Rete auto-organizzante dello sciame di droni

Che cos'è una rete auto-organizzante di sciami di droni?

Drone Swarm Self-Organizing Network è una nuova ed efficace soluzione tecnologica per più droni e più stazioni di controllo a terra.

Uno sciame di droni è una rete auto-organizzante in cui ogni drone è sia un trasmettitore che un ricevitore e può anche fungere da ripetitore per le trasmissioni di altri droni.

Rete auto-organizzante di droni sciame significa che in questa rete, ogni drone è un trasmettitore e un ricevitore, e può anche fungere da relè per la trasmissione di altri droni.

Non esiste un nodo di controllo centrale in questa rete, e ogni nodo è uguale. È una rete decentralizzata. Quando un drone vola troppo lontano o perde il segnale per altri motivi, si disconnetterà automaticamente dalla rete, e gli altri droni della rete non saranno interessati. Quando un nuovo drone vola vicino alla rete, può unirsi automaticamente alla rete quando ottiene l'autorizzazione.

Lo sfondo di una rete auto-organizzante di sciami di droni.

Con lo sviluppo della tecnologia dei droni, tecnologia della comunicazione, e tecnologia di rete, l’applicazione dei droni sta diventando sempre più estesa. I loro campi di applicazione si sono ampliati fino a includere vari settori militari e civili come l'industria, agricoltura, telemetria, ispezione, risposta all'emergenza, antincendio, e operazioni militari. Nel dominio militare, le piattaforme di combattimento aereo senza pilota sono destinate a diventare una forza di combattimento cruciale in futuro. Si prevede che il combattimento cooperativo multi-UAV rappresenterà una tendenza significativa nelle applicazioni di combattimento con droni, svolgendo un ruolo sempre più vitale nella guerra. La rete IP distribuita e decentralizzata, basato sulla tecnologia Ad hoc, funge da base di comunicazione per il combattimento cooperativo multi-UAV. Questa rete può facilitare una rapida condivisione interattiva delle informazioni, consentire la percezione collaborativa, in lavorazione, il processo decisionale, e azioni di attacco, migliorando così in modo significativo la sopravvivenza e l’efficacia complessiva del combattimento dei droni.

Il trend di sviluppo delle reti di comunicazione UAV si baserà sulla tecnologia Ad hoc come architettura di rete di base. Gli Stati Uniti. Il Dipartimento della Difesa si è già occupato specificamente di questa tendenza di sviluppo nel “Roadmap per lo sviluppo di veicoli aerei senza pilota” rilasciato già 2005 e ha più volte sottolineato questa tendenza evolutiva nelle edizioni successive. Il motivo per cui gli Stati Uniti. l'esercito attribuisce così tanta importanza ad esso che l'applicazione della tecnologia ad hoc può consentire a più UAV di formare rapidamente un sistema distribuito, Rete auto-organizzante con relè di routing multi-hop senza centri con auto-organizzazione, auto-recupero, ed elevate capacità anti-distruzione, espandendo notevolmente il raggio di rilevamento del gruppo UAV, e migliorare efficacemente la percezione cooperativa e le capacità di condivisione delle informazioni del gruppo UAV, migliorando così la capacità di elaborazione cooperativa, processo decisionale cooperativo, e sciopero coordinato. Gli Stati Uniti. Il settore militare è da molti anni leader nella ricerca applicativa in questo campo. TTNT e la sua versione evolutiva semplificata QNT sono collegamenti dati tattici basati su tecnologia Ad hoc e architettura IP. Hanno prestazioni tecniche e tattiche superiori in termini di scala di rete, velocità di trasmissione, Ritardo della trasmissione, scalabilità della rete, e anti-interferenza, formando una forte capacità di coordinamento del combattimento e espandendo notevolmente lo stile di combattimento. Le informazioni rilevanti mostrano che questi due tipi di collegamenti dati sono stati applicati nel coordinamento degli UAV, coordinamento aria-terra, coordinamento aereo-missilistico, coordinamento missilistico, Atterraggio X47B, e rifornimento aereo UAV.

