CC BY
959
УДК 004.722:629.7.066
А. В. ЛЕОНОВ В. А. ЧАПЛЫШКИН
Омский государственный технический университет
СЕТИ FANET
В данной работе рассматривается одно из самых перспективных направлений развития беспроводных самоорганизующихся сетей, так называемые сети FANET (англ. Flying Ad Hoc Network) на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В статье исследуются вопросы и нерешенные проблемы по организации связи в сетях FANET. Представлен обзор существующих протоколов для физического уровня, управления доступом к среде, сетевого и транспортного уровня.
Ключевые слова: беспроводные самоорганизующиеся сети, беспилотные летательные аппараты, БПЛА, одноранговые сети, летающие самоорганизующиеся сети, FANET.
FANET (англ. Flying Ad Hoc Network) по аналогии с мобильными одноранговыми сетями MANET (англ. Mobile Ad Hoc Network) и автомобильными одноранговыми сетями VANET (англ. Vehicular Ad Hoc Network) представляет особый вид одноранговой самоорганизующейся сети на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1]. Эти сети обеспечивают широкий спектр для гражданского и коммерческого применения. Организация такого вида связи необходима не только для выполнения задач по обеспечению наблюдения, мониторинга, но и, например, для эффективной координации движения транспортных средств, повышения уровня безопасности (например, в качестве средства для предотвращения столкновений) и т.д.
Быстрое изменение топологии и движение в 3D-пространстве накладывает множество дополнительных трудностей на физическом уровне (англ. physical layer, PHY), управлении доступом к среде (англ. media access control, MAC) и сетевом уровне.
В этом исследовании рассматриваются различные аспекты и нерешенные проблемы по организации связи в сетях FANET. Представлен обзор существующих протоколов физического уровня, управления доступом к среде, сетевого и транспортного уровня.
Физический уровень. На физическом уровне рассматриваются основные технологии передачи сигналов, например, модуляции или кодирования сигнала. Различные последовательности бит данных могут быть представлены с помощью различных сигналов путем изменения частоты, амплитуды и фазы сигнала. В целом, на физическом уровне биты данных модулируются для синусоидальных сигналов и передается по воздуху за счет использования антенн.
Производительность сети MANET в значительной степени зависит от физического уровня, а крайне высокая мобильность узлов сети создает дополнительные сложности при реализации сети FANET. Для того, чтобы разработать надежную и стабильную архитектуру передачи данных, физический уровень должен быть хорошо изучен и описан. Исследования моделей распространения радиоволн и структуры антенн являются ключевыми факторами, влияющими на физический уровень FANET.
Модель распространения радиоволн. Электромагнитные волны распространяются от передатчика к приемнику через беспроводные каналы связи. Сеть FANET имеет ряд специфических проблем с точки зрения распространения радиоволн по сравнению с другими типами беспроводных сетей. Отметим важнейшие проблемы:
— распространение радиоволн;
— диаграмма направленности антенн;
— влияние отражения от поверхности земли;
— подавление помех от бортового электронного оборудования БПЛА;
— влияние пространственного положения БПЛА относительно Земли (тангаж, крен, рыскание и т. д.) на качество беспроводного соединения;
— природно-климатические условия;
— интерференция и помехозащищенность от деструктивного воздействия.
Вследствие действия указанных факторов качество связи может значительно изменяться.
В работе [2] исследована проблема организации канала связи для сценария типа БПЛА-БПЛА (рис. 1). В этой топологии каждый ведомый БПЛА (например, БПЛА 1) передает свои данные главному БПЛА К, а он, в свою очередь, передает информацию на наземную базовую станцию. По результатам исследований было отмечено, что статистика ошибок в беспроводных каналах между БПЛА не является величиной постоянной. В зависимости от изменения расстояния между БПЛА была предложена Марковская модель с двумя состояниями для включения эффектов замирания сигналов с распределением Райса, которое подойдет для траектории радиоволны при распространении в пределах прямой видимости, как в FANET. Результаты моделирования показали, что предложенная модель способна имитировать потерю пакетов с изменяющимся значением ошибок.
В работе [3] предлагается модель распространения радиоволн для FANET. Полученные результаты согласуются с эмпирическими данными, полученными для сетей VANET. Предложенная модель оценивает мощность принимаемого сигнала в условиях многолучевого распространения с учетом эффекта замирания сигнала и представляется в виде функции двух параметров: среднего значения мощности
[ijjv.^-,,, ^^БМА 2
7щ*1 \ v БПЛ
БПЛА 3 \
Рис. 1. Схема организации канала связи
Рис. 2. Наглядный пример, демонстрирующий преимущества при использовании направленных антенн
полученного радиосигнала и интенсивности замирания.
