Architectures for aeronautical opportunistic networking

Abstract

En els últims anys, el camp de les comunicacions aeronàutiques ha experimentat un increment en la demanda d'intercanvis de dades entre plataformes terrestres, aèries i satelitals. Els mètodes de comunicació aeronàutics convencionals han demostrat no ser suficients per manejar aquesta demanda creixent. Com a resultat, els sistemes aeronàutics han tendit cap a l'ús de comunicacions via satèl·lit, que encara que efectives, suposen un repte econòmic tant en la seva instal·lació com en el seu ús. En resposta a aquest problema, el treball acadèmic en aquesta àrea ha proposat l'ús d'alternatives basades en xarxes de comunicació en la forma de xarxes aeronàutiques ad-hoc. Aquestes xarxes usen abastos de comunicació immensos i treballen sota la premissa de les Xarxes Ad-Hoc Mòbils (MANETs) requerint l'existència de connectivitat extrem a extrem per al seu correcte funcionament. Les xarxes aeronàutiques tenen una topologia extremadament variable juntament amb enllaços de comunicació poc fiables. Amb aquestes propietats en ment, creiem que assumir connectivitat de xarxa és una elecció desafortunada. Per tant, en aquesta tesi intentem solucionar aquests reptes utilitzant un enfocament diferent. Específicament, intentarem establir una xarxa d'avions sense assumir garanties de connectivitat, enllaços de radi curts i utilitzant tan sol les trobades esporàdiques entre nodes per realitzar intercanvi de dades. Aquest enfocament oportunista ofereix una alternativa més barata que aquelles basades en enllaços de radi de llarg abast o en comunicacions via satèl·lit. Els fonaments d'aquesta proposta es basen a les xarxes oportunistes, i eventualment s'uneixen amb la tendència actual d'utilitzar enllaços via satèl·lit, per oferir una nova arquitectura de xarxa que redueix àmpliament els costos de comunicació i equipament. Les principals contribucions d'aquesta tesi són les següents. D'una banda, l'ús d'un model de mobilitat precís descrivint patrons aeronàutics basats en informació i horaris de vol reals. A més, aquest treball utilitza un model minuciós per descriure les capacitats de xarxa dels nodes incloent la representació completa de totes les capes de xarxa. Aquestes característiques realistes són molt importants per assegurar el correcte desplegament en xarxes reals. D'altra banda, aquesta tesi ofereix una sèrie de garanties en la qualitat de servei que són difícils d'obtenir en xarxes oportunistes. Fins a on sabem aquesta tesi representa el primer estudi detallat d'una xarxa aeronàutica a gran escala utilitzant comunicacions oportunistes.

En los últimos años, el campo de las comunicaciones aeronáuticas ha experimentado un incremento masivo de los intercambios de datos entre plataformas terrestres, aéreas y satelitales. Los métodos de comunicación aeronáuticos convencionales han demostrado no ser suficientes para manejar esta demanda creciente. Como resultado, los sistemas aeronáuticos han tendido hacia el uso de comunicaciones vía satélite, que aunque efectivas, suponen un reto económico tanto en su instalación como en su uso. En respuesta a este problema, el trabajo académico en esta área ha propuesto el uso de alternativas basadas en redes de comunicación en la forma de redes aeronáuticas ad-hoc. Estas redes usan alcances de comunicación inmensos y trabajan bajo la premisa de las Redes Ad-Hoc Móviles (MANETs) requiriendo la existencia de conectividad extremo a extremo para su correcto funcionamiento. Las redes aeronáuticas tienen una topología extremadamente variable juntamente con enlaces de comunicación poco fiables. Con estas propiedades en mente, creemos que asumir conectividad de red es una elección desafortunada. Por tanto, en esta tesis intentamos solucionar estos retos utilizando un enfoque diferente. Específicamente, intentaremos establecer una red de aviones sin asumir garantías de conectividad, enlaces de radio cortos y utilizando tan solo los encuentros esporádicos entre nodos para realizar intercambio de datos. Este enfoque oportunista ofrece una alternativa más barata que aquellas basadas en enlaces de radio de largo alcance o en comunicaciones vía satélite. Los fundamentos de esta propuesta se basan en las redes oportunistas, y eventualmente se unen con la tendencia actual de utilizar enlaces vía satélite, para ofrecer una nueva arquitectura de red que reduce ampliamente los costes de comunicación y equipamiento. Las principales contribuciones de esta tesis son las siguientes. Por un lado, el uso de un modelo de movilidad preciso describiendo patrones aeronáuticos basados en información y horarios de vuelo reales. Además, este trabajo utiliza un modelo minucioso para describir las capacidades de red de los nodos incluyendo la representación completa de todas las capas de red. Estas características realistas son muy importantes para asegurar el correcto despliegue en redes reales. Por otro lado, esta tesis ofrece una serie de garantías en la calidad de servicio que son difíciles de obtener en redes oportunistas. Hasta donde sabemos esta tesis representa el primer estudio detallado de una red aeronáutica a gran escala utilizando comunicaciones oportunistas.

In recent years, the aeronautical communications field has experienced increased demand for data exchanges between terrestrial, aerial and satellite platforms. Conventional aeronautical communications have proven to fall short on handling this growing demand. As a result, aeronautical systems have moved towards the use of satellite-based communications, and while effective, their deployment and later use poses an economical challenge. To deal with this problem, academic work on the topic has proposed the use of networking alternatives in the form of Aeronautical Ad-hoc Networks. These networks use large radio communication ranges and work on the premises of Mobile Ad-Hoc Networks (MANET), requiring end-to-end connectivity to function properly. Aeronautical networks have an extremely varying topology coupled with a frequently unreliable communication channel. With this in mind, we think that assuming full network connectivity is a problematic choice. Therefore, in this thesis we will approach those problems using a different method. Specifically, we will strive to establish a network of aircraft assuming no guarantees for connectivity, limited radio ranges, and relying solely on the sporadic encounters between nodes to perform data exchanges. This opportunistic approach offers a cheaper solution than those based on long-range radio links or satellite communications. The foundation of this proposal lies in opportunistic networks, and eventually merges with the current communication trend based on satellite links, to provide a new network infrastructure that greatly minimizes communication costs and equipment expenditure. The main contributions of this thesis are as follows. On one hand, the use of an accurate mobility model describing aeronautical patterns by considering on flight route and scheduling information of real flights. Additionally, this work provided accurate modeling of the network capabilities of each node including the complete representation of all layers of the network stack. These realistic features are of severe importance to ensure successful deployment in real networks. On the other hand, this thesis provides Quality of Service assurances that are hard to achieve in opportunistic networking. To the best of our knowledge, this thesis represents the first in-depth analysis of a realistic large-scale aeronautical opportunistic network.