I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2021 ,   pp.   17 71 ~ 17 8 3   IS S N :   25 02 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 21 .i 3 . pp 177 1 - 178 3             1771       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e c s . i a e s c or e . c om   R e l i a b i l i t y - b a s e d   r o u t i n g   m e t r i c   f o r   U A V n e t w o r k s       M u s aab   M o h amm e d   Jas i m 1 H ayd e r   K h al e e l   A L - Q a ys i 2 Y o u s i A l l b ad i 3   1 D e pa r t m e n t   o f   C o m put e r   E ng i ne e r i ng ,   C o l l e g e   o f   E ng i ne e r i ng ,   U n i v e r s i t y   o f   D i y a l a ,   I r a q   2 D e pa r t m e n t   o f   E l e c t r o ni c s   E ng i ne e r i ng ,   C o l l e g e   o f   E ng i ne e r i ng ,   U ni v e r s i t y   of   D i y a l a ,   I r a q   3 D e pa r t m e n t   o f   C o m m uni c a t i o ns   E ng i n e e r i ng ,   C o l l e g e   o f   E ng i ne e r i ng ,   U n i v e r s i t y   o f   D i y a l a ,   I r a q       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T     Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   J un   2 1,   20 20   R e v i s e N o v   1 ,   2020   A c c e pt e N o v   25,   20 20       A s   a   r e s ul t   o f   t e c hno l og i c a l   a dv a nc e s   i r o bo t i c   s y s t e m s ,   e l e c t r o ni c   s e ns o r s ,   a nd  c o m m uni c a t i o t e c hn i qu e s ,   t h e   pr o duc t i o o f   unm a nne a e r i a l   v e hi c l e   ( U A V )   s y s t e m s   ha s   be c o m e   po s s i bl e .   T he i r   e a s y   i ns t a l l a t i o a nd  f l e xi bi l i t y   l e t h e s e   U A V   s y s t e m s   t o   be   us e w i de l y   i bo t m i l i t a r y   a nd  c i v i l i a n   a ppl i c a t i o ns .   N o t e   t h a t   t h e   c a pa bi l i t y   of   o ne   U A V   i s   ho w e v e r   l i m i t e d.   N o w a da y s ,   a   m u l t i - U A V   s y s t e m   i s   o f   s pe c i a l   i nt e r e s t   due   t o   t h e   a b i l i t y   of   i t s   a s s o c i a t e   U A V   m e m be r s   e i t he r   t o   c oo r di na t e   s i m u l t a ne o us   c o v e r a ge   o f   l a r g e   a r e a s   o r   t o   c oo pe r a t e   t o   a c hi e v e   c o m m o g o a l s / t a r g e t s .   T h i s   ki nd  o f   c oo pe r a t i o n/ c oo r di na t i o r e qu i r e s   a   r e l i a bl e   c o m m uni c a t i o ne t w o r w i t a   pr o pe r   ne t w o r m o de l   t o   e n s u r e   t he   e xc ha ng e   o f   bo t c o nt r o l   a nd   da t a   pa c ke t s   a m o ng   U A V s .   S uc ne t w o r m o de l s   s ho ul pr o v i de   a l l - t i m e   c o nne c t i v i t y   t o   a vo i da ng e r o us   f a i l ur e s   o r   un i n t e n de c o ns e qu e n c e s .   T hu s ,   t he   m ul t i - U A V   s y s t e m   r e l i e s   o c o m m uni c a t i o t o   o pe r a t e .   F l y i ng   a hoc   ne t w o r k   ( F A N E T )   i s   m o r e o v e r   c o ns i de r e a s   a   s o ph i s t i c a t e t y pe   of   w i r e l e s s   a ho c   ne t w o r a m o n g   U A V s   w hi c s o l v e t he   c o m m uni c a t i o pr o bl e m s   i nt o   o t he r   n e t w o r m o de l s .   A l o ng   w i t t h e   F A N E T s   uni que   f e a t u r e s ,   c ha l l e ng e s   a nd  o pe i s s ue s   a r e   a l s o   di s c us s e e s pe c i a l l y   i t h e   r o ut i ng   pr o t o c o l s   a ppr o a c h.   W e   w i l l   t r y   t o   pr e s e nt   t he   e x pe c t e t r a ns m i s s i o a c c o unt   m e t r i c   w i t a   ne w   a l g o r i t hm   f o r   r e l i a bi l i t y .   I a ddi t i o t o   t hi s   ne w   a l g o r i t hm   m e c ha ni s m ,   t he   m e t r i c   t a ke s   i nt o   a c c o unt   t h e   r e l a t i v e   s p e e be t w e e U A V s ,   a nd  t h us   t he   i nc r e a s e   o f   t he   f l uc t ua t i o ns   i l i nk s   be t w e e U A V s   ha s   be e de t e c t e d .   A c c o r di ng l y ,   t he   r e s ul t s   s ho w   t h a t   t he   f unc t i o o f   t he   A O D V   r o ut i ng   p r o t o c o l   w i t t h i s   m e t r i c   b e c o m e s   e f f e c t i v e   i n   h i g m o bi l i t y   e nv i r o nm e nt s .   Ke y w or d s :   Ad - h o c   n e t w o r ks   F A N E T s   Ro ut i n a l go r i t h m   Ro ut i n m e t r i c s   U A V s   n e t w o r ks   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   M us a a b   M o h a m m e d   J a s i m     D e pa rt m e n t   o f   Co m put e E ngi n e e ri n g   U n i v e r s i t y   of   D i y a l a   32016,   A l - M o u r a di a ,   D i y a l a   P r o v i n c e ,   I ra q   E m a i l :   s c _m us a a b j a s i m @ uo di y a l a . e du . i q       1.   I N TR O D U C TI O N     T h e   p r o gr e s s e s   o n   m i n i a t u ri z a t i o t e c hn o l o gi e s   i n   a d di t i o n   t o   t h e   de v e l o pm e n t   i b o t h   c o m m uni c a t i o n s   a nd  e m b e dde s y s t e m s   h a v e   pa v e t h e   w a y   f o r   pr o duc i n v a r i o us   t y pe s   of   l ow - c o s t   U A V s   [1 , 2 ].   U nm a nn e a e ri a l   v e h i c l e s   ( U A V s i s   a n   a i r c r a f t   t ha t   f l i e s   e i t h e r   f ul l y   a ut o n o m o us   ( w i t h o ut   a n y   h um a i n t e r v e n t i o n o r   r e m o t e l y   (c o n t r o l l e by   a   gr o u n b a s e   s t a t i o n t o   o pe r a t e   i a   w i de   r a n ge   o f   m i s s i o n s   a nd  e m e r ge n c i e s .   T h e   o pe r a t i o n a l   e xpe ri e n c e s   w i t h   U A V s   h a v e   s h o w n   t h a t   t h e i r   t e c hn o l o gi e s   o pe n   n e w   w a y s   n o t   o n l y   f o r   m i l i t a r y   a ppl i c a t i o n s   b ut   a l s o   f o r   c i v i l i a a p pl i c a t i o n s .   T hi s   i n c l ude s ,   b ut   i s   n o t   l i m i t e d   t o ,   ra di o   s o ur c e   l oc a l i z a t i o n   [3],   s u r v e i l l a n c e   [4 , 5 ],   t ra n s po r t a t i o n   o f   s us pe n de l o a ds   [6 , 7 ],   pe r s ua d i n po l l u t i o n - f r e e   a r e a   [8] ,   di s a s t e r   s c e n a ri o s   [9],   r e l a y i n f o r   a d   h o c   n e t w o r ks   [10],   s e a r c h   a n de s t r oy   m i s s i o n s   [11] ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2 021 :     17 71   -   17 8 3     1772   r e c o nn a i s s a n c e   a n d   s u r v e i l l a n c e ,   m a i n t a i ni n g   o f   t h e   w e a po n   s y s t e m s   n e t w o r k,   c o m b a t   s uppo r t   [12] ,   t h e   e xpl o r a t i o n   o f   o i l   a n g a s   [13] .   R e c e n t l y ,   t h e   s ur ge   i n   t h e   num b e r   o f   m ob i l e   da t a   t ra f f i c   b e c a us e   o f   I o T   w i l l   i m po s e   t h e   ut i l i z a t i o n   o f   U A V s   a s   ke y   c o m po n e n t s   o upc om i n 5G   a nd  b e y o n 5G   (B 5G n e t w o r ks   [14] T h e   di s t i n c t   f e a t u r e s   o f   U A V s   c a n   po t e n t i a l l y   f a c i l i t a t e   w i r e l e s s   b r o a dc a s t   o po i n t - to - m ul t i po i n t   t r a n s m i s s i o n s   w i t h i t h e s e   c e l l ul a a r c h i t e c t ur e s   [ 15]   In   t h e   l a s t   de c a de ,   s i ngl e - U A V   s y s t e m s   h a d   b e e n   ut i l i z e i n   d i f fe r e nt   a p pl i c a t i o n s .   