La tecnologia ad hoc viene definita tecnologia di rete auto-organizzante, e la rete di comunicazione multi-UAV basata su questa tecnologia è nota come rete auto-organizzante UAV. Nonostante quasi 20 anni di ricerca e pratica da parte di ricercatori scientifici nazionali, ci sono pochi sistemi pratici di applicazioni di rete auto-organizzanti UAV. Le sfide sono le seguenti:

• in primo luogo, la rete ha caratteristiche distribuite altamente dinamiche. La topologia della rete cambia costantemente, ponendo sfide significative per l'allocazione distribuita delle risorse del canale e la rapida scoperta e creazione di rotte.
• In secondo luogo, esiste una limitazione nelle risorse del canale wireless. Il protocollo MAC e il protocollo di routing devono migliorare il tasso di utilizzo delle risorse del canale con un sovraccarico di controllo minimo, e supportare efficacemente l'allocazione dinamica delle risorse del canale wireless considerando l'ingresso tardivo e l'uscita dinamica dei nodi.
• In terzo luogo, garantire la qualità del servizio di trasmissione dei dati (QoS) è cruciale. L'ottimizzazione della progettazione del protocollo MAC e del protocollo di routing in una rete auto-organizzante multi-hop implica la gestione di vari requisiti di servizio per il ritardo di trasmissione, velocità di trasmissione, e tasso di errore dei pacchetti di trasmissione. Raggiungere l'allocazione dinamica delle risorse del canale e la selezione dell'ottimizzazione del percorso di trasmissione in condizioni di ottimizzazione multiparametro e multiobiettivo è un compito impegnativo.
• Infine, la complessità dell'ambiente elettromagnetico nelle applicazioni di combattimento è una preoccupazione significativa. In particolare in un ambiente di contromisure elettroniche con interferenze intenzionali, il degrado della qualità del collegamento di comunicazione ha un impatto significativo sulle prestazioni complessive della rete auto-organizzante degli UAV. Ciò richiede che la forma d'onda di comunicazione del livello fisico e il protocollo MAC del livello di collegamento dati siano in grado di gestire le interferenze elettromagnetiche.

La forma d'onda di comunicazione utilizza in genere tecnologie anti-interferenza come lo spettro diffuso (salto di frequenza, diffusione diretta) o selezione intelligente della frequenza, insieme a robuste funzionalità di codifica di correzione degli errori per garantire la qualità del collegamento di comunicazione. La forma d'onda di comunicazione del livello fisico dovrebbe essere in grado di rilevare l'ambiente elettromagnetico, il protocollo MAC dovrebbe riconoscere le risorse del canale, e il protocollo di routing dovrebbe comprendere la topologia della rete. Progettare e implementare un'adeguata tecnologia anti-interferenza, strategia di allocazione delle risorse del canale, e la strategia di routing basata su questa comprensione è essenziale.

Le tecnologie chiave delle reti auto-organizzanti dei droni dovrebbero enfatizzare l’aspetto della rete di comunicazione UAV, escludendo la componente dell'attività di carico utile del livello dell'applicazione.

Il primo aspetto è la tecnologia anti-interferenza legata alla forma d'onda di comunicazione del livello fisico. Per applicazioni militari delle reti auto-organizzanti UAV, è essenziale per navigare in ambienti elettromagnetici complessi, evitare interruzioni nemiche, o mitigare gli impatti negativi delle interferenze sulla comunicazione per garantire una comunicazione efficace. La tecnologia anti-interferenza nella comunicazione comprende principalmente tecniche a spettro esteso e metodi di selezione adattiva della frequenza. Lo spettro di diffusione include strategie anti-interferenza tradizionali come il salto di frequenza, spettro diffuso in sequenza diretta, e diffonderlo saltellando. In sostanza, il salto di frequenza coinvolge tutte le stazioni radio della rete che cambiano in modo sincrono la frequenza della portante di comunicazione secondo una sequenza di salto predeterminata basata su uno specifico modello pseudo-casuale, che aiuta a prevenire intercettazioni e interferenze. La selezione adattiva della frequenza utilizza la tecnologia radio cognitiva per identificare le interferenze e valutare la qualità della comunicazione in tempo reale attraverso i punti di frequenza candidati designati. Se la frequenza corrente subisce interferenze e la qualità della comunicazione diminuisce, può passare rapidamente alla frequenza con la migliore qualità e priva di interferenze. Per sistemi di rete auto-organizzanti, L’implementazione del salto di frequenza ad alta velocità a banda larga richiede di affrontare sfide come la sincronizzazione della portante, sincronizzazione dei bit, e la sincronizzazione dei frame tipica delle reti completamente connesse, oltre a ottenere la sincronizzazione completa dell'ora della rete e la sincronizzazione dei modelli di salto di frequenza in scenari multi-hop, il che è tecnicamente impegnativo. Per quanto riguarda la selezione adattativa della frequenza, determinare come valutare la qualità della comunicazione delle frequenze candidate in tempo reale e come trasferire rapidamente e in modo sincrono l'intera rete alla frequenza con prestazioni di comunicazione ottimali in caso di interferenze sono tecnologie critiche che devono essere risolte prima di implementare reti auto-organizzanti di droni in applicazioni militari.

