Service- centric UAV edge systems: design and field validation

Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have experienced rapid adoption across multipledomains; however, most existing systems remain monolithic, mission-specificand tightly coupled to the aircraft itself. Traditional deployments typically relyon isolated platforms, manual piloting and application-specific configurations,limiting scalability and interoperability. As the demand for complex, large-scaleand data-driven services increases, there is a clear shift toward integrating UAVsinto broader distributed ecosystems where they operate as service providersrather than standalone assets. This transition introduces significant challenges,including reliable connectivity in remote or infrastructure-poor environments, efficient management of distributed UAV fleets and applications and the needfor seamless orchestration across heterogeneous network and computing layers. Addressing these challenges requires a paradigm shift from UAV-centric designto service-centric, ecosystem-driven architectures. This thesis addresses this gap by proposing and engineering a service-centric UAV edge system, transforming conventional UAVs into autonomous, network aware and computationally capable edge nodes. The main objective is to enableUAVs to execute application-level services, while being abstracted from low-levelflight operations. To achieve this, the work integrates hardware and software components, including onboard computing platforms, adaptive communication subsystems (4G/5G, NB-IoT and satellite links) and lightweight container orchestration mechanisms. Particular emphasis is placed on hardware integration, including power management, communication modules and autopilot–companion computer interaction. The thesis further introduces a unified software stack enabling containerized service execution, mission-aware control and network adaptives cheduling. The proposed system evolves UAVs into components of adistributed ecosystem capable of supporting autonomous service deployment and execution.The proposed architecture is validated through extensive laboratory and real-world field trials, focusing on both system performance and operational feasibility. Experimental evaluations include autonomous inspection missions, edge processing services and communication performance analysis under differentnet work conditions. Special emphasis is given to the use of terrestrial and satellite Narrowband IoT (NB-IoT) as a novel alternative for UAV communications in remote areas, enabling store-and-forward data transmission and energy efficient connectivity. Additionally, advanced networking concepts such as aerial relay nodes and hybrid communication architectures are experimentally assessed, demonstrating the feasibility of maintaining connectivity in underserved environments. These trials provide quantitative insights into power consumption, latency, throughput and system stability, validating the practical applicabilityof the proposed approach. The thesis is organized as follows. Chapter 1 introduces the motivation andcontributions. Chapter 2 reviews background and related work. Chapter 3 presents the UAV edge node system and architecture. Chapter 4 details theconnectivity layer evaluation. Chapter 5 describes the cloud–fog–edge ecosystem.Chapter 6 presents the field trial validation. Chapter 7 concludes with limitationsand future research directions.

Τα Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) έχουν σημειώσει ραγδαία ανάπτυξη και εφαρμογή σε πολλαπλούς τομείς τα τελευταία χρόνια. Ωστόσο, τα περισσότερα υφιστάμενα συστήματα παραμένουν μονολιθικά, προσανατολισμένα σε συγκεκριμένες και περιορισμένες αποστολές, καθώς και στενά συνδεδεμένα με το ίδιο το αεροσκάφος και τις λειτουργίες πτήσης του. Οι παραδοσιακές υλοποιήσεις βασίζονται συνήθως σε απομονωμένες πλατφόρμες, χειροκίνητο έλεγχο και συγκεκριμένες εφαρμογές, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους και τη διαλειτουργικότητά τους με άλλες τεχνολογίες. Καθώς οι ανάγκες για σύνθετες και μεγάλης κλίμακας αυτόνομες υπηρεσίες γίνονται ολοένα και πιο επιτακτικές, η μετάβαση προς την ενσωμάτωση των ΣμηΕΑ σε ευρύτερα κατανεμημένα οικοσυστήματα, όπου λειτουργούν ως πάροχοι υπηρεσιών και όχι ως αυτόνομες μονάδες, είναι αναπόφευκτη. Παρ΄ όλα αυτά, η μετάβαση αυτή εισάγει σημαντικές προκλήσεις, όπως είναι η αξιόπιστη συνδεσιμότητα σε απομακρυσμένες περιοχές, η αποδοτική