Rede auto-organizada Drone Swarm

O que é uma rede auto-organizada Drone Swarm?

A rede auto-organizada Drone Swarm é uma tecnologia de solução nova e eficaz para vários drones e várias estações de controle terrestre.

Um enxame de drones é uma rede auto-organizada em que cada drone é ao mesmo tempo um transmissor e um receptor e também pode servir como repetidor para transmissões de outros drones..

Rede auto-organizada de drones Swarm significa que nesta rede, cada drone é um transmissor e um receptor, e também pode servir como retransmissor para outros drones transmitirem.

Não há nó de controle central nesta rede, e cada nó é igual. É uma rede descentralizada. Quando um drone voa muito longe ou perde o sinal por outros motivos, ele se desconectará automaticamente da rede, e outros drones na rede não serão afetados. Quando um novo drone voa perto da rede, ele pode ingressar automaticamente na rede quando obtiver autorização.

O pano de fundo de uma rede auto-organizada Drone Swarm.

Com o desenvolvimento da tecnologia drone, tecnologia de comunicação, e tecnologia de rede, a aplicação de drones está se tornando mais extensa. Os seus campos de aplicação expandiram-se para incluir vários setores militares e civis, como a indústria, agricultura, telemetria, inspeção, resposta de emergência, combate a incêndio, e operações militares. No domínio militar, plataformas de combate aéreo não tripuladas estão preparadas para se tornarem uma força de combate crucial no futuro. Espera-se que o combate cooperativo multi-UAV seja uma tendência significativa em aplicações de combate com drones, desempenhando um papel cada vez mais vital na guerra. A rede IP distribuída e descentralizada, baseado em tecnologia ad hoc, serve como base de comunicação para o combate cooperativo multi-UAV. Esta rede pode facilitar o compartilhamento rápido e interativo de informações, permitindo a percepção colaborativa, em processamento, tomando uma decisão, e ações de ataque, aumentando assim significativamente a capacidade de sobrevivência e a eficácia geral de combate dos drones.

A tendência de desenvolvimento das redes de comunicação UAV será baseada na tecnologia Ad hoc como arquitetura básica da rede. Os EUA. O Departamento de Defesa já elaborou especificamente sobre esta tendência de desenvolvimento no “Roteiro de desenvolvimento de veículos aéreos não tripulados” lançado tão cedo quanto 2005 e enfatizou repetidamente esta tendência de desenvolvimento nas edições seguintes. A razão pela qual os EUA. militares atribuem tanta importância a isso é que a aplicação da tecnologia Ad hoc pode permitir que vários UAVs formem rapidamente uma rede distribuída, rede auto-organizada de retransmissão de roteamento multi-hop centerless com auto-organização, auto-recuperação, e altas capacidades anti-destruição, expandindo enormemente o alcance de detecção do grupo UAV, e melhorar efetivamente a percepção cooperativa e as capacidades de compartilhamento de informações do grupo UAV, aumentando assim a capacidade de processamento cooperativo, tomada de decisão cooperativa, e greve coordenada. Os EUA. militar tem liderado pesquisas de aplicação neste campo há muitos anos. TTNT e sua versão de evolução simplificada QNT são links de dados táticos baseados em tecnologia Ad hoc e arquitetura IP. Eles têm desempenho técnico e tático superior em termos de escala de rede, taxa de transmissão, Atraso na transmissão, escalabilidade de rede, e anti-interferência, formando uma forte capacidade de coordenação de combate e expandindo enormemente o estilo de combate. Informações relevantes mostram que esses dois tipos de links de dados têm sido aplicados na coordenação de UAV, coordenação ar-terra, coordenação aeronave-míssil, coordenação míssil-míssil, Pouso X47B, e reabastecimento aéreo de UAV.

