Formation coordination and network management of UAV networks using particle swarm optimization and software-defined networking

In recent years, with the growth in the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), UAV-based systems have become popular in both military and civil applications. The lack of reliable communication infrastructure in these scenarios has motivated the use of UAVs to establish a network as flying nodes, also known as UAV networks. However, the high mobility degree of flying and terrestrial users may be responsible for constant changes in nodes’ positioning, which makes it more challenging to guarantee their communication during the operational time. In this context, this work presents a framework solution for formation coordination and network management of UAVs, which aims to establish and maintain a set of relays units in order to provide a constant, reliable and efficient communication link among user nodes - which are performing individual or collaborative missions on its turn. Such a framework relies on a set of formation coordination algorithms - including the Particle Swarm Optimization (PSO) evolutionary algorithm -, and also considers the use of Software-defined Networking-based (SDN) communication protocol for network management. For coordination proposes, a novel particle selection criteria is proposed, which aims to guarantee network manageability of UAV formations, therefore being able to guarantee service persistence in case of nodes’ failure occurrence, as well as to provide required network performance, as a consequence. Simulations performed in OMNeT++ show the efficiency of the proposed solution and prove a promising direction of the solution for accomplishing its purposes.Em regiões de confrontos militares, em cenários pós-catástrofes naturais e, inclusive, em grandes áreas de cultivo agrícola, é comum a ausência de uma infra-estrutura préestabelecida de comunicação entre usuários durante a execução de uma ou mais operações eventuais. Nestes casos, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) podem ser vistos como uma alternativa para o estabelecimento de uma rede temporária durante essas missões. Para algumas aplicações, a alta mobilidade destes usuários podem trazem grandes desafios para o gerenciamento autônomo de uma estrutura de comunicação aérea, como a organização espacial dos nós roteadores e as políticas de encaminhamento de pacotes adotadas durante a operação. Tendo isso em vista, esse trabalho apresenta o estudo de uma solução que visa o estabelecimento e manutenção das conexões entre os usuários - nos quais executam tarefas individuais ou colaborativas -, através do uso de algoritmos de coordenação de formação - no qual inclui o algoritmo evolucionário Otimização por Enxame de Partículas -, e, também, de conceitos relacionados a Rede Definidas por Software para o gerenciamento da rede. Ainda, é proposto um novo critério de seleção das partículas do algoritmo evolucionário, visando garantir gerenciabilidade das topologias formadas e, consequentemente, a persistência do serviço em caso de falha dos nós roteadores, assim como o cumprimento de especificações desejadas para o desempenho da rede. Simulações em OMNeT++ mostraram a eficácia da proposta e sustentam o modelo proposto a fim de atingir seus objetivos

STFANET : SDN-Based Topology Management for Flying Ad Hoc Network

In recent years, with the growth in the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), UAV-based systems have become popular in both military and civil applications. The lack of reliable communication infrastructure in these scenarios has motivated the use of UAVs to establish a network as flying nodes, also known as Flying Ad Hoc Networks (FANETs). However, the high mobility degree of flying and terrestrial users may be responsible for constant changes in the network topology, which makes more challenging to guarantee their communication during the operational time. In this context, this article presents a Software-defined networking (SDN) based Topology management for FANETs - called of STFANET -, which is a coordination protocol that englobes both an efficient SDN-based UAV communication and a set of topology management algorithms. The goal is to establish and maintain a FANET topology in order to provide a constant and reliable communication link among independent nodes - which are performing individual or collaborative missions - through relays units. Simulation results show the efficiency of the proposed protocol in order to provide communication in a dynamic scenario. Considering its use in a military setting, STFANET managed to achieve 25% of packet loss in transmitting data packets, 1.5ms of latency and 71% of connectivity on average

Instrumento de um veículo aéreo não tripulado para análise de sua performance

Durante o projeto de um veículo aéreo não tripulado (VANT) de asa fixa, a utilização de um dispositivo capaz de coletar as informações relevantes do voo da aeronave é crucial para a análise de sua performance, validações e, até mesmo, tomada de decisões no projeto. Neste trabalho, foi proposto o desenvolvimento de um sistema de instrumentação de um VANT que fosse capaz de coletar as seguintes informações: velocidade em relação ao ar, altitude e orientação da aeronave, e a corrente elétrica drenada pelo conjunto rádio receptor e servos. Também foi propósito deste trabalho que, durante o voo, as informações fossem transmitidas a um computador para acompanhamento remoto por parte do piloto ou de um auxiliar. Dessa forma, o piloto poderia atingir certas condições para que determinada característica de voo fosse analisada. Ao final deste trabalho, foi desenvolvido um dispositivo para ser instalado no avião construído. Durante e após o voo, foi possível analisar os resultados das medições com ferramentas computacionais desenvolvidas em MATLAB. Com os resultados obtidos, é possível caracterizar o comportamento da aeronave durante o voo; no entanto, eles não foram satisfatórios em torno dos requisitos de projeto definidos no início do trabalho. Por fim, as metodologias adotadas foram analisadas e melhorias foram propostas para serem aplicadas em trabalhos futuros