Анализ эффективности многоканальной ретрансляции на основе сети БПЛА был смоделирован аналитически с учетом замирания каналов в [4]. Общая аналитическая формула была предоставлена для вероятности отключения связи в сценариях БПЛА-БПЛА и БПЛА-земля. Было отмечено, что модель замирания канала должна быть выбрана в соответствии с условиями эксплуатации. Например, рэлеевские замирания являются более
подходящими для применения на малых высотах и в людных местах, m-распределение Накагами и распределение Вейбулла лучше подходят для космических полетов на больших высотах.
Конструкции антенн для FANET. Структура антенны является одним из наиболее важных факторов для эффективной коммуникационной архитектуры FANET. Расстояние между БПЛА, как правило, больше, чем среднее значение для узлов в сетях MANET и VANET, а это непосредственно влияет на конструкцию антенны. Более мощные приемопередатчики могут быть использованы для решения этой проблемы, но при распространении на большие расстояния могут возникнуть высокие потери в канале связи. В работе [5] доказано, что одним из эффективных решений является использование нескольких приемопередатчиков на каждом из узлов сети.
Тип антенны является еще одним фактором, который влияет на производительность сети FANET. Существуют два основных типа антенн, используемых в FANET: направленного и всенаправленного действия.
В мобильной среде, такой, как FANET, расположение узлов часто меняется и, как следствие этого, всенаправленные антенны имеют естественное преимущество. При использовании всенаправлен-ных антенн не требуется иметь информацию о местоположении узла. Однако направленные антенны также имеют ряд преимуществ по сравнению с всенаправленными антеннами (рис. 2). Во-первых, дальность передачи системы с направленной антенной больше, чем радиус действия сигнала все-направленной антенны. Это может быть важным преимуществом для FANET, где расстояние между узлами значительно больше, чем среднее расстояние между узлами в MANET. С увеличением эффективной дальности передачи уменьшается количество переходов, что позволяет увеличить производительность и уменьшить задержку.
Повышение уровня безопасности является еще одним вопросом, который может быть частично решен за счет применения направленных антенн. Системы, основанные на использовании всенаправ-ленных антенн, более уязвимы перед угрозой воздействия преднамеренных помех.
Характеристики физического уровня напрямую влияют на структуру других уровней и на производительность FANET в целом. Несмотря на то что узлы сети расположены в 3D-пространстве, большинство существующих исследований использует 2D-структуру топологии FANET. Как показали исследования, поведение антенны в 3D-пространстве может отличаться от поведения в 2D [6], а это может непосредственно повлиять на физический уровень. Анализ производительности существующих протоколов физического уровня и разработки новых моделей физического уровня для 3D-пространства во многом остаются неизученными вопросами для сетей FANET.
MAC-уровень. Наиболее важным для эффективной работы радиосетей с коммутацией пакетов является канальный уровень, точнее его МАС-подуровень, который обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам.
Несмотря на то что MANET, VANET и FANET имеют различные проблемы и характеристики, у них есть ряд общих конструктивных особенностей. В целом FANET является подмножеством MANET и VANET. В этом смысле первые примеры
Рис. 3. Зависимость максимального количества активных узлов от значения угла главного луча для 30°, 60°, 90° и всенаправленной антенны
Рис. 4. Множества транзитных узлов MPR
реализации FANET используют стандарт IEEE 802.11 с всенаправленными антеннами. С помощью RTS/CTS (англ. Request To Send/Clear To Send — запрос на отправку/разрешение отправки) — механизм CSMA/CA, используемый в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11 для исключения коллизий кадров и в качестве способа для решения проблем «скрытого узла» и «незащищенного узла» [7].
Высокая мобильность является одним из наиболее характерных свойств FANET, вследствие нее и большого различия расстояний между узлами часто возникают проблемы с качеством канала связи. Изменения значения задержки при передаче пакетов — это еще одна из проблем MAC-уровня в FANET. Особенно это критично для приложений реального времени. Направленные антенны, полнодуплексный радиоканал являются примерами перспективных технологических достижений, которые могут быть использованы в FANET для MAC-уровня [8].
