Exploiting high bandwidth, low latency wireless networks with Internet-connected drones

High-performance networks are those local, metropolitan, and wide area networks that provide ultra-low latencies, bandwidths in the order of Gigabits per second, and a very high reliability. The access to this class of networks empowers applications enabling new forms of machine-to-machine and machine-to-human interactions. In the last years, they started to be available also outside research facilities, and the 5G cellular network is a clear example of this trend. 5G has an important additional feature: it is a wireless network. This characteristic allows also high-mobility robotic vehicles to access the improved network performance. In this thesis work we investigate how Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), a specific instance of high-mobility robotic vehicles, can benefit from networks with such improved performance. In particular, we first identify some issues and limitations of existing state-of-the-art solutions, then we identify and describe some new application scenarios in which UAVs can be involved. After this analysis, we come to the conclusion that it is not sufficient to connect UAVs to a better network to benefit from all the advantages. It is necessary a software platform to properly support this integration. Hence, we propose a programming model and an architecture that specifically target the exploitation of high-performance networks. To evaluate our contribution, we implement a proof-of-concept software platform that embodies the requirements expressed by the programming model and by the architecture, and that is deployable into real drones. We named this software platform NG IDrOS. Finally, we test the performance of this new software platform by measuring a series of different performance metrics in different scenarios. These metrics demonstrate that the overhead latency added by the software stack is lower than the latency introduced by the network transport, and that the performance of NG IDrOS is inline with the performance of similar software implementations.

Le reti ad alte prestazioni sono quelle reti locali, metropolitane e geografiche che offrono bassissime latenze, larghezze di banda nell'ordine dei Gigabit al secondo e un’elevata affidabilità. L’accesso a questa classe di reti abilita le applicazioni a nuove forme d’interazione macchina-macchina e macchina-uomo. Negli ultimi anni, queste reti hanno iniziato a essere progressivamente disponibili anche fuori dai laboratori di ricerca, e la rete cellulare 5G è un chiaro esempio di questa tendenza. Il 5G possiede anche una importante caratteristica aggiuntiva: è una rete wireless. Questo consente anche ai veicoli robot a elevata mobilità di accedere alle migliorate prestazioni della rete. In questo lavoro di tesi studiamo come gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR), uno specifico tipo di veicoli robot a elevata mobilità, possano beneficiare di queste migliorate performance di rete. In particolare, prima identifichiamo alcune limitazioni e problemi dell’attuale stato dell’arte, quindi identifichiamo e descriviamo una serie di nuovi scenari applicativi in cui gli APR possono essere coinvolti. Da questa analisi è evidente come non sia sufficiente connettere gli APR a una rete migliore per beneficiare di tutti i possibili vantaggi. È necessario che questa integrazione venga supportata da una piattaforma software specificatamente progettata tenendo al centro del processo le reti ad alte prestazioni. Pertanto, proponiamo un modello di programmazione e un’architettura che mirano specificatamente all'utilizzo delle reti ad alte prestazioni. Per valutare il nostro contributo, implementiamo una piattaforma software che soddisfi tutti i requisiti del modello di programmazione, che rispecchi la struttura dell’architettura e che possa essere utilizzabile con droni veri e propri. Questa piattaforma prende il nome di NG IDrOS. Infine, testiamo le performance di questa nuova piattaforma software misurando una serie di diversi indicatori di performance in scenari differenti. Questi indicatori dimostrano che la latenza introdotta dalla piattaforma software è minore di quella introdotta dal trasporto di rete, e che le performance di NG IDrOS sono in linea con quelle di implementazioni software simili.