W h i l e   t h e   n u m b e r   o f   U A V   i n c r e a s e s ,   t h e   de s i g n   o f   e ff i c i e n t   n e t w o r a r c h i t e c t ur e   b e c o m e s   a   v i t a l   i s s ue   i n   s i n gl e - U A V   s y s t e m s   t o   s o l ve .   By   m e a n s   o f   t h e   t e c hn o l o gi c a l   a dv a n c e m e nt   i a v i o ni c s   a n m i c r o - e l e c t r o m e c h a ni c a l   s y s t e m s ,   t h e   ut i l i z a t i o n   o t h e   m ul t i - U A V   s y s t e m   t pe r f o r m   m i s s i o n s   ha s   b e e n   e m e r ge [1 6 ] .   T h e   s i z e ,   t y pe ,   a n c o n f i gu ra t i o n   o f   U A V   a r e   a l t e r e b a s e o n   t h e   a p pl i c a t i o n s   n a t u r e   [1 7 ].   D ue   t o   t h e   f l e xi b i l i t y ,   e a s y   i n s t a l l a t i o n ,   a nd  a l s o   r e l a t i v e l y   s m a l l   o pe ra t i ng  e xpe n s e s   o f   U A V s   [1 8 ],   t h e   l a r ge   s c a l e   o f   U A V   a ppl i c a t i o n s   ha s   p r o l i f e r a t e v a s t l y   w i t h i t h e   l a s t   f e w   y e a r s .   It ' s   w o r t n o t i n t h a t   us i ng  m ul t i p l e   U A V s   i n s t e a o f   a   s i ngl e   o n e   y i e l ds   a   w i de   ra n ge   o f   a dv a n t a ge s ,   w hi c h   w e   w i l l   t r y   t o   s um m a r i z e   t h e m   a s   f o l l ow s   [1 9 - 23 ]:   -   M ul t i pl e   s i m ul t a n e o us   i nt e r v e nt i o n s   -   L ow   d e t e c t a b i l i t y   -   In c r e a s i ng  a c c ur a c y   -   H i gh   s c a l a b i l i t y   -   G r e a t e e ff i c i e n c y   -   L ow   c o s t   -   Co m pl e m e nt a ri t i e s   o f   t e a m   m e m b e r s   A c c o r di n g l y ,   gr o ups   o f   U A V s   a r e   o f   s pe c i a l   i nt e r e s t   due   t o   t h e i r   a b i l i t y   t o   c oo r di n a t e   s i m ul t a n e o us   c ove r a ge   o f   l a r ge   a r e a s   o r   c o o pe r a t e   t o   a c hi e v e   c o m m o n   go a l s   [2 4 ] .   I n   a n y   s y s t e m   i n v o l v i n m ul t i p l e   a ut o n o m o us   v e h i c l e s ,   t h e   c o n c e pt   of   c oo r di na t i o n   a nd  c oo pe r a t i o n   p l a y s   a n   i m po r t a nt   r o l e .   I n   ge n e r a l ,   t h e r e   a r e   t w o   t y p e s   of   c oo r di n a t i o n ,   i . e . ,   t e m po ra l   a n s pa t i a l   c oo r di na t i o n .   I n   t e m po ra l   c o o r di n a t i o n,   U A V s   a r e   s y n c hr o ni z e w i t h   e a c h   o t h e r,   a n i t   i s   r e qu i r e i n   a   w i de   r a n ge   of   a ppl i c a t i o n s   s uc h   a s   o bj e c t   m o n i t o r i n g .   H ow e ve r ,   i n   s p a t i a l   c oo r di na t i o n,   t h e   c oo r di na t i o n   de a l s   w i t h   t h e   i de a   o f   s h a r i ng  t h e   s pa c e   a m o n m u l t i pl e   U A V s   t o   e n s ur e   s a f e   pe r f o r m a n c e   f o r   e a c h   U A V   a nd  c o h e r e nt   w i t h   r e s pe c t   t o   e a c h   o f   t h e   p o t e n t i a l   o b s t a c l e s   i n   a dd i t i o n   t o   t h e   pl a n s   o o t h e r   U A V s .   S h a r i ng  r e s o ur c e s   i s   t h e r e fo r e   t h e   m a i n   i s s ue .   T o   h a v e   a a c c o m pl i s h e c oo r di na t i o n,   t h e r e   e xi s t s   t h e   o t h e r   c o n c e pt   kn o w n   a s   c oo pe r a t i o n .   Co o pe r a t i o n   m e a n s   pr o v i s i o n   c o m m o n   c o l l a b o r a t i v e   b e h a v i o r s   by   us i n c e n t ra l i z e o r   de c e n t r a l i z e (di s t ri b ut e d)  a r c hi t e c t u r e s   [2 5 - 27 ]   t o   pr o duc e   a   c oo r di na t e m i s s i o n .   T h e r e f o r e ,   a   gr o up  of   h o m o ge n e o us   o r   h e t e r o ge n e o us   U A V s   c a i n t e r a c t   w i t h   e a c h   o t h e r   a nd  e xe c ut e   t h e   m i s s i o n s   a s   a   s i ngl e   e n t i t y .   In   o r de r   t o   e n s u r e   gl o b a l   c o h e r e n c e   w i t h i t h e   w h o l e   s y s t e m ,   o n e   m a i r e qui r e m e n t   i s   t o   h a v e   s uc c e s s f ul   c oo r di n a t i o n   a n c o o pe r a t i o n   by   s h a ri n g   i n f o r m a t i o a s   m e nt i o n e i n   [ 2 8 ] .   T y pi c a l l y ,   t w o   t y pe s   of   i n f o r m a t i o n   a r e   s ha r e by   a   m u l t i - U A V   s y s t e m ,   o n e   of   w h i c h   i n v o l v e s   c o m m a nd  a nd  c o n t r o l   m e s s a ge s .   D e s pi t e   t h e s e   t y p e s   of   m e s s a ge s ,   h a v e   l ow   b a n dw i dt h   r e qui r e m e nt s ,   c o m m a n a n c o n t r o l   m e s s a ge s   m us t   b e   e xc h a n ge w i t h   m i n i m a l   de l a y   a n e rr o r   f o r   e f fe c t i ve   t e a m   c o o r di na t i o n .   T h e   s e c o n t y p e   i s   t h e   m i s s i o da t a   w h i c i s   r e m o t e l y   s e n s e a nd  g a t h e r e by   t h e   a i r b o rn e   s e n s o r s   o n   U A V s   a n t h e t ra n s m i t t e t o   f us i o n   c e nt e r s   [ 2 9 ].   It   i s   w o r t n o t i n g   t ha t   t h e   f us i o n   c e nt e pr o c e s s ,   e xpl o i t s ,   a n di s s e m i na t e s   t h e   m i s s i o n   d a t a .   T h us   gua r a nt e e i n t ha t   U A V s   a r e   i n   c o m m u ni c a t i o n   m o s t   of   t h e   t i m e   du ri n g   t h e   m i s s i o n   a n d   s ha ri n t h e   i n f orm a t i o i s   c r i t i c a l   f o r   a   m ul t i - U A V   s y s t e m   t f un c t i o p r o pe r l y .   A c c o r di n g l y ,   t h e   n e t w o r a n c o m m u n i c a t i o s y s t e m s   a re   t h e   f un d a m e n t a l   c o m po n e nt s   o f   t h e   m ul t i - U A V   s y s t e m .   A s   a   r e s ul t   o f   t h e   f a c t   t ha t   t h i s   s y s t e m   i s   r a p i dl y   de v e l o pi n g   a n d   t h e   s c o pe   of   i t s   us a ge   gr o w s   gr e a t l y ,   n e t w o r ke c o m m u n i c a t i o n   w i l l   b e c o m e   t h e   m o s t   c r uc i a l   i s s ue   t ha t   n e e ds   v a s t   i n t e r e s t   f r o m   r e s e a r c h e r s .   M o r e o ve r ,   t h e   c o m m u n i c a t i o n   e n v i r o n m e n t   de v i a t e s   s i gni f i c a n t l y   f r o m   t r a d i t i o na l   w i r e l e s s   n e t w o r ks   r e g a r di ng  m o b i l i t y   de gr e e ,   n e t w o r ki n m o de l s ,   a n c o m m u ni c a t i o n   r e qui r e m e n t s .   T h e   m a i n   ob j e c t i ve   of   t h i s   pa p e r   i s   t o   e xpl a i n   F A N E T   a s   a   d i s t i n c t   a h o c   n e t w o r f a m i l y .   M o r e ov e r ,   t o   p r e s e n t   a   n e w   a l go ri t hm   f o r   c a l c ul a t i n t h e   r o ut i ng  m e t ri c ,   w h i c h   p r o v i de s   m o r e   r e l i a b i l i t y   i n   hi g h   m o b i l i t y   e n v i r o nm e n t s .   T h e   r e s t   o f   t h e   p a pe i s   o r g a n i z e a s   f o l l ow s .   In   S e c t i o n   2,   w e   pr e s e n t   t h e   n e t w o r ki n i a   m ul t i - U A V   s y s t e m .   In   S e c t i o n   3 ,   w e   e xpl a i n   o u r   a l go ri t hm   f o r   c a l c ul a t i ng  t h e   r o ut i ng  m e t ri c   i n   F A N E T .   