Selbstorganisierendes Drohnenschwarm-Netzwerk

Was ist ein selbstorganisierendes Drohnenschwarm-Netzwerk??

Das Drone Swarm Self-Organizing Network ist eine neue und effektive Lösungstechnologie für mehrere Drohnen und mehrere Bodenkontrollstationen.

Ein Drohnenschwarm ist ein selbstorganisierendes Netzwerk, in dem jede Drohne sowohl Sender als auch Empfänger ist und auch als Repeater für Übertragungen anderer Drohnen dienen kann.

Das bedeutet, dass sich in diesem Netzwerk ein Schwarmdrohnen-Selbstorganisierungsnetzwerk befindet, Jede Drohne ist ein Sender und ein Empfänger, und kann auch als Relais für die Übertragung anderer Drohnen dienen.

In diesem Netzwerk gibt es keinen zentralen Kontrollknoten, und jeder Knoten ist gleich. Es handelt sich um ein dezentrales Netzwerk. Wenn eine Drohne zu weit fliegt oder aus anderen Gründen das Signal verliert, Die Verbindung zum Netzwerk wird automatisch getrennt, und andere Drohnen im Netzwerk sind nicht betroffen. Wenn eine neue Drohne in der Nähe des Netzwerks fliegt, Es kann dem Netzwerk automatisch beitreten, wenn es die Autorisierung erhält.

Der Hintergrund eines selbstorganisierenden Drohnenschwarm-Netzwerks.

Mit der Entwicklung der Drohnentechnologie, Kommunikationstechnologie, und Netzwerktechnik, Der Einsatz von Drohnen wird immer umfangreicher. Ihre Anwendungsgebiete haben sich auf verschiedene militärische und zivile Bereiche wie die Industrie ausgeweitet, Landwirtschaft, Telemetrie, Inspektion, Notfallreaktion, Feuer bekämpfen, und militärische Operationen. Im militärischen Bereich, Unbemannte Luftkampfplattformen sind auf dem besten Weg, in Zukunft zu einer entscheidenden Kampftruppe zu werden. Es wird erwartet, dass der kooperative Multi-UAV-Kampf ein bedeutender Trend bei Drohnenkampfanwendungen sein wird, spielen in der Kriegsführung eine immer wichtigere Rolle. Das verteilte und dezentrale IP-Netzwerk, basierend auf Ad-hoc-Technologie, dient als Kommunikationsgrundlage für den kooperativen Kampf mit mehreren UAVs. Dieses Netzwerk kann einen schnellen interaktiven Informationsaustausch ermöglichen, Ermöglichen einer kollaborativen Wahrnehmung, wird bearbeitet, Entscheidungsfindung, und Angriffsaktionen, Dadurch werden die Überlebensfähigkeit und die allgemeine Kampfeffektivität von Drohnen erheblich verbessert.

Der Entwicklungstrend der UAV-Kommunikationsnetzwerke wird auf der Ad-hoc-Technologie als grundlegender Netzwerkarchitektur basieren. Die USA. Auf diesen Entwicklungstrend hat das US-Verteidigungsministerium bereits konkret eingegangen „Roadmap für die Entwicklung unbemannter Luftfahrzeuge“ bereits veröffentlicht 2005 und hat diesen Entwicklungstrend in den folgenden Ausgaben immer wieder hervorgehoben. Der Grund, warum die USA. Das Militär legt großen Wert darauf, dass die Anwendung der Ad-hoc-Technologie es mehreren UAVs ermöglichen kann, schnell eine verteilte Einheit zu bilden, Centerless Multi-Hop-Routing-Relay, selbstorganisierendes Netzwerk mit Selbstorganisation, Selbstheilung, und hohe Zerstörungsfähigkeit, Erweitert den Erfassungsbereich der UAV-Gruppe erheblich, und effektive Verbesserung der kooperativen Wahrnehmung und der Informationsaustauschfähigkeiten der UAV-Gruppe, Dadurch wird die Fähigkeit zur kooperativen Verarbeitung verbessert, kooperative Entscheidungsfindung, und koordinierter Streik. Die USA. Das Militär ist seit vielen Jahren führend in der Anwendungsforschung auf diesem Gebiet. TTNT und seine vereinfachte Weiterentwicklungsversion QNT sind taktische Datenverbindungen, die auf Ad-hoc-Technologie und IP-Architektur basieren. Sie verfügen hinsichtlich der Netzwerkgröße über eine überlegene technische und taktische Leistung, Übertragungsrate, Übertragungsverzögerung, Skalierbarkeit des Netzwerks, und Anti-Interferenz, Bildung einer starken Kampfkoordinationsfähigkeit und erhebliche Erweiterung des Kampfstils. Relevante Informationen zeigen, dass diese beiden Arten von Datenverbindungen bei der UAV-Koordinierung angewendet wurden, Luft-Boden-Koordination, Koordination von Flugzeugen und Raketen, Raketen-Raketen-Koordination, X47B-Landung, und UAV-Luftbetankung.

