Самоорганізована мережа зграї дронів

Що таке самоорганізована мережа дронів?

Drone Swarm Self-Organizing Network — це нова та ефективна технологія рішення для кількох дронів і кількох наземних станцій керування.

Рій дронів — це самоорганізована мережа, в якій кожен дрон одночасно є передавачем і приймачем, а також може служити ретранслятором для передач від інших дронів..

Swarm drone самоорганізована мережа означає, що в цій мережі, кожен дрон - це передавач і приймач, а також може служити ретранслятором для передачі інших дронів.

У цій мережі немає центрального вузла управління, і кожен вузол рівний. Це децентралізована мережа. Коли дрон летить занадто далеко або втрачає сигнал з інших причин, він автоматично від’єднається від мережі, та інші дрони в мережі не вплинуть. Коли новий дрон пролітає близько до мережі, він може автоматично приєднуватися до мережі, коли отримує авторизацію.

Тло самоорганізованої мережі дронів.

З розвитком технології дронів, комунікаційні технології, і мережевих технологій, застосування дронів стає все більш широким. Сфери їх застосування розширилися й охопили різні військові та цивільні галузі, наприклад промисловість, сільське господарство, телеметрія, перевірка, екстрене реагування, вогнеборство, і військові дії. У військовій сфері, бойові безпілотні літальні платформи готові стати вирішальною бойовою силою в майбутньому. Очікується, що спільна боротьба з декількома БПЛА стане значною тенденцією в бойових застосуваннях безпілотників, відіграє все більш важливу роль у війні. Розподілена та децентралізована мережа IP, на основі технології Ad hoc, служить основою зв’язку для спільного бою з кількома БПЛА. Ця мережа може сприяти швидкому інтерактивному обміну інформацією, уможливлення спільного сприйняття, обробка, прийняття рішень, та атакувальні дії, тим самим значно підвищуючи живучість і загальну бойову ефективність безпілотників.

Тенденція розвитку комунікаційних мереж БПЛА базуватиметься на технології Ad hoc як базовій архітектурі мережі. США. Міністерство оборони вже конкретно розповіло про цю тенденцію розвитку в “Дорожня карта розвитку безпілотних літальних апаратів” випущений ще в 2005 і неодноразово підкреслював цю тенденцію розвитку в наступних виданнях. Причина, чому США. військові надають йому такого великого значення, що застосування спеціальної технології може дозволити декільком БПЛА швидко сформувати розподілену, безцентрова ретрансляційна маршрутизація з кількома стрибками, самоорганізована мережа з самоорганізацією, самовідновлення, і високі можливості проти руйнування, значно розширює дальність виявлення групи БПЛА, та ефективне покращення можливостей спільного сприйняття та обміну інформацією групи БПЛА, тим самим підвищуючи здатність кооперативної обробки, кооперативне прийняття рішень, і скоординований удар. США. військові є лідером у прикладних дослідженнях у цій галузі протягом багатьох років. TTNT і його спрощена еволюційна версія QNT — це тактичні канали передачі даних, засновані на технології Ad hoc і архітектурі IP. Вони мають чудові технічні та тактичні характеристики з точки зору масштабу мережі, швидкість передачі, затримка передачі, масштабованість мережі, і захист від перешкод, формування сильної бойової координації та значного розширення стилю бою. Відповідна інформація показує, що ці два типи каналів передачі даних застосовувалися в координації БПЛА, координація повітря-земля, авіаційно-ракетне узгодження, ракетно-ракетна координація, Посадка X47B, та дозаправка БПЛА в повітрі.