I n   S e c t i o n   4 ,   w e   pr o v i de   t h e   e xpe r i m e n t   o f   us i n t h i s   a l go ri t hm   a nd  t h e   a c qui r e r e s ul t s   f r o m   t h e   s i m u l a t i o n.   T h e   l a s t   s e c t i o n s   a r e   de v o t e t o   t h e   c o n c l us i o n s   a n d   r e f e r e n c e s .       2.   N ETWO R K I N G   I N   A   M U LTI - U A V   S Y S TEM   U A V s   h a v e   be c o m e   pr o m i s i n m o b i l e   pl a t f o r m s   due   t o   i t s   c a pa b i l i t i e s   t o   na v i ga t e   s i m ul t a n e o us l y   o r   a ut o n o m o us l y   i n   un c e rt a i n   e n v i r o nm e nt s .   O n   t h e   s i de   a s   de pi c t e i n   F i gu r e 1 .   A   n e t w o r w i t h   f l y i n n o de s   r e qui r e s   s y n e r g i s t i c   i n t e ra c t i v i t y   be t w e e n   t h e   fo ur   de s i gn - p ri n c i pl e   di m e n s i o n s :   c o n t r o l   s y s t e m ,   n e t w o r &   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       R e l i ab i l i t y - bas e d   r ou t i ng   m e t r i c   f or   U A V s   ne t w or k s   ( Mus aab   Moham m e J as i m )   1773   c o m m uni c a t i o n ,   i n f o r m a t i o n   s ha r i ng ,   a nd  s i t u a t i o na l   a w a r e ne s s   [ 30 ].   T hus ,   b ri n gi ng  a   g r o up  of   U A V s   i n t o   a   t e a m   r e qui r e s   s i g ni f i c a n t   c o o r di na t i o n   e f fo r t s   t o   pe r f o r m   a   gi v e n   o bj e c t i v e .   F o r   t h a t   r e a s o n ,   e a c U A V   r e a d i l y   gua r a nt e e s   t o   b e   pl a c e a pp r o p r i a t e l y   w i t h   r e s pe c t   n o t   o nl y   t o   i t s   n e i g h b o r s   b ut   a l s o   t o   i t s   t a s ks   w i t h i t h e   m i s s i o n   p l a n,   w h i c h   i m po s e s   t h e   e xi s t e n c e   of  a   pr e c i s e   de c i s i o n - m a ke r   (c o n t r o l l e r f o r   bo t h   pa t h   p l a nni n a nd  t a s a l l o c a t i o n   i n   a ddi t i o n   t o   t h e   a v a i l a b i l i t y   of   e f f i c i e n t   ne t w o r s y s t e m .   T w o   i m po r t a nt   c o n c e pt s   i n   t h e   m ul t i - U A V   s y s t e m   s h o ul d   b e   m e nt i o n e d;   o n e   o f   w h i c h   i s   c o upl i ng,   a nd  t h e   o t h e i s   n e t w o r ki n g.     In de e d,   n e t w o r ki n r e a di l y   c h a r a c t e r i z e s   t h e   c o m m uni c a t i o n   s t a t us   a m o n U A V s   a s   w e l l   a s   t h e   w a y s   i n   w h i c h   t h e   da t a   a r e   t r a n s m i t t e w i t hi n   t h e   w h o l e   s y s t e m ,   w h i l e   c o upl i n t a ke s   i nt o   a c c o un t   h o w   r e l a t i o n s h i e xi s t s   a m o n U A V s .   F i gur e   s h o w s   t h a t   t h e r e   a r e   t w t y p e s   of   c o upl i n i n   a   m u l t i - U A V   s y s t e m .   T h e   f i r s t   t y pe   i s   a   ph y s i c a l   c o upl i n w h i l e   t h e   o t h e r   i s   n o t   ph y s i c a l ,   a n t h e r e f o r e   w e   c a n   c a l l   i t   a   l o gi c a l   c o upl i n g .   D e s c r i b i n t h e   c h a ra c t e r i s t i c s   of   t h e   da t a   t ra n s m i s s i o n   o ve r   t h e   e nt i r e   m ul t i - U A V   s y s t e m   pl a y s   a n   i m po rt a nt   r o l e   i n   s e l e c t i n g   a   n e t w o r ki ng  a r c hi t e c t u r e   f o r   t h e   b e s t   pe r f o r m a n c e .   T h e r e f o r e ,   t h e r e   e xi s t   di f f e r e n t   n e t w o r ki n g   a r c hi t e c t u r e s   p r o po s e a n d   e m e r ge [ 31 ].           F i gu r e   1 .   D e s i g p r i n c i pl e s   o f   n e t w o r w i t h   f l y i n g   n o de s           F i gu r e   2 .   Co upl i n g   t y pe s   i n   m u l t i - U A V   s y s t e m   a P h y s i c a l   c o upl i n g,   b F o r m a t i o n s ,   c S w a r m s ,   d)   I nt e nt i o na l   c o o p e r a t i o n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2 021 :     17 71   -   17 8 3     1774   T h e   s i m pl e s t   o n e   i s   t o   h a v e   di r e c t   c o m m u n i c a t i o n   l i n ks   b e t w e e n   U A V s   a n s i ngl e   g r o u n s t a t i o i n   a   s t a r   t o po l o g y ,   w h e r e   a   g r o und  s t a t i o n   i s   s i m pl y   r e s po n s i b l e   f o r   c r e a t i ng  t h e   c o m m u ni c a t i o b e t w e e n   t h e s e   U A V s   a s   w e l l   a s   c oo r di na t e   t h e i m o t i o n s .   It   i s   h o w e v e r   w o r t h   n o t i ng  t ha t   c o m m u ni c a t i o n   ra n ge s   of  U A V s ,   w h i c h   c e r t a i nl y   de pe n o n   m ov e m e n t ,   t e rr a i n   s t ruc t ur e ,   a n dy n a m i c   e n v i r o nm e n t a l   c o n di t i o n s ,   c e r t a i n l y   r e s t r i c t   t h e   o pe r a t i o n   a r e a .   M o r e o v e r ,   t h e   us a ge   o a   gr o u n c o n t r o l   s t a t i o n   (G CS m i g h t   r e s ul t   i n   t r a f f i c   c o n ge s t i o n   t ha t   a c c o r di n gl y   i n f l ue n c e s   s y s t e m   f un c t i o n a l i t y .   F i gur e   de pi c t s   a   m ul t i - U A V   s y s t e m   s i m pl y   e m pl oy i n g   di r e c t   c o m m u ni c a t i o a r c h i t e c t u r e .   T h e r e   e xi s t   t h e   o t h e r   t hr e e   po s s i b l e   n e t w o r a r c h i t e c t u r e s   pr o po s e fo r   t h e   m u l t i - U A V   s y s t e m   a s   de pi c t e i n   F i g u r e   4.   T h e s e   t y p e s   a r e   s a t e l l i t e ,   c e l l ul a r ,   a n a h o c   e a c h   o f   w h i c h   s o l v e s   o r   a l l e v i a t e s   t h e   pr o b l e m s   i n   t h e   di r e c t   l i n a pp r o a c h.   R e c e n t l y ,   o n e   of  t h e   m o s t   pr e s t i g i o us   t e c h n o l o gi e s   i n   c o m m u ni c a t i o a n n e t w o r ki ng  i s   F A N E T .   It   i s   a   k i n o f   s e l f - o r ga ni z e w i re l e s s   n e t w o r c a rr i e b y   a   gr o up  o f   U A V s   e a c h   of   w h i c h   i s   a   s m a l l   f l y i n r o bo t   [ 32 ].   F A N E T   c a n   b e   c o n s i de r e a s   a   s p e c i a l   f o r m   o f   m ob i l e   a h o c   n e t w o r (M A N E T ) .   M o r e o v e r ,   i t   c a a l s o   be   c o n s i de r e a s   a   s ub g r o up  o f   v e h i c ul a r   a h o c   n e t w o r (V A N E T ).   It   i s   w o r t h   m e n t i o n i ng  t ha t   s e t t i n up  a n   a d   h o c   n e t w o r a m o ng  U A V s   i m po s e s   c h a l l e n g i n g   i s s ue s   a nd  n e e ds   s o m e   a ddi t i o na l   r e qui r e m e n t s   di f f e r e n t   f r o m   t h o s e   a   t r a d i t i o na l   n e t w o r n e e ds .           F i gu r e   3 .   D i r e c t   c o m m u n i c a t i o a r c hi t e c t u r e             (a )   (b )   (c )     F i gu r e   4 .   B a s i c   c o m m u ni c a t i o a r c h i t e c t u r e   (a )   S a t e l l i t e (b Ce l l ul a r (c F A N E T         3.   R O U TI N G   M E TR I C   I N   F A N ET   O v e r   t h e   y e a r s ,   t h e r e   e xi s t s   a   huge   b o d y   of   w o r ks   o n   r o ut i n p r o t o c o l s   fo r   w i r e l e s s   m ul t i - h o n e t w o r ks   s uc h   a s   F A N E T .   T h e s e   pr o t o c o l s   i m pl e m e n t   d i s c o ve r i n t h e   r o ut e   pa t h   a nd  t h e n   r o ut i n t h e   m e s s a ge s   de s pi t e   t h a t   t h e   n o de s   a r e   m ob i l e   a n t h e   l i n qua l i t y   v a r i e s .   