Ad-hoc-Technologie wird als selbstorganisierende Netzwerktechnologie bezeichnet, und das auf dieser Technologie basierende Multi-UAV-Kommunikationsnetzwerk ist als selbstorganisierendes UAV-Netzwerk bekannt. Trotz fast 20 jahrelange Forschung und Praxis durch einheimische wissenschaftliche Forscher, Es gibt nur wenige praktische UAV-selbstorganisierende Netzwerkanwendungssysteme. Die Herausforderungen sind wie folgt:

• zuerst, Das Netzwerk weist hochdynamische verteilte Eigenschaften auf. Die Netzwerktopologie ändert sich ständig, Dies stellt erhebliche Herausforderungen für die verteilte Zuweisung von Kanalressourcen und die schnelle Entdeckung und Einrichtung von Routen dar.
• Zweitens, Es gibt eine Begrenzung der WLAN-Kanalressourcen. Das MAC-Protokoll und das Routing-Protokoll müssen die Auslastung der Kanalressourcen bei minimalem Kontrollaufwand verbessern, und unterstützen effektiv die dynamische Zuweisung von drahtlosen Kanalressourcen unter Berücksichtigung des späten Eintritts und des dynamischen Austritts von Knoten.
• Drittens, Gewährleistung der Servicequalität bei der Datenübertragung (QoS) ist entscheidend. Die Optimierung des Designs des MAC-Protokolls und des Routing-Protokolls in einem selbstorganisierenden Multi-Hop-Netzwerk erfordert die Berücksichtigung verschiedener Dienstanforderungen für Übertragungsverzögerungen, Übertragungsrate, und Übertragungspaketfehlerrate. Das Erreichen einer dynamischen Zuweisung von Kanalressourcen und der Auswahl der Übertragungsroutenoptimierung unter Optimierungsbedingungen mit mehreren Parametern und Zielen ist eine anspruchsvolle Aufgabe.
• Schließlich, Die Komplexität der elektromagnetischen Umgebung bei Kampfeinsätzen gibt Anlass zu großer Sorge. Insbesondere in einer Umgebung elektronischer Gegenmaßnahmen mit absichtlichen Eingriffen, Die Verschlechterung der Qualität der Kommunikationsverbindung wirkt sich erheblich auf die Gesamtleistung des selbstorganisierenden UAV-Netzwerks aus. Dies erfordert, dass die Kommunikationswellenform der physikalischen Schicht und das MAC-Protokoll der Datenverbindungsschicht in der Lage sind, elektromagnetische Störungen zu bewältigen.

Die Kommunikationswellenform nutzt typischerweise Anti-Interferenz-Technologien wie Spread Spectrum (Frequenzsprung, direkte Ausbreitung) oder intelligente Frequenzauswahl, zusammen mit robusten Fehlerkorrektur-Codierungsfunktionen, um die Qualität der Kommunikationsverbindung sicherzustellen. Die Kommunikationswellenform der physikalischen Schicht sollte in der Lage sein, die elektromagnetische Umgebung zu erkennen, Das MAC-Protokoll sollte Kanalressourcen erkennen, und das Routing-Protokoll sollte die Netzwerktopologie verstehen. Entwurf und Implementierung geeigneter Anti-Interferenz-Technologie, Strategie zur Zuweisung von Kanalressourcen, Eine auf diesem Verständnis basierende Routing-Strategie ist unerlässlich.

Die Schlüsseltechnologien selbstorganisierender Netzwerke für Drohnen sollten den Aspekt der UAV-Kommunikationsnetzwerke hervorheben, Ausgenommen ist die Payload-Task-Komponente der Anwendungsschicht.

