastructure-based communication for two reasons. First, the infrastructure could be damaged by the disastrous event or not be available for economic reasons. Second, even if public infrastructure is available and functional, it might be overloaded by users. To guarantee the robustness and reliability requirements of first responders, the Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) have to be combined with an approach to mitigate intermittent connectivity due to otherwise limited connectivity. Delay Tolerant Networks (DTNs) provide such a functionality but introduce additional delay which is problematic. Therefore, intelligent hybrid routing approaches are required to limit the delay introduced by DTN mechanisms. Besides that, the approach should be applicable to heterogeneous networks in terms of communication technologies and device capabilities. This is required for cross multi-agency and volunteer communication but also enables the opportunistic exploitation of any given communication option. To evaluate such systems and develop the corresponding communication protocols, various tools for the analysis are available. This includes analytical models, simulations and real-world experiments on target hardware. In each category a wide set of tools is available already. However, each tool is focused on specific aspects usually and thus does not provide methods to analyze hybrid approaches out of the box. Even if the tools are modular and allow an extension, there are often other tools that are better suited for partial aspects of hybrid systems. In addition to this, few tools exist to model the characteristics of first responder networks. Especially the generalized movement during missions and the generated data traffic are difficult to model and integrate into analyses. The focus of this project is therefore to develop selected extensions to existing analysis and simulation tools as well as additional tools and models to realistically capture the characteristics of first responder networks. The goal is to combine the advantages of existing specialized simulation tools to enable thorough evaluations of hybrid protocols for heterogeneous networks based on realistic assumptions. To achieve this, the tools are extended by specifically designing tools that enable the interaction between tools and new tools that complement the existing analysis capabilities. First results obtained via the resulting toolbox clearly indicate further research directions as well as a potential for protocol enhancements. Besides that, the toolbox was used to evaluate various methods to enhance the connectivity between nodes in first responder networks. First responder scenarios are used as an example here. The toolbox itself is however not limited to this use case. In addition to the analysis of existing approaches for hybrid and heterogeneous networks, the developed toolbox provides a base framework for the development and verification of newly developed protocols for such use cases