CC BY
192
УДК 004.75:519.687.1 ББК 32.972.5 Д 58
Довгаль Виталий Анатольевич
Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры информационной безопасности и прикладной информатики Майкопского государственного технологического университета, доцент кафедры автоматизированных систем обработки информации и управления Адыгейского государственного университета, Майкоп, e-mail: urmia@mail.ru Довгаль Дмитрий Витальевич
Студент факультета энергетики и нефтегазопромышленности Донского государственного технического университета, Ростов-на-Дону, e-mail: lanayamann@gmail.com
Анализ систем коммуникационного взаимодействия дронов, выполняющих поисковую миссию в составе группы
(Рецензирована)
Аннотация. За последние десятилетия беспилотные летательные аппараты достигли выдающихся результатов в военном, коммерческом и гражданском применении. Для повышения эффективности применения беспилотных летательных аппаратов их все чаще объединяют в группу, называемую роем (или стаей). В этом случае связь между членами стаи играет важную роль в управлении и координации. Архитектура связи определяет, как осуществляется обмен информацией между дронами или между роем беспилотных летательных аппаратов и центральным пунктом управления. В этой обзорной статье подробно рассматриваются четыре коммуникационные архитектуры, включая их преимущества и недостатки. Также обсуждаются применимые сценарии. Предлагаемая тема является важной для построения эффективных облачно-туманных структур беспилотных летательных аппаратов.
Ключевые слова: децентрализованная сеть, коммуникационная архитектура, беспилотный летательный аппарат, рой дронов.
Dovgal Vitaliy Anatolyevich
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Information Security and Application Informatics, Maikop State University of Technology, Associate Professor of the Department of Automated Systems of Processing Information and Control, Adyghe State University, Maikop, e-mail: urmia@mail.ru
Dovgal Dmitriy Vitalyevich
Student, Faculty of Energy Production and Oil-Gas Industry, Don State Technical University, Rostov-on-Don, email: lanayamann@gmail.com
Analysis of communication interaction systems for drones performing a search mission as part of a group
Abstract. Over the past decades, unmanned aerial vehicles (UAVs) have achieved outstanding results in military, commercial and civilian applications. To increase the effectiveness of the use of UAVs, they are increasingly arranged into a group called a swarm (or flock). In this case, communication between pack members plays an important role in management and coordination. The communication architecture defines how information is exchanged between drones or between a swarm of UAVs and a central control point. This review article discusses four communication architectures in detail, including their advantages and disadvantages. Applicable scenarios are also discussed. The proposed topic is important for the construction of effective cloud-fog structures of UAVs.
Keywords: ad hoc network, communication architecture, unmanned aerial vehicle, swarm of drones.
Введение
Изначально беспилотные летательные аппараты (БПЛА) использовались для военных целей, и их применение в основном включало задачи поиска и уничтожения, пограничного контроля и огневой поддержки с воздуха наземных войск (close air support, CAS). Помимо военного применения, беспилотные летательные аппараты также играют важную роль в бизнесе и обеспечении функционирования различных государственных служб, таких, как помощь в случае стихийных бедствий, управление лесными пожарами, мониторинг сельскохозяйственных угодий и т.п. [1]. Кроме того, дроны могут оказать поддержку при обеспечении гражданской обороны и безопасности, мониторинга и управления дорожной обстановкой и передачи информации с помощью ретрансляционных сетей.
Преимущества, предоставляемые беспилотными летательными аппаратами, их широкая применимость привели к росту исследований и появлению новых путей их применения в течение последних нескольких лет. Очередной всплеск интереса к дронам возник после того, как появилась возможность объединять беспилотники в группы для совместного выполнения ими поставленных задач. По сравнению с системой одиночных БПЛА рой или формирование из нескольких БПЛА имеет очевидные преимущества. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики систем с одним и несколькими БПЛА.