Instrumento de um veículo aéreo não tripulado para análise de sua performance

Durante o projeto de um veículo aéreo não tripulado (VANT) de asa fixa, a utilização de um dispositivo capaz de coletar as informações relevantes do voo da aeronave é crucial para a análise de sua performance, validações e, até mesmo, tomada de decisões no projeto. Neste trabalho, foi proposto o desenvolvimento de um sistema de instrumentação de um VANT que fosse capaz de coletar as seguintes informações: velocidade em relação ao ar, altitude e orientação da aeronave, e a corrente elétrica drenada pelo conjunto rádio receptor e servos. Também foi propósito deste trabalho que, durante o voo, as informações fossem transmitidas a um computador para acompanhamento remoto por parte do piloto ou de um auxiliar. Dessa forma, o piloto poderia atingir certas condições para que determinada característica de voo fosse analisada. Ao final deste trabalho, foi desenvolvido um dispositivo para ser instalado no avião construído. Durante e após o voo, foi possível analisar os resultados das medições com ferramentas computacionais desenvolvidas em MATLAB. Com os resultados obtidos, é possível caracterizar o comportamento da aeronave durante o voo; no entanto, eles não foram satisfatórios em torno dos requisitos de projeto definidos no início do trabalho. Por fim, as metodologias adotadas foram analisadas e melhorias foram propostas para serem aplicadas em trabalhos futuros

Formation coordination and network management of UAV networks using particle swarm optimization and software-defined networking

In recent years, with the growth in the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), UAV-based systems have become popular in both military and civil applications. The lack of reliable communication infrastructure in these scenarios has motivated the use of UAVs to establish a network as flying nodes, also known as UAV networks. However, the high mobility degree of flying and terrestrial users may be responsible for constant changes in nodes’ positioning, which makes it more challenging to guarantee their communication during the operational time. In this context, this work presents a framework solution for formation coordination and network management of UAVs, which aims to establish and maintain a set of relays units in order to provide a constant, reliable and efficient communication link among user nodes - which are performing individual or collaborative missions on its turn. Such a framework relies on a set of formation coordination algorithms - including the Particle Swarm Optimization (PSO) evolutionary algorithm -, and also considers the use of Software-defined Networking-based (SDN) communication protocol for network management. For coordination proposes, a novel particle selection criteria is proposed, which aims to guarantee network manageability of UAV formations, therefore being able to guarantee service persistence in case of nodes’ failure occurrence, as well as to provide required network performance, as a consequence. Simulations performed in OMNeT++ show the efficiency of the proposed solution and prove a promising direction of the solution for accomplishing its purposes.Em regiões de confrontos militares, em cenários pós-catástrofes naturais e, inclusive, em grandes áreas de cultivo agrícola, é comum a ausência de uma infra-estrutura préestabelecida de comunicação entre usuários durante a execução de uma ou mais operações eventuais. Nestes casos, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) podem ser vistos como uma alternativa para o estabelecimento de uma rede temporária durante essas missões. Para algumas aplicações, a alta mobilidade destes usuários podem trazem grandes desafios para o gerenciamento autônomo de uma estrutura de comunicação aérea, como a organização espacial dos nós roteadores e as políticas de encaminhamento de pacotes adotadas durante a operação. Tendo isso em vista, esse trabalho apresenta o estudo de uma solução que visa o estabelecimento e manutenção das conexões entre os usuários - nos quais executam tarefas individuais ou colaborativas -, através do uso de algoritmos de coordenação de formação - no qual inclui o algoritmo evolucionário Otimização por Enxame de Partículas -, e, também, de conceitos relacionados a Rede Definidas por Software para o gerenciamento da rede. Ainda, é proposto um novo critério de seleção das partículas do algoritmo evolucionário, visando garantir gerenciabilidade das topologias formadas e, consequentemente, a persistência do serviço em caso de falha dos nós roteadores, assim como o cumprimento de especificações desejadas para o desempenho da rede. Simulações em OMNeT++ mostraram a eficácia da proposta e sustentam o modelo proposto a fim de atingir seus objetivos

Development and Testing of a Low-Cost Instrumentation Platform for Fixed-Wing UAV Performance Analysis

The flight data of a fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) can be evaluated by its designers in order to analyze its performance, to validate the project criteria and to make new decisions based on the data analyses. In this paper, the authors propose the development of a low-cost instrumentation platform capable of collecting the following data: airspeed, orientation and altitude of the airplane, and the current drained by the electric system. Moreover, this paper presents the use of a telemetry system in order to display the flight conditions to the pilot. The system contains a variety of sensors, which were chosen based on their price, applicability and ease of use. After a test flight had been performed, the collected measurements were plotted and analyzed. Having the flight data, a set of flight characteristics might be observed

UAVouch: A Secure Identity and Location Validation Scheme for UAV-Networks

Emerging surveillance applications of UAV teams rely on secure communication to exchange information, coordinate their movements, and fulfill mission objectives. Protecting the network by identifying malicious nodes that are trying to disturb the system is an important task, particularly in the military domain. This paper presents the design and evaluation of UAVouch, an identity and location validation scheme that combines a public-key based authentication mechanism with a movement plausibility check for groups of UAVs. The key idea of UAVouch is to supplement the authentication mechanism by periodically checking the plausibility of the locations of neighboring UAVs, allowing the detection of intruders that are unable to follow expected trajectories. The proposed solution was evaluated in a simulated military surveillance scenario in which it detected malicious nodes’ position falsification attacks with an average accuracy of above 85%