A tecnologia ad hoc é conhecida como tecnologia de rede auto-organizada, e a rede de comunicação multi-UAV baseada nesta tecnologia é conhecida como rede auto-organizada de UAV. Apesar de quase 20 anos de pesquisa e prática por pesquisadores científicos nacionais, existem poucos sistemas práticos de aplicação de rede auto-organizados de UAV. Os desafios são os seguintes:

• em primeiro lugar, a rede tem características distribuídas altamente dinâmicas. A topologia da rede muda constantemente, colocando desafios significativos para a alocação distribuída de recursos de canal e a rápida descoberta e estabelecimento de rotas.
• Em segundo lugar, há uma limitação nos recursos do canal sem fio. O protocolo MAC e o protocolo de roteamento precisam aumentar a taxa de utilização dos recursos do canal com sobrecarga mínima de controle, e apoiar efetivamente a alocação dinâmica de recursos de canais sem fio, considerando a entrada tardia e a saída dinâmica de nós.
• Em terceiro lugar, garantindo qualidade de serviço na transmissão de dados (QoS) é crucial. Otimizar o projeto do protocolo MAC e do protocolo de roteamento em uma rede auto-organizada multi-hop envolve atender a vários requisitos de serviço para atraso de transmissão., taxa de transmissão, e taxa de erro de pacote de transmissão. Alcançar a alocação dinâmica de recursos de canal e a seleção de otimização de rotas de transmissão sob condições de otimização multiparâmetros e multiobjetivos é uma tarefa desafiadora.
• Por último, a complexidade do ambiente eletromagnético em aplicações de combate é uma preocupação significativa. Particularmente em um ambiente de contramedidas eletrônicas com interferência deliberada, a degradação na qualidade do link de comunicação impacta significativamente o desempenho geral da rede auto-organizada do UAV. Isso exige que a forma de onda de comunicação da camada física e o protocolo MAC da camada de enlace de dados sejam capazes de lidar com interferência eletromagnética..

A forma de onda de comunicação normalmente utiliza tecnologias anti-interferência como espectro espalhado (salto de frequência, propagação direta) ou seleção de frequência inteligente, juntamente com recursos robustos de codificação de correção de erros para garantir a qualidade do link de comunicação. A forma de onda de comunicação da camada física deve ser capaz de detectar o ambiente eletromagnético, o protocolo MAC deve reconhecer os recursos do canal, e o protocolo de roteamento deve compreender a topologia da rede. Projetar e implementar tecnologia anti-interferência apropriada, estratégia de alocação de recursos de canal, e a estratégia de roteamento baseada nesse entendimento é essencial.

As principais tecnologias das redes auto-organizadas de drones devem enfatizar o aspecto da rede de comunicação UAV, excluindo o componente de tarefa de carga útil da camada de aplicativo.

O primeiro aspecto é a tecnologia anti-interferência relacionada à forma de onda de comunicação da camada física. Para aplicações militares de redes auto-organizadas de UAV, é essencial navegar em ambientes eletromagnéticos complexos, evite perturbações inimigas, ou mitigar os impactos negativos da interferência na comunicação para garantir uma comunicação eficaz. A tecnologia anti-interferência na comunicação abrange principalmente técnicas de espalhamento espectral e métodos adaptativos de seleção de frequência. O espectro espalhado inclui estratégias anti-interferência tradicionais, como salto de frequência, espectro de propagação de sequência direta, e espalhar pulando. Em essência, O salto de frequência envolve todas as estações de rádio na rede mudando de forma síncrona a frequência da portadora de comunicação de acordo com uma sequência de salto predeterminada com base em um padrão pseudo-aleatório específico., o que ajuda a prevenir interceptações e interferências. A seleção adaptativa de frequência emprega tecnologia de rádio cognitiva para identificar interferências e avaliar a qualidade da comunicação em tempo real em pontos de frequência candidatos designados. Se a frequência atual sofrer interferência e a qualidade da comunicação diminuir, ele pode mudar rapidamente para a frequência com a melhor qualidade e livre de interferências. Para sistemas de rede auto-organizados, a implementação do salto de frequência de banda larga de alta velocidade exige enfrentar desafios como a sincronização da operadora, sincronização de bits, e sincronização de quadros típica de redes totalmente conectadas, bem como obter sincronização completa de tempo de rede e sincronização de padrão de salto de frequência em cenários multi-hop, o que é tecnicamente desafiador. Em relação à seleção de frequência adaptativa, determinar como avaliar a qualidade da comunicação das frequências candidatas em tempo real e como fazer a transição rápida e sincronizada de toda a rede para a frequência com desempenho de comunicação ideal em caso de interferência são tecnologias críticas que devem ser resolvidas antes da implantação de redes auto-organizadas de drones em aplicações militares.