Der erste Aspekt ist die Anti-Interferenz-Technologie im Zusammenhang mit der Kommunikationswellenform der physikalischen Schicht. Für militärische Anwendungen selbstorganisierender UAV-Netzwerke, Es ist wichtig, sich in komplexen elektromagnetischen Umgebungen zurechtzufinden, Vermeiden Sie feindliche Störungen, oder die negativen Auswirkungen von Störungen auf die Kommunikation abmildern, um eine effektive Kommunikation sicherzustellen. Die Anti-Interferenz-Technologie in der Kommunikation umfasst hauptsächlich Spread-Spectrum-Techniken und adaptive Frequenzauswahlmethoden. Das Spread-Spektrum umfasst traditionelle Anti-Interferenz-Strategien wie Frequenzsprung, Direktsequenz-Spreizspektrum, und Spread-Hopping. Im Wesentlichen, Beim Frequenzspringen ändern alle Radiosender im Netzwerk synchron ihre Kommunikationsträgerfrequenz gemäß einer vorgegebenen Sprungsequenz, die auf einem bestimmten pseudozufälligen Muster basiert, Dies hilft, Abhören und Interferenzen zu verhindern. Die adaptive Frequenzauswahl nutzt kognitive Funktechnologie, um Interferenzen zu identifizieren und die Kommunikationsqualität in Echtzeit über bestimmte Kandidatenfrequenzpunkte hinweg zu bewerten. Wenn die aktuelle Frequenz gestört ist und die Kommunikationsqualität abnimmt, Es kann schnell und störungsfrei auf die Frequenz mit der besten Qualität umschalten. Für selbstorganisierende Netzwerksysteme, Die Implementierung von breitbandigem Hochgeschwindigkeits-Frequenzsprungverfahren erfordert die Bewältigung von Herausforderungen wie der Trägersynchronisierung, Bitsynchronisation, und Frame-Synchronisierung, die für vollständig verbundene Netzwerke typisch ist, Außerdem wird in Multi-Hop-Szenarien eine vollständige Netzwerkzeitsynchronisierung und Frequenzsprungmustersynchronisierung erreicht, was technisch anspruchsvoll ist. Bezüglich der adaptiven Frequenzauswahl, Die Bestimmung, wie die Kommunikationsqualität der Kandidatenfrequenzen in Echtzeit bewertet werden kann und wie das gesamte Netzwerk im Falle von Störungen schnell und synchron auf die Frequenz mit optimaler Kommunikationsleistung umgestellt werden kann, sind kritische Technologien, die gelöst werden müssen, bevor selbstorganisierende Drohnennetzwerke in militärischen Anwendungen eingesetzt werden.

Der zweite Aspekt ist die Medium Access Control (MAC) Protokoll innerhalb der Datenverbindungsschicht. Im Kontext selbstorganisierender Drohnennetzwerke, Dazu gehört die Verwendung eines verteilten Algorithmus, um jedem Knoten schnell und dynamisch geeignete Kanalressourcen zuzuweisen, ohne auf einen zentralen Koordinierungsknoten angewiesen zu sein. Ziel ist es sicherzustellen, dass alle Knoten fair und effizient auf die begrenzten Kanalressourcen zugreifen können, Erreichen von Zielen wie geringer Latenz, hohe Zuverlässigkeit, und hoher Durchsatz. Dies stellt eine große Herausforderung und eine entscheidende Technologie dar, mit der sich selbstorganisierende Drohnennetzwerke befassen müssen.

Der dritte Aspekt betrifft das Routing-Protokoll auf der Netzwerkebene. Die schnelle Bewegung von Knoten in selbstorganisierenden UAV-Netzwerken führt zu ständigen Änderungen in der Netzwerktopologie. Deswegen, Entwerfen eines schnellen Routing-Algorithmus, effizient, skalierbar, und anpassungsfähig ist unerlässlich. Dieser Algorithmus sollte über Eigenschaften wie einen schnellen Netzwerkzugriff verfügen, schnelle Routing-Umschaltung, schnelle Konvergenz, und minimaler Kontrollaufwand. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist für den Erfolg selbstorganisierender UAV-Netzwerke von entscheidender Bedeutung.