T o   i m p r o v e   t h e   pe r f o r m a n c e   of  r o ut i ng  p r o t o c o l s ,   t h e r e   ha v e   be e n   pr o po s e m a n y   l i n k - qua l i t y   r o ut i n m e t r i c s .   E a c h   m e t r i c   c a n   b e   r e a d i l y   c o n s i de r e a s   a   s e t   of   m e a s ur e m e n t s   t ha t   a r e   c o n t ri b ut e i nt o   t h e   r o ut e   c o m put a t i o n   a l go r i t h m s   t o   e s t i m a t e   n e w   w e i gh t s   f o r   e a c h   h o p/ l i n k   i t h e   r o ut e s .   T h e   w e i g h t s ,   o nc e   a ggr e g a t e d,   di s c o ura ge   s e l e c t i n a   r o ut e   go i n g   t hr o ugh  h e a v i l y   l o a de r e gi o n s   o f   t h e   n e t w o r t o po l o g y .     3. 1 .       C u r r e n m e t r i c   i n   F A N ET   O n e   o f   t h e   m a i n   e f f e c t s   o n   t h e   r o ut i n p r o t o c o l   f un c t i o n s   i s   t h e   pa c e   o f   n e t w o r t o po l o g y   c h a n ge s .   T h e   r o ut i ng  p r o t o c o l s   m us t   be   a b l e   t upda t e   r o ut i ng  t a b l e s   o r   c a s h e s   d y n a m i c a l l y   b a s e o n   t h e s e   c h a n ge s   o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       R e l i ab i l i t y - bas e d   r ou t i ng   m e t r i c   f or   U A V s   ne t w or k s   ( Mus aab   Moham m e J as i m )   1775   t o po l o g y   [ 33 ].   T h e   d y n a m i c   n a t u r e   o F A N E T   r e s ul t s   i n   f r e que n t   c ha n ge s   i n   t h e   n e t w o r t o po l o g y   a n t h us   m a ke s   t h e   r o ut i n g   p r o c e s s   a m o n U A V s   i n   F A N E T   a   da u nt i n t a s t h a t   n e e ds   t be   a ddr e s s e by   r e s e a r c h e r s .   T h e r e f o r e ,   t h e   da t a   r o ut i n b e t w e e n   U A V s   un de r go e s   a   s e ri o us   c h a l l e n ge   o r   i s s ue .   In   s pi t e   o F A N E T   i s   a   s ub c a t e g o r y   of   M A N E T   o r   V A N E T ,   M o s t   o f   t h e i r   p r o t o c o l s   a r e   n o t   d i r e c t l y   a ppl i c a b l e   fo r   F A N E T   [ 34 ].   I f a c t ,   s o m e   s pe c i f i c   a d - h o c   n e t w o r ki n p r o t o c o l s   h a v e   b e e n   i m pl e m e n t e a n d   s o m e   of   t h e   p r e v i o us   o n e s   ha v e   b e e n   m o di f i e i n   o r de t o   b e   f e a s i b l e   i F A N E T .   T h e   m i n i m u m   h o c o un t   i s   t h e   m e t r i c   t ha t   i s   m o s t   c o m m o n l y   us e by   t h e   a h o c   r o ut i n p r o t o c o l s .   It   e na b l e s   t h e   r o ut i n p r o t o c o l s   t o   c h oo s e   t h e   m i ni m um   l e n g t h   pa t h   a m o n d i f f e r e n t   pa t h s .   T h us ,   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e s e   pr o t o c o l s   i s   i n c r e a s e by   r e duc i n t h e   e ff e c t s   of   t h e   s uc c e s s i v e   h o t r a n s m i s s i o i n t e r f e r e n c e   o n   m ul t i - h o pa t h s .   T h e s e   e ff e c t s   a c t ua l l y   c o m e   f r o m   t h e   f a c t   t h a t   t h e   m i dd l e   n o de s   i n   a   p a t c a nn o t   r e c e i v e   t h e   pa c ke t s   f r o m   t h e   p r e v i o us   n o de   a n s e ndi n g   i t   t o   t h e   n e xt   o n e   a t   t h e   s a m e   t i m e .   H ow e v e r ,   due   t o   t h e   c h o i c e   of   m i n i m u m   l e n gt h   pa t h s   i s   do n e   r e ga r dl e s s   of   t h e   di f f e r e n c e s   i n   qua l i t y   of   pa t h s '   l i nks ,   t h e s e   pa t h s   m a y   be   s l ow .   A s   a   r e s ul t   o f   t h a t ,   w e   c a n   s a y   t h a t   t h e   m i ni m um   h o c o un t   pe r f o r m s   w e l l   w h e n e v e r   t h e   s h o r t e s t   r o ut e   i s   a l s o   t h e   f a s t   r o ut e   w i t a   l o w   l o s s   r a t i o .   In  [3 5 ] ,   D o ugl a s   S .   J .   D e   Co ut o   e t   a l .   p r o po s e us i n g   t h e   e x pe c t e t ra n s m i s s i o n   c o unt   ( E T X m e t r i c   t o   ov e r c o m e   t h e   m i n i m u m   h o c o un t   p r o b l e m .   R o ut i ng  p r o t o c o l s   w i t h   E T X   m e t ri c   c h o o s e   t h e   r o ut e s   w i t hi g h   e n d - to - e n t hr o ug h put   by   m i ni m i z i n g   t h e   e xpe c t e t o t a l   num b e r   o f   t r a n s m i s s i o n s   (i n c l ud i n g   r e t ra n s m i s s i o n s r e qu i r e t o   de l i v e a   pa c ke t   t o   t h e   ul t i m a t e   d e s t i na t i o n.   E T X   m e t ri c   i n c o r po ra t e s   n o t   o nl y   t h e   e ffe c t s   of   b o t h   i nt e r f e r e n c e   t h e   s uc c e s s i v e   l i nks   o f   a   pa t h   a nd  l i nk  l o s s   ra t i o s ,   b ut   a l s o   t h e   l o s s   ra t i o s   b e t w e e n   t h e   t w o   di r e c t i o n s   o f   e a c h   l i nk.   T h e   E T X   o f   a   l i nk  i s   c a l c ul a t e b y   us i n g   t h e   f o r w a r d   (   a nd  r e v e r s e   ( de l i v e r y   r a t i o s   of   t h e   l i n k :      = 1     (1)     T h e   m e a s u r e p r o b a b i l i t y   t ha t   a   d a t a   pa c ke t   s uc c e s s f ul l y   a rr i v e s   a t   t h e   r e c i pi e n t   i s       w h i l e     i s   t h e   pr o b a b i l i t y   t h a t   t h e   A CK   p a c ke t   i s   s uc c e s s f ul l y   r e c e i v e d.   T h us ,   t h e   b e s t   r o ut e s   a r e   t h e   o n e s   t ha t   ha v e   t h e   s m a l l e s t   E T X   a n n o t   n e c e s s a r i l y   t o   be   w i t h   t h e   l e a s t   n u m b e r   of   h o ps .   If   a l l   l i nks   f o r m i n r o ut e   R   a r e   e rr o r l e s s ,   E T X (R w i l l   b e   e qua l   t o   t h e   n um b e r   o f   h o ps   i n   R .   A l t h o ug h   o f   t h e s e   E T X   f e a t u r e s ,   U s i n E T X   i s   n o t   r e a c t i v e   e n o ugh   t o   c o pe   w i t h   v e r y   d y n a m i c   w i r e l e s s   a h o c   n e t w o r ks ,   s uc h   a s   m ul t i - U A V   n e t w o r ks   (F A N E T ) .   F o r   s o l v i n g   t hi s   p r o b l e m ,   t h e   ( E T X m e t r i c   m u s t   b e   w e i gh t e by   us i n a   f a c t o r   t ha t   t a ke s   i n t o   a c c o un t   t h e   r e l a t i v e   s pe e &   di r e c t i o n   b e t w e e n   n o de s .   In   [3 6 ] ,   R o s a t i   e t   a l .   p r e s e n t e t h e   P r e di c t i v e - O L S pr o t o c o l .   T h e   P r e di c t i v e - O L S R   i s   a   p r o a c t i v e   l i n k - s t a t e   r o ut i ng  p r o t o c o l   w i t t h e   c a p a b i l i t y   t o   e n a b l e   e ff i c i e n t   r o ut i n i v e r y   d y n a m i c   c o n di t i o n s .   I t   i s   a n   e xt e n s i o n   o f   t h e   O pt i m i z e L i n k - S t a t e   R o ut i n (O L S R )   pr o t o c o l   [3 7 ] .   A s   i O L S R   p r o t o c o l ,   t hi s   p r o t o c o l   us e s   r e c e i v i n g   r a t i o s   (   a nd  t o   m e a s u r e   t h e   qu a l i t y   o w i r e l e s s   l i n ks .   