Таблица 1
Сравнение основных характеристик системы одиночных беспилотных летательных аппаратов и роя дронов
Особенности системы Одиночный БПЛА Рой дронов
Живучесть Плохая Высокая
Масштабируемость Ограничена Высокая
Скорость полета Медленная Быстрая
Автономность Низкая Высокая
Стоимость Высокая Низкая
Коммуникационные потребности Высокие Низкие
Эффективная отражательная поверхность Большие Малые
Поясним различные особенности, представленные в таблице 1:
- живучесть: в системе с одним БПЛА считается отказом, если один БПЛА сбит во время выполнения миссии, но в системе с несколькими БПЛА один вышедший из-под контроля БПЛА не является чем-то серьезным, потому что другие БПЛА будут продолжать работать;
- масштабируемость: использование больших по размеру БПЛА для систем с одним БПЛА только увеличивает охват до определенной точки, а в системе с несколькими БПЛА можно легко увеличить дальность действия;
- скорость полета: миссии завершается быстрее, если используются системы с несколькими БПЛА (при осуществлении поисковой миссии, например, системы с несколькими БПЛА могут обрабатывать задачи параллельно, тем самым ускоряя время, необходимое для выполнения миссии);
- автономность: для систем с одним БПЛА типичным режимом работы является то, что пилот на земле имеет прямое управление всеми системами летательного аппарата в режиме реального времени. Для большинства многоцелевых БПЛА бортовая автоматика обеспечивает управляемый полет в соответствии с планами полета и другими директивами, полученными от инфраструктур;
- стоимость: при использовании нескольких систем БПЛА миссии могут быть завершены с меньшими затратами;
- коммуникационные потребности: системы одиночных БПЛА должны постоянно поддерживать связь с наземными пилотами или инфраструктурой, а система с несколькими БПЛА имеет только один конкретный БПЛА (главный координатор), который связывается с землей и передает сообщение другим БПЛА [2];
- эффективная отражательная поверхность: для военного применения многоцелевые системы БПЛА производят только небольшой эффективный поперечник рассеяния, что повышает безопасность военных операций.
На самом деле рой БПЛА - это набор воздушных роботов, которые совместно работают для достижения определенной цели. Обычно архитектура использования БПЛА включает либо ручное управление, то есть с помощью дистанционного управления, либо автономное с помощью процессоров, установленных на беспилотных летательных аппаратах [3]. Оба способа управления требуют наличия канала связи. Кроме того, высокоэффективная и надежная связь играет важную роль в решении поставленных рою БПЛА задач, включая стратегии координации и сотрудничества, механизмы управления, безопасность, расчет алгоритмов планирования миссии и многое другое.
Взаимодействие в рое БПЛА включает в себя не только связь каждого дрона с другим
(ЦЛУ-1»-ЦЛУ, Ц-Т-Ц), но и связь отдельного члена стаи с обеспечивающей его инфраструктурой (ЦЛУ-1»-1пй-а81;гис1;иге, Ц-Т-1):
- связь Ц-Т-Ц: создание каналов и качественный обмен информацией между всеми дро-нами роя с использованием датчиков или радиолокационной станции (два БПЛА могут либо напрямую, либо опосредованно связываться друг с другом путем построения многопереходных каналов на основе дронов стаи);
- связь Ц-Т-1: летательные аппараты связываются с фиксированным центральным центром управления, таким, как наземная станция, для получения информации о полете в режиме реального времени. Коммуникация Ц-Т-1 обычно является непосредственной связью с использованием инфраструктуры Главного Центра управления.
Связи Ц-Т-Ц и Ц-Т-1 объединены посредством коммуникационной архитектуры. Другими словами, архитектура связи роя БПЛА определяет, как происходит обмен информацией между БПЛА или между БПЛА и инфраструктурой. Очевидно, что используемые протоколы маршрутизации, применяемые в структуре связи Ц-Т-Ц, играют важную роль в достижении надежной сквозной передачи данных. Именно поэтому коммуникационная архитектура роя и протокол маршрутизации становятся важными темами исследований в области роя беспилотных летательных аппаратов.
Статья рассматривает архитектуру обмена данными роя БПЛА как процесс их взаимодействия для выполнения поставленной задачи. Сравнительный анализ различных архитектур, выявление их преимуществ и недостатков, проведенные в настоящем обзоре, могут быть полезны для развертывания эффективных коммуникационных архитектур для стаи дронов.
На начальном этапе становления такой структуры, как рой БПЛА, применялась центральная станция, достаточно мощная для связи со всем роем БПЛА - так называемый централизованный подход, позволяющий уйти от идеи одиночного дрона к архитектуре взаимодействующих летательных аппаратов. Постепенно начинает появляться децентрализованный подход, обеспечивающий более сложную структуру и организацию роя, но снижающий его зависимость от центральных станций. Рассмотрим общие коммуникационные архитектуры, доступные для систем роя БПЛА, и проанализируем достоинства и недостатки этих архитектур.