Vierte, Servicequalität (QOS) Technologie. Viele aktuelle selbstorganisierende Netzwerkradiosender wurden mit einem schichtübergreifenden Designansatz entwickelt. Bei der Erstellung der MAC- und Routing-Protokolle, Faktoren wie die Signalstärkeanzeige und die Bitfehlerrate der physikalischen Schicht werden genutzt, zusammen mit der Integration von QOS- und Überlastungskontrolltechnologien aus der Transportschicht. Zusätzlich, verschiedene Adaptionstechniken – etwa die Leistungsadaption, Modulationsanpassung, Kodierungsanpassung, und Ratenanpassung – werden eingesetzt, um den unterschiedlichen Serviceanforderungen in Bezug auf Verzögerungen gerecht zu werden, Rate, und Paketverlust.

1. Technische Ad-hoc-Beschreibung

Einführung
Drahtlose Ad-hoc-Netzwerke, Diese allgemein als Ad-hoc-Netzwerke bezeichneten Netzwerke sind aus verschiedenen Initiativen zur Anwendung von Paketnetzwerken in der militärischen Kommunikation unter der Leitung der US-amerikanischen DARPA hervorgegangen. Sie entwickelten sich schließlich zu sogenannten Ad-hoc-Netzwerken, wobei die IETF sie als MANET bezeichnet (Mobiles Ad -hoc -Netzwerk).
Ein Ad-hoc-Netzwerk ist eine einzigartige Art von drahtlosem Mobilkommunikationsnetzwerk, bei dem alle Knoten den gleichen Status haben, Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines zentralen Kontrollknotens, und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen an den Tag legen. Jeder Knoten im Netzwerk führt nicht nur die für Standardmobilgeräte typischen Funktionen aus, sondern verfügt auch über die Fähigkeit, Nachrichten weiterzuleiten. Wenn sich Quell- und Zielknoten außerhalb der direkten Kommunikationsreichweite des jeweils anderen befinden, Sie können weiterhin Informationen austauschen, indem sie Nachrichten über Zwischenknoten weiterleiten. In einigen Fällen, Für die Kommunikation sind möglicherweise mehrere Zwischenknoten erforderlich, Das bedeutet, dass die Nachricht mehrere Hops durchlaufen muss, um ihr endgültiges Ziel zu erreichen. Dieses Merkmal unterscheidet Ad-hoc-Netzwerke von anderen mobilen Kommunikationssystemen. Die Knoten innerhalb eines Ad-hoc-Netzwerks erreichen Selbstorganisation und Betrieb durch die Zusammenarbeit von mehrschichtigen Netzwerkprotokollen und verteilten Algorithmen.

Schlüsselmerkmale

Dezentral und verteilt: Jeder Radiosender hat die gleiche Bedeutung, und es gibt keinen zentralen Knotenpunkt. Knoten können frei in das Netzwerk eintreten oder es verlassen, ohne seine Stabilität zu beeinträchtigen.

Multi-Hop-Staffel: Autorisierte Radiosender können automatisch Relaisfunktionen ausführen, Verbesserung der Netzabdeckung.

Adaptive Topologie: Das System unterstützt dynamisches Routing, Dies macht es ideal für Umgebungen wie Sportveranstaltungen, bei denen sich das Netzwerklayout häufig ändert.

IP-transparente Kommunikation: Das System ermöglicht eine IP-basierte Übertragung aller Daten.

Hochleistungsübertragung: Verwendung eines Multi-Carrier-Ansatzes, Es bietet einen Breitband-Kommunikationskanal, der verschiedene Arten von Informationen verarbeiten kann, inklusive Daten, Stimme, Bilder, und Videos.

2. Praktische Fallstudie eines visualisierten Ad-hoc-Netzwerkkommunikationssystems

1. Zusammenfassung der Anwendungsszenarien
   In einem bestimmten Gebiet fand eine Berichtsübung zum Gedenken an den 100. Jahrestag der Kommunistischen Partei Chinas statt, Einbeziehung von Teilnehmern der Spezialpolizei, Feuer bekämpfen, Notfallrettung, Milizreserven, und andere relevante Einheiten. Die Teammitglieder waren gut organisiert, enthusiastisch, und voller Energie. Sie gingen nach einheitlichen Richtlinien umgehend in die Leistungsphase über. Unser Unternehmen war für die Gewährleistung einer sicheren Kommunikation verantwortlich, Übertragung einer First-Person-Perspektive des Ereignisses in Echtzeit an den Beobachtungspunkt. Diese Aufgabe haben wir gemeistert und dafür Lob von der Versuchseinheit erhalten.

