Study of wireless communication links in the C-band and S-band for V-BAT type UAVs

Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become important assets in modern military operations, providing Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance (ISR) capabilities while reducing operational risk to personnel. The effectiveness of these systems depends strongly on the reliability and resilience of their communication links, which support both Command and Control (C2) and payload data transmission. This thesis examines the wireless communication links and network architectures used in tactical UAV systems, with emphasis on S-band and C-band frequencies used for line-of-sight UAV communication. The study analyzes the communication requirements of UAV operations, the propagation characteristics of these frequency bands, and the network architectures that enable reliable connectivity between the UAV and the Ground Control Station. Key communication technologies examined include wireless mesh networks, Mobile Ad Hoc Networks (MANET), and phased-array radio systems, with particular emphasis on directional beamforming techniques that enhance link reliability and improve resistance to interference. The V-BAT Vertical Take-Off and Landing (VTOL) UAV is used as a representative case study to illustrate how these communication technologies are implemented in practical UAV communication architectures. Finally, the thesis examines electronic warfare threats affecting UAV communication systems, including jamming, interception, and spoofing, and discusses mechanisms that improve communication resilience in contested electromagnetic environments.

Τα Μη Επανδρωμένα Αεροχήματα (ΜΕΑ) αποτελούν πλέον βασικό πλεονέκτημα στις σύγχρονες στρατιωτικές επιχειρήσεις, παρέχοντας δυνατότητες Πληροφοριών, Επιτήρησης και Αναγνώρισης (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance - ISR), ενώ παράλληλα μειώνουν τον επιχειρησιακό κίνδυνο για το προσωπικό. Η αποτελεσματικότητα των συστημάτων αυτών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα των επικοινωνιακών τους ζεύξεων, οι οποίες υποστηρίζουν τόσο τις λειτουργίες Διοίκησης και Ελέγχου (Command and Control -C2) όσο και τη μετάδοση δεδομένων από τα ωφέλιμα φορτία. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τις ασύρματες επικοινωνιακές ζεύξεις και τις αρχιτεκτονικές δικτύων που χρησιμοποιούνται στα τακτικά ΜΕΑ, με έμφαση στις συχνοτικές ζώνες S-band και C-band, οι οποίες χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες οπτικής επαφής (Line-of-Sight -LOS) μεταξύ του ΜΕΑ και του επίγειου σταθμού ελέγχου. Αναλύονται οι επικοινωνιακές απαιτήσεις των επιχειρήσεων ΜΕΑ, τα χαρακτηριστικά διάδοσης των συγκεκριμένων συχνοτικών ζωνών, καθώς και οι αρχιτεκτονικές δικτύων που εξασφαλίζουν αξιόπιστη συνδεσιμότητα μεταξύ του αεροχήματος και του Σταθμού Ελέγχου Εδάφους (Ground Control Station - GCS). Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας, όπως τα ασύρματα δίκτυα πλέγματος (Wireless Mesh Networks - WMNs), τα Κινητά Ad Hoc Δίκτυα (Mobile Ad Hoc Networks -MANETs) και τα συστήματα ασυρμάτων phased-array, με ιδιαίτερη έμφαση στις τεχνικές κατευθυντικής διαμόρφωσης δέσμης (beamforming), οι οποίες ενισχύουν την αξιοπιστία της ζεύξης και βελτιώνουν την ανθεκτικότητα στις παρεμβολές. Το UAV V-BAT κάθετης απογείωσης και προσγείωσης χρησιμοποιείται ως μελέτη περίπτωσης για να καταδείξει τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι τεχνολογίες επικοινωνίας υλοποιούνται σε πρακτικές αρχιτεκτονικές επικοινωνίας UAV. Τέλος, η εργασία εξετάζει τις απειλές ηλεκτρονικού πολέμου που επηρεάζουν τα συστήματα επικοινωνιών των UAV, όπως οι παρεμβολές (jamming), η υποκλοπή (interception) και η παραποίηση σημάτων (spoofing), και παρουσιάζει μηχανισμούς που βελτιώνουν την ανθεκτικότητα της επικοινωνίας σε περιβάλλοντα με ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.