Design, Analysis and Evaluation of Unmanned Aerial Vehicle Ad hoc Network for Emergency ...

85 Pages·2016·1.73 MB·English

Georgia Southern University
Digital Commons@Georgia Southern
Electronic Theses and Dissertations Graduate Studies, Jack N. Averitt College of
Spring 2016
Design, Analysis and Evaluation of Unmanned Aerial
Vehicle Ad hoc Network for Emergency Response
Communications
Robin D. Grodi
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Commons
Recommended Citation
Grodi, Robin D., "Design, Analysis and Evaluation of Unmanned Aerial Vehicle Ad hoc
Network for Emergency Response Communications" (2016). Electronic Theses and
Dissertations. 1372.
https://digitalcommons.georgiasouthern.edu/etd/1372
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DESIGN,ANALYSISANDEVALUATIONOFUNMANNEDAERIALVEHICLEAD
HOCNETWORKFOREMERGENCYRESPONSECOMMUNICATIONS
by
ROBINGRODI
(UndertheDirectionofDandaB.Rawat)
ABSTRACT
Inanyemergencysituation,itisparamountthatcommunicationbeestablishedbetweenthose
affected by an emergency and the emergency responders. This communication is typically
initiated by contacting an emergency service number such as 9-1-1 which will then notify
theappropriateresponders. Thecommunicationlinkreliesheavilyontheuseofthepublic
telephone network. If an emergency situation causes damage to, or otherwise interrupts,
the public telephone network then those affected by the emergency are unable to call for
help or warn others. A backup emergency response communication system is required to
restorecommunicationinareaswherethepublictelephonenetworkisinoperable. Theuse
of unmanned aerial vehicles is proposed to act as mobile base stations and route wireless
communication to the nearest working public telephone network access point. This thesis
performs an analysis based on wireless attributes associated with communication in this
typeofnetworksuchaschannelcapacity,networkdensityandpropagationdelay.
IndexWords: UnmannedAerialVehicle,EmergencyResponseCommunication
DESIGN,ANALYSISANDEVALUATIONOFUNMANNEDAERIALVEHICLEAD
HOCNETWORKFOREMERGENCYRESPONSECOMMUNICATIONS
by
ROBINGRODI
B.S.inElectricalEngineering,GeorgiaSouthernUniversity,2014
AThesisSubmittedtotheGraduateFacultyofGeorgiaSouthernUniversityinPartial
Fulfillment
oftheRequirementfortheDegree
MASTEROFSCIENCE
STATESBORO,GEORGIA
©2016
ROBINGRODI
AllRightsReserved
1
DESIGN,ANALYSISANDEVALUATIONOFUNMANNEDAERIALVEHICLEAD
HOCNETWORKFOREMERGENCYRESPONSECOMMUNICATIONS
by
ROBINGRODI
MajorProfessor: DandaB.Rawat
Committee: SungkyunLim
FernandoRios-Gutierrez
ElectronicVersionApproved:
May2016
2
DEDICATION
I would like to dedicate my thesis to my parents for everything they have given me. I
cannotthankthemenough.
My mom, for always pushing me to go one step farther. I used to hate the fact that
no matter how good I did at something, you would always point out something that could
be improved. I see that as a gift now, I am able to come up with a plan and follow it to
completionforanythingthatIworkon.
Mydad,forteachingmetoworkwithmyhands. Frombeingabletochangemyoilor
brakepadstohomeimprovementslikethatTVshelfwebuilt,Ihavelearnedsomuchfrom
you-evenifitjuststartedoutwithmewatchingyoudoeverything.
Bothyouandmomhavetaughtmetobeawell-roundedpersonandIloveyoubothfor
that. Thankyou!
3
ACKNOWLEDGMENTS
First and foremost I would like to acknowledge Dr. Frank Goforth for convincing me
to continue on to get my masters degree. Without his influence, I would not have pursued
furthereducation.
