CC BY
43INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
ОРГАНИЗАЦИЯ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДРОНОВ
Хатамов Артур Пулатович1, Баратов Хожиакбар Нуриддин угли2
1 Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий,
старший преподаватель кафедры «Технологии мобильной связи» 2Студент Ташкентского университета информационных технологий имени Мухаммад ал-
Хоразмий https://doi.org/10.5281/zenodo.7858263
Abstract. This paper discusses the principle of organizing a wireless communication network using drones. We describe the principles of building a communication network using drones, using the Python programming language and the Pygame library, as well as examples of their use.
Keywords: wireless communication, drones, aircraft mobile networks, network topology, communication technology, autonomous systems, localization, sensor networks
В настоящее время существует все большая потребность в организации беспроводной сети связи, которая могла бы обеспечить высокую скорость передачи данных на большие расстояния. Дроны, используемые как "летающие базовые станции", представляют собой перспективный инструмент для организации беспроводной связи. В этой статье рассматривается принцип организации беспроводной сети связи с использованием дронов, и оцениваются преимущества и недостатки такого подхода.
Дроны или беспилотные летательные аппараты представляю собой летательные устройства, которые могут быть автономными или управляемыми удаленно. Их универсальность, низкая стоимость и простота развертывания делают их подходящими для различных областей применения, включая военные и гражданские цели. Как известно дроны могут использоваться для получения информации о поверхности земли, организации беспроводной связи, доставки товаров и управления дорожным движением, охраной окружающей среды, а также организации радиомониторинга объектов (например, жилых зданий) [1,2].
Как известно, у беспилотных летательных аппаратов есть свои ограничения, такие как охват больших географических районов и своевременная доставка информации. Для решения этой проблемы, дроны могут реализоваться в группах, которую называются "роем". Каждый дрон в рое является простым агентом в мультиагентной системе, где задачи распределяются между всеми дронами на основе интеграции сетевой и вычислительной систем. Это позволяет решать более сложные задачи, улучшая координацию между дронами и повышая их эффективность и гибкость. Разработка интегрированной системы управления роем дронов может обеспечить более широкий охват территории, более высокую гибкость и надежность.
"Ройный интеллект" (англ. swarm intelligence), представляет собой метод решения задач, основанный на моделировании поведения коллективных систем живых организмов, таких как пчелы, муравьи, рыбы и птицы. Одним из применений ройного интеллекта является организация работы группы дронов.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Суть ройного интеллекта заключается в том, что каждый дрон в группе выполняет определенную функцию и обменивается информацией с другими дронами в режиме реального времени. Благодаря такому обмену информации каждый дрон может быстро адаптироваться к изменяющимся условиям и выполнять свою функцию более эффективно.
Примером применения ройного интеллекта в использовании дронов может служить разработка алгоритма, который позволяет группе дронов совместно выполнять задачу поиска и спасения людей в условиях катастрофы. В таком случае каждый дрон выполняет определенную функцию, например, поиск людей с помощью камеры, передача информации о местонахождении пострадавших и т.д. Обмен информацией между дронами позволяет быстро находить людей и координировать действия группы дронов.
В стратегии развертывания роев дронов с использованием наземной станции управления, как показано на рисунке 1, где беспилотные летательные аппараты управляются через эффективные каналы восходящей и нисходящей связи.
Однако, при использовании нескольких беспилотных летательных аппаратов, радиосвязь между ними может быть ограничена, и не может осуществляться напрямую или через наземную станцию. Эту стратегию рекомендуется использовать при малой площади охвата и для несложных сценариев, но ее основное ограничение заключается в том, что наземная станция является единственной точкой отказа, что может привести к отключению всей сети. С точки зрения связи, стратегия развертывания основывается на точной модели канала "воздух-земля", конструкции антенн и модели мобильности.
Развертывания роев дронов - сеть на основе без точки доступа, сеть компьютер-компьютер (Adhoc), которая не имеет точки доступа и использует прямое взаимодействие между устройствами. Такая топология позволяет снизить требования к пропускной способности и задержке каналов связи, поскольку сбои в работе отдельных узлов не сильно влияют на всю систему. Это обеспечивает масштабируемость, отказоустойчивость, автономность, гибкость и экономическую эффективность [3,4]. Общая топология набора сетей без точки доступа, которые могут образовывать сеть Adhoc на основе кластера, наглядно показана на рисунке 2.
Рис. 1. Развертывание роев дронов без взаимодействия
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Рис. 2. Развертывание роев дронов со взаимодействием с применением нескольких
кластеров
Сеть связи на основе АёЬос дает возможность построения топологии в стратегии развертывания роев дронов с взаимодействием, предполагающие плоскую организацию и отсутствие главных дронов кластеров. В такой топологии сбои в работе отдельных узлов будут оказывать незначительное влияние на всю систему в целом, что позволяет снизить требования к пропускной способности канала нисходящей связи и задержке из-за более коротких каналов связи между беспилотными летательными аппаратами. Преимуществами стратегии развертывания сети на основе Adhoc являются: масштабирование сети, отказоустойчивость, автономность устройства, гибкость и меньшие затраты на настройку.
