CC BY
219
W\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10269
ПОСТРОЕНИE ОПОРНОЙ СЕТИ СВЯЗИ НА БАЗЕ МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ОТСУТСТВИЕМ НАЗЕМНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
ЧЕРТОВА Ольга Георгиевна1
ЧИРОВ
Денис Сергеевич2
Сведения об авторах:
1аспирант Московского технического университета связи и информатики, научный сотрудник федерального государственного бюджетного учреждения «Главный научно-исследовательский центр робототехники» Министерства обороны Российской Федерации, г. Москва, Россия, [email protected],
2д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
В работе рассмотрен перспективный способ организации сети связи в условиях сложной помехоустойчивой обстановки и отсутствия наземной инфраструктуры. Оперативная система связи разработана с помощью самоорганизующейся сети с архитектурой Ad-hoc на базе стандарта WiMAX, причем опорная сеть связи организована в виде группировки малоразмерных беспилотных летательных аппаратов. Внесены изменения в существующий протокол маршрутизации AODV, что позволило решить проблемы, возникающие при быстром и частом изменении топологии сети. В основе метода лежит принцип ретрансляции трафика через ближайших соседей для канала с аддитивным белым гауссовским шумом и вероятностью ошибки 10-6. Работоспособность системы подтверждается расчетом бюджета линии связи вверх и вниз с помощью разработанного программного обеспечения, которое облегчает пересчет всех параметров при адаптации системы к динамически изменяющимся условиям окружающей среды. Расчет параметров частотно-территориального планирования показал, что один беспилотный летательный аппарат может обеспечивать связью до 1000 наземных абонентов (робототехнических комплексов) в своей зоне обслуживания, находясь при этом на расстоянии 3-9 километров от других летательных аппаратов, обеспечивая устойчивость к интерференционным помехам. Таким образом, создание опорной системы связи на базе беспилотных летательных аппаратов является актуальной. Данное техническое решение отличается от известных самоорганизующихся систем связи возможностью реализации на базе малоразмерных беспилотных летательных аппаратов российского производства.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: малоразмерный беспилотный летательный аппарат; опорная сеть связи; самоорганизующаяся сеть связи Ad-hoc; протокол маршрутизации AODV, стандарт WiMAX; наземный робототехнический комплекс.
Для цитирования: Чертова О.Г., Чиров Д. С. Построение опорной сети связи на базе малоразмерных беспилотных летательных аппаратов с отсутствием наземной инфраструктуры // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 3. С. 60-71. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10269
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
¿¿У
! Iff/ 114 //"
3-2019, H&ES RESEARC
Введение
Несмотря на высокий технологический уклад, современное общество подвержено влиянию техногенных и природных аварий и катастроф, в результате которых наблюдается деградация, вплоть до полного разрушения инфраструктуры в районе аварии, в том числе сетей и средств связи. Поэтому при ликвидации последствий аварии (катастрофы) возникает необходимость оперативного развертывания систем связи для обеспечения связью специальных служб. Одним из возможных вариантов оперативного создания сети связи является организация опорной сети на беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Задачей опорной сети является оперативная замена уничтоженной наземной инфраструктуры связи.
Методика исследования
Чаще всего для обеспечения связью пользуются средства УКВ диапазона, но максимальное расстояние работы в этом диапазоне ограниченно 10 км [1]. Для обеспечения связи на большие расстояния требуется увеличение зоны покрытия. В случае с базовыми станциями (БС) пришлось бы выносить их антенны на большую высоту, что нарушает скрытность и неизбежно привлекает внимание противника с последующим огневым поражением или функциональным подавлением. Альтернативным способом решения задачи является организация связи на БЛА малого класса, которые используются в качестве ретрансляторов и базовых станций, но расположенных не на земле, а в воздухе. Использование малоразмерных БЛА вместо БС обеспечивает:
- высокую отказоустойчивость. Оперативное восстановление опорной сети за счет запуска дополнительных БЛА;
- возможность оптимального покрытия обслуживаемой территории;
- возможность перемещения БЛА в воздухе для покрытия максимально возможной площади;
- быстрое развертывание сети;
- возможность БЛА летать над определённым подвижным абонентом, тем самым постоянно обеспечивать его соединение;
- увеличение зоны обслуживания за счёт взлёта БЛА на большую высоту;
- более низкая стоимость по сравнению с развертыванием наземной инфраструктуры.
