Самоорганизираща се мрежа на рояк дронове

Какво е самоорганизираща се мрежа на рояк дронове?

Drone Swarm Self-Organizing Network е нова и ефективна технология за решение за множество дронове и множество наземни контролни станции.

Рояк от дронове е самоорганизираща се мрежа, в която всеки дрон е едновременно предавател и приемник и може също да служи като ретранслатор за предавания от други дронове.

Swarm дрон самоорганизираща се мрежа означава, че в тази мрежа, всеки дрон е предавател и приемник, и може да служи и като реле за предаване от други дронове.

В тази мрежа няма централен контролен възел, и всеки възел е равен. Това е децентрализирана мрежа. Когато дрон лети твърде далеч или изгуби сигнал по други причини, той автоматично ще прекъсне връзката с мрежата, и други дронове в мрежата няма да бъдат засегнати. Когато нов дрон лети близо до мрежата, може автоматично да се присъедини към мрежата, когато получи разрешение.

Фонът на самоорганизираща се мрежа от рояк дронове.

С развитието на дрон технологията, комуникационни технологии, и мрежова технология, приложението на дроновете става все по-мащабно. Техните области на приложение се разшириха, за да включват различни военни и граждански сектори, като индустрията, Земеделие, телеметрия, проверка, аварийна реакция, пожарогасене, и военни операции. Във военната сфера, безпилотните летателни бойни платформи са готови да се превърнат в решаваща бойна сила в бъдеще. Очаква се кооперативната борба с множество UAV да бъде значителна тенденция в бойните приложения с дронове, играейки все по-важна роля във войната. Разпределената и децентрализирана IP мрежа, базирани на Ad hoc технология, служи като комуникационна основа за съвместна борба с множество UAV. Тази мрежа може да улесни бързото интерактивно споделяне на информация, позволявайки съвместно възприятие, обработване, вземане на решение, и атакуващи действия, като по този начин значително се повишава жизнеспособността и общата бойна ефективност на дроновете.

Тенденцията на развитие на комуникационните мрежи на UAV ще се основава на технологията Ad hoc като основна мрежова архитектура. САЩ. Министерството на отбраната вече специално разработи тази тенденция на развитие в “Пътна карта за развитие на безпилотни летателни апарати” пуснат още през 2005 и многократно е подчертавал тази тенденция на развитие в следващите издания. Причината, поради която САЩ. военните придават толкова голямо значение на това е, че прилагането на Ad hoc технология може да позволи на множество UAV бързо да образуват разпределен, безцентрово мулти-хоп маршрутизиращо реле самоорганизираща се мрежа със самоорганизация, самовъзстановяване, и високи способности против разрушаване, значително разширява обхвата на откриване на групата UAV, и ефективно подобряване на възможностите за съвместно възприемане и споделяне на информация на групата UAV, като по този начин се подобрява способността за кооперативна обработка, кооперативно вземане на решения, и координирана стачка. САЩ. военната е водеща в приложните изследвания в тази област в продължение на много години. TTNT и неговата опростена еволюционна версия QNT са тактически връзки за данни, базирани на Ad hoc технология и IP архитектура. Те имат превъзходно техническо и тактическо представяне по отношение на мащаба на мрежата, скорост на предаване, забавяне на предаването, скалируемост на мрежата, и против намеса, формиране на силна способност за бойна координация и значително разширяване на бойния стил. Съответната информация показва, че тези два типа връзки за данни са били приложени в координацията на UAV, координация въздух-земя, координация самолет-ракета, координация ракета-ракета, Кацане на X47B, и зареждане с гориво във въздуха на БЛА.

