Deployment of a UAV swarm-based LiFi network in the obstacle-ridden environment: algorithms of finding the path for UAV placement

Abstract

The subject of this study is unmanned aerial vehicle (UAV)-based wireless networks in an obstacle-ridden environment. The aim of this study is to develop methods and software to ensure reliable LiFi communication using swarm UAVs in an obstacle-ridden environment. The objectives are as follows: 1) to describe the problem of providing a reliable UAV swarm-based LiFi network, requirements for the composition and use of UAVs, and assumptions; 2) to develop the methodology for solving research tasks; 3) to develop the method and algorithms for solving the problem, considering the requirements, assumptions, and practical limitations; 4) to explore the algorithms by developing software for modeling and searching for rational UAV placement to ensure the required UAV-based LiFi network characteristics; 5) to provide experiments and illustrative examples of the developed tool’s application. The following results were obtained. 1) The requirements for the composition and use of UAVs for creating LiFi networks, as well as assumptions and limitations for the methodology development and research task solving. 2) An obstacle avoidance method using the left and right angles algorithm. 3) A method for obstacle avoidance using the controlled waterfall algorithm. 4) A software tool for modeling and searching for rational UAV placement to ensure the required LiFi network characteristics. The tool allows route construction under obstacles in 2D space and a comparison of the developed algorithms for various variants of obstacle placement. Conclusions. The main contribution of this research is a set of methods, algorithms, and software tools for providing communications between two points using LiFi technologies and a swarm of UAVs supporting these communications as transmitters in conditions of mechanical obstacles.

Предметом дослідження є бездротові мережі на основі рою безпілотних літальних апаратів (БПЛА) в умовах перешкод. Метою роботи є розробка методів та програмного забезпечення для забезпечення надійного LiFi зв’язку з використанням рою БПЛА в умовах перешкод. Завдання: 1) сформулювати проблему забезпечення надійної LiFi мережі на основі БПЛА, вимоги до складу рою та використання БПЛА, а також припущення; 2) розробити методологію вирішення завдань дослідження; 3) розробити метод та алгоритми вирішення проблеми з урахуванням вимог, припущень та практичних обмежень; 4) дослідити алгоритми шляхом розробки програмного забезпечення для моделювання та пошуку раціонального розміщення БПЛА для забезпечення необхідних характеристик LiFi мережі на основі БПЛА; 5) навести експерименти та ілюстративні приклади застосування розробленого інструменту. Були отримані наступні результати. 1. Вимоги до складу та використання БПЛА для створення мереж LiFi, а також припущення та обмеження для розробки методології та вирішення завдань дослідження. 2. Метод обходу перешкод з використанням алгоритму лівого та правого кутів. 3. Метод обходу перешкод з використанням алгоритму керованого водоспаду. 4. Програмний засіб для моделювання та пошуку раціонального розміщення БПЛА для забезпечення необхідних характеристик мережі LiFi. Засіб дозволяє будувати маршрути з перешкодами у 2D просторі та порівнювати розроблені алгоритми для різних варіантів розміщення перешкод. Висновки. Основним внеском дослідження є комплекс методів, алгоритмів та програмних засобів для забезпечення зв’язку між двома точками з використанням LiFi технологій та роєм БПЛА, що підтримують цей зв’язок в якості передавачів в умовах механічних перешкод.