- масштабируемость сети в режиме самоорганизации.
Однако организация мобильной связи на БЛА обусловлена рядом недостатков: необходимостью создания густой сети покрытия, жёсткая фиксация узлов и маршрутов, возможна неполная зона покрытия, обязательно плотное расположение беспилотников и т.д. Эти недостатки отсутствуют у самоорганизующихся сетей связи.
Одним из типов беспроводной самоорганизующейся сети является децентрализованная сеть связи Ad-hoc, которая обладает важным свойством — адаптивностью к быстроменяющейся обстановке.
Построение опорной сети связи на базе малоразмерных БЛА возможно с помощью Ad-hoc архитектуры (беспроводная динамическая сеть или беспроводная самоорганизующаяся сеть, не имеющая постоянной структуры). Её используют в случаях, когда мобильные устройства принадлежат разным абонентам и единое централизованное управление отсутствует. Клиентские устройства соединяются «на лету», образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные, предназначенные другим узлам [2]. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием Ad-hoc сети от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях). Каждое устройство Ad-hoc сети является как абонентским терминалом, так и маршрутизатором.
Поскольку в процессе выполнения задачи организации связи, действующие узлы могут отключаться, а новые узлы подключаться—топология сети подвержена быстрым и частым изменениям. Соответственно такие же изменения присутствуют в маршрутах доставки данных от БЛА к абоненту. Это приводит к тому, что применение известных протоколов маршрутизации (AODV, OLSR) приводит к невозможности организации связи при адаптации их к работе на малоразмерных БЛА в стандарте WiMAX.
Стандарт WiMAX позволяет работать в любых условиях, в том числе в условиях плотной городской застройки, обеспечивая большую дальность связи, высокое качество связи и скорость передачи данных. Сеть позволяет предоставлять услуги телефонии, доступа в Интернет и передачи данных без использования кабельных линий. Также сеть дает возможность оператору при дальнейшем росте числа абонентов производить масштабирование, не затрачивая при этом больших средств [3].
Передача данных в самоорганизующихся сетях связи построена на IP-протоколе, а данные маршрутизируются на сетевом уровне модели OSI [4]. Такой подход используется в самоорганизующихся сетях и полагается на особые протоколы маршрутизации (AODV, OLSR, HWMP и другие). Решение о применении того или иного протокола маршрутизации зависит от условий работы узлов для каждой конкретной задачи. Для решения задачи организации связи с помощью БЛА целесообразно использовать проколол AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) [5-7], поскольку AODV разработан для снижения задержек на передачу управляющих сообщений, улучшения мас-
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
№ 3-2019
АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
штабируемости и производительности работы сети в сетях различного размера и представляет собой комбинацию двух протоколов: реактивного и проактивного, от которого он наследует концепцию heИo-сообщений. Эти служебные сообщения, рассылаемые на расстояние одного транзитного участка, служат для поддержания узлом актуального списка своих соседей, что позволяет ускорить процесс рассылки запросов на построение маршрута.
Для поддержки требуемого качества передачи сообщений при решении поставленной задачи целесообразно внести в протокол ряд изменений [8-10]:
- все служебные пакеты инкапсулируются не в протокол UDP, а в протокол канального уровня, что позволяет локализовать область, в которой могут подделываться адреса отправителей в сообщениях;
- ввести механизм периодического обмена таблицами маршрутизации, чтобы к знаниям узла о топологии сети добавить знания его соседей;
- ввести два порядковых номера: для источника и для адресата, что позволит отслеживать новизну информации о топологии сети при использовании маршрута от адресата к источнику;
- ввести механизм быстрого восстановления маршрутов в случае нарушения одной из промежуточных связей, при этом многократно сократится время на восстановление нарушенного маршрута, а также уменьшится объём трафика, передаваемого по сети для восстановления нарушенного маршрута.
Данные изменения позволят осуществлять передачу трафика с требуемым качеством в рамках стандарта WiMAX.