1. Архитектура централизованного взаимодействия
Архитектура централизованного обмена данными подразумевает наличие неподвижного центрального узла, к которому подключены все БПЛА в рое (рис. 1). Каждый летательный аппарат формирует индивидуальную зависимость с инфраструктурой и непосредственно получает управляющие команды от инфраструктуры.
Наземная станция управления
Рис. 1. Схема, изображающая централизованную архитектуру взаимодействия
Достоинства такого типа архитектуры: относительная стабильность, использование более простых алгоритмов маршрутизации и небольшой масштаб (обеспечивает взаимодейст-
вие роя дронов небольшого размера и зоны охвата миссии при относительно простой постановке цели миссии). В качестве примера можно привести наблюдение за толпой.
Связь между БПЛА требует технических возможностей центрального узла (наземной станции, НС) для передачи данных. При этом расстояние от дронов до НС намного больше, чем расстояние между каждым из летательных аппаратов, что приводит к более длительным задержкам. Кроме того, учитывая высокую мобильность БПЛА и требования к покрытию роевых приложений, эта архитектура явно не является стабильной. Инфраструктура в виде центрального узла также приводит к тому, что вся коммуникационная сеть парализуется, как только наземная станция или спутник выходят из строя или подвергаются нападению. Таким образом, централизованная коммуникационная архитектура имеет недостаток единой точки отказа (Single Point of Failure, SPOF) [4]. В результате централизованную коммуникационную архитектуру можно считать ненадежной.
2. Децентрализованная коммуникационная архитектура
Поскольку БПЛА работают на высоких скоростях и миссии могут охватывать большие площади, беспилотники часто подключаются и отключаются от сети. В результате роевые децентрализованные сети БПЛА считаются лучшим выбором [5]. В рамках такой архитектуры беспилотные летательные аппараты осуществляют интерактивную связь в реальном времени специальным образом, тем самым устраняя зависимость от инфраструктуры и устраняя ограничения дальности связи.
2.1. Одиночно-групповая децентрализованная сеть роя
В одиночно-групповой децентрализованной сети роя (рис. 2) внутреннее взаимодействие не зависит от наземной инфраструктуры. Связь между роем и НС представляет собой одноточечную связь, опирающуюся на конкретный БПЛА, называемый шлюзовым БПЛА. В этой системе другие летательные аппараты являются узлами ретрансляции, которые передают данные внутри роя. Используя этот метод, БПЛА в рое могут обмениваться информацией о ситуации в режиме реального времени для оптимизации совместного управления и повышения эффективности.
Аналогично взаимная связь между шлюзовым дроном и НС позволяет также загружать и скачивать информацию о стае, включая обучающую информацию. Шлюзовой БПЛА должен обладать двумя дополнительными типами приемопередатчиков: один для связи с другими БПЛА на малой мощности и коротких расстояниях и другой для связи с НС на большой мощности и большой дальности. Такое решение позволяет уменьшить стоимость других летательных аппаратов стаи и снабдить их приемопередатчиками небольшого веса и работаю-
Свяэь дронов друг с другом (U-T-U) Связь с обеспечивающей структурой (U-T-I)
Наземная станция управления
Рис. 2. Схема, изображающая одиночно-групповую децентрализованную сеть
щими на небольшой дальности. В целом это значительно расширяет диапазон связи сети, обеспечивая большие требования к покрытию, а также позволяет перераспределить вес полезной нагрузки небольших БПЛА.
Рассматривая требования миссии, можно отметить, что архитектура связи внутри роя претерпела несколько изменений. На рисунке 3 показаны три общие архитектуры связи внутри роя.
а) б) а)
Рис. 3. Архитектура связи внутри роя: (а) кольцевая архитектура; (б) звездная архитектура; (в) ячеистая архитектура
На рисунке 3 а показан пример кольцевой архитектуры, в которой БПЛА образуют замкнутый контур связи через двунаправленное соединение. Любой летательный аппарат может выступать в качестве шлюзового узла для роя. Когда прямое подключение между двумя соседними БПЛА выходит из строя, целевой дрон может связаться обратно через контур связи. Поэтому кольцевая архитектура обладает определенной устойчивостью. Однако очевидно, что этой архитектуре не хватает масштабируемости.