В работе [LODMAC: Location Oriented Directional MAC protocol for FANETs] рассмотрен протокол LODMAC (англ. Location Oriented Directional MAC protocol for FANET), который обеспечивает как эффективный способ использования передачи данных с помощью направленных антенн, так и метод определения и распространения данных о точном местоположении узлов.
В этом случае предполагается, что каждый БПЛА в FANET оборудован двумя приемопередатчиками.
Один приемопередатчик применяется для оценки местоположения и отвечает за управление обменом пакетов, а второй применяется только для передачи данных. В качестве направленной антенны предлагается использовать антенну с коммутируемым лучом, в которой каждый из лучей занимает достаточно узкий угловой сектор. Как показано на рис. 3 [9], значение угла главного луча оказывает существенное влияние на максимальное количество активных БПЛА. Кроме этого, при узких углах возможно установление большего количества одновременных соединений.
Сетевой уровень. Первоначальные исследования и эксперименты в области сетей FANET были разработаны на основе существующих протоколов маршрутизации для MANET.
В одном из первых экспериментов с архитектурой FANET использовался проактивный протокол TBRPF (Topology dissemination base on reverse-path forwarding). Проактивные протоколы маршрутизации заранее строят маршруты между всеми узлами сети и поддерживают на каждом узле актуальную таблицу маршрутизации. Неотъемлемой частью таких протоколов маршрутизации является механизм управления соединениями, который устанавливает логические соединения между узлами сети, находящимися в зоне слышимости друг друга, а также закрывает логические соединения. Все станции распространяют информацию об установленных логических соединениях по сети. Таким образом, каждая из станций децентрализованно строит логическую топологию сети и заполняет свою таблицу маршрутизации [10]. Кроме того, проактивные протоколы маршрутизации обеспечивают минимальную задержку доставки пакетов данных, а при изменении топологии сети инициируется широковещательная рассылка сообщений об этих изменениях [11].
В работе [12] предложен реактивный протокол DSR (англ. Dynamic Source Routing). В реактивных протоколах маршрутизации маршруты существуют только тогда, когда они необходимы, то есть когда по ним ведется передача данных. При первоначальном определении маршрута пакеты отправляются по всем возможным направлениям, в заголовок добавляется информация о пройденном узле. В итоге, по достижении цели, заголовок пакета содержит полностью сформированный маршрут между заданными узлами. В случае возникновения петель, т.е. повторного приема первого пакета, узел уничтожает данный пакет [13].
Из-за высокой подвижности узлов в FANET поддержание таблицы маршрутизации, как в проактив-ных протоколах, не является оптимальным. Тем не менее повторяющиеся запросы поиска пути перед каждой доставкой пакетов, как это происходит в протоколах реактивной маршрутизации, могут быть исчерпывающими.
В отдельную группу протоколов маршрутизации можно выделить протоколы, использующие данные о местоположении абонентов сети. Протоколы геомаршрутизации удовлетворяют основным требованиям FANET. Например, протокол GPSR (англ. Greedy Perimeter Stateless Routing). Эта группа протоколов показывает лучшие результаты при использовании для FANET, особенно в сетях с высокой плотностью узлов.
Для систем с немногочисленными БПЛА надежность может быть серьезной проблемой, поэтому рекомендуется использовать протоколы геомаршрутизации в сочетании с проактивными протоколами,
1 1 4 r-si'J kr\
1 1 1 V
■ 1
-OLSR ---DOLSR AODfp
j
О 100 2»; . 300 400 5DD ODD
Simulation Time (sec)
Рис. 5. Сравнение между протоколами OLSR, DOLSR, AODV и DSR по задержке
Рис. 6. Сравнение протоколов OLSR, DOLSR, AODV и DSR по количеству полученного графика
Рис. 7. Система связи для сетей БПЛА
особенно для приложений, требующих 100 % надежности.
На основе известного проактивного протокола OLSR (англ. Optimized Link State Routing Protocol) международной группой ученых был разработан новый протокол маршрутизации с использованием направленной антенны, получивший название DOLSR (англ. Directional Optimized Link State Routing Protocol) [14]. Одними из наиболее важных факторов, которые влияют на производительность OLSR, является выбор множества транзитных узлов MPR (англ, multipoint relay nodes), которые оказывают существенное влияние на задержку (рис. 4).