Способ применения технологии Ad-hoc для построения опорной сети связи с использованием малоразмерных БЛА заключается в следующем. Существует несколько абонентов (для конкретного примера в качестве абонентов рассматриваем наземные робототехнические комплексы (НРТК)) в условиях динамически изменяющейся окружающей среды с отсутствием наземной инфраструктуры. НРТК необходимо организовывать в единую робототех-ническую систему, скоординированную по целям и задачам. Для обеспечения связи над ними летает БЛА (рис. 1). На борту БЛА размещается два приёма-передающих модуля (МММ), один для обеспечения связи БЛА-БЛА (пунктирная линия), второй, работающий на другой частоте и с другой мощностью. для обеспечения связи БЛА-НРТК (кругами отмечены зоны покрытия).
Стоит отметить, что связь между БЛА необходимо реализовать на основе протоколов геомаршрутизации. Геомаршрутизация подразумевает передачу данных для группы получателей в сети. идентифицируясь по их географическому местоположению. Основным преимуществом протоколов такого типа является отсутствие необходимости в хранении маршрутной информации на транзитных узлах сети и возможность оптимизации маршрутов, с учетом текущей информации о местоположении узлов. Для построения оптимальных маршрутов, протоколы гео-
Рис. 1. Схема организации опорной Ad-hoc сети связи на базе малоразмерных БЛА
маршрутизации используют текущие геопространственные данные о положении БЛА в опорной сети, полученные от бортовых навигационных систем (например, аппаратуры спутниковой навигации «Глонасс»).
Рассмотрим возможность организации опорной Ad-hoc сети на основе базовой станции Air4gp стандарта IEEE802.16e с конфигурацией антенны типа MIMO и возможностью автоматического выбора модуляции. Преимущество использования стандарта WIMAX является его адаптация к внешним помехам, т.е. система может программно подстраиваться к текущим характеристикам канала связи. При низком уровне помех система будет использовать модуляцию QAM-64 и высокую скорость сверточного кодирования, что обеспечит максимальную скорость пере-
¿¿У !!Ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
дачи данных [11, 12]. При высоком уровне помех будет использоваться модуляцию QPSK при более низкой скорости кодирования и при меньшей скорость передачи данных.
Такую систему возможно реализовать на малоразмерных БЛА типа «0рлан-10», «Леер-3», «Птеро-СМ», «Ворон-300», «Нелк-В6» и т.д. Технические характеристики которых позволяют разместить на борту указанную базовую станцию [13].
Для оценки реализуемости представленного способа был проведен расчет бюджета линии связи вверх и вниз по формуле (1) относительно мощности переданного сигнала [13], который показал, что сигнал будет передаваться с заданным качеством и постоянной скорость V = 75 Мбит/с в любой, даже сложной помехоустойчивой обстановке.
Рис. 2. Кривые помехоустойчивости для разных типов модуляции
X<N\ \\\\
4 NVA W\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
№ 3-2019
P , = K,u- G + Zv + к +V,
pd c/sh pm L b 7
(1)
где Kdsh — требуемое отношение сигнал/шум (ОСШ) для сверточного кодирования с вероятностью ошибки 10-6 (рис. 2), зависящее от кратности модуляции и при QAM 64 K,h = 32,882 дБ;
Орт — усиление принимающей антенны, у НРТК Орт = 15 дБи, что соответствует усилению антенны современного автомобиля;
Ь— суммарные потери, влияющие на канал, при расчете брались наихудшие условия (выпадение осадков) Ьъ = 85,533 дБ;
Рис. 3. Алгоритм работы программы
S/zK
t, /// i'íi i¡/i
3-2019, H&ES RESEARCH^
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Vol
No
kb = -228,6 дБ*Вт/(Тц*К) — постоянная Больцмана;
V — ширина канала программно-настраиваемая от 1,25 до 13,6 МГц.
Расчет выполнялся для линии вверх и вниз при разных способах модуляции, с помощью программного обеспечения, согласно разработанному алгоритму (рис. 3).
Пример работы программы представлен на рис. 4.
С помощью разработанной программы был проведён анализ зависимости мощности передающего модуля от высоты барражирования БЛА при разных рабочих частотах (рис. 5). Пунктирная линия соответствует ограничению по мощности P = 0,159 Вт. Это максимальная мощность передатчика, размещенного в ППМ БЛА, соответствующего стандарту WiMAX и антенне типа MIMO для базовой станции Air4gr.