Архитектура типа «звезда» представлена на рисунке 3б - шлюзовой БПЛА находится посередине и взаимодействует не только с НС, но и со всем роем дронов. Из рисунка 3б нетрудно увидеть, что звездная архитектура имеет недостаток, присущий БРОБ. То есть, если узел шлюза выйдет из строя, это приведет к сбою всей системы.
Ячеистая архитектура представляет собой комбинацию кольцевой и звездообразной архитектур и обладает преимуществами обеих систем (рис. 3в). Все узлы БПЛА в рое имеют одинаковые функциональные возможности: и функции конечных узлов, и функции маршрутизации. Информационный поток от одного узла к другому может быть реализован в различных формах, и любой БПЛА может выступать в качестве шлюзового узла для роя. Ячеистая архитектура теперь стала стандартом для систем связи внутри стаи.
Однако многообразие миссий приводит к более высоким требованиям к составу летательных аппаратов в стае. Практическое применение часто требует, чтобы рой использовал не только небольшие БПЛА, но и средние, и большие БПЛА. Поэтому вышеупомянутая архитектура одиночно-групповой децентрализованной сети роя явно не отвечает этим потребностям. В то время как подобные БПЛА часто могут летать близко друг к другу, различные типы БПЛА могут находиться далеко друг от друга. Поэтому летательные аппараты в рое делятся на разные группы, причем аналогичные дроны расположены в одинаковой близости. Они известны как мультигрупповая децентрализованная сеть роя и многослойная децентрализованная сеть.
2.2. Мультигрупповая децентрализованная сеть роя
Чтобы устранить недостатки одиночно-групповой децентрализованной сети роя, мультигрупповая децентрализованная сеть роя (рис. 4) объединяет как централизованную архитектуру, так и архитектуру одиночно-групповой децентрализованной сети роя. Различные типы групп имеют различные приложения в зависимости от миссии. В целом архитектура организована централизованно, как описано в разделе 1, хотя разница заключается в том, что внутригрупповые БПЛА взаимодействуют друг с другом децентрализованным образом. Внутригрупповые коммуникационные архитектуры аналогичны внутрироевым коммуникационным архитектурам, описанным в разделе 2.1. Межгрупповое взаимодействие, то есть
групповые коммуникации (Огоир-1;о-Огоир, О-Т-О), выполняются через наземную станцию, поэтому шлюзовые БПЛА по-прежнему отвечают за связь с ней. Когда сценарии миссии требуют множества БПЛА, может быть использована архитектура мультигрупповой децентрализованной сети роя. Однако следует обратить внимание на надежность этой архитектуры, поскольку рассматриваемая архитектура является полуцентрализованной. В то же время для связи О-Т-О между двумя летательными аппаратами в разных группах архитектура мульти-групповой децентрализованной сети роя по-прежнему страдает высокой задержкой. Одним из конкретных применений мультигрупповой архитектуры являются совместные операции на нескольких театрах военных действий. Центральный пункт управления связывается с различными роями БПЛА, которые затем устремляются в район миссии с разных направлений, согласно инструкциям управления.
Рис. 4. Схема, изображающая мультигрупповую децентрализованную сеть
2.3. Многослойная децентрализованная сеть роя
Архитектура многослойной децентрализованной сети роя - это еще один тип архитектуры, который подходит для массового разнообразия беспилотных летательных аппаратов. Как показано на рисунке 5, эта архитектура является более продвинутой по сравнению с архитектурой мультигрупповой децентрализованной сети роя. Группа соседствующих БПЛА одного типа образует одноранговую сеть, которая является первым уровнем коммуникационной архитектуры. Архитектура внутригрупповой связи разработана так, как описано в разделе 2.1. Различные типы групп дронов полагаются на шлюзовые БПЛА для выполнения связи О-Т-О, которая включает в себя второй уровень. Ближайший шлюз БПЛА связывается с инфраструктурой, которая является третьим уровнем архитектуры. Связь между любыми двумя летательными аппаратами в архитектуре многослойной децентрализованной сети роя не требует ретрансляции инфраструктуры. Взаимная связь БПЛА в одной группе происходит на первом уровне. Связь между БПЛА в разных группах осуществляется через шлюз БПЛА. Пакеты данных проходят через первый и второй уровни по очереди. Таким образом, в многослойной децентрализованной сети роя нет БРОБ, и этот тип архитектуры надежен.