Система связи между дронами и наземной инфраструктурой строит граф связей, который обеспечивает обмен данными. Ее задачей является обеспечение замкнутого цикла управления, потоком данных, начиная от мониторинга, принятия решений и заканчивая их выполнением. Для решения этой проблемы может быть использовано распределение функций между несколькими дронами, при условии совместного выполнения задачи. Например, один дрон может обнаружить препятствие на пути полета, которое может повлиять на других членов стаи. Эта информация передается другому дрону, который в свою очередь может вычислить действие, необходимое для выполнения другими дронами на пути такого препятствия. Кроме того, данная связь необходима для координации дронов и передачи задач и информации об управлении. Требования к связи значительно различаются в различных приложениях и могут быть ограничены энерговооруженностью беспилотников и другими внешними факторами, такими как беспроводное затенение и прерывистость доступных каналов связи. В этом контексте, сетевая система должна учитывать эти ограничения и обеспечивать надежную работу [5].
В данной системе могут быть использованы два основных типа трафика данных. Первый тип — это трафик управления, который используется для отслеживания и изменения поведения дронов через пункт наземного контроля, а также для мониторинга информационных сообщений о состоянии дрона. Второй тип — это трафик координации, который включает информацию, связанную с взаимодействием дронов и предотвращением
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
столкновений между ними. Кроме того, между дронами также может происходить обмен данными о полезной нагрузке и услугах, предоставляемых на борту. Эти данные могут включать информацию о типе данных, полученных в результате наблюдений за физической средой, а также о данных, генерируемых и потребляемых устройствами, находящимися на борту летательного аппарата.
Для выполнения задач роя беспилотных летательных аппаратов крайне важно иметь надежную беспроводную связь через каналы "воздух-воздух", поскольку обмен информацией между беспилотными летательными аппаратами необходим для принятия локальных решений. Распределенная координация и обработка данных в реальном времени также критически важны для достижения целей системы роя беспилотных летательных аппаратов. Для обеспечения эффективного управления воздушными объектами с помощью роя необходима широкополосная связь с высокой пропускной способностью и низкими задержками, которая обеспечивает надежное сотрудничество и синхронизацию между летательными аппаратами. В целом, производительность сети должна соответствовать требованиям к надежности, скорости передачи и задержки для эффективной координации роя беспилотных летательных аппаратов [6].
Например, были выбраны параметры, в которых сравнивалась скорость передачи данных в различных точках сети при использовании различных методов организации связи. Эти параметры позволяли оценить эффективность использования различных типов устройств (дронов, ретрансляторов, мобильных базовых станций) и определить наиболее эффективные способы организации сети в различных условиях (таблица 1).
Таблица 1
Сравнивания скоростей передачи данных в различных точках
Точки сети Метод организации связи 1 Метод организации связи 2 Метод организации связи 3
Точка 1 50 Мбит/с 45 Мбит/с 52 Мбит/с
Точка 2 42 Мбит/с 40 Мбит/с 35 Мбит/с
Точка 3 38 Мбит/с 37 Мбит/с 42 Мбит/с
Точка 4 52 Мбит/с 50 Мбит/с 55 Мбит/с
В ходе исследования были рассмотрены методы организации беспроводной связи с
использованием дронов и проведены эксперименты с использованием библиотеки Pygame. Пример визуализации положения дронов на объекте наглядно представлен на рисунке 3.
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Wireless Network Visualisation — X
Device 42
Рис 3. Визуализация положения дронов на объекте с помощью библиотеки Pygame В качестве заключения можно отметить что, использование дронов для организации беспроводной связи требует значительных финансовых затрат на разработку и производство специальных устройств и оборудования. Кроме того, использование дронов может вызывать опасения в связи с приватностью и безопасностью данных, так как они могут использоваться для прослушивания и перехвата данных. Но, несмотря на эти недостатки, использование дронов для организации беспроводной связи может эффективно использоваться на территориях, где традиционная инфраструктура связи не доступна или качество связи оставляет желать лучшего.
REFERENCES
1. M. Mozaffari, W. Saad, M. Bennis, and M. Debbagh, "Mobile unmanned aerial vehicles (UAVs) for energy-efficient internet of things communica-tions," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 16, no. 11, 2017, pp. 7574-7589,
2. Vladislav Gubenko, Alisher Shakhobiddinov, Arthur Khatamov, Yelena Borisova.
Investigation of spurious electromagnetic radiation in residential premises. International Conference on Information Science and Communications Technologies: applications, trends and opportunities. ICISCT 2021.
3. Zhang, T.; Mao, S. Energy-Efficient Federated Learning with Intelligent Reflecting Surface. IEEE Trans. Green Commun. Netw. 2021, 6, 845-858.
4. A. Al-Hourani, S. Kandeepan, and S. Lardner "Optimal lap altitude for maximum coverage,", Wireless Communications Letters, IEEE, vol. 3, no. 6, pp. 569-572, 2014.
5. D. Moltchanov, "Distance distributions in random networks," Ad Hoc Networks, vol. 10, no. 6, pp. 1146-1166, 2012. (Cited on page 40.)
6. Campion M., Ranganathan P., Faruque S. UAV swarm communication and control architectures: A review // Journal Unmanned Vehicle System. 2018. Vol. 7. P. 93-106.