B y   us i n a   H e l l o   pa c ke t   a s   a   l i n p r o b e   i a ddi t i o n   o f   us i n e xpo n e n t i a l   m o v i n a v e ra ge   (E M A ),       i s   c o m put e d   a s   s h o w n   b e l ow :     { = + ( 1 ) 1 0 = 0     ( 2 )     w h e r e     de n o t e s   a   l i n k - qu a l i t y   a gi n g   ( 0 1 a nd  w h e r e   t h e   c o e ff i c i e n t     i s   de f i n e d   a s     = { 1 i f   t h   H e l l o   p a c ke t   r e c e i v e d 0         (3)     D ue   t o   t h e   E M A ,   a   n o de   t a ke s   a n   a m o u n t   o f   t i m e   be f o r e   n o t i c i n t h e   de gra da t i o n   of   a   w i r e l e s s   l i n qua l i t y .   D uri n t hi s   t i m e ,   i t   w i l l   c o nt i n ue   r o ut e   pa c ke t s   a n d   t h us   y i e l di n a n   i nt e rrupt i o n   o f   t h e   s e r v i c e .   T o   ov e r c o m e   t h i s   p r o b l e m ,   p r e d i c t i v e - O L S R   r e de f i n e s   t h e      m e t ri c   t o   b e   a   S pe e d - W e i gh t e d      m e t r i c   b y   us i n t h e   r e l a t i v e   s pe e b e t w e e n   t w o   n o de s   a n a l s o   us i n a   f r e s h   G P S   i n f o r m a t i o n   t o   i m p r o v e   t h e   r o ut i ng.   T h us ,   t h e      ha d   s h o w n   a s   b e l ow :      , =     ,     (4)     {   , =       , + ( 1 ) 1 , 0   , = 0     (5)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2 021 :     17 71   -   17 8 3     1776   w h e r e     a n d     de n o t e   a   p r e di c t i v e - O L S R   (P - O L S R pa r a m e t e ( 0 1 a nd  a   n o n - n e ga t i v e   pa ra m e t e r,   r e s pe c t i v e l y .   M o r e ove r ,   ,   a n d   ,   de n o t e   t h e   r e l a t i v e   s pe e a n t h e   i n s t a n t a n e o us   r e l a t i v e   v e l oc i t y ,   r e s pe c t i v e l y ,   b e t w e e n   U A V s   i   a nd  j .   W h e n e v e r   t h e   t w o   U A V s     a n   a r e   c l o s e r   t o   e a c h   o t h e r,   t h e   r e l a t i v e   s pe e w i l l   b e   n e ga t i v e ,   t hus   t h e      i s   w e i g h t e by   a   f a c t o r   s m a l l e r   t ha n   1 .   C o n v e r s e l y ,   t h e   re l a t i v e   s pe e w i l l   b e   pos i t i v e   a nd  t h e      i s   w e i ght e by   a   f a c t o l a r ge t ha 1   w h e n   U A V     a n d     m o ve   a w a y   f r o m   e a c o t h e r.   A s   s t a t e d   i [3 8 ] ,   t h e     P - O L S R   i s   c urr e nt l y   us e a s   a   F A N E T - s pe c i f i c   r o ut i n p r o t o c o l .   W i t h i n   t h e   P - O L S R ,   t h e   r o ut i n f o l l o w s   t h e   t o po l o g y   c h a n ge s   w i t h o ut   i nt e rrupt i o n s .   By   c o m pa r i n g   w i t h   O L S R ,   P - O L S R   s uc c e e ds   i p r o v i di n a   r e l i a b l e   m ul t i - h o c o m m u ni c a t i o n   i n   v e r y   d y n a m i c   w i r e l e s s   a h o c   n e t w o r ks   w h e r e   O L S R   m o s t l y   f a i l s .   A n o t h e e xt e n s i o n   t o   t h e   (O L S R )   pr o t o c o l   i s   a   di r e c t i o na l   o pt i m i z a t i o n   l i n s t a t e   r o ut i ng  p r o t o c o l   (D O L S R )   [3 9 ] .   It   i s   a   n o v e l   r o ut i n p r o t o c o l   t ha t   i s   us e i U A V s   w i t a   di r e c t i o n a l   a nt e nna .   D O P L R   c a pa b l e   of   de c r e a s i n t h e   e n d - to - e nd  de l a y   by   r e duc i n t h e   n u m b e r   of   t h e   m ul t i po i nt   r e l a y s   i n   t h e   n e t w o r k,   a n t h us   t h e   n u m b e r   of  ov e r h e a p a c ke t s   w i l l   b e   r e duc e d.   A s   a   r e s ul t ,   t h e   o ve r a l l   t hr o ug h pu t   of   F A N E T   i s   i n c r e a s e d.   M o r e o ve r ,   t h e   s i m ul a t i o n   s h o w s   t h a t   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   D O L S R   i s   be t t e r   t h a n   b o t h   O L S R   a n A O D V   i n   t e rm s   o f   e n d - to - e n d   de l a y .   T h e   o t h e r   a pp r o a c h   i n   F A N E T   r o ut i n p r o t o c o l   i s   t h e   us e   o r e a c t i v e   r o ut i n p r o t o c o l s   ( RR P s )   s uc h   a s   a h o c   o n - de m a n di s t a n c e   v e c t o r   (A O D V ).   A s   m e nt i o n e i n   [ 40 ] ,   [4 1] a h o c   o n - de m a nd  di s t a n c e   v e c t o r   (a o dv i s   a   r e a c t i v e   p r o t o c o l   t ha t   f o r m s   t h e   p a t h   o n l y   w h e n e v e r   t h e r e   i s   d a t a   t o   s e n d .   T h i s   p r o t o c o l   i s   a da p t i v e   t o   s e v e r e   l i n c o n d i t i o n s ,   l o w   n e t w o r ut i l i z a t i o n ,   a n d   m e m o r y   ov e r h e a d .   A O D V   i s   c a pa b l e   of  pr e s e r v i n t h e   b a n dw i dt h   c o n s u m e i n   t h e   p r o a c t i v e   r o ut i n p r o t o c o l   (P R P a s   a   r e s ul t   o f   pe r i o di c a l l y   upda t i n g   t h e   r o ut i ng  t a b l e .   I nde e d,   t h e   p r o b l e m   o f   e ff i c i e n t l y   r o ut i ng  m e s s a ge s   (c o m m a n ds   a n da t a )   b e t w e e n   U A V s   i s   a   s i g n i f i c a nt   c h a l l e n ge   i i t s e l f   fo r   F A N E T .   M o r e ov e r ,   i t   i s   f urt h e r   e xa c e r b a t e a s   t h e   n u m b e r   o U A V s   gr ow s ,   a s   w i r e l e s s   l i n k   qua l i t i e s   c o n t i n uo us l y   f l uc t ua t e   u nde f a di n g ,   a n d   a s   t h e   n e t w o r t o po l o g y   ra pi d l y   c h a n ge s .   It   i s   p a r a m o unt   t o   r o ut e   t h e   m e s s a ge s   t o   i t s   de s t i n a t i o n   w i t h   a de qua t e   d a t a   ra t e   c a pa c i t y ,   m i ni m a l   de l a y   a n w i t m i n i m a l   n u m b e r   o f   dr o ppe pa c ke t s .   T hus ,   t h e   p r o b l e m   of   t h e   de l a y   i a dd i t i o n   t o t h e r   i s s ue s   s uc h   a s   c os t   o ve r h e a t o   e s t a b l i s h   t h e   m u l t i - h o r o ut e ,   r e l i a b i l i t y   i n   c a s e   of  h i g h   m o b i l i t y ,   e t c . ,   a r e   r e m a i n e t o   be   s t udi e a n a na l y z e by   t h e   r e s e a r c h e rs   t o   f i n b e t t e r   s o l ut i o n s   s a t i s fy i n a l l   F A N E T   r e qui r e m e nt s .     3. 2     R e l i ab i l i ty - b as e d   e x p e c te d   tr an s m i s s i o n   c o u n (R e LX )   T h e   c h a nn e l   qu a l i t y   f r o m   o n e   U A V   t o   a n o t h e r   U A V   i s   d e f i ne a s   h ow   m uc h   vo l um e   of  i n f o r m a t i o n   c o ul b e   t r a n s m i t t e d,   na m e l y ,   w i t h   a   s m a l l   b i t   e rr o ra t e   ( ).   A s   i t   i s   u n de r s t o o f r o m   t h e   de f i n i t i o o f   t h e   qua l i t y ,   t h e   c h a nn e l   qua l i t y   h a s   a n   a v e r a g i n m e a ni n a b o ut   t h e   vo l um e   s i z e   o i n f o r m a t i o n   t ha t   c o ul be   t r a n s m i t t e d.   I n   l i t e ra t u r e ,   m o s t   o f   t h e   e xi s t i n r o ut i ng  p r o t o c o l s   r e l y   o n   t h e   l i n q ua l i t y ,   i . e .   t h e   f o r w a r a n d   r e v e r s e   c h a nn e l   qu a l i t i e s   a t   t h e   s a m e   t i m e .   T h e   p r o t o c o l s   a r e   a b o ut   t h e   r o ut e   s e l e c t i o n   f r o m   a l l   a v a i l a b l e   r o ut e s   b e t w e e n   a n y   pa i r   o f   t w o   n o de s .   