Если количество летательных аппаратов в миссии меняется, то архитектура многослойной децентрализованной сети роя компенсирует увеличение или уменьшение узлов БПЛА и быстро реализует реконструкцию сети. Поэтому многослойная децентрализованная сеть роя подходит для сценариев, когда миссии для стаи дронов сложны: существует огромное количество БПЛА, выполняющих миссию, изменяется топология сети, и связь между узлами дронов происходит часто. В настоящее время проводятся исследования по разработке
групп БПЛА с повышением их коммуникационных возможностей, в которых улучшением является определение оптимального количества слоев, необходимых для формирования архитектуры децентрализованной сети роя с большим количеством БПЛА в целях расширения диапазона задач и более надежной сети.
Рис. 5. Схема многослойной децентрализованной сети
Заключение
В данном исследовании проанализированы четыре архитектуры связи, которые могут быть развернуты в стаях дронов. В представленных структурах выделены три общие архитектуры связи внутри роя. На основании рассмотренных схем взаимодействия можно сделать вывод, что многослойная архитектура в сочетании с ячеистой внутрироевой архитектурой в настоящее время является наиболее применимой коммуникационной архитектурой. Многослойная архитектура может лучше адаптироваться к характеристикам обмена данными внутри роя дронов, но она также приносит новые проблемы: важность шлюзовых БПЛА в роевой связи требует необходимости своевременного обнаружения отказов шлюзовых БПЛА. Кроме того, в случае возникновения неполадок должен существовать надежный алгоритм выбора следующего летательного аппарата, который будет действовать в качестве шлюза. В то же время данные, хранящиеся в неисправном шлюзовом БПЛА, должны иметь возможность синхронизации с резервным летательным аппаратом.
Примечания:
1. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Использование интернета вещей для охраны окружающей среды // Фундаментальные и прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий: материалы V междунар. науч.-практич. конф. Ч. 1. Майкоп: Изд-во Кучеренко В.О., 2019. С. 152-157.
2. Dovgal V.A. Decision-Making for Placing Unmanned Aerial Vehicles to Implementation of Analyzing Cloud Computing Cooperation Applied to Information Processing: 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Sochi, 2020. P. 1-5, DOI:
References:
1. Dovgal V.A., Dovgal D.V. Using the Internet of Things for Environmental Protection // Fundamental and Applied Aspects of Geology, Geophysics and Geoecology Using Modern Information Technologies: Proceedings of the 5th Intern. scient. and pract. conf. Pt. 1. Maikop: Publishing House of Kucherenko V.O., 2019. P. 152-157.
2. Dovgal V.A. Decision-Making for Placing Unmanned Aerial Vehicles to Implementation of Analyzing Cloud Computing Cooperation Applied to Information Processing: 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Sochi, 2020. P. 1-5, DOI:
10.1109/ICIEAM48468.2020.9111975
3. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Анализ безопасности роя дронов, противостоящего атакам злоумышленников // Дистанционные образовательные технологии: сб. трудов V междунар. науч.-практ. конф. / отв. ред. В.Н. Таран. Симферополь, 2020. С. 372-377.
4. Ланских Е.В., Калашник В.Н., Скрипка Я.С. Исследование виртуализации для построения отказоустойчивых кластеров // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 4, ч. 1. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/04/32958 (дата обращения: 09.12.2020).
5. Chen X, Tang J, Lao S. Review of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and Routing Protocols // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, Iss. 10. 3661 p.
10.1109/ICIEAM48468.2020.9111975
3. Dovgal V.A., Dovgal D.V. Analysis of the security of a swarm of drones resisting attacks by intruders // Distance educational technologies: collection of proceedings of the 5th Int. scient. and pract. conf. / executive ed. by V.N. Taran. Simferopol, 2020. P. 372-377.
4. Lanskikh E.V., Kalashnik V.N., Skripka Ya.S. Research of virtualization technology for build a failover clusters // Modern Scientific Research and Innovations. 2014. No. 4, Pt. 1. URL: http://web.snauka. ru/issues/2014/04/32958 (access date: 09.12.2020).
5. Chen X, Tang J, Lao S. Review of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Communication Architectures and Routing Protocols // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, Iss. 10. 3661 p.