O segundo aspecto é o Controle de Acesso ao Meio (MAC) protocolo dentro da camada de enlace de dados. No contexto de redes auto-organizadas de drones, isso envolve a utilização de um algoritmo distribuído para alocar recursos de canal adequados de forma rápida e dinâmica para cada nó, sem depender de um nó central de coordenação. O objetivo é garantir que todos os nós possam acessar de forma justa e eficiente os recursos limitados do canal., alcançar objetivos como baixa latência, alta fiabilidade, e alto rendimento. Isto representa um desafio significativo e uma tecnologia crucial que as redes auto-organizadas de drones devem abordar.

O terceiro aspecto refere-se ao protocolo de roteamento na camada de rede. O rápido movimento de nós em redes auto-organizadas de UAV leva a mudanças constantes na topologia da rede. Assim sendo, projetando um algoritmo de roteamento que seja rápido, eficiente, escalável, e adaptável é essencial. Este algoritmo deve possuir características como acesso rápido à rede, comutação rápida de roteamento, convergência rápida, e sobrecarga mínima de controle. Superar esses desafios é vital para o sucesso das redes auto-organizadas de UAV.

Quarto, Qualidade de serviço (QoS) tecnologia. Muitas estações de rádio de rede auto-organizadas atuais foram desenvolvidas com uma abordagem de design de camada cruzada. Na criação do MAC e dos protocolos de roteamento, fatores como indicação de intensidade do sinal e taxa de erro de bit da camada física são utilizados, juntamente com a integração de tecnologias de QOS e controle de congestionamento da camada de transporte. Adicionalmente, várias técnicas de adaptação - como adaptação de energia, adaptação de modulação, adaptação de codificação, e adaptação de taxas - são empregados para atender aos diversos requisitos de serviço em relação a atrasos, avaliar, e perda de pacotes.

1. Descrição técnica ad hoc

Introdução
Redes ad hoc sem fio, comumente chamadas de redes Ad-Hoc surgiram de várias iniciativas de aplicação de redes de pacotes em comunicações militares lideradas pela DARPA dos EUA.. Eles eventualmente evoluíram para o que hoje são conhecidos como redes Ad-Hoc, com a IETF designando-os como MANET (Rede ad hoc móvel).
Uma rede Ad Hoc é um tipo único de rede de comunicação móvel sem fio onde todos os nós possuem status igual., eliminando a necessidade de um nó de controle central, e exibindo forte resiliência a interrupções. Cada nó da rede não apenas executa as funções típicas dos dispositivos móveis padrão, mas também possui a capacidade de retransmitir mensagens.. Quando os nós de origem e de destino estão fora do alcance de comunicação direta um do outro, eles ainda podem trocar informações roteando mensagens através de nós intermediários. Em alguns casos, a comunicação pode exigir vários nós intermediários, o que significa que a mensagem deve percorrer vários saltos para chegar ao seu destino final. Esta característica distingue as redes Ad Hoc de outros sistemas de comunicação móvel. Os nós dentro de uma rede Ad Hoc alcançam auto-organização e operação através dos esforços colaborativos de protocolos de rede em camadas e algoritmos distribuídos..

Principais características

Descentralizado e distribuído: Cada estação de rádio tem igual importância, e não há nenhum hub central. Os nós podem entrar ou sair livremente da rede sem comprometer sua estabilidade.

Retransmissão multi-salto: Estações de rádio autorizadas podem executar automaticamente funções de retransmissão, melhorando a cobertura da rede.

Topologia adaptativa: O sistema suporta roteamento dinâmico, tornando-o ideal para ambientes como eventos esportivos onde o layout da rede muda frequentemente.

Comunicação IP transparente: O sistema permite a transmissão baseada em IP para todos os dados.

Transmissão de alta capacidade: Utilizando uma abordagem multioperadora, oferece um canal de comunicação em banda larga capaz de lidar com diversos tipos de informações, incluindo dados, voz, imagens, e vídeos.

2. Estudo de caso prático de sistema de comunicação de rede ad hoc visualizado

1. Resumo dos cenários de aplicação
   Um exercício de relatório comemorativo do 100º aniversário do Partido Comunista da China ocorreu numa área específica, envolvendo participantes da polícia especial, combate a incêndio, resgate de emergência, reservas da milícia, e outras unidades relevantes. Os membros da equipe eram bem organizados, entusiasmado, e cheio de energia. Eles prontamente fizeram a transição para a fase de desempenho seguindo diretrizes unificadas. Nossa empresa foi responsável por garantir uma comunicação segura, transmitir uma perspectiva em primeira pessoa do evento para o ponto de observação em tempo real. Cumprimos esta tarefa e recebemos elogios da unidade experimental.

(II) Requisitos para aplicação de cenário

1. Transmita o vídeo em perspectiva em primeira pessoa das forças especiais para a grande tela da mesa de comando no local do exercício;
2. Devido aos protocolos de confidencialidade, os dados de vídeo não devem ser transmitidos por redes públicas;
3. Garanta uma transmissão de vídeo suave, com imagens claras e estáveis ​​ao longo dos exercícios;
4. Transmita o áudio do local para a tela grande no ponto de observação em tempo real.

(1) Recursos funcionais

1. Direcionado para necessidades específicas de negócios: O produto foi projetado para atender às exigências da polícia armada, polícia especial, e outros departamentos relevantes.
2. Adere aos padrões nacionais: Suporta o protocolo GB/T28181.
3. Posicionamento de modo duplo com Beidou/GPS.
4. Intercomunicador troncalizado digital PTT para comunicação em equipe.
5. Capacidade de armazenamento local de 128 GB, permitindo gravação contínua por pelo menos 60 horas.
6. Capacidade de visão noturna infravermelha integrada, alternar automaticamente entre os modos diurno e noturno com base na sensibilidade à luz.
7. Instalação fácil: Equipado com velcro especial para policiais armados e especiais, simplificando a fixação em capacetes.
8. Operação com um botão: Projetado para facilidade de uso, mesmo usando luvas.
9. Alarme de emergência com um clique: Os soldados podem alertar o centro de comando com um único clique, acionando uma gravação criptografada do alarme.
10. Suporta comunicação criptografada VPN com codificação de fluxo duplo; um fluxo é enviado para o centro de comando enquanto o outro é armazenado localmente.
11. Compatível com redes 4G da China Mobile, China Unicom, e China Telecom.
12. Fornece recursos de vídeo em tempo real e intercomunicação por voz.
    (2) Especificações

(1) Recursos funcionais

1. Design compacto, ideal para uso vestível ou portátil.
2. Permite a transmissão bidirecional de serviços IP, incluindo voz e vídeo.
3. Suporta Push-To-Talk (PTT) comunicação por voz.
4. Inclui recursos de roteamento dinâmico, permitindo a auto-organização e recuperação da rede.
5. Possui suporte WiFi integrado.
6. Incorpora tecnologia de posicionamento GPS/Beidou integrada.
7. Oferece funcionalidade de transmissão transparente de porta serial.
8. Facilita a rede de vários dispositivos, acomodando até 32 nós para retransmissão contínua.
9. Fornece alta largura de banda e rendimento, com redes ad hoc sem fio capazes de taxas de transmissão de dados IP de até 70 Mbps.
10. Permite redes flexíveis; a estrutura de malha suporta vários modos de comunicação, como ponto a ponto, Ponto multiponto para multi-multi, pessoa a pessoa, pessoa para veículo, e veículo para veículo.
11. Utiliza uma técnica de modulação otimizada com um modo de modulação COFDM exclusivo, garantindo excelente penetração de RF e desempenho de transmissão de difração de caminho.
12. Oferece escalabilidade ao oferecer suporte a câmeras IP de terceiros como fontes de RF e permitir conexões diretas a dispositivos de rede auto-organizados.
    (2) Especificações técnicas