Использование направленных антенн позволяет уменьшить количество транзитных узлов и, как следствие этого, уменьшается время задержки, которая является важным критерием сети FANET. Задержка при использовании всенаправленной ан-
тенны выше, чем направленной, а разница в значении задержки между AODV/DSR и OLSR/DOLSR объясняется принципиальными различиями в работе реактивных и проактивных протоколов (рис. 5). Из сравнения (рис. 6) протоколов DOLSR, OLSR, AODV и DSR, видно, что DOLSR имеет самый лучший показатель по количеству полученного трафика, такой результат был достигнут за счет уменьшения количества управляющих сообщений.
Другим вариантом классического дистанционно векторного протокола является AODV (англ. Ad-hoc On-Demand Distance Vector). Протокол строит таблицы маршрутизации на каждом узле сети для минимизации времени передачи информации между узлами и находит пути маршрутизации независимо от использования маршрутов.
Еще одним из решений для маршрутизации в FANET являются иерархические протоколы, которые были разработаны для решения проблемы масштабируемости сети, как изображено на рис. 7. Гибридные протоколы маршрутизации сочетают в себе преимущества реактивных и проактивных протоколов маршрутизации, которые могут быть использованы как отдельно, так и одновременно в одной сети. К недостаткам гибридных протоколов относятся относительная сложность реализации и снижение эффективности маршрутизации, связанные с необходимостью разбиения структуры сети на кластеры. Один из самых известных гибридных протоколов является HWMP (англ. Hybrid Wireless Mesh Protocol) [15].
Маршрутизация является одной из наиболее сложных проблем для FANET. Существующие решения не могут удовлетворить всех требований FANET. Таким образом, остается актуальным направление по разработке протоколов маршрутизации для FANET.
Транспортный уровень. Успех проектов FANET тесно связан с надежностью коммуникационной архитектуры, а создание надежного транспортного механизма имеет важное значение, особенно в высокодинамичной среде.
Основные функции транспортного протокола для FANET заключаются в следующем:
— надежность является основной задачей для транспортных протоколов в сетях связи. Сообщения должны доставляться надежно к узлу назначения для обеспечения надлежащих функциональных возможностей. Поэтому транспортные протоколы должны поддерживать различные уровни надежности в зависимости от используемых приложений в FANET;
— механизм управления перегрузкой является необходимым для достижения эффективной и надежной работы FANET. Типичными последствиями перегруженной сети являются снижение коэффициента доставленных пакетов и увеличение задержки. Если сеть перегружена, обеспечение защиты от столкновений между БПЛА не может быть выполнено должным образом;
— управление потоком по-прежнему остается серьезной проблемой, особенно для разнородных систем мульти-БПЛА.
Первые системы FANET были реализованы на основе существующих транспортных протоколов TCP и UDP. Протокол TCP плохо работает в сетях MANET и не подходит для использования в FANET.
Совместная архитектура для беспилотных систем JAUS (Joint Architecture for Unmanned Systems) является развивающимся стандартом для обмена
сообщениями между беспилотными системами [16]. Хотя JAUS изначально был разработан для наземных систем, позднее он стал общим для всех видов беспилотных аппаратов (воздушных, наземных, надводных и подводных транспортных средств).
AS5669A определяет передачу данных для JAUS, и это делает возможным использование эффективных транспортных протоколов, которые имеют свои собственные форматы пакетов и семантики. В AS5669a JTCP/JUDP разработан поверх TCP/ UDP. JAUS также предлагает протокол JSerial, который поддерживает пакеты данных переменной длины при низкой пропускной способности по последовательному каналу.
На сегодняшний день архитектура JAUS доказала свою эффективность благодаря активному использованию в большом числе проектов, поэтому военные, гражданские и коммерческие организации намерены внедрять ее в робототехнические комплексы самого разного масштаба, в том числе и в сетях FANET.
Заключение. Приложения FANET используют различные типы данных, такие как изображения, звуковые сигналы и др. Эти приложения предъявляют разные требования к уровню надежности. С другой стороны, трафик мультимедийных данных имеет и ряд других жестких требований по задержке, пропускной способности и джиттеру (колебанию задержки при передаче пакетов). Таким образом, необходимо разработать новые решения для транспортного уровня, удовлетворяющие требованиям различных приложений FANET.