Il secondo aspetto è il Controllo Accessi Medio (MAC) protocollo all'interno del livello di collegamento dati. Nel contesto delle reti auto-organizzanti dei droni, ciò comporta l'utilizzo di un algoritmo distribuito per allocare in modo rapido e dinamico risorse di canale adeguate a ciascun nodo senza fare affidamento su un nodo di coordinamento centrale. L’obiettivo è garantire che tutti i nodi possano accedere in modo equo ed efficiente alle risorse limitate del canale, raggiungimento di obiettivi come la bassa latenza, alta affidabilità, e un rendimento elevato. Ciò rappresenta una sfida significativa e una tecnologia cruciale che le reti auto-organizzanti di droni devono affrontare.

Il terzo aspetto riguarda il protocollo di routing a livello di rete. Il rapido movimento dei nodi nelle reti auto-organizzanti UAV porta a costanti cambiamenti nella topologia della rete. Perciò, progettare un algoritmo di routing veloce, efficiente, scalabile, e adattabile è essenziale. Questo algoritmo dovrebbe possedere caratteristiche come l'accesso rapido alla rete, commutazione rapida del routing, rapida convergenza, e un sovraccarico di controllo minimo. Superare queste sfide è vitale per il successo delle reti auto-organizzanti degli UAV.

Il quarto, Qualità del servizio (QOS) tecnologia. Molte attuali stazioni radio di rete auto-organizzanti sono state sviluppate con un approccio di progettazione multistrato. Nella creazione del MAC e dei protocolli di routing, vengono utilizzati fattori come l'indicazione della potenza del segnale e il tasso di errore di bit dal livello fisico, insieme all'integrazione di QOS e tecnologie di controllo della congestione dal livello di trasporto. Inoltre, varie tecniche di adattamento, come l’adattamento della potenza, adattamento della modulazione, adattamento della codifica, e l'adattamento della tariffa: vengono impiegati per soddisfare le diverse esigenze di servizio relative ai ritardi, valutare, e perdita di pacchetti.

1. Descrizione tecnica ad hoc

introduzione
Reti wireless ad hoc, comunemente denominate reti Ad-Hoc, sono emerse da varie iniziative di applicazione di reti a pacchetto nelle comunicazioni militari guidate dalla DARPA statunitense. Alla fine si sono evoluti in quelle che oggi sono conosciute come reti Ad-Hoc, con l'IETF che li designa come MANET (Rete mobile ad hoc).
Una rete Ad Hoc è un tipo unico di rete di comunicazione mobile wireless in cui tutti i nodi hanno lo stesso status, eliminando la necessità di un nodo di controllo centrale, e mostrando una forte resilienza alle interruzioni. Ogni nodo della rete non solo svolge le funzioni tipiche dei dispositivi mobili standard ma possiede anche la capacità di inoltrare messaggi. Quando i nodi di origine e di destinazione sono fuori dal raggio di comunicazione diretta dell'altro, possono comunque scambiarsi informazioni instradando i messaggi attraverso nodi intermedi. In alcuni casi, la comunicazione può richiedere più nodi intermedi, il che significa che il messaggio deve attraversare diversi salti per raggiungere la sua destinazione finale. Questa caratteristica distingue le reti Ad Hoc da altri sistemi di comunicazione mobile. I nodi all'interno di una rete Ad Hoc raggiungono l'auto-organizzazione e il funzionamento attraverso gli sforzi collaborativi di protocolli di rete a più livelli e algoritmi distribuiti.

Caratteristiche chiave

Decentralizzato e distribuito: Ogni stazione radio ha la stessa importanza, e non esiste un hub centrale. I nodi possono entrare o uscire liberamente dalla rete senza comprometterne la stabilità.

Relè multi-hop: Le stazioni radio autorizzate possono eseguire automaticamente le funzioni di rilancio, potenziare la copertura della rete.

Topologia adattiva: Il sistema supporta il routing dinamico, rendendolo ideale per ambienti come eventi sportivi in ​​cui il layout della rete cambia frequentemente.

