CNS Core: Small: 3D RF/FSO Mesh Networking with Challenged Infrastructure

CNS 核心:小型:基础设施面临挑战的 3D RF/FSO 网状网络

基本信息

项目摘要

As Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are becoming part of civilian life, there is a significant opportunity in their effective utilization for improving the general wireless experience of people and provisioning better wireless access. With no cellular infrastructure support, at low altitudes, managing dense deployment of devices on the ground over the scarce radio spectrum is not trivial. UAV-based coverage and aid of device-to-device (D2D) communications on the ground has the potential to be marketed and deployed across the nation for first responder teams operating under challenged infrastructure during disaster response and mitigation, and other commercial applications. UAVs can enable better altitude reuse by forming a 3D mesh network if they can utilize both radio frequency (RF) and free-space optical (FSO) communication and offer super-linear increases in the usage efficiency of the scarce wireless spectrum. To realize such hybrid RF/FSO 3D mesh networking and wireless access provisioning under challenged infrastructure, this project investigates UAV-guided D2D communications, employing UAVs equipped with mechanically and electronically steered directional FSO communication modules for spatial reuse, and designing 3D mesh network protocols of RF/FSO communication links for smart altitude reuse. The project will provide graduate and undergraduate students with mentorship opportunities in the emerging field of UAV technology. With UCF being recently categorized as a Hispanic Serving Institution, the project will also offer a great opportunity for involving minority groups in cutting edge research.Possible outcomes from this project include novel UAV platform designs, multi-element FSO modules for inter-UAV communication, and 3D RF/FSO mesh network topology and protocol designs. The intellectual merits include: (i) Opportunistic integration of 3D mesh networks at Troposphere altitudes for spatial reuse into legacy RF technologies via UAVs with highly directional FSOC transceivers; (ii) Capability of steering directional transceivers and 3D UAV topology configuration both individually within a cluster and in the presence of uncoordinated multiple clusters of UAVs; (iii) 3D routing protocols that consider altitude, channel frequency and directionality, and residual energy of UAVs; (iv) Techniques to discover and maintain an FSO link between UAVs with minimal support from infrastructure or out-of-band RF channels; (v) Optimal multi-element full-duplex FSO transceiver design and tiling for 3D mobility; (vi) Low size, weight and power factor spherical and/or conformal transceiver design for UAVs; and (vii) Prototype of an experimental UAV-based D2D communications system to demonstrate the feasibility of UAV-based 3D mesh networking and assess the effectiveness of the proposed mechanisms.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
随着无人机(UAV)正在成为民用生活的一部分,有效利用无人机为改善人们的一般无线体验和提供更好的无线接入提供了重要的机会。在低海拔地区没有蜂窝基础设施支持的情况下,在稀缺的无线电频谱上管理地面设备的密集部署绝非易事。基于无人机的地面设备到设备(D2D)通信的覆盖和帮助具有在全国范围内营销和部署的潜力,用于在灾难应对和缓解期间在面临挑战的基础设施下操作的第一响应团队,以及其他商业应用。如果无人机可以同时利用射频(RF)和自由空间光学(FSO)通信,并在稀缺的无线频谱的使用效率上提供超线性增长,那么它们可以通过形成3D网状网络来实现更好的高度重用。为了在具有挑战性的基础设施下实现这种混合的RF/FSO 3D Mesh网络和无线接入提供,本项目研究无人机制导的D2D通信,使用配备机械和电子操纵的定向FSO通信模块的无人机进行空间重用,并设计用于智能高度重用的RF/FSO通信链路的3D Mesh网络协议。该项目将为研究生和本科生提供无人机技术新兴领域的导师机会。随着UCF最近被归类为西班牙裔服务机构,该项目也将为少数群体参与尖端研究提供一个很好的机会。该项目可能的结果包括新的无人机平台设计,用于无人机间通信的多元素FSO模块,以及3D RF/FSO网状网络拓扑和协议设计。智能优势包括:(I)机会性地将对流层高度的3D网状网络集成到传统的射频技术中,以便通过具有高度定向FSOC收发机的无人机进行空间重用;(Ii)在集群内单独引导定向收发机和3D无人机拓扑配置的能力,以及在存在不协调的多个无人机集群的情况下;(Iii)考虑无人机的高度、信道频率和方向性以及无人机的剩余能量的3D路由协议;(Iv)在基础设施或带外射频信道的最小支持下发现和维护无人机之间的FSO链路的技术;(V)用于3D机动性的最佳多元素全双工FSO收发器设计和贴片;(Vi)用于无人机的低尺寸、重量和功率因数球形和/或共形收发器设计;以及(Vii)基于无人机的实验性D2D通信系统的原型,以展示基于无人机的3D网状网络的可行性,并评估拟议机制的有效性。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Performance Analysis of Multi-Input Single-Output Links in Dense VLC Networks
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Multi-element full-duplex FSO transceiver design using optimum tiling
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    10.1016/j.optcom.2021.127377
  • 发表时间:
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