Из рис. 5. видно, что система является работоспособной и на частотах до 4 ГГц работает при любой из заданных модуляций на рабочей высоте малоразмерного БЛА (до 3 метров). На частотах от 4 до 12 ГГц не на всей рабочей высоте работает с необходимым качеством модуляция QAM 64, а при 12-13,6 ГГц на всей рабочей высоте с необходимым качеством работает только QPSK. Таким образом, при динамически изменяющихся условиях окружающей среды следует постоянно изменять вид модуляции
и тщательно следить за высотой барражирования БЛА, что и обеспечивает разработанная программа.
Однако при смене вида модуляции изменяется скорость передачи символов, что может ухудшить качество передачи информации НРТК. Выбор модуляции влияет на скорость передачи символов Я по следующей формуле (2).
*
S los B
(2)
где V — скорость передачи данных 75 Мбит/с, В — кратность модуляции. Получим следующие значения (табл. 1).
Таблица 1
Символьная скорость
QPSK 37,5 Мбит/символ
QAM 16 18,75 Мбит/символ
QAM 64 12,5 Мбит/символ
Согласно рис. 5 и табл. 1, можно работать на максимальной символьной скорости до рабочей частоты/= 4 ГГц,
Рис. 4. Результат работы программы
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019 ТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Рис. 5а,Ь,сДе,£ а - / = 2,3 ГГц, Ь - / = 3,0 ГГц, с - / = 4,0 ГГц, а - / = 5,0 ГГц, е - / = 6,0 ГГц,/ -/ = 7,0 ГГц, g -/= 8,0 ГГц, к -/= 9,0 ГГц, I -/= 10,0 ГГц,] -/= 11,0 ГГц, к-/= 12,0 ГГц, I -/= 13,0 ГГц, т -/= 13,6 ГГц
Рис. 5g,h,ij,k,l. a - f = 2,3 ГГц, b - f = 3,0 ГГц, с - f = 4,0 ГГц, d - f = 5,0 ГГц, e - f = 6,0 ГГц,f-f = 7,0 ГГц, g-f= 8,0 ГГц, h-f= 9,0 ГГц, i-f= 10,0 ГГц, j-f= 11,0 ГГц, k-f= 12,0 ГГц, l-f= 13,0 ГГц, m-f= 13,6 ГГц
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Рис. 5m. a - f = 2,3 ГГц, b - f = 3,0 ГГц, с - f = 4,0 ГГц, d - f = 5,0 ГГц, e -f = 6,0 ГГц, f-f = 7,0 ГГц, g - f = 8,0 ГГц, h - f = 9,0 ГГц, i - f = 10,0 ГГц, j - f = 11,0 ГГц, к - f= 12,0 ГГц, l-f = 13,0 ГГц, m-f = 13,6 ГГц
от f = 4 ГГц до f = 13 ГГц стоит переключиться на модуляцию QAM 16, а на предельно возможной рабочей частоте f = 13,6 ГГц возможно использовать только QPSK.
Основной задачей спектрально эффективных модуляций является максимизация эффективности использования полосы частот [14].
Низкая скорость передачи данных уменьшает ширину пропускания, а любое повышение скорости передачи сигналов требует увеличения ширины полосы пропускания.
Запишем формулу спектральной эффективности (3) и рассмотрим её для всех значений ширины полосы в табл. 2.
Z =
V
(3)
Таблица 2
Зависимость спектральной эффективности от разных значений ширины полосы
а/ = 1,25 МГц Z = 60 бит/с/Гц
Af = 5,0 МГц Z = 15 бит/с/Гц
Af = 10,0 МГц Z = 7,5 бит/с/Гц
Af=13,6 МГц Z = 5,5 бит/с/Гц
На рис. 6 продемонстрированно, что при фиксированной скорости V = 75 Мбит/с и при ширине полосы Af = 10,0 МГц лучше использовать QAM 64, а при А/=13,6 МГц — QPSK.
Кривая линия на графике — это граница, разделяющая область реальных прикладных систем связи и область, в которой такие системы связи теоретически невозможны.
При выборе тех или иных параметров связи всегда нужно искать компромисс между несколькими параметрами: так, увеличивая символьную скорость, увеличивается мощность на передатчике. При выборе модуляции с низким отношением сигнал/шум требуется значительно увеличить значение ширины полосы.