Ad hoc технологията се нарича самоорганизираща се мрежова технология, и мулти-UAV комуникационната мрежа, базирана на тази технология, е известна като UAV самоорганизираща се мрежа. Въпреки почти 20 години изследвания и практика от местни научни изследователи, има малко практични самоорганизиращи се системи за мрежови приложения за UAV. Предизвикателствата са следните:

• на първо място, мрежата има силно динамични разпределени характеристики. Топологията на мрежата се променя постоянно, което поставя значителни предизвикателства за разпределеното разпределение на каналните ресурси и бързото откриване и установяване на маршрути.
• на второ място, има ограничение в ресурсите на безжичните канали. MAC протоколът и протоколът за маршрутизиране трябва да подобрят степента на използване на ресурсите на канала с минимални разходи за контрол, и ефективно поддържа динамично разпределение на ресурсите на безжичния канал, като се има предвид късното влизане и динамичното излизане на възлите.
• трето, осигуряване на предаване на данни Качество на услугата (QoS) е от решаващо значение. Оптимизирането на дизайна на MAC протокола и протокола за маршрутизиране в самоорганизираща се мрежа с множество хопове включва адресиране на различни изисквания за обслужване за забавяне на предаването, скорост на предаване, и честота на грешки при предаване на пакети. Постигането на динамично разпределение на канални ресурси и избор на оптимизация на маршрута на предаване при многопараметрични и многоцелеви условия на оптимизация е предизвикателна задача.
• Последно, сложността на електромагнитната среда при бойни приложения е сериозна загриженост. Особено в среда на електронно противодействие с умишлена намеса, влошаването на качеството на комуникационната връзка значително влияе върху цялостната работа на самоорганизиращата се мрежа на UAV. Това налага комуникационната форма на вълната на физическия слой и MAC протокола на слоя за връзка за данни да могат да се справят с електромагнитни смущения.

Формата на комуникационната вълна обикновено използва технологии против смущения като разширен спектър (скачане на честотата, директно разпространение) или интелигентен избор на честота, заедно със стабилни възможности за кодиране за коригиране на грешки, за да се гарантира качество на комуникационната връзка. Комуникационната форма на вълната на физическия слой трябва да може да открива електромагнитната среда, MAC протоколът трябва да разпознава ресурсите на канала, и протоколът за маршрутизиране трябва да разбира мрежовата топология. Проектиране и внедряване на подходяща технология против смущения, стратегия за разпределение на ресурсите на канала, и стратегията за маршрутизиране, базирана на това разбиране, е от съществено значение.

Ключовите технологии на мрежите за самоорганизиране на дронове трябва да наблегнат на комуникационния мрежов аспект на UAV, с изключение на компонента на задачата за полезен товар на приложния слой.

Първият аспект е технологията против смущения, свързана с комуникационната форма на вълната на физическия слой. За военни приложения на самоорганизиращи се мрежи за UAV, от съществено значение е да се ориентирате в сложни електромагнитни среди, избягвайте смущенията на врага, или смекчаване на отрицателните въздействия на смущенията върху комуникацията, за да се осигури ефективна комуникация. Технологията против смущения в комуникацията включва предимно техники за разширен спектър и методи за адаптивен избор на честота. Разширеният спектър включва традиционни стратегии против смущения, като честотно прескачане, разширен спектър с директна последователност, и се разпространява подскачащо. По същество, честотно прескачане включва всички радиостанции в мрежата, синхронно променящи своята комуникационна носеща честота според предварително определена скачаща последователност, базирана на специфичен псевдослучаен модел, което помага за предотвратяване на прихващане и смущения. Адаптивният избор на честота използва когнитивна радио технология за идентифициране на смущения и оценка на качеството на комуникацията в реално време в определени честотни точки кандидат. Ако текущата честота изпитва смущения и качеството на комуникацията се влошава, той може бързо да превключи към честотата с най-добро качество, без смущения. За самоорганизиращи се мрежови системи, внедряването на високоскоростно широколентово честотно прескачане изисква справяне с предизвикателства като синхронизация на носещата линия, битова синхронизация, и кадрова синхронизация, типична за напълно свързани мрежи, както и постигане на пълна синхронизация на мрежовото време и синхронизиране на шаблона за прескачане на честотата в сценарии с множество прескачания, което е технически предизвикателство. Относно избора на адаптивна честота, определянето как да се оцени качеството на комуникацията на кандидат честотите в реално време и как бързо и синхронно да се прехвърли цялата мрежа към честотата с оптимална комуникационна производителност в случай на смущения са критични технологии, които трябва да бъдат решени преди разгръщането на мрежи за самоорганизиране на дронове във военни приложения.

