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

Abstract

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.