Организация связи для группы БПЛА является одной из самых сложных задач. В этой статье были рассмотрены особенности FANET с точки зрения мобильности, плотности узлов, изменения топологии, модели распространения радиоволн и локализации. Представлен обзор существующих протоколов физического уровня, управления доступом к среде, сетевого и транспортного уровня. На сегодняшний день остаются неисследованными такие аспекты, как разработка новых моделей антенн для БПЛА и протоколов MAC-уровня. Кроме этого, создание собственных и совершенствование существующих алгоритмов маршрутизации с целью повышения эффективности передачи данных является актуальной задачей для сетей типа FANET.
Библиографический список
1. I. Bekmezci, O. K. Sahingoz, S. Temel., Flying Ad-Hoc Networks (FANETs): A Survey, Ad Hoc Networks, 2013, Vol. 11, № 3, pp. 1254-1270.
2. Y. Zhou, J. Li, L. Lamont, C. Rabbath, Modeling of packet dropout for UAV wireless communications, in: International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC), 2012, pp. 677-682.
3. I. Y. Abualhaol, M. M. Matalgah, Outage probability analysis in a cooperative UAVs network over nakagami-m fading channels, in: IEEE Conference on Vehicular Technology, 2006, pp. 1-4.
4. I. Y. Abualhaol, M. M. Matalgah, Performance analysis of cooperative multi-carrier relay-based UAV networks over generalized fading channels, International Journal of Communication Systems, 2011, Vol. 24, № 8, pp. 1049-1064.
5. H. T. Kung, C.-K. Lin, T.-H. Lin, S. J. Tarsa, D. Vlah, Measuring diversity on a low-altitude UAV in a ground-to-air wireless 802.11 mesh network, in: IEEE Globecom Workshops, 2010, pp. 1799-1804.
6. N. Ahmed, S. Kanhere, S. Jha, Link characterization for aerial wireless sensor networks, in: GLOBECOM Wi-UAV Workshop, 2011, pp. 1274-1279.
7. P. Chatzimisios, A. C. Boucouvalas, V. Vitsas, Effectiveness of RTS/CTS handshake in IEEE 802.11 a wireless LANs, Electronics Letters, 2004, Vol. 40, № 14, pp. 915-916.
8. J. I. Choi, M. Jain, K. Srinivasan, P. Levis, S. Katti, Achieving single channel, full duplex wireless communication, in: Proceedings of the Sixteenth Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, 2010, pp. 1-12.
9. T. Samil, B. Ilker, LODMAC: Location Oriented Directional MAC protocol for FANETs, Computer Networks, 2015, Vol. 83, № 4, pp. 76-84.
10. Анализ механизмов построения логической топологии в сетях MANET / А. Кирьянов [и др.] // Информационные процессы. - 2015. - Т. 15. - № 2. - С. 183-197.
11. Прозоров, Д. Е. Протокол иерархической маршрутизации самоорганизующейся мобильной сети / Д. Е. Прозоров, С. В. Романов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2014. - Т. 15. - № 3. - С. 74-80.
12. Т. Brown, S. Doshi, S. Jadhav, D. Henkel, R. Thekkekunnel, A full scale wireless ad hoc network test bed, in: Proc. of International Symposium on Advanced Radio Technologies, 2005, pp. 50-60.
13. Павлов, А. А. Протоколы маршрутизации в беспроводных сетях / А. А. Павлов, И. О. Датьев // Труды Кольского научного центра РАН. - 2014. - Т. 24. - № 5. - С. 64-75.
14. A. I. Alshabtat, L. Dong, J. Li, F. Yang, Low latency routing algorithm for unmanned aerial vehicles ad-hoc networks, International Journal of Electrical and Computer Engineering, 2010, Vol. 6, № 1, pp. 48-54.
15. Зацепин, Э. С. Обзор характеристик протоколов маршрутизации в mesh-сетях / Э. С. Зацепин // Международный журнал экспериментального образования. - 2013. - Т. 10. -№ 2. - С. 342-345.
16. R. Wade, Joint architecture for unmanned systems, in: Proc. of 44th Annual Targets, UAVs & Range Operations Symposium & Exhibition, 2006 [Electronic resource]. - Mode of Access : http://www.dtic.mil/ndia/2006targets/Wade.pdf (Date of Access: 15.09.2015).
ЛЕОНОВ Алексей Викторович, начальник сектора Шегпе^технологий Центра телекоммуникаций и вычислительной техники; соискатель по кафедре средств связи и информационной безопасности. Адрес для переписки: [email protected] ЧАПЛЫШКИН Владислав Андреевич, студент гр. ИСС-121 радиотехнического факультета. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.03.2015 г. © А. В. Леонов, В. А. Чаплышкин