διαχείριση κατανεμημένων αεροσκαφών και εφαρμογών, η περιορισμένη δυνατότητα των μικρών αεροσκαφών για μεταφορά φορτίου και παροχή ενέργειας, καθώς και η διαχείριση εφαρμογών μεταξύ ετερογενών επιπέδων δικτύου και υπολογιστικών πόρων. Η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων απαιτεί την μετακίνηση από τον σχεδιασμό με επίκεντρο τα αεροσκάφη, σε αρχιτεκτονικές με επίκεντρο την υπηρεσία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή καλύπτει αυτό το κενό προτείνοντας και υλοποιώντας ένα υπηρεσιοκεντρικό σύστημα μη επανδρωμένων ιπτάμενων οχημάτων στο άκρο του δικτύου, μετατρέποντας τα συμβατικά ΣμηΕΑ σε αυτόνομους κόμβους δικτύου, με δυνατότητες υπολογιστικής ισχύος και εκτέλεσης εφαρμογών. Τελικός στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός δυναμικού και επεκτάσιμου οικοσυστήματος, το οποίο θα υποστηρίζει την αυτόνομη παροχή υπηρεσιών μέσωεφαρμογών που εκτελούνται σε ΣμηΕΑ, ενώ παράλληλα θα προσαρμόζεται καιθα εξελίσσεται δυναμικά. Για την ανάπτυξη αυτού του συστήματος, η εργασίαενσωματώνει τόσο υλικό όσο και λογισμικό, όπως μικρουπολογιστές συνδεδεμένους στο αεροσκάφος, ετερογενή δίκτυα επικοινωνίας (π.χ. κυψελωτά, επίγειακαι δορυφορικά δίκτυα στενού εύρους) και μηχανισμούς διαχείρισης εφαρμογών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη του υλικού και στη βελτιστοποίηση τωνσυστημάτων του αεροσκάφους με βάση κρίσιμα χαρακτηριστικά, όπως η πτητική ικανότητα, η περιορισμένη διαθέσιμη ισχύς, η σύνδεση με το διαδίκτυο και η συνεργασία αυτόματου πιλότου και ενσωματωμένου μικροϋπολογιστή. Επιπλέον, προτείνεται μια πρότυπη στοίβα λογισμικού που επιτρέπει τη διαχείριση και εκτέλεσηεφαρμογών, αλλά και τον έλεγχο πτήσης του αεροσκάφους, υπό ετερογενή δίκτυα. Το προτεινόμενο σύστημα εξελίσσει τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη σε στοιχεία ενός κατανεμημένου οικοσυστήματος, ικανού να υποστηρίζει αυτόνομη ανάπτυξη και εκτέλεση υπηρεσιών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική αξιολογείται και επαληθεύεται μέσω εργαστηριακών δοκιμών και δοκιμών πεδίου, κάτω από πραγματικές συνθήκες. Οι πειραματικές αξιολογήσεις περιλαμβάνουν αυτόνομες υπηρεσίες που εκτελούνται απότα μη επανδρωμένα αεροσκάφη, καθώς και από σμήνη αυτών, επεξεργασία δεδομένων που λαμβάνει χώρα σε διαφορετικά μέρη του συστήματος (ακόμα και στοίδιο το αεροσκάφος), καθώς και ανάλυση διαφορετικών μεθόδων επικοινωνιών, υπό διαφορετικές δικτυακές και επιχειρησιακές συνθήκες. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεταιστη χρήση επίγειου και δορυφορικού δικτύου στενής ζώνης, προσαρμοσμένο γιασυσκευές ΙοΤ (ΝΒ-ΙοΤ) ως μια νέα εναλλακτική λύση για επικοινωνίες ΣμηΕΑσε απομακρυσμένες περιοχές, εφαρμόζοντας μηχανισμούς ¨αποθήκευσης και επα-ναπροώθησης’ και ενεργειακά αποδοτική μετάδοση δεδομένων. Επιπλέον, άλλες λύσεις επικοινωνιών, όπως εναέριοι κόμβοι αναμετάδοσης σήματος και υβριδικές αρχιτεκτονικές επικοινωνίας, αξιολογούνται πειραματικά, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα διατήρησης συνδεσιμότητας σε περιοχές με περιορισμένη υποδομή. Τα αποτελέσματα των δοκιμών παρέχουν ποσοτικά στοιχεία σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας, την καθυστέρηση, το ρυθμό μετάδοσης και τη σταθερότητατου συστήματος, επιβεβαιώνοντας την πρακτική εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης προσέγγισης. Η διατριβή οργανώνεται ως εξής. Το Κεφάλαιο 1 εισάγει τον αναγνώστη στο θέμα και παρουσιάζει τα κίνητρα και τις βασικές συνεισφορές της εργασίας. ΤοΚεφάλαιο 2 παρουσιάζει τα θεμέλια των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στην εργασία αυτή, καθώς και το υπόβαθρο της σχετικής έρευνας μέσα από τη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Το Κεφάλαιο 3 περιγράφει τη μετατροπή ενός συμβατικού μη επανδρωμένου αεροσκάφους σε κόμβο δικτύου με υπολογιστική ισχύ. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει το τηλεπικοινωνιακό μέρος του συστήματος και αξιολογεί τις επιδόσεις του. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την αρχιτεκτονική και ανάπτυξη του ευρύτερου οικοσυστήματος για τη δυναμική και αυτόνομη διαχείριση εφαρμογών. Το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει και αναλύει τις δοκιμές πεδίου, οι οποίες επαληθεύουν το οικοσύστημα που αναπτύχθηκε και τέλος, το Κεφάλαιο 7 συνοψίζει τα συμπεράσματα και τα αποτελέσματα της εργασίας, παραθέτει τους περιορισμούς του συστήματος που αναπτύχθηκε και προτείνει μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.