Droni con Filo e Senza: La Rete Ibrida del Futuro è Qui!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una cosa che mi sta particolarmente a cuore e che, credetemi, cambierà il modo in cui pensiamo alle comunicazioni wireless: i droni! Ma non i soliti droni che vedete volare per fare riprese mozzafiato. Parlo di droni usati come stazioni base volanti (UAV-BS), una tecnologia super promettente per le future reti 6G. Immaginatevi una flessibilità e un costo-efficacia da urlo! Però, come in tutte le belle storie, c’è un “ma”.

Il Dilemma dei Droni: Batteria vs Mobilità

Abbiamo due tipi principali di “attori” in questo scenario. Da una parte ci sono i droni “tethered” (T-UAV), ovvero quelli “al guinzaglio”. Questi gioiellini sono collegati a una fonte di energia a terra tramite un cavo, il che significa che possono volare per tempi lunghissimi, quasi all’infinito! Fantastico, no? Beh, quasi. Questo cavo, se da un lato dà energia illimitata, dall’altro ne limita drasticamente la mobilità e la flessibilità. Sono un po’ come cani al guinzaglio, appunto: potenti ma con un raggio d’azione definito.

Dall’altra parte, abbiamo i loro cugini “spiriti liberi”, i droni “untethered” (U-UAV). Questi possono sfrecciare ovunque, agili e scattanti, ma hanno un grosso problema: la batteria. Di solito, non riescono a stare in aria per più di una trentina di minuti. Un po’ poco se devi garantire una copertura di rete costante, vero?

Allora, mi sono chiesto: e se potessimo prendere il meglio di entrambi? Se potessimo combinare la resistenza dei T-UAV con l’agilità degli U-UAV? Ed è proprio qui che entra in gioco l’idea di un sistema ibrido.

Un Po’ di Storia e Applicazioni dei Droni

Prima di addentrarci nel sistema ibrido, facciamo un piccolo passo indietro. I droni, grazie ai rapidi progressi nell’elettronica e nelle comunicazioni, sono diventati protagonisti in tantissimi settori negli ultimi decenni. Offrono alta manovrabilità, basso costo, mobilità, rapidità di dispiegamento e flessibilità. Pensateci: all’inizio erano usati principalmente in zone ostili per ridurre le perdite tra i piloti. Ora, con la riduzione dei costi e la miniaturizzazione, sono alla portata di tutti.

Le applicazioni civili e commerciali sono esplose:

• Localizzazione di bersagli
• Monitoraggio del traffico
• Agricoltura di precisione
• Analisi meteorologiche
• Sorveglianza e ricognizione
• E, ovviamente, fornire copertura di rete!

Soprattutto quest’ultima applicazione, quella di usare i droni per comunicazioni wireless ad alta velocità, giocherà un ruolo cruciale nel prossimo futuro. Il motivo? La probabilità elevatissima di stabilire connessioni line-of-sight (LoS), cioè senza ostacoli in mezzo, che sono il top per la qualità del segnale. Possono agire come stazioni base volanti per aumentare la capacità delle reti cellulari o mantenere la copertura quando le stazioni terrestri sono fuori uso, ad esempio in emergenze o eventi temporanei come concerti e manifestazioni sportive.

Le Sfide dei Droni Stazione Base (UAV-BS)

Nonostante le premesse entusiasmanti, sostituire del tutto le stazioni base cellulari con i droni non è una passeggiata. I problemi principali sono le batterie limitate e i link di backhaul (la connessione alla rete principale), che riducono drasticamente il tempo di volo e la qualità del servizio (QoS).

Certo, noi ricercatori non siamo stati con le mani in mano! Alcuni studi hanno ottimizzato la traiettoria dei droni e l’allocazione delle risorse di comunicazione (potenza, spettro, tempo) per ridurre il consumo energetico. Altri hanno proposto di usare più droni per aumentare la potenza disponibile. Si è pensato anche alla ricarica: energia solare (ma instabile e poco potente per i piccoli droni), o ricarica wireless tramite laser (anch’essa instabile e sensibile a pioggia, polvere, e richiede una LoS perfetta).

Insomma, soluzioni parziali, ma nessuna definitiva per il problema dell’autonomia. Ed è qui che i T-UAV sono entrati in scena come una possibile svolta, offrendo stazioni base aeree stabili, affidabili e durature. Il cavo, infatti, non solo fornisce energia costante, ma anche un link di backhaul cablato affidabile e con alte velocità di trasmissione dati. Alcune aziende hanno già T-UAV che possono volare per un tempo indefinito! Però, come dicevo, il cavo è anche il loro limite: la mobilità è ristretta a un’area specifica, determinata dalla lunghezza massima del cavo e da un angolo di inclinazione minimo per evitare che si impigli negli edifici circostanti. Più lungo è il cavo, maggiore è il movimento e l’altitudine (e quindi la copertura), ma aumenta l’instabilità col vento. Cavi più corti migliorano la stabilità ma limitano raggio e copertura. Un bel rompicapo!