R o ut i n p r o t o c o l s   a r e   o pt i m i z e t o   t a ke   i n t o   a c c o un t   t h e   qua l i t y   of  r o ut e   s e l e c t i o n .   H ow e ve r ,   du r i ng  t h e   t ra n s m i s s i o n ,   t h e   i n f o rm a t i o n   i s   s ub j e c t e t o   t h e   e f fe c t s   t h a t   c e r t a i nl y   c h a nge .   W i t h i n   t hi s   c o n t e xt ,   t h e   l i n r e l i a b i l i t y   c o m e s   i n t o   t h e   l i g ht .   A l m o s t   a l l   r o ut i ng  pr o t o c o l s   a r e   n o t   o pt i m i z e o ut   o f   t h e   r e l i a b i l i t y   s c o pe .   T h e   c h a nn e l   r e l i a b i l i t y   f r o m   o n e   U A V   t o   a n o t h e r   o n e   i s   de f i n e a s   h o w   m uc h   a   v o l um e   of   i n f o r m a t i o n   c o ul b e   s u c c e s s f ul l y   t r a n s m i t t e d.   L e t   us   c o n s i de r   t w o   c h a nn e l s   w h o s e   qua l i t i e s   a r e   t h e   s a m e   (i . e .   t h e i r   B E R   a r e   t h e   s a m e ).   N o t e   t h a t   t h e   b i t   e rr o r s   ha v e   oc c ur r e d   du r i ng  t r a n s m i s s i o n   ov e r   a   c h a nn e l   c o ul b e   s e que n t i a l ;   t h e   g r o up  o f   s uc c e s s i v e   e rr o r s   i s   c a l l e b ur s t - e rr o r .   I n   t h e   s e c o n c ha nn e l ,   t h e   b i t   e rr o r s   a r e   s e pa r a t e f r o m   e a c h   o t h e r   by   s uc c e s s f ul   t ra n s m i s s i o n,   i . e .   t h e   b i t   e rr o r s   a r e   di s t ri b ut e a l o ng  t h e   t r a n s m i t t e b i t   s e que n c e .   I n   c o n s e que n c e ,   t h e   r e l i a b i l i t y   o f   t h e   s e c o n c h a nn e l   i s   b e t t e r   t h a n   t h e   f i r s t   c h a nn e l   e v e n   i f   t h e i r   qua l i t i e s   a r e   t h e   s a m e .   I n   o r de r   t o   c h a r a c t e ri z e   t h e   r e l i a b i l i t y   of  t h e   l i n b a s e o n   t h e   b ur s t   e rr o r - l e n g t h   (i . e . ,   b ur s t   l o s s   s i t ua t i o n i n   a ddi t i o n   t o   t h e   s pe e a n d i r e c t i o n   o f   U A V s ,   w e   w i l l   t r y   t de f i n e   o ur  r o ut i n g   m e t r i c   t o   b e   s pe e a n d   r e l i a b i l i t y - b a s e m e t r i c .   O u m e t ri c   w i l l   b e   c o n s i s t e o f   t w o   pa rt s     a n d     a s   f o l l o w s :     =   (6)     w h e r e     de n o t e s   t h e   r e l a t i v e   s pe e b e t w e e n   t w o   n o de s ,   w h i c i s   t h e   n u m e ra t o r   i n   ( 4)   de n o t e s   t h e   pr e di c t e n u m b e r   o f   t r a n s m i s s i o n s / r e t ra n s m i s s i o n s   r e qui r e d   t o   s e n a   pa c ke t   o ve r   t h e   l i n k .   I n   t hi s   r o ut i n g   m e t r i c ,   w e   p r o v i de   a   n e w   m e t h o d   f o r   c a l c ul a t i ng   t h e   p r o b a b i l i t y   o f   de l i v e r y   r a t i o   ( ).   A l s o ,   w e   s ugge s t   a   n e w   a l go ri t hm   t o   de t e c t   t h e   m o s t   r e l i a b l e   l i n ks   a m o n t h e   l i n ks   w i t e qua l   qua l i t y .   F o r   c a l c ul a t i n g   t h e   de l i v e r y   ra t i o   f o r   fo r w a r o r   r e v e r s e   c h a nn e l ,   e a c h   n o de   w i l l   pr o b e   t h e   c ha nn e l s   w i t h   i t s   n e i g h b o r s   by   s e n di n p r o be   pa c ke t s   t o   t h e m   w i t h i a   t i m e   w i n do w   ( ).   T h e n,   t h e   n o de s   c o un t   t h e   s uc c e s s f ul   p r o b e   pa c ke t s   (  t ha t   r e c e i v e f r o m   i t s   n e i g h b o r s   i e a c h   s l o t   t i m e   ),   a nd  d i v i de   i t   by   t h e   t o t a l   p r o b e   pa c ke t s   (  ).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       R e l i ab i l i t y - bas e d   r ou t i ng   m e t r i c   f or   U A V s   ne t w or k s   ( Mus aab   Moham m e J as i m )   1777   =   ,   (7)      =   (8)     A c c o r di n g l y ,   e a c h   a t t e m pt   t o   t ra n s m i t   a   p r o b e   pa c ke t   c a n   b e   c o n s i de r e a s   a   B e rn o ul l i   t ri a l .   T h e   pr o b a b i l i t y   of   s uc c e s s f ul   t r a n s m i s s i o i f o r w a r d   a nd  r e v e r s e   c h a nn e l s     i s   c o n s i de r e a s   t h e   p r o b a b i l i t y   de n s i t y   f un c t i o (  o f   t h e   t ra n s m i s s i o a t t e m pt s ,   w h i l e   t h e   pr o b a b i l i t y   of   f a i l e t r a n s m i s s i o   c a b e   c o n s i de r e a s   t h e   c o m pl e m e nt a r y   pr o b a b i l i t y   of   :     =       (9)     = 1   (10)     w h e r e      de n o t e s   t h e   de l i v e r y   ra t i o   o f   t h e   f o r w a r d   c h a nn e l ,      de n o t e s   t h e   de l i v e r y   ra t i o   o f   t h e   r e v e r s e   c h a nn e l .   B a s e o t h e   I n f o r m a t i o n   t h e o r y ,   w e   w i l l   t r y   t o   de f i n e   o ur  m e t ri c   ( i n   a   m a t h e m a t i c a l   m e t h o i n s t e a o f   t h e   i nt u i t i o n a l   m e t h o d.   D e pe n d i n o n   t h e   a v e r a ge   a m o u n t   o f   i n f o r m a t i o n   c o nt e nt s   o b t a i n e f r o m     a n ,   w e   de f i n e   t h e     a s   f o l l ow s :     = 1 + × × 2 ( )   (11)     =   (12)     =  10 ( 2 )  10 ( )   (13)     It   i s   w o r t n o t i n g   t ha t   t h e   v a l ue   o f     i s   a l w a y s   n e ga t i v e   a n d   t he   v a l ue   o f     i s   a l w a y s   po s i t i v e .   W h e n   t h e   v a l ue   o f     i n c r e a s e s   o n   a   po s i t i v e   s i de ,   t h e   v a l ue   o f     de c r e a s e s   o a   n e g a t i v e   s i de .   W i t t h i s   c o n t e xt ,   t h e   pr o duc t   o f   t h e m   i s   r o ug hl y   e qua l   t o   - 1.   Co n s e que nt l y ,   t h e   e qua t i o n   o f     c a n   b e   m a t h e m a t i c a l l y   e xpr e s s e a s :     = 1 2 ( )   (14)     By   ob s e r v i n g   F i gu r e   5 ,   w e   c a n o t e   t ha t   t h e   b e ha v i o o   m e t r i c   i s   m o s t l y   e qua l   t o   t h e   b e h a v i o r   o f   t h e   e xpe c t e t ra n s m i s s i o c o un t   (  m e t ri c   o v e r   t he   v a l ue s   o f   t h e   p r o b a b i l i t y   of   de l i v e r y   r a t i o ( ).   A l s o ,   w e   c a n o t e   t h a t     m e t ri c   c u r v e   i s   s l o w l y   c h a n ge d   w h e t h e   l i n k   v a r i a b i l i t y   a t   a   hi g l e v e l ,   w h i l e   t h e   b a s i c      i s   d ra m a t i c a l l y   c ha n ge d.   A c c o r di n g l y ,   t he   b i t s   t h a t   a r e   n e e de f o r   r e p r e s e n t i n g   t h e     v a l ue s   w i l l   b e   l e s s   t ha n   t h e s e   b i t s   f o r   b a s i c      m e t ri c   v a l ue s ,   a n t h us   i t   r e duc e s   t h e   s i z e   o f   t h e   c o n t r o l   m e s s a ge s   t ha t   c o n v e y   t h e s e   v a l ue s .     w i l l   de c r e a s e   t h e   c o n s u m pt i o a m o u n t   o f   n e t w o r r e s o ur c e s   s uc h   a s   b a n dw i dt h,   e n e r gy ,   m e m o r y ,   a n o v e r h e a d.   T h i s   w i l l   ha v e   a   s i gn i f i c a nt   po s i t i v e   i m pa c t ,   e s pe c i a l l y   i n e t w o r ks   t h a t   s uf fe r   f r o m   a   l a c o f   r e s o ur c e s   s uc h   a s   w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r ks   [42 43] .   