Beamforming for coverage of emergency areas from UAVs

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly referred to as drones, are now used for a wide variety of purposes and have recently gained enormous interest in applications in emergency scenarios. Natural disasters or terrorist attacks cause a lot of damage both in terms of infrastructure and human lives and it is precisely as a response of these events that drones can play a key role. The high speed of deployment of fleets of drones and the ability to communicate on the ground from several meters in height allow you to quickly restore a reliable connectivity service that allows you to quickly start the phase of search for injured and survivors. However, the reduced energy autonomy of the drones and the critical conditions in which the devices are located on the ground make the study and optimization of the intervention strategy particularly complicated. The objective of the thesis is to analyze this problem, offering a rapid strategy of intervention on the area of interest using arrays of antennas mounted on the drone and exploiting the beamforming techniques. The work involves the study of 3 different phases: the discovery phase, the processing and analysis of data and the optimization of the connection. In the first phase is initially considered the possibility of positioning the drone in the center of the area, identifying the altitude required to ensure a certain level of minimum power at each point of the area and the possible need to use the beamforming technique. Then it is considered the possibility of defining a trajectory of the drone to be able to guarantee the total coverage even in the most critical cases. During the study of the discovery phase, the possibility of adopting a less complex electronic solution to implement the beamforming, called switched beamforming, will also be analyzed. The configuration defined during the first phase will be used to collect information from the ground devices, which will be analyzed in the second phase in order to understand and improve their connection conditions. In the third phase, it will be possible to optimize the configuration initially found in order to guarantee each device with the best conditions of communication with the drone.

Gli aeromobili a pilotaggio remoto (UAVs), comunemente chiamati droni, sono al giorno d’oggi utilizzati per gli scopi più svariati e recentemente hanno riscosso un enorme interesse in applicazioni in scenari di emergenza. Calamità naturali o attentati sono causa di parecchi danni sia in termini infrastrutturali sia in termini di vite umane ed è proprio a seguito di questi eventi che i droni possono ricoprire un ruolo chiave. L’elevata velocità di dispiegamento di flotte di droni e la possibilità di comunicare a terra da parecchi metri di altezza permettono di ripristinare in breve tempo un servizio di connettività affidabile che permetta di iniziare rapidamente la fase di ricerca di feriti e sopravvissuti. Tuttavia la ridotta autonomia energetica dei droni e le condizioni critiche in cui si trovano i dispositivi a terra rendono lo studio e l’ottimizzazione della strategia di intervento particolarmente complicata. L’obiettivo della tesi è quello di analizzare questo problema, offrendo una rapida strategia di intervento sull’area d’interesse e utilizzando, ove necessario, schiere di antenne montate sul drone e la tecnica del beamforming. Il lavoro prevede lo studio di 3 diverse fasi: la fase di scoperta, l’elaborazione e l’analisi dei dati e l’ottimizzazione della connessione. Nella prima fase viene inizialmente considerata la possibilità di posizionare il drone al centro dell’area, individuando l’altitudine necessaria per garantire un certo livello di potenza minimo in ogni punto dell’area a terra e l’eventuale necessità di utilizzare il beamforming. Viene poi considerata la possibilità di definire una traiettoria del drone per poter garantire una copertura totale anche nei casi più critici. Nel corso dello studio della fase di scoperta, sarà anche analizzata la possibilità di adottare una soluzione meno complessa per implementare il beamforming, chiamata switched beamforming. La configurazione definita nel corso della prima fase sarà utilizzata per raccogliere informazioni dai dispositivi a terra, che saranno poi analizzate nella seconda fase al fine di comprendere le condizioni di comunicazione di ciascun dispositivo. Nella terza fase sarà quindi possibile ottimizzare la configurazione inizialmente trovata per garantire a ciascun dispositivo le migliori condizioni di comunicazione con il drone.