Dr. Danda B. Rawat for taking me under his wing as my advisor. When I started my
mastersdegree,IhadnoideawhattypeofresearchIwasinterestedin. Ithoughtthatjoining
a research lab meant I would have to work on a very specific topic related and designated
by the advisor. Dr. Rawat showed me that almost every topic can be connected in one way
or another and led to myworkon UAVsbeing connected with his workon communication
systems. Also, I feel like I now know how to write a proper research paper and present it
clearlyafterallthepracticeIgotduringmytimeinhisresearchlab.
My lab colleagues and friends: Swetha Reddy, Nimish Sharma, and Tanjil Amin.
While we all worked on different research topics, we were able to provide feedback and
suggestions to each other to further our research. Finishing our masters degree was a team
effortandIamgratefultoallofyou.
Iwouldalsoliketoacknowledgealloftheprofessorsthattaughtmeduringmytimeat
GeorgiaSouthernUniversity. ThroughyourteachingsIhavebeenequippedwithknowledge
tojointheworkforceandcontributetosociety.
Finally,IwouldliketothankandacknowledgetheNationalScienceFoundation(NSF
Grant#CNS-1405670)andGeorgiaSouthernUniversityforhelpingtofundmyresearch.
4
TABLEOFCONTENTS
Page
DEDICATION : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
ACKNOWLEDGMENTS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
LISTOFFIGURES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7
CHAPTER
1 INTRODUCTION : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
1.1 Background : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
1.1.1 EmergencyResponseCommunication : : : : : : : : : : : : 9
1.1.2 WirelessCommunication : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
1.1.3 UnmannedAerialVehicles : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
1.2 ProblemStatement : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
1.3 SystemModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13
1.4 ThesisOutline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14
2 ENHANCING CONNECTIVITY FOR COMMUNICATION AND
CONTROLINUNMANNEDAERIALVEHICLENETWORKS : : 16
2.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
2.2 SystemModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
2.3 AdaptiveConnectivityAnalysis : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
2.4 TheAlgorithm : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21
2.5 NumericalResultsandDiscussion : : : : : : : : : : : : : : : 21
2.6 ChapterSummary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 24
5
3 PERFORMANCEEVALUATIONOF
UNMANNEDAERIALVEHICLEADHOCNETWORKS : : : : : 25
3.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25
3.2 SystemModelandProblemFormulation : : : : : : : : : : : : 27
3.3 PerformanceAnalysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
3.4 PerformanceEvaluationandNumericalResults : : : : : : : : : 30
3.5 ChapterSummary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37
4 UAV-ASSISTED BROADBAND NETWORK FOR EMERGENCY
ANDPUBLICSAFETYCOMMUNICATIONS : : : : : : : : : : : 38
4.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
4.2 SystemModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
4.3 Analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
4.4 PerformanceEvaluationandResults : : : : : : : : : : : : : : 47
4.5 ChapterSummary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
5 ROUTINGSECURITYINUAV-SUPPORTEDMOBILE
NETWORKSFORDISASTERRESPONSE
COMMUNICATION : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
5.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
5.2 UAVAdhocNetworkContraints : : : : : : : : : : : : : : : : 56
5.3 SystemModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 58
5.3.1 Scenario : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59
5.3.2 UAVMobileBaseStations : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
5.3.3 DeploymentCenters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
5.4 RoutingProtocolsforMobileAdHocNetworks : : : : : : : : 61
6
5.4.1 ProactiveRouting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
5.4.2 ReactiveRouting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64
5.4.3 HybridRouting : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66
5.5 SecurityinUAVAdhocNetworks : : : : : : : : : : : : : : : 66
5.5.1 Confidentiality,Integrity,AvailabilityTriad : : : : : : : : : 66
5.5.2 RoutingAttacks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68
5.5.3 UAVAdhocNetworksSecuritySolutions : : : : : : : : : : 70
5.6 ResearchChallenges : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
5.7 ChapterSummary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72
6 DISCUSSION,CONCLUSION,ANDFUTUREWORK : : : : : : : : 73
6.1 FutureWork : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 74
REFERENCES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 76