2. 
   Основные стратегии, применяемые этой технологией
   

Рассматриваемая стратегия предполагает следующий алгоритм:

• 
  беспилотники собирают соответствующую информацию от самих себя и из окружающей среды;
  
• 
  беспилотник устанавливает связь с наземной станцией управления для обра­ботки собранных данных;
  
• 
  наземная станция передает результат работы вычислительной системы об­ратно на дроны;
  
• 
  локальные исполнительные механизмы беспилотников отрабатывают соответ­ствующие команды управления от наземной станции.
  

Для реализации указанного алгоритма подойдут такие сотовые технологии, как LTE, обеспечивающие улучшенную пропускную способность системы, покрытие, вы­сокие скорости передачи данных и снижение задержки развертывания [9]. Например, LTE обеспечивает скорость передачи данных в диапазоне от 0,07 до 1 Гбит/с с зоной охвата до 350 км по гибкому спектру. Кроме того, может быть использована маломощ­ная территориально распределенная сеть (Low Power Wide-Area Network, LPWAN), та­кая как LoRaWAN, обеспечивающая широкополосную связь, работающая в нелицензи­онных полосах частот, с низкой скоростью передачи данных, энергопотреблением и пропускной способностью [10]. Например, LoRaWAN обеспечивает скорость передачи данных, которая варьируется от 0,3 Кбит/с до 50 Кбит/с.В том, что касается вычислительной системы, эта стратегия развертывания мо­жет основываться просто на точных моделях мобильности или функциях планирования пути, основанных на интеллектуальных алгоритмах, таких как оптимизация методом роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), оптимизация колонии муравьев (Ant Colony Optimization, ACO) и оптимизация