(II) Anforderungen für die Szenarioanwendung

1. Streamen Sie das Video aus der Ego-Perspektive der Spezialeinheiten auf den großen Bildschirm des Kommandopults am Übungsort;
2. Aufgrund von Vertraulichkeitsprotokollen, Videodaten dürfen nicht über öffentliche Netzwerke übertragen werden;
3. Sorgen Sie für eine reibungslose Videoübertragung, mit klaren und stabilen Bildern während der Übungen;
4. Übertragen Sie den Ton vor Ort in Echtzeit auf den großen Bildschirm am Beobachtungspunkt.

(1) Funktionale Merkmale

1. Auf spezifische Geschäftsanforderungen ausgerichtet: Das Produkt ist auf die Anforderungen der bewaffneten Polizei ausgelegt, Spezialpolizei, und anderen relevanten Abteilungen.
2. Entspricht den nationalen Standards: Es unterstützt das GB/T28181-Protokoll.
3. Dual-Mode-Positionierung mit Beidou/GPS.
4. Digitale PTT-Bündelsprechanlage für die Teamkommunikation.
5. Lokale Speicherkapazität von 128 GB, Dies ermöglicht eine kontinuierliche Aufzeichnung für mindestens 60 Std..
6. Integrierte Infrarot-Nachtsichtfunktion, Automatisches Umschalten zwischen Tag- und Nachtmodus basierend auf der Lichtempfindlichkeit.
7. Einfache Installation: Ausgestattet mit speziellem Klettverschluss für bewaffnete und spezielle Polizei, wodurch es einfach an Helmen befestigt werden kann.
8. Ein-Knopf-Bedienung: Entwickelt für eine einfache Bedienung, auch mit Handschuhen.
9. Notfallalarm mit einem Klick: Soldaten können die Kommandozentrale mit einem einzigen Klick alarmieren, Auslösen einer verschlüsselten Aufzeichnung des Alarms.
10. Unterstützt VPN-verschlüsselte Kommunikation mit Dual-Stream-Kodierung; Ein Stream wird an die Kommandozentrale gesendet, während der andere lokal gespeichert wird.
11. Kompatibel mit 4G-Netzwerken von China Mobile, China Unicom, und China Telecom.
12. Bietet Echtzeit-Video- und Sprach-Intercom-Funktionen.
    (2) Technische Daten

(1) Funktionale Merkmale

1. Kompaktes Design, Ideal für den tragbaren oder mobilen Einsatz.
2. Ermöglicht die bidirektionale Übertragung von IP-Diensten, einschließlich Sprache und Video.
3. Unterstützt Push-To-Talk (PTT) Sprachkommunikation.
4. Beinhaltet dynamische Routing-Funktionen, Ermöglicht die Selbstorganisation und Wiederherstellung des Netzwerks.
5. Verfügt über integrierte WiFi-Unterstützung.
6. Enthält integrierte GPS/Beidou-Positionierungstechnologie.
7. Bietet transparente Übertragungsfunktionalität über die serielle Schnittstelle.
8. Erleichtert die Vernetzung mehrerer Geräte, Platz für bis zu 32 Knoten für kontinuierliche Weiterleitung.
9. Bietet hohe Bandbreite und Durchsatz, mit drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken, die IP-Datenübertragungsraten von bis zu 70 Mbit/s ermöglichen.
10. Ermöglicht flexible Vernetzung; Die Netzstruktur unterstützt verschiedene Kommunikationsmodi wie Punkt-zu-Punkt, Multipunkt-zu-Multipunkt, Von Mensch zu Mensch, Mensch-zu-Fahrzeug, und von Fahrzeug zu Fahrzeug.
11. Nutzt eine optimierte Modulationstechnik mit einem einzigartigen COFDM-Modulationsmodus, Gewährleistung einer hervorragenden HF-Penetration und Pfadbeugungsübertragungsleistung.
12. Bietet Skalierbarkeit durch die Unterstützung von IP-Kameras von Drittanbietern als HF-Quellen und ermöglicht direkte Verbindungen zu selbstorganisierenden Netzwerkgeräten.
    (2) Technische Spezifikationen