Спеціальна технологія називається технологією самоорганізації мережі, мережа зв'язку з декількома БПЛА, заснована на цій технології, відома як мережа самоорганізації БПЛА. Незважаючи на те, що майже 20 років досліджень і практики вітчизняних науковців, існує кілька практичних самоорганізованих мережевих прикладних систем БПЛА. Проблеми полягають у наступному:

• По-перше, мережа має високодинамічні розподілені характеристики. Топологія мережі постійно змінюється, створює значні проблеми для розподіленого розподілу ресурсів каналу та швидкого виявлення та встановлення маршрутів.
• По друге, є обмеження в ресурсах бездротового каналу. Протокол MAC і протокол маршрутизації повинні підвищити рівень використання ресурсів каналу з мінімальними витратами на контроль, і ефективно підтримувати динамічний розподіл ресурсів бездротового каналу з урахуванням пізнього входу та динамічного виходу вузлів.
• по-третє, забезпечення передачі даних Quality of Service (QoS) має вирішальне значення. Оптимізація конструкції протоколу MAC і протоколу маршрутизації в мережі з кількома переходами, що самоорганізується, передбачає вирішення різноманітних вимог до послуг щодо затримки передачі, швидкість передачі, і частота помилок пакетів передачі. Досягнення динамічного розподілу ресурсів каналу та вибору оптимізації маршруту передачі в умовах багатопараметричної та багатоцільової оптимізації є складним завданням.
• Нарешті, складність електромагнітного середовища в бойових застосуваннях викликає серйозне занепокоєння. Особливо в середовищі електронної протидії з навмисним втручанням, погіршення якості зв'язку значно впливає на загальну продуктивність мережі самоорганізації БПЛА. Це вимагає, щоб форма сигналу зв’язку фізичного рівня та протокол MAC канального рівня були здатні справлятися з електромагнітними перешкодами..

Сигнал зв’язку зазвичай використовує технології захисту від перешкод, такі як розширений спектр (стрибкоподібні зміни частоти, пряме поширення) або інтелектуальний вибір частоти, разом із надійними можливостями кодування з виправленням помилок для забезпечення якості зв’язку. Сигнал зв’язку фізичного рівня повинен мати можливість виявляти електромагнітне середовище, протокол MAC повинен розпізнавати ресурси каналу, і протокол маршрутизації повинен розуміти топологію мережі. Розробка та впровадження відповідної технології захисту від перешкод, стратегія розподілу ресурсів каналу, і стратегія маршрутизації, заснована на цьому розумінні, є важливою.

Ключові технології мереж самоорганізації безпілотних літальних апаратів повинні акцентувати увагу на мережевому аспекті зв’язку БПЛА, за винятком компонента завдання корисного навантаження прикладного рівня.

Перший аспект — це технологія захисту від перешкод, пов’язана з формою хвилі зв’язку фізичного рівня. Для військового застосування мереж самоорганізації БПЛА, дуже важливо орієнтуватися в складних електромагнітних середовищах, уникнути ворожих зривів, або пом’якшити негативний вплив перешкод на зв’язок, щоб забезпечити ефективний зв’язок. Технологія захисту від перешкод у зв’язку в першу чергу охоплює методи розширеного спектру та адаптивні методи вибору частоти. Розширений спектр включає традиційні стратегії захисту від перешкод, такі як стрибкоподібні зміни частоти, розширений спектр прямої послідовності, і поширюватися стрибками. По суті, стрибкоподібне перемикання частоти включає всі радіостанції в мережі, які синхронно змінюють свою несучу частоту зв'язку відповідно до попередньо визначеної послідовності стрибків на основі певного псевдовипадкового шаблону, що допомагає запобігти перехопленню та перешкодам. Адаптивний вибір частоти використовує технологію когнітивного радіо для виявлення перешкод і оцінки якості зв’язку в режимі реального часу на визначених частотних точках-кандидатах. Якщо на поточній частоті виникають перешкоди, якість зв’язку погіршується, він може швидко перемикатися на частоту з найкращою якістю, яка не містить перешкод. Для самоорганізованих мережевих систем, впровадження широкосмугового високошвидкісного стрибкоподібного перемикання частот вимагає вирішення таких проблем, як синхронізація несучої, бітова синхронізація, і кадрова синхронізація, типова для повністю підключених мереж, а також досягнення повної синхронізації часу мережі та синхронізації шаблону стрибків частоти в сценаріях з кількома стрибками, що є технічно складним. Щодо адаптивного вибору частоти, визначення того, як оцінити якість зв’язку на частотах-кандидатах у режимі реального часу та як швидко й синхронно перевести всю мережу на частоту з оптимальною продуктивністю зв’язку у разі перешкод, є критично важливими технологіями, які необхідно вирішити перед розгортанням мереж самоорганізації дронів у військових застосуваннях.

Другим аспектом є контроль доступу до середовища (МАК) протоколу в межах канального рівня. У контексті мереж самоорганізації дронів, це передбачає використання розподіленого алгоритму для швидкого та динамічного розподілу відповідних канальних ресурсів для кожного вузла, не покладаючись на центральний координуючий вузол. Мета полягає в тому, щоб гарантувати, що всі вузли можуть справедливо та ефективно отримувати доступ до обмежених ресурсів каналу, досягнення таких цілей, як низька затримка, висока надійність, і висока пропускна здатність. Це є серйозним викликом і важливою технологією, яку повинні вирішити мережі самоорганізації дронів.

Третій аспект стосується протоколу маршрутизації на мережевому рівні. Швидке переміщення вузлів у самоорганізованих мережах БПЛА призводить до постійних змін топології мережі. тому, розроблення швидкого алгоритму маршрутизації, ефективний, масштабований, і адаптація є важливою. Цей алгоритм повинен мати такі характеристики, як швидкий доступ до мережі, швидке перемикання маршрутів, швидке зближення, і мінімальні витрати на контроль. Подолання цих проблем є життєво важливим для успіху самоорганізованих мереж БПЛА.

Четверте, Якість обслуговування (QOS) технологія. Багато сучасних самоорганізованих мережевих радіостанцій були розроблені з використанням міжрівневого підходу до проектування. У створенні MAC і протоколів маршрутизації, використовуються такі фактори, як індикація сили сигналу та частота бітових помилок фізичного рівня, поряд з інтеграцією QOS і технологій контролю перевантаження з транспортного рівня. Додатково, різноманітні техніки адаптації, такі як силова адаптація, адаптація модуляції, адаптація кодування, і адаптація швидкості — використовуються для задоволення різноманітних вимог щодо обслуговування щодо затримки, швидкість, і втрата пакетів.

1. Спеціальний технічний опис

введення
Бездротові спеціальні мережі, зазвичай називаються спеціальними мережами, які виникли в результаті різноманітних ініціатив пакетних мереж у військових комунікаціях під керівництвом DARPA США. Зрештою вони перетворилися на те, що зараз відомо як мережі Ad-Hoc, з позначенням IETF як MANET (Мобільна спеціальна мережа).
Спеціальна мережа — це унікальний тип бездротової мережі мобільного зв’язку, де всі вузли мають однаковий статус, усунення необхідності в центральному вузлі управління, і демонструє сильну стійкість до збоїв. Кожен вузол у мережі не тільки виконує функції, типові для стандартних мобільних пристроїв, але також має можливість передавати повідомлення. Коли вихідний і цільовий вузли знаходяться поза зоною прямого зв’язку один одного, вони все ще можуть обмінюватися інформацією, направляючи повідомлення через вузли-посередники. У деяких випадках, зв'язок може вимагати кількох проміжних вузлів, тобто повідомлення повинно пройти кілька стрибків, щоб досягти кінцевого пункту призначення. Ця характеристика відрізняє мережі Ad Hoc від інших систем мобільного зв'язку. Вузли в мережі Ad Hoc досягають самоорганізації та роботи завдяки спільним зусиллям багаторівневих мережевих протоколів і розподілених алгоритмів..

Ключові характеристики

Децентралізований і розподілений: Кожна радіостанція має однакове значення, і немає центрального вузла. Вузли можуть входити або виходити з мережі вільно без шкоди для її стабільності.

Багатострибкова естафета: Авторизовані радіостанції можуть автоматично виконувати функції ретрансляції, розширення покриття мережі.

Адаптивна топологія: Система підтримує динамічну маршрутизацію, що робить його ідеальним для таких середовищ, як спортивні заходи, де схема мережі часто змінюється.

Прозорий IP-зв'язок: Система забезпечує передачу всіх даних на основі IP.

Трансмісія високої потужності: Використання підходу з кількома операторами, він пропонує широкосмуговий канал зв'язку, здатний обробляти різні типи інформації, включаючи дані, голос, зображення, і відео.

2. Практичний приклад візуалізованої спеціальної мережевої системи зв'язку

1. Короткий опис сценаріїв застосування
   Звітні навчання до 100-річчя Комуністичної партії Китаю відбулися в окремому районі, із залученням учасників спецназу, вогнеборство, аварійно-рятувальні, резерви міліції, та інші відповідні підрозділи. Члени команди були добре організовані, захоплений, і повний енергії. Вони швидко перейшли на етап продуктивності, дотримуючись уніфікованих директив. Наша компанія відповідала за забезпечення безпечного зв'язку, трансляція ракурсу події від першої особи до точки спостереження в режимі реального часу. Ми впоралися із цим завданням і отримали подяку від дослідного підрозділу.

(II) Вимоги до застосування сценарію

1. Транслюйте перспективне відео від першої особи від спецназу на великий екран командного пульта на місці навчань;
2. Через протоколи конфіденційності, відеодані не можна передавати через загальнодоступні мережі;
3. Забезпечте плавну передачу відео, з чіткими та стабільними зображеннями протягом вправ;
4. Передайте аудіо з місця на великий екран у точці спостереження в режимі реального часу.

(1) Функціональні особливості

1. Орієнтований на конкретні потреби бізнесу: Продукт розроблений відповідно до вимог озброєної поліції, спецміліція, та інші відповідні відділи.
2. Дотримується національних стандартів: Він підтримує протокол GB/T28181.
3. Дворежимне позиціонування з Beidou/GPS.
4. Цифровий домофон PTT для командного спілкування.
5. Ємність локальної пам'яті 128 ГБ, дозволяючи безперервний запис принаймні 60 годин.
6. Вбудована функція інфрачервоного нічного бачення, автоматичне перемикання між денним і нічним режимами залежно від світлочутливості.
7. простота установки: Оснащений спеціальною липучкою для озброєної та спеціальної поліції, завдяки чому його легко кріпити до шоломів.
8. Керування однією кнопкою: Створено для зручності використання, навіть у рукавичках.
9. Екстрена сигналізація в один клік: Солдати можуть попередити командний центр одним клацанням миші, активація зашифрованого запису тривоги.
10. Підтримує зашифрований зв'язок VPN із двопотоковим кодуванням; один потік надсилається до командного центру, а інший зберігається локально.
11. Сумісний із мережами 4G від China Mobile, China Unicom, і China Telecom.
12. Забезпечує відео та голосовий домофон у реальному часі.
    (2) специфікації

(1) Функціональні особливості

1. компактна конструкція, ідеально підходить для носіння або портативного використання.
2. Дозволяє двосторонню передачу послуг IP, включаючи голос і відео.
3. Підтримує Push-To-Talk (PTT) голосовий зв'язок.
4. Включає можливості динамічної маршрутизації, можливість самоорганізації та відновлення мережі.
5. Має вбудовану підтримку WiFi.
6. Включає вбудовану технологію позиціонування GPS/Beidou.
7. Пропонує функцію прозорої передачі через послідовний порт.
8. Сприяє підключенню до мережі кількох пристроїв, розміщення до 32 вузли безперервної ретрансляції.
9. Забезпечує високу пропускну здатність і пропускну здатність, з бездротовими спеціальними мережами зі швидкістю передачі даних IP до 70 Мбіт/с.
10. Дозволяє гнучку мережу; сітчаста структура підтримує різні режими зв'язку, наприклад точка-точка, від кількох точок до багатьох точок, від людини до людини, від людини до транспортного засобу, і від автомобіля до автомобіля.
11. Використовує оптимізовану техніку модуляції з унікальним режимом модуляції COFDM, забезпечує відмінне проникнення радіочастот і ефективність передачі дифракції на шляху.
12. Пропонує масштабованість завдяки підтримці IP-камер сторонніх виробників як радіочастотних джерел і дає можливість прямого підключення до самоорганізованих мережевих пристроїв.
    (2) Технічні характеристики