Análisis y diseño de esquemas de reducción de consumo de energía mediante UAVs en redes de sensores inalámbricas.

Abstract

RESUMEN: Las redes de sensores inalámbricos (WSN) pueden estar compuestas por nodos sensores (SN) que asumen el papel de nodos lideres del clúster (CH) y miembros del clúster (CM), así como de un nodo recolector o sink (por ejemplo, un vehículo a aéreo no tripulado (UAV) o una estación remota fija). Este trabajo tiene como objetivo ofrecer una nueva alternativa a la tradicional recolección de datos por redes inalámbricas en entornos de difícil acceso, condiciones adversas y monitorización en sensores móviles. Se presenta la propuesta del modelo analítico para caracterizar las trayectorias del movimiento de animales considerados en peligro de extinción, el modelo de la WSN y del modelo linealizado de control de la trayectoria de vuelo del UAV basado en la técnica backstepping y un control por retroalimentación de estados para calcular el consumo de energía del UAV en un tiempo de vuelo determinado. Así mismo, se muestran la simulación de la marcha de los animales, el cálculo de la probabilidad de detección exitosa, la simulación de la recolección de información WSN basada en un clúster con nodos estáticos a través del UAV y los resultados preliminares en términos de consumo de energía, número de paquetes transmitidos, número de nodos, cantidad de clúster, área de observación y para dos planes de recolección: 1) orientado al WSN y 2) orientado al UAV. Los resultados se analizan y validan con sus respectivos modelos analíticos y se muestra la implementación física de la WSN propuesta. Finalmente, el análisis de un enjambre de UAVs es considerado como una alternativa a la recolección por los sistemas tradicionales de UAV único, para garantizar su formación estable y los resultados y requerimientos de los sistemas de control y comunicaciones se presentan en términos de retardo y confiabilidad de los drones. Los mensajes se pueden decodificar en un esquema de solicitud y repetición automática hibrida en canales inalámbricos con desvanecimiento para la BS y los UAVs. Además, se presenta el diseño de implementación de un enjambre de UAV y la construcción de una plataforma UAV coordinada para validarlo. ABSTRACT: Wireless sensor networks (WSNs) can be composed of sensor nodes (SNs) which take the role of cluster leader nodes (CH) and members from the cluster (CMs),as well as from a collector node orsink(e.g., an unmanned aerial vehicle (UAV)or a remote fixed station). This work aims at offering a new alternative to the traditional data collection by wireless SNs in environments with difficult access, adverse conditions and monitoring in mobile sensors. The proposal of the analyti-cal model to characterize the trajectories of the movement of animals considered indanger of extinction of the clustered WSN is presented. Moreover, the proposal of the linear model of the flight path of the UAV based on the backstepping technique using the state feedback control to calculate the energy consumption in a certainflight time is presented. Likewise, the simulation of the walking of the animalsand the calculation of the probability of successful detection, the simulation of the WSN information collection based on a cluster with static nodes through the UAV and the preliminary results are developed in terms of energy consumption, number of nodes, cluster number, observation area and for two collection plans:1) oriented to the WSN and 2) oriented to UAV. The results are analyzed and validated with their respective analytical models and the progress of the physicalimplementation of the proposed WSN is shown. Finally, the analysis of a swarm of drones is considered as an alternative to the collection by traditional single UAVsystems, to guarantee its stable formation and the results and requirements of thecontrol and communications systems are presented in terms of the delay and the reliability of the drones. Messages can be decoded in a request and automatic repetition hybrid scheme over fading wireless channels for the BS and UAVs. Inaddition, the implementation design of a swarm of UAVs and the construction of a coordinated UAV platform, to validate the design, is presented.