Inoltre, il dispiegamento dei T-UAV dipende dalla disponibilità di tetti accessibili che possano ospitare le stazioni di terra (GS). Non proprio una passeggiata in tutte le situazioni.

L’Idea Geniale: Unire le Forze con un Sistema Ibrido!

Se il punto di forza degli U-UAV è la mobilità illimitata (che è il principale limite dei T-UAV) e il punto di forza dei T-UAV è il tempo di volo illimitato (che è il principale limite degli U-UAV), perché non metterli insieme? L’idea è proprio questa: proporre un sistema ibrido composto da droni tethered e untethered per sfruttare il meglio di ciascun tipo.

A differenza di altri sistemi proposti, ad esempio per scenari post-disastro dove i T-UAV fanno da backhaul e gestiscono la rete mentre gli U-UAV forniscono servizio, nel nostro sistema entrambi i tipi di droni servono attivamente gli utenti per migliorare la copertura della rete. Il T-UAV ha il backhaul via cavo, stabile e performante. L’U-UAV, invece, si collega via wireless a un gateway, come una vicina stazione base terrestre (TBS).

Il problema principale del dispiegamento dei droni, in generale, deriva dalle loro dimensioni, peso e potenza limitati, che possono compromettere resistenza, capacità di calcolo e comunicazione. Gli U-UAV, come detto, volano per 30-40 minuti, tempo che si riduce ulteriormente considerando l’energia per il payload, le comunicazioni e l’elaborazione del segnale. Quindi, devono lasciare la loro posizione per ricaricarsi, lasciando scoperta l’area. Questo impatta la qualità del servizio. Per ovviare a ciò, si sono studiate strategie di collaborazione inter-UAV per la ricarica sequenziale (un drone va a ricaricarsi mentre gli altri coprono il vuoto) o l’uso di droni “cisterna” per ricaricare gli altri in volo. Ma sono tutte pezze, non soluzioni strutturali.

I T-UAV, invece, risolvono i due problemi tecnici principali: tempo di volo breve e link di backhaul affidabile. I modelli commerciali odierni resistono a condizioni meteo avverse e possono operare ininterrottamente per giorni. Devono atterrare solo per manutenzione, come le normali stazioni base terrestri. La lunghezza del cavo, di solito tra 80 e 150 metri, è il loro limite principale, insieme alla necessità di un angolo di inclinazione di sicurezza. Però, grazie all’alimentazione costante, possono trasportare payload più pesanti degli U-UAV, quindi più antenne e catene radio, aumentando capacità e controllo delle interferenze.

Come Funziona il Nostro Sistema Ibrido (in Teoria)

Abbiamo immaginato uno scenario in cui gli utenti sono distribuiti uniformemente in aree ad alta densità, che chiamiamo “cluster” (come dei dischi). La posizione ottimale del drone è al centro del cluster. I centri dei cluster sono modellati come un processo di punto di Poisson omogeneo (HPPP). A seconda dell’accessibilità degli edifici (anch’essi modellati come HPPP), le stazioni di terra dei T-UAV vengono posizionate sui tetti accessibili più vicini ai centri dei cluster. Solo una stazione di terra per cluster.

Una frazione (delta) di cluster è servita da T-UAV, mentre i restanti sono serviti da U-UAV. Un solo drone per cluster. Tutti i droni volano alla stessa altitudine e trasmettono con la stessa potenza. Possono stabilire link LoS o non-LoS (NLoS) con gli utenti. I T-UAV sono posizionati sopra la loro stazione di terra, gli U-UAV sopra il centro del cluster (posizione ottimale).

Poiché i T-UAV sono sempre disponibili, ma gli U-UAV no (devono ricaricarsi), abbiamo introdotto un parametro chiamato “fattore di disponibilità U-UAV” ((A), tra 0 e 1). Abbiamo anche considerato stazioni base terrestri (TBS), anch’esse HPPP, che operano sulla stessa frequenza e quindi interferiscono. Per valutare le prestazioni, abbiamo usato il classico Signal-to-Interference plus Noise Ratio (SINR) e la probabilità di copertura (la probabilità che il SINR sia sopra una certa soglia).

Cosa Ci Dicono le Simulazioni Monte Carlo?

Abbiamo fatto girare ben 50.000 simulazioni Monte Carlo su un’area quadrata di 80 km di lato. E i risultati sono stati davvero interessanti! Vi mostro qualche grafico (immaginario, ma basato sui risultati descritti nello studio).

Probabilità di copertura in funzione della frazione di T-UAV (con raggio cluster (R_0=200m)):
Quando la disponibilità degli U-UAV ((A)) è alta (es. 0.9 o 0.8), la probabilità di copertura diminuisce all’aumentare della frazione di T-UAV. Questo significa che gli U-UAV, se molto disponibili, performano meglio dei T-UAV, che sono limitati dalla posizione della GS e dal cavo. Per valori più bassi di (A), la probabilità di copertura aumenta con più T-UAV, raggiungendo il massimo quando tutti i droni sono T-UAV ((delta=1)). Quindi, i T-UAV battono gli U-UAV poco disponibili.