Comunicazione trasparente IP: Il sistema consente la trasmissione basata su IP per tutti i dati.

Trasmissione ad alta capacità: Utilizzando un approccio multi-vettore, offre un canale di comunicazione a banda larga in grado di gestire vari tipi di informazioni, compresi i dati, voce, immagini, e video.

2. Caso di studio pratico del sistema di comunicazione di rete ad hoc visualizzato

1. Riepilogo degli scenari applicativi
   In un'area specifica si è svolta un'attività di reportistica per commemorare il 100° anniversario del Partito Comunista Cinese, coinvolgendo partecipanti della polizia speciale, antincendio, salvataggio d'emergenza, riserve della milizia, e altre unità interessate. I membri del team erano ben organizzati, entusiasta, e pieno di energia. Sono passati prontamente alla fase di performance seguendo direttive unificate. La nostra azienda era responsabile di garantire una comunicazione sicura, trasmettendo una prospettiva in prima persona dell'evento al punto di osservazione in tempo reale. Abbiamo portato a termine questo compito e abbiamo ricevuto elogi dall'unità di prova.

(II) Requisiti per l'applicazione dello scenario

1. Trasmetti in streaming il video in prospettiva in prima persona dalle forze speciali sul grande schermo della postazione di comando nel luogo dell'esercitazione;
2. A causa dei protocolli di riservatezza, i dati video non devono essere trasmessi su reti pubbliche;
3. Garantire una trasmissione video fluida, con immagini chiare e stabili durante gli esercizi;
4. Trasmetti l'audio in loco al grande schermo del punto di osservazione in tempo reale.

(1) Caratteristiche funzionali

1. Mirato a specifiche esigenze aziendali: Il prodotto è progettato per soddisfare le esigenze della polizia armata, polizia speciale, e altri dipartimenti competenti.
2. Aderisce agli standard nazionali: Supporta il protocollo GB/T28181.
3. Posizionamento a doppia modalità con Beidou/GPS.
4. Citofono digitale PTT per la comunicazione di squadra.
5. Capacità di archiviazione locale di 128 GB, consentendo la registrazione continua per almeno 60 ore.
6. Funzionalità di visione notturna a infrarossi integrata, passaggio automatico dalla modalità giorno a quella notturna in base alla sensibilità alla luce.
7. Installazione facile: Dotato di velcro speciale per poliziotti armati e speciali, rendendo semplice il fissaggio ai caschi.
8. Funzionamento con un solo pulsante: Progettato per facilità d'uso, anche indossando i guanti.
9. Allarme di emergenza con un clic: I soldati possono allertare il centro di comando con un solo clic, attivando una registrazione crittografata dell'allarme.
10. Supporta la comunicazione crittografata VPN con codifica dual stream; un flusso viene inviato al centro di comando mentre l'altro viene archiviato localmente.
11. Compatibile con le reti 4G di China Mobile, China Unicom, e Cina Telecom.
12. Fornisce funzionalità di interfono video e vocale in tempo reale.
    (2) specificazioni

(1) Caratteristiche funzionali

1. Design compatto, ideale per uso indossabile o portatile.
2. Abilita la trasmissione bidirezionale dei servizi IP, compresi voce e video.
3. Supporta Push-To-Talk (PTT) comunicazione vocale.
4. Include funzionalità di routing dinamico, consentendo l’auto-organizzazione e il ripristino della rete.
5. Dispone di supporto WiFi integrato.
6. Incorpora la tecnologia di posizionamento GPS/Beidou integrata.
7. Offre funzionalità di trasmissione trasparente della porta seriale.
8. Facilita il networking multi-dispositivo, ospitare fino a 32 nodi per la trasmissione continua.
9. Fornisce larghezza di banda e throughput elevati, con reti wireless ad hoc capaci di velocità di trasmissione dati IP fino a 70Mbps.
10. Consente una rete flessibile; la struttura mesh supporta varie modalità di comunicazione come punto a punto, multipunto a multipunto, da persona a persona, da persona a veicolo, e da veicolo a veicolo.
11. Utilizza una tecnica di modulazione ottimizzata con una modalità di modulazione COFDM unica, garantendo eccellenti prestazioni di penetrazione RF e trasmissione di diffrazione del percorso.
12. Offre scalabilità supportando telecamere IP di terze parti come sorgenti RF e consentendo connessioni dirette a dispositivi di rete auto-organizzanti.
    (2) Specifiche tecniche