I w i r e l e s s   s e n s o r   n e t w o r ks ,   t h e   s e n s o r   n o de s   a r e   m uc h   m o re   r e s o ur c e - c o n s t r a i n e d.   A s   a   r e s ul t ,   t h e   h e a vy - w e i ght   r o ut i n p r o t o c o l s   a s   t h o s e   u s e i n   o t h e r   n e t w o r ks   m a y   n o t   s ui t a b l e   f o r   us i n t h e m   i n   W S N s .   T h e   l i m i t e c o m m u ni c a t i o n   a nd  c o m put a t i o n a l   r e s o ur c e s   of   t h e   s e n s o r   n o de s   n e e t o   ut i l i z e   t h e   r o u t i ng  p r o t o c o l s   w i t h   m i ni m um   p r o b e   pa c ke t   s i z e ,   e n e r gy   c o n s um pt i o n,   m e m o r y ,   a n o v e rh e a ds .   U A V   c a l c ul a t e s   t h e   pr o b a b i l i t y   of   de l i ve r y   r a t i o   w i t h i n   f i xe s l o t s   w i t h o ut   c o n s i de r a t i o n   o t h e   f l uc t ua t i o n   o f   t h e   c h a nn e l   qu a l i t y   c a us e by   t h e   h i g h   m o b i l i t y   of   U A V s .   In  t e rm s   o f   t h e   r e l i a b i l i t y   c o n c e pt ,     ha s   n o t   ha v e   t h e   c a pa b i l i t y   of   de t e c t i ng   t h e   r e l i a b l e   l i n ks   a pt l y ,   i . e . ,   b ur s t - l o s s   s i t u a t i o n   y e t .   A   r e l i a b l e   l i nk  w i t h i t h e   w i r e l e s s   m u l t i h o n e t w o r ks   w i l l   b e   a   l i n w i t o r de r e d   f o r w a r a n d   r e v e r s e   c ha nn e l s   a s   m uc a s   po s s i b l e .   F o r   e xa m pl e ,   l e t   us   c h e c t h e   v a l ue   o f     a nd      o f   t w o   l i n ks   w i t hi a   n e t w o r k.   T h e   m a i t i m e   w i n do w   b e l o n gi n g   t o   t w o   l i n ks   c o n s i s t s   o f   20  s l o t s .   W h e r e   e a c h   o f   t h e s e   t wo   l i n ks   i n c l ude s   a   f o r w a r a nd  r e v e r s e   c h a nn e l .   T h e   pa t t e rn s   t ha t   t h e s e   c ha nn e l s   l o o k   l i ke   a r e   a s   s h o w n   i F i gu r e s   6   a n 7.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2 021 :     17 71   -   17 8 3     1778       F i gu r e   5 .   R e l a t i o n s h i b e t w e e n   E T X   a n d   M o B X       A l t h o ug h   o f   t h e   di f f e r e n c e s   i n   c ha nn e l   p a t t e rn s   a n t h e i r   f l uc t ua t i o n   i n   t h e   c o n n e c t i v i t y   o n   t h e s e   t w l i n ks ,   t h e   v a l ue s   o f      a n   f o r   b o t h   l i nks   a r e   a n 3   r e s pe c t i v e l y .   A c c o r di ngl y ,   w e   n e e t o   c o m b i n e   a n   a l go r i t h m   t o   t h e   a v a i l a b l e   r o ut i ng  p r o t o c o l s   of   F A N E T s   i n   o r de r   t o   e n a b l e   t h e m   t o   de t e c t   t h e   l i nk’s   f l uc t ua t i o n s .   T h i s   a l go r i t hm   w i l l   i n c r e a s e   t h e   v a l ue   o f     f o r   t h e   l i nks   w i t h   h i g h   di s o r de r e d ,   a nd  t hus   e n a b l e s     m e t r i c   t o   s e l e c t   t h e   l i n ks   w i t h   hi g r e l i a b i l i t y .         (a )       (b )     F i gu r e   6 .   F o r w a r d   a n d   r e v e r s e   c ha nn e l s   f o r   t h e   f i r s t   l i nk   ( a F o r w a r d   c ha nn e l (b R e v e r s e   c h a nn e l           (a )       (b     F i gu r e   7 .   F o r w a r d   a n d   r e v e r s e   c ha nn e l s   f o r   t h e   s e c o n l i n k   ( a F o r w a r d   c ha nn e l (b R e v e r s e   c h a nn e l     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2502 - 4752       R e l i ab i l i t y - bas e d   r ou t i ng   m e t r i c   f or   U A V s   ne t w or k s   ( Mus aab   Moham m e J as i m )   1779   By   us i n o ur   a l go r i t hm   i n   F i gu r e   8 ,   t h e   m a i w i n do w   t i m e   w i l l   b e   di v i de i nt o   s ub - w i n do w s   w i t h   a   c h a nge a b l e   w i dt h .   T h e   w i dt h   o f   t h i s   s ub - w i n do w s   de p e n d s   o n   t h e   qua n t i t y   o i n f o r m a t i o n   ge t t i n f r o m   de l i v e r y   r a t i o s   o f   s u c c e s s f ul   pr o b e   pa c ke t s .   W h e n e v e r   t h i s   i nfo r m a t i o n   v a l ue   e xc e e ds   a   pr e de f i n e t hr e s h o l d ,   t h e   n e w   s ub - w i n do w   i s   c r e a t e a n d   n e w   i n f o r m a t i o n   i s   c a l c ul a t e d.   T h e   t hr e s h o l r e p r e s e n t s   t h e   a c c e pt a b l e   di s o r de w i t hi n   t h e   s ub - w i n do w .   A t   t h e   e n o f   t h e   m a i n   w i n do w   t i m e ,   t h e   a v e r a ge   of   t h e s e   pr o b a b i l i t i e s   (ra t i o s i s   c o m put e d.   D e pe n di ng  o n   t h e   a v e r a ge   p r o b a b i l i t i e s   fo r   b o t h   fo r w a r a n r e v e r s e   c h a nn e l s   t h a t   U A V s   h a v e   c a l c ul a t e d ,   t h e   v a l ue   o f     f o r   t h e   n e t w o r l i nks   w i l l   b e   de f i n e a s   m e n t i o n e i n   ( 14).   By   us i n t hr e s h o l e qua l s   t o   0. 2,   t h e   v a l ue s   o f     of   t h e   t w o   l i n ks   f r o m   t h e   p r e v i o us   e xa m pl e   w i l l   b e   a bo ut   a n r e s pe c t i v e l y .   T h us ,   i n c r e a s i ng  t h e   f l uc t ua t i o n s   i l i n ks   b e t w e e n   U A V s ,   i n c r e a s i n g   t h e   v a l ue   o f   .           F i gu r e   8 .   A l go r i t hm   f o r   M o B X       4.   EX P ER I M EN TS   A N D   R ES U L TS   T o   e v a l ua t e   t h e   pe r f o r m a n c e   o f     m e t r i c ,   w e   us e N S s i m ul a t o r.   W e   c o m pa r e o ur   m e t r i c     w i t    m e t ri c   i t w o   m o b i l i t y   v a l ue s   i t e r m s   o f   t hr o ughput   a n d   a v e r a ge   pa c ke t   de l a y   ove r   a   s i m ul a t i o n   t i m e   e qua l s   t o   100   s e c .   T h e   s i m ul a t i o n   w a s   pe r f o r m e o n   a   1000  500   m   f i e l of   25  U A V s .   E a c h   U A V   i s   pr ov i de w i t h   a n   o m n i di r e c t i o na l   a n t e nna   (O m ni A nt e nna ) ,   w h i c h   c o n f o r m s   t o   IE E E   802 . 11 .   T h us ,   e a c h   U A V   h a s   a   r a n ge   o f   25 0   m   i n   t h e   a b s e n c e   of   ob s t a c l e s   a n a   n o m i n a l   b a n dw i dt h   o f   20   M b ps .   T h e   t w o - ra y   gr o un m o de l   i s   t h e   ra di o   p r o pa ga t i o n   m o de l   t h a t   i s   us e i n   o u r   s i m ul a t i o n .   U A V s   e xc h a n ge   p r o be   pa c ke t s   a f t e r   b e i ng  i ni t i a t e a n us e s   CB R   t r a f f i c   a s   s o ur c e   t r a f f i c .   In   a dd i t i o n   t o   t h e   de l i v e r y   r a t i o s   t ha t   a r e   c a rri e by   t h e   p r o b e ,   e a c h   p r o b e   w i l l   c o n t a i t h e   po s i t i o n   i n f o r m a t i o t o o .   E a c h   s o u r c e   s e n ds   o ut   p a c ke t s   w i t h   a   s i z e   o f   512  by t e s .   In   o ur   s i m u l a t i o n,   e a c h   U A V   h a s   a   p r i o r i t y   que ue   w i t h   a   m a xi m u m   c a pa c i t y   of   50   pa c ke t s ,   w h i c g i v e s   pr i o r i t y   t o   r o ut i n g   p r o t o c o l   pa c ke t s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   21 ,   N o .   