Probabilità di copertura in funzione della frazione di T-UAV (con raggio cluster (R_0=400m)):
Con cluster più grandi, per (A=0.4) e (A=0.6), la copertura è massima con tutti T-UAV. Anche senza potersi posizionare perfettamente al centro del cluster, i T-UAV superano gli U-UAV con disponibilità inferiore a 0.6. Ma la cosa più figa è che per (A=0.9) e (A=0.8), abbiamo trovato valori ottimali di (delta) rispettivamente di 0.7 e 0.6! Questo significa che un mix di entrambi i tipi di droni offre prestazioni di copertura migliori rispetto a usare solo T-UAV o solo U-UAV. Bingo!

Influenza dell’altezza dei droni:
Per altezze basse (es. 60m), la copertura cala leggermente con più T-UAV perché la loro mobilità limitata li penalizza rispetto agli U-UAV (anche se con (A=0.8)). Per altezze da 80m in su, la probabilità di copertura ha un valore ottimale. All’inizio aumenta con più T-UAV (perché sono sempre disponibili), poi inizia a calare perché i T-UAV, essendo inflessibili, non riescono a posizionarsi ottimamente.

Influenza della densità dei cluster ((lambda_C)):
La probabilità di copertura diminuisce all’aumentare della densità dei cluster, indipendentemente dalla frazione di T-UAV. Questo è dovuto all’alta interferenza: con droni a 100m, è più probabile avere link LoS, quindi l’interferenza cresce con più droni, impattando negativamente la copertura.

In pratica, abbiamo cercato la combinazione ottimale che massimizza la probabilità di copertura della rete, sfruttando i punti di forza di entrambi i tipi di UAV e mitigando i loro limiti.

Le Sfide Ancora Aperte (Perché Non è Tutto Semplice)

Certo, il dispiegamento dei droni, e in particolare dei T-UAV, presenta ancora diverse sfide da superare:

• Considerazioni sulla sicurezza: I cavi possono essere pericolosi se non usati correttamente. Servono misure di sicurezza adeguate.
• Gestione del cavo: Evitare che si aggrovigli, si impigli o impedisca il movimento del drone è cruciale.
• Condizioni meteorologiche: I T-UAV possono essere più vulnerabili a vento forte, pioggia, ecc. La ricerca sta lavorando per migliorare la stabilità e la resistenza al vento. Nuovi materiali leggeri e resistenti (come compositi in fibra di carbonio) e rivestimenti speciali stanno aiutando.
• Percezione pubblica e accettazione: Un T-UAV fisso in cielo per lunghi periodi potrebbe non piacere a tutti esteticamente.
• Sicurezza delle comunicazioni: Proteggere i dati trasmessi e il drone stesso da attacchi malevoli è fondamentale.
• Autonomia ed evitamento degli ostacoli: Specialmente per gli U-UAV, implementare sistemi di navigazione avanzati per ambienti complessi è una grande sfida.
• Capacità di carico (payload): Migliorarla è critico per espandere le applicazioni.
• Considerazioni etiche e legali: Privacy, sicurezza, potenziale uso improprio. I droni possono raccogliere enormi quantità di dati, anche sensibili. In ambito militare, possono essere armati. In ambito commerciale, la raccolta di dati dei consumatori senza consenso è un rischio.
• Quadri normativi: Sono in evoluzione per garantire operazioni sicure e responsabili. Trovare un equilibrio tra promuovere l’innovazione e aderire ai requisiti legali è complesso.

Per affrontare questi problemi, serve un approccio multidisciplinare, che integri progressi in ingegneria aerospaziale, comunicazioni e intelligenza artificiale. La ricerca continua e la collaborazione sono fondamentali.

In Conclusione

Nel nostro studio, abbiamo sviscerato le sfide degli U-UAV, le loro possibili soluzioni, i pro e i contro dei T-UAV come alternativa, e infine abbiamo presentato questo nuovo sistema di comunicazione ibrido su larga scala, composto da entrambi i tipi di droni per sfruttare i vantaggi di ciascuno. Le simulazioni ci dicono che, a seconda di vari parametri come la disponibilità degli U-UAV, il raggio del cluster e l’interferenza, possiamo trovare una combinazione ottimale di droni tethered e untethered per massimizzare le prestazioni di copertura.

È un campo di ricerca affascinante e in continua evoluzione, e sono convinto che questi sistemi ibridi giocheranno un ruolo da protagonisti nelle comunicazioni del futuro. Chissà, magari la prossima volta che alzerete gli occhi al cielo, vedrete uno di questi nostri “angeli custodi della connessione” al lavoro!

Fonte: Springer