Вторият аспект е контролът на достъпа до средата (MAC) протокол в рамките на слоя за връзка за данни. В контекста на мрежите за самоорганизиране на дронове, това включва използване на разпределен алгоритъм за бързо и динамично разпределяне на подходящи канални ресурси към всеки възел, без да се разчита на централен координиращ възел. Целта е да се гарантира, че всички възли имат справедлив и ефективен достъп до ограничените ресурси на канала, постигане на цели като ниска латентност, висока надеждност, и висока производителност. Това представлява значително предизвикателство и ключова технология, с която мрежите за самоорганизиране на дронове трябва да се справят.

Третият аспект се отнася до протокола за маршрутизиране на мрежовия слой. Бързото движение на възлите в самоорганизиращите се мрежи на UAV води до постоянни промени в мрежовата топология. Следователно, проектиране на алгоритъм за маршрутизиране, който е бърз, ефикасен, мащабируем, и адаптивността е от съществено значение. Този алгоритъм трябва да притежава характеристики като бърз достъп до мрежата, бързо превключване на маршрута, бърза конвергенция, и минимални разходи за контрол. Преодоляването на тези предизвикателства е жизненоважно за успеха на самоорганизиращите се мрежи за UAV.

Четвърто, Качество на услугата (QOS) технология. Много настоящи самоорганизиращи се мрежови радиостанции са разработени с подход на проектиране на различни слоеве. При създаването на MAC и протоколите за маршрутизиране, използват се фактори като индикация за силата на сигнала и честота на битови грешки от физическия слой, заедно с интегрирането на QOS и технологии за контрол на задръстванията от транспортния слой. Допълнително, различни техники за адаптиране - като адаптиране на мощността, модулационна адаптация, адаптация на кодиране, и адаптиране на скоростта—се използват, за да отговорят на разнообразните изисквания за обслужване по отношение на забавяне, скорост, и загуба на пакети.

1. Специфично техническо описание

Въведение
Безжични ad hoc мрежи, обикновено наричани Ad-Hoc мрежи, възникнали от различни инициативи за пакетни мрежови приложения във военните комуникации, водени от US DARPA. В крайна сметка те се превърнаха в това, което сега е известно като Ad-Hoc мрежи, като IETF ги обозначава като MANET (Мобилна ad hoc мрежа).
Ad Hoc мрежата е уникален тип безжична мобилна комуникационна мрежа, където всички възли имат еднакъв статус, премахване на необходимостта от централен контролен възел, и проявява силна устойчивост на смущения. Всеки възел в мрежата не само изпълнява функциите, типични за стандартните мобилни устройства, но също така притежава способността да предава съобщения. Когато възлите източник и дестинация са извън обхвата на директна комуникация един на друг, те все още могат да обменят информация чрез маршрутизиране на съобщения през междинни възли. В някои случаи, комуникацията може да изисква множество междинни възли, което означава, че съобщението трябва да премине няколко скока, за да достигне крайната си дестинация. Тази характеристика отличава Ad Hoc мрежите от другите мобилни комуникационни системи. Възлите в рамките на Ad Hoc мрежа постигат самоорганизация и работа чрез съвместните усилия на многослойни мрежови протоколи и разпределени алгоритми.

Ключови характеристики

Децентрализирано и разпределено: Всяка радиостанция е еднакво важна, и няма централен хъб. Възлите могат да влизат или излизат от мрежата свободно, без да компрометират нейната стабилност.

Щафета с множество скокове: Оторизираните радиостанции могат автоматично да изпълняват релейни функции, подобряване на покритието на мрежата.

Адаптивна топология: Системата поддържа динамично маршрутизиране, което го прави идеален за среди като спортни събития, където оформлението на мрежата се променя често.

IP прозрачна комуникация: Системата позволява IP базирано предаване на всички данни.