Разработанная программа поможет оператору не тратить время на пересчет и перестройку параметров на БЛА. В дальнейшем планируется сделать эту работу автоматической.
Также рассмотрена задача частотно-территориального планирования (ЧТИ), в ходе которой установлено, что максимальное число НРТК при идеальных условиях приёма, обслуживаемое одним БЛА, может достигать ЫаЬ ~ 1000 НРТК. Значение получено в соответствии с выражением (4):
Nab = MsA A
(4)
где М — число секторов в антенне, была использована узконаправленная антенна;
Лх — допустимая нагрузка в секторе одного БЛА при допустимом значении числа каналов трафика в соответствии с моделью Эрланга (рис. 7) Лх = 0,001.. .50 [15];
Л1 [Эрл] — средняя по всем видам трафика абонентская нагрузка от одного НРТК.
Целью ЧТИ является нахождение значения величины защитного интервала между БЛА, которое находится из выражения (5). Защитный интервал необходим для борьбы с интерференцией между одинаковыми частотными каналами.
Z бит/с/Гц
16 :
8 Л QAM64
4 - / Л
QAMI6
2 г
QPSK
6 12 18 24 30 36
Рис. 6. Плоскость «полоса - эффективности»
Ксш дБ
п
Ii, \
No 3-2019, H&ES RE:
RF TECHNOLOGY AND COMMUNIC
v —i^y/ /.--
Рис. 7. Зависимость трафика от числа каналов в системе
D = R /3ЛГ
\ kt
(5)
где R = 4-5 км — радиус зоны покрытия в соответствии с характеристиками стандарта базовой станции;
Nfe — число каналов трафика в одном радиоканале, определяемое стандартом радиодоступа (для OFDM NJa = 1.. .3). Итого получим D = 9-13 км.
Выводы
В работе рассмотрено применение БЛА в качестве ретранслятора и БС в областях с отсутствующей наземной инфраструктурой. Особенности Ad-hoc архитектуры на безе стандарта WiMAX позволяют создать опорную сеть связи с возможностью оперативной адаптации к динамически изменяющейся обстановке. Однако существующие протоколы маршрутизации не позволяли реализовать работу системы с необходимым качеством. Для решения этой проблемы использован оптимизированный под конкретную задачу протокол маршрутизации AODV, который позволяет быстро восстанавливать маршруты в случае нарушения одной из промежуточных связей с минимальной задержкой при установлении соединения с новым узлом, маршрут до которого был ранее не известен.
Работоспособность разработанной модели сети связи на базе малоразмерных БЛА проверена с помощью анализа бюджета линии связи вверх и вниз для этого была разработано программное обеспечение на языке Visual Basic. По результатам анализа полученных данных выявлены нелинейные зависимости параметров друг от друга, поэтому при перестроении системы под изменения окружающей обстановки многие из них приходится пересчитывать и принимать решения об изменении. Так при увеличении пропускной способности увеличивается отношение сигнал/шум, который, в свою очередь, увеличивается при повышении скорости передачи данных. В дальнейшем планируется усовершенствование программы с целью перехода системы к полностью автономной работе.
Литература
1. Донченко А.А., Чиров Д. С. Обоснование требований к системе связи беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. T. 9. N°. 12. С. 12-16.
2.Лохин В. М., Манько С. В., Романов М. П., Диане С.А-К. Перспективы применения, принципы построения и проблемы разработки мультиагентных робототехнических систем // Сборник трудов XII всероссийского совещания по
X<N\ \\\\
4 NVA W\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
проблемам управления ВСПУ-2014 (Москва, 16-19 июня 2014 г.). М, 2014. С. 3810-3821.
3. PCI DSS Wireless Guidelines, 2011. URL: https:// www.pcisecuritystandards.org/pdfs/PCI_DSS_v2_Wireless_ Guidelines.pdf (дата обращения: 22.12.2018).
4. Абилов А. В. Сети связи и системы коммутации. Ижевск: Изд-во ИжГТУ 2002. 147 с.
5. Shirani R., St-Hilaire M., Kunz T., Zhou Y., Li J., Lamont L. Combined reactive-geographic routing for unmanned aeronautical ad-hoc networks // 8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC-2012). 2012. Pp. 820-826.
6. Frew E. W., Brown T.X. Airborne communication networks for small unmanned aircraft systems // Proc.IEEE96(12). 2008. Pp. 2008-2027.
7. Bani YasseinM., Damer N. A. Flying Ad-Hoc Networks: Routing Protocols, Mobility Models, Issues // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2016. Vol. 7. No. 6. Pp. 162-168. Doi:10.14569/IJACSA.2016.070621
8. Сорокин А. С. Сотовые системы радиосвязи. Курсовое и дипломное проектирование. М.: Изд-во МТУСИ, 2006. 30 с.
9. Чертова О. Г. Исследование возможности построения сети связи на базе беспилотных летательных аппаратов специального назначения // Сборник докладов
№ 3-2019
Восьмой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Москва, 26 октября 2017 года) / под общей редакцией канд. техн. наук Н. Э. Ненартовича. М.: ПАО «НПО «Алмаз», 2018. С. 531-538.
10. Васильев Д. С., Абилов А. В. Протоколы маршрутизации в MANET // Электросвязь. 2014. № 11. С. 52-54.
11. Grace D., Morhocic M. Broadband Communications via High-Altitude Platforms. Wiley, 2011. 398 p.
12. Чиров Д. С., Лобов Е.М. Выбор сигнально-кодо-вой конструкции для командно-телеметрической линии радиосвязи с беспилотными летательными аппаратами средней и большой дальности // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 10. С. 21-28.
13. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2017620925. База данных робототех-нических комплексов / А. А. Данилевич, О. Г. Чертова, Е. А. Горохова, И. О. Старикова, М. С. Тофоров, Г. Н. Настас, И. В. Благодарящев; заявл. 15.08.17.
14. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: под ред. А. В. Назаренко. М.: Вильямс, 2004. 1099 с.
15. Васильев Д. С. Разработка алгоритмов передачи потоковых данных на прикладном уровне в сетях беспилотных летательных аппаратов: дис. ... канд. техн. наук. Ижевск, 2015. 147 с.
BUILDING A CORE COMMUNICATION NETWORK WHICH IS BASED ON SMALL SIZE UNMANNED AIRCRAFT VEHICLE WITHOUT GROUND INFRASRTUVTURE
OLGA G. CHERTOVA,
Moscow, Russia, [email protected]
DENIS S. CHIROV,
Moscow, Russia, [email protected]
KEYWORDS: small-sized unmanned aerial vehicles, core communication system, Ad-hoc self-organizing communication system, routing AODV protocol, WiMAX standard, ground-based robotics complex.
ABSTRACT
In work are reviewed perspective way of organization a core communication network between small size unmanned aircraft vehicle and ground-based robotics complex in condition of noise immunity and without ground infrastructure. Operative communication system is developed by self-organizing network which is based on Ad-hoc architecture and WiMAX wireless standard. Changes that introduced in existing routing AODV protocol allowed solving problems which appeared due to fast and often network topology changes.
The method is based on traffic retranslation principles through the nearest neighbors for channels with additive white gaussian noise and 10-6 probability of error.
Efficiency of system is checked by up-link and down-link budget calculation with developed program soft which alleviate counting all parameters while system is adjusting to dynamic changing environmental conditions. The main results are shown in tables and graphs; as a result, the main task of spectrally effective modulation is visible:
maximum bandwidth efficiency.
Separately, was made the calculation of the parameters of the frequency-territorial planning, which showed that one unmanned aerial vehicle can provide communications up to 1000 ground-based robotic complexes in its service area, while being at a distance of 3 to 9 kilometers from other aircraft, resisting interference. Thus, a core communication system is relevant and efficient, differs from the known self-organizing communication systems by the possibility of implementation on the basis of small-sized unmanned aerial vehicles of Russian production.
REFERENCES
1. Donchenko A. A., Chirov D. S. Rationale requirements for the communication system of UAVS medium and long range. T-Comm. 2015. Vol. 9. No. 12. Pp. 12-16. (In Russian)
2. Lokhin V. M., Manko S. V., Romanov M. P., Diane S. AK. Perspektivy primeneniya, principy postroeniya i problemy razrabotki mul'ti-agentnyh robototehnicheskih sistem [Application prospects, principles of construction and problems of developing multi-agent robotic systems]. Sbornik trudov XII vserossijskogo soveschaniya po problemam upravleniya VSPU-2014 [Proc. of the XII All-Russian Meeting on the Control System -2014, Moscow, June 16-19, 2014]. Pp. 3810-3821. (In Russian)
3. PCI DSS Wireless Guidelines, 2011 [Electronic resource]. URL: https://www.pcisecuritystandards.org/pdfs/PCI_DSS_v2_Wi reless_ Guidelines.pdf (access date: 12.22.2018).
4. Abilov A.V. Seti svyazi i sistemy kommutacii [Communication networks and switching systems]. Izhevsk: Kalashnikov Izhevsk State Technical University Publ., 2002. 147 p. (In Russian)
5. Shirani R., St-Hilaire M., Kunz T., Zhou Y., Li J., Lamont L. Combined reactive-geographic routing for unmanned aeronautical ad-hoc networks. 8th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC-2012). 2012. Pp. 820-826.
6. Frew E. W., Brown T. X. Airborne communication networks for small unmanned aircraft systems. Proc.IEEE96(12). 2008. Pp. 2008-2027.
7. Bani Yassein M., Damer N. A. Flying Ad-Hoc Networks: Routing Protocols, Mobility Models, Issues. International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2016. Vol. 7. No. 6. Pp.162-168. Doi:10.14569/IJACSA.2016.070621
8. Sorokin A. S. Sotovye sistemy radiosvyazi. Kursovoe i diplomnoe
proektirovanie [Cellular radio systems. Course and diploma design. Study Guide]. Moscow: Moscow technical university of communications and informatics Publ., 2006. 30 p. (In Russian)
9. Chertova O. G. Issledovanie vozmozhnosti postroeniya seti svyazi na baze bespilotnyh letatel'nyh apparatov special'nogo naznacheni-ya [Research of a possibility of creation of a communication network on the basis of unmanned aerial vehicles of a special purpose]. Sbornik dokladov Vos'moj nauchno-tehnicheskoj konferencii molo-dyh uchenyh i specialistov [Proc. of the Eighth scientific and technical conference of young scientists and experts, Moscow, October 26, 2017]. Moscow: Almaz, 2018. Pp. 531-538. (In Russian)
10. Vasiliev D. S., Abilov A. V. Routing protocols in MANET. Elektrosvy-az' [Electric communication]. 2014. No. 11. Pp. 52-54. (In Russian)
11. Grace D., Morhocic M. Broadband Communications via High-Altitude Platforms. Wiley, 2011. 398 p.
12. Chirov D. S., Lobov E. M. Choice signal-code designs for ko-mand-telemetry communication radio line with unmanned aerial vehicle average and big range. T-Comm. 2017. Vol. 11. No. 10. Pp. 21-28. (In Russian)
13. Certificate of State Registration of Database No. 2017620925. Baza dannyh robototehnicheskih kompleksov [Database of robotic complexes] / A. A. Danilevich, OG Chertova, E. A. Gorokhova, I. O. Starikova, M. S. Toforov, G. N. Nastas, I. V. Gratitude. Declared 15.08.17. (In Russian)
14. Sklar B. Teoreticheskie osnovy i prakticheskoe primenenie [Digital communication. Theoretical foundations and practical application]. By ed. A. V. Nazarenko. Moscow: Williams, 2004. 1099 p. (In Russian)
15. Vasiliev D. S. Razrabotka algoritmov peredachi potokovyh dannyh na prikladnom urovne v setyah bespilotnyh letatel'nyh apparatov: dis____kand. tehn. nauk [Development of streaming data transfer
algorithms at the application level in networks of unmanned aerial vehicles. Dr. tech. sci. diss.]. Izhevsk, 2015. 147 p. (In Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Chertova O. G., postgraduate student of Moscow technical university of communication and informatics, researcher of Federal state budgetary institution «General scientific research center of robotics» Ministry of Defence of Russian Federation;
Chirov D. S., PhD, Docent, leading researcher of Moscow technical university of communication and informatics.
For citation: Chertova O. G., Chirov D. S. Building a core communication network which is based on small size unmanned aircraft vehicle without ground infrasrtuvture. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No. 3. Pp. 60-71. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10269 (In Russian)
