LINE EW-UAS link and network performance : passive performance analysis from the November 2015 flights

Abstract

The communication capacity needs in the Norwegian Armed Forces (NAF) will increase in the coming years. Radios with high capacity often have strict requirements for Line-of-Sight (LoS). Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) can mitigate this increased LoS requirement, and UAVs with varying levels of autonomy will be developed. Autonomy for UAVs tailored for communication purposes requires an intimate understanding of the behavior of networks with UAVs. Range limitations, signal propagation behavior, antenna radiation patterns, Medium Access Control (MAC) technology, mobility patterns and network dynamics will, both by themselves and combined, be factors that can make a large impact on the performance of UAV-enabled networks. Therefore it is necessary to experiment with real UAVs that communicate using real radio equipment in real usage conditions. This report presents the passive network performance analysis of the sensor network during the experiment Light Navigation-radar ESM Electronic Warfare Unmanned Aircraft System (LINE EW-UAS) on November 5, 2015 at Ørland. In this experiment, two Penguin B fixed wing UAVs flew west of Ørland airbase. The UAVs had sensors to geo-locate a ship’s X-band navigation radar, and by using military broadband radios they transmitted sensor information to the Ground Control Station (GCS). This information was further automatically relayed to an operational analysis cell at FFI Kjeller. This report focuses on the radio network between the two UAVs and the GCS. Specifically, we address the following questions: • What is the performance of the employed radios in UAV-to-ground communication? • Can we confirm that there are antenna radiation challenges in UAV-to-ground communication? • Are there other lessons learned from this first FFI communications experiment on UAV-toground communication? Based on passive packet logging of the application data, the results from the experiment were divided into phases, based on the set radio link bit rate (1024 kbps and 128 kbps) and the mobility patterns of the two UAVs. The number of sent, received, forwarded and duplicated packets are discussed for each phase, and by using the mobility patterns we are able to evaluate the link performance with regard to the platform position and attitude. The results show a difference between the links UAV1-GCS and UAV2-GCS, with much better performance for UAV2-GCS compared to the former. Measures for the performance are in this report packet loss, forwards, duplicates and delay. Further, the Kongsberg Defence and Communications (KDC) TacLAN radios produced a lot of duplicate packets, probably caused by a bug in the radios’ MAC implementation. We confirmed that there are antenna radiation challenges in the UAV-to-ground communication. In this respect we also see benefits of forwarding using a dynamic ad hoc network. There were also both pros and cons when using only user application traffic to measure the link and network performance. Range, coverage and LoS challenges in various terrain and environments should be tested in further work, in addition to link rate experiments.

Behovet for kommunikasjonskapasitet i Forsvaret øker i årene fremover. Radioer med høy kapasitet har ofte sterke krav til frisikt. Unmanned Aerial Vehicles (UAV-er) kan avhjelpe dette økte behovet for frisikt-kommunikasjon, og UAVer med varierende grad av autonomi kommer til å bli utviklet. Å støtte utvikling av autonomi for UAVer skreddersydd for kommunikasjonsformål krever en inngående kjennskap til hvordan nettverk med UAV-er oppfører seg. Faktorer som rekkeviddebegrensninger, signalpropagasjon, antennestråling, teknologi for medium aksess kontroll, mobilitetsmønstre og nettverksdynamikk vil, både alene og kombinert, kunne ha stor innvirkning på ytelsen til UAVstøttede nettverk. Derfor er det nødvendig å eksperimentere med faktiske UAV-er som bruker virkelig radioutstyr i reell bruk. Denne rapporten presenterer passiv nettverksytelsesanalyse av sensornettverket som ble etablert og brukt i eksperimentet Light Navigation-radar ESM Electronic Warfare Unmanned Aircraft System (LINE EW-UAS) 5. november 2015 på Ørland. I dette eksperimentet fløy to Penguin B fixed-wing UAV-er vest for Ørland flystasjon. UAV-ene hadde sensorer ombord for å geo-lokalisere et skips X-bånd navigasjonsradar, og ved bruk av militære bredbåndsradioer sendte de sensorinformasjon til bakkestasjonen. Informasjonen ble videresendt automatisk til en analysecelle på FFI Kjeller. Denne rapporten fokuserer på radionettverket mellom de to UAV-ene og bakkestasjonen. Spesifikt tar vi for oss følgende spørsmål: • Hva er ytelsen til radiosystemet når det brukes i UAV-til-bakke-kommunikasjon? • Kan vi bekrefte at det eksisterer antennestrålingsutfordringer i forbindelse med UAV-til-bakkekommunikasjon? • Finnes det andre erfaringer fra dette første FFI-kommunikasjonseksperimentet på UAV-tilbakke- kommunikasjon? Basert på passiv pakkelogging av applikasjonsdata deler vi resultatene fra eksperimentet inn i faser etter radiolink-datarate (1024 kbps og 128 kbps) og mobilitetsmønstrene til de to UAV-ene. Antallet sendte, mottatte, videresendte og duplikerte pakker evalueres for hver fase, og mobilitetsmønstrene blir utnyttet for å evaluere linkytelsen med hensyn på plattformenes posisjon og stilling i rommet. Resultatene viser en forskjell mellom linkene UAV1-Ground Control Station (GCS) and UAV2- GCS, med mye bedre ytelse for UAV2-GCS sammenlignet med den andre. Mål på ytelse i denne forbindelse er pakketap, videresending, duplikater og forsinkelse. Videre produserte Kongsberg Defence and Communications (KDC) TacLAN-radioene mange duplikatpakker, sannsynligvis forårsaket av en feil i radioenes implementasjon av medium aksess kontroll. Vi fikk bekreftet at det er antennestrålingsutfordringer i kommunikasjonen mellom UAV og bakke. I dette henseendet ser vi også fordelen av videresending gjennom bruk av et dynamisk ad hoc-nettverk. Vi identifiserte også fordeler og ulemper ved å kun bruke brukerapplikasjonstrafikk for å måle nettverksytelsen. Av videre arbeid ser vi behov for å undersøke rekkevidde, dekning og Line-of-Sight (LoS)- utfordringer i forskjellig terreng og omgivelser, i tillegg til kapasitetsytelsesmålinger.