Трансмисия с голям капацитет: Използване на подход с множество носители, той предлага широколентов комуникационен канал, способен да обработва различни видове информация, включително данни, глас, изображения, и видеоклипове.

2. Практически казус на визуализирана ad hoc мрежова комуникационна система

1. Обобщение на сценариите за приложение
   Отчетно учение по случай 100-годишнината на Комунистическата партия на Китай се проведе в определен район, с участието на спецполицаи, пожарогасене, аварийно спасяване, резерви на опълчението, и други съответни звена. Членовете на отбора бяха добре организирани, ентусиазиран, и пълен с енергия. Те незабавно преминаха към фазата на изпълнение, следвайки унифицирани директиви. Нашата компания беше отговорна за осигуряването на сигурна комуникация, предаване на перспектива от първо лице на събитието до точката на наблюдение в реално време. Изпълнихме тази задача и получихме похвали от пробното звено.

(II) Изисквания за прилагане на сценария

1. Предавайте поточно перспективното видео от първо лице от специалните сили към големия екран на командния пулт на мястото на учението;
2. Поради протоколите за поверителност, видео данните не трябва да се предават през обществени мрежи;
3. Осигурете плавно видео предаване, с ясни и стабилни изображения по време на упражненията;
4. Предайте аудиото на място на големия екран в точката за наблюдение в реално време.

(1) Функционални характеристики

1. Насочен към специфични бизнес нужди: Продуктът е проектиран да отговаря на изискванията на въоръжената полиция, специална полиция, и други съответни отдели.
2. Спазва националните стандарти: Поддържа протокола GB/T28181.
3. Двурежимно позициониране с Beidou/GPS.
4. PTT цифров трънкинг домофон за екипна комуникация.
5. Локален капацитет за съхранение от 128 GB, което позволява непрекъснат запис най-малко 60 часа.
6. Вградена инфрачервена възможност за нощно виждане, автоматично превключване между дневен и нощен режим въз основа на чувствителността към светлина.
7. Лесна инсталация: Снабден със специално велкро за въоръжени и специални полицаи, което го прави лесен за закрепване към каски.
8. Работа с един бутон: Проектиран за лесна употреба, дори когато носите ръкавици.
9. Аварийна аларма с едно щракване: Войниците могат да предупредят командния център с едно кликване, задейства криптиран запис на алармата.
10. Поддържа VPN криптирана комуникация с кодиране на двоен поток; единият поток се изпраща до командния център, докато другият се съхранява локално.
11. Съвместим с 4G мрежи от China Mobile, Китай Unicom, и China Telecom.
12. Осигурява видео и гласови интерком възможности в реално време.
    (2) Спецификации

(1) Функционални характеристики

1. Компактен дизайн, идеален за носене или преносима употреба.
2. Позволява двупосочно предаване на IP услуги, включително глас и видео.
3. Поддържа Push-to-Talk (ПР) гласова комуникация.
4. Включва възможности за динамично маршрутизиране, позволяваща самоорганизация и възстановяване на мрежата.
5. Разполага с вградена WiFi поддръжка.
6. Включва вградена GPS/Beidou технология за позициониране.
7. Предлага функционалност за прозрачно предаване на сериен порт.
8. Улеснява работата в мрежа с множество устройства, настаняване до 32 възли за непрекъснато препредаване.
9. Осигурява висока честотна лента и пропускателна способност, с безжични ad hoc мрежи, способни на скорост на предаване на IP данни до 70Mbps.
10. Позволява гъвкава работа в мрежа; мрежестата структура поддържа различни комуникационни режими като точка до точка, много точки към много точки, човек на човек, човек към превозно средство, и от превозно средство до превозно средство.
11. Използва оптимизирана техника на модулация с уникален режим на модулация COFDM, осигуряване на отлично радиочестотно проникване и предаване на дифракция на пътя.
12. Предлага мащабируемост, като поддържа IP камери на трети страни като RF източници и позволява директни връзки към самоорганизиращи се мрежови устройства.
    (2) Технически спецификации