3 M a r c 2 021 :     17 71   -   17 8 3     1780   In  o ur   s i m u l a t i o n ,   t h e   m o b i l i t y   m o de l   us e i s   a   R a ndo m   W a y po i n t   m o de l   w i t h   t w o   m a xi m um   s pe e v a l ue s :   1   e qua l s   t o   25   m / s e c ,   a n d   2   e qu a l s   t o   5 0   m \ s e c .   T h e   U A V s   a r e   i ni t i a l l y   pl a c e a t   ra n do m   po s i t i o n s   e xc e pt   f o r   t h e   s e n de r s   a nd  r e c e i v e r s ,   w h i c i ni t i a l   w i t h   f i xe po s i t i o n s   a t   t h e   e dge   o f   t h e   s i m u l a t i o n   a r e a   a n i n   t h e   o ppo s i t e   di r e c t i o n.   T h e   a i m   o f   t h e   r e s i de n c e   t h e   s e n de r s   a n r e c e i v e r s   a t   t h e   e dge   i s   t o   m a ke   t h e   c o n t r o l   m e s s a ge   a n d a t a   pa c ke t   c i r c ul a t e   o ve r   t h e   l a rge s t   po s s i b l e   n um b e r   o f   i nt e rm e di a t e   n o de s .   It ' s   w o r t h   n o t i n t ha t   a l l   r e s ul t s   o f   o ur   s i m u l a t i o n   a r e   t h e   c um ul a t i v e   r e s ul t s   o f   t h e s e   t w o   s e n de r s   a n r e c e i v e r s .   E s t a b l i s h e l i n ks   s h o ul b e   a s   r e l i a b l e   a s   po s s i b l e   t o   a vo i da t a   pa c ke t   l o s s   a n t h us   de c r e a s i ng  i n   t hr o ug h pu t   a n i n c r e a s i n de l a y .   T hi s   m e a n s   t ha t   m a i n t a i ni n g   a n d   s e n s i n g   t h e   l i n s h o ul b e   r o b us t   a g a i n s t   b ur s t   l o s s   o r   t h e   t ra n s i e n t   c o nn e c t i v i t y   be t w e e n   U A V s   i a   n e t w o r k.   A   l i n k - s t a t e   r o ut i ng  p r o t o c o l   s uc h   a s   O L S R   t r i e s   t o   de t e c t   t h e   t ra n s i e n t   c o nn e c t i v i t y   a m o n t h e   n o de s   by   us i n t h e   l i n h y s t e r e s i s   t e c hni que s .   H ow e ve r ,   t h e   h y s t e r e s i s   t e c hn i q ue   p r o v i de s   a   m o r e   r o b us t   l i n s e n s i n a t   t h e   c o s t   o f   m o r e   de l a y   b e fo r e   e s t a b l i s hi n g   l i nks .   F o r   t h e   d i s t a n c e   v e c t o r   r o ut i n p r o t o c o l s   s uc h   a s   A O D V ,   t h e r e   i s   n o   t e c h n o l o g y   i s   us e t o   pr o v i de   r o b us t   l i n ks .   E v e n   i f   t h e   A O D V   c o n c e r n s   t h e   l i n qu a l i t y   b us i n t h e      m e t ri c   i n s t e a o f   t h e   h o c o un t   m e t ri c ,   i t   w i l l   r e m a i u na b l e   t o   c a pt u r e   t h e   t ra n s i e n t   c o n n e c t i v i t y .   T h e     m e t ri c   e na b l e s   A O D V   r o ut i n p r o t o c o l   f r o m   de t e c t i n g   t h e   di s t ri b ut i o p a t t e rn  of  r e c e i v i n p r o b e   pa c ke t s   ov e r   a   t i m e   w i n do w   a n i n c r e a s e s   t h e   qua l i t y   m e t ri c   v a l ue   fo r   t h e s e   l i n ks   t h a t   h a s   i rr e gul a di s t ri b ut i o n   e v e n   i f   t h e s e   l i n ks   ha v e   t h e   s a m e    .   B y   i n c r e a s i n t h e   m o b i l i t y   v a l ue ,   t h e   di s o r de r   o t h e   pa t t e rn   i s   g r o w n   a n t h us   t h e   qua l i t y   of   r o ut i n m e t ri c s   de c r e a s e a n i t s   e f fe c t i ve n e s s .   H ow e v e r ,     pr o v i de s   a n   o b s e r v e h i g pe r f o r m a n c e   o v e r   t h    m e t r i c   w h e w i t h   t h e   s e c o n m o b i l i t y   2   i s   a pp l i e d .   O ff e r   gua ra n t e e s   t o   a pp l i c a t i o c o n c e rn i ng  t h e   t i m e   t a ke n   t o   t ra n s f e r   da t a   pa c ke t s   f r o m   s o ur c e   t de s t i na t i o i s   o n e   o f   t h e   m a i n   p u r po s e s   of   a l l   r o ut i n g   p r o t o c o l s .   It   i s   v e r y   i m po r t a nt   t o   c o n s i de r   t h e   c a p a c i t y   of   t h e   r o ut i n g   p r o t o c o l   t o   t ra n s m i t   da t a   p a c ke t s   f r o m   t h e   s o urc e   t o   t h e   de s i r e de s t i na t i o n o de   w h e n   w e   w a n t   t o   e v a l ua t e   t h e   pe r f o r m a n c e   of   t hi s   p r o t o c o l .   W e   c a n   de f i ne   t h e   t hr o ug h pu t   a s   t h e   num b e r   o f   s uc c e s s f ul l y   r e c e i v e pa c ke t s   i n   a   u ni t   of  t i m e .     f o r   m a n y   r e a s o n s   w e   m e n t i o n e b e f o r e   w i l l   p r o v i de   a   h i g h e t hr o ughput   t ha t h e      i b o t m o b i l i t y   v a l ue s   a s   s h o w n   i F i g ur e   9.           F i gu r e   9 .   T hr o ug h put   c o m pa ri s o n       In de e d,   o n e   o t h e   m a i n   pu rpo s e s   of  a l l   r o ut i n p r o t o c o l s   i s   t offe r   gua r a nt e e s   t o   a ppl i c a t i o n   c o n c e r ni n t h e   t i m e   t a ke n   t o   t ra n s f e r   da t a   pa c ke t s   f r o m   s o ur c e   t o   de s t i n a t i o n .   T h us ,   w e   t r y   t o   e v a l ua t e   t h e   de l a y   pa r a m e t e f o r   t h e   A O D V   p r o t o c o l   w i t h :     a n d      m e t r i c s   a n d   c o m pa r e   t h e   r e s ul t s   w h e n   w e   ut i l i z e   t h e   t w o   m o b i l i t y   v a l ue s   ( 1   a nd  2 ).   I n de e d,   t h e   de l a y   pa ra m e t e g i v e s   t h e   a v e ra ge   t i m e   n e c e s s a r y   t o   t r a n s f e r   a   pa c ke t   f r o m   s o ur c e   n o de   t de s t i n a t i o n.   It   i s   w o r t h   n o t i n t ha t   t h e   m o r e   s pr e a o ut   t h e   U A V s   a r e ,   t h e   l o w e r   t h e   po s s i b i l i t y   o f i n di n a   r o ut e .   W e   c a n   n o t e   f r o m   F i gur e   10  t ha t   t h e   a v e r a ge   de l a y s   i n   t h e s e   t w m e t r i c s   a r e   c l o s e   t o   e a c h   o t h e r   u nt i l   t h e   s e c o n 20.   W h e n   t h e   U A V s   b e gi n   t o   m ov e   a   f a r   f r o m   e a c h   o t h e a nd  t h e   po s s i b i l i t y   of   e s t a b l i s h i n g   a   r o b us t   r o ut e   i s   de c r e a s e d,   t h e   a v e r a ge   de l a y   w i l l   i n c r e a s e   i    m e t r i c s   m o r e   t h a t h e     m e t r i c .   T h e   m a i r e a s o n   b e h i nd  t he   r e s ul t s   t ha t   h a v e   b e e n   go t ,   i s   t h e      s e l e c t i o n   of   t h e   l i n ks   w i t h   t h e   l o w e s t   r e l i a b i l i t y ,   w h i c h   t h e r e f o r e   r e s ul t   t o   n e e for   a dd i t i o n a l   t i m e   f o r   l a u n c h i ng  a   n e w   r o ut e   di s c o ve r y   a n d   r e t r a n s m i s s i o n   l o s s   pa c ke t s .   M o s t   of   t h e   U A V s   a r e   L i - i o po w e r e t h a t   ha s   i na de qua t e   b a t t e r y   l i f e t i m e   a nd  v e r y   l i t t l e   pa y l o a d   po t e n t i a l .   A c c o r di n g l y ,   pow e r   i s   o n e   o f   t h e   o t h e r   ke y   i s s ue s   i n   t h e   u nm a nn e d   a e r i a l   v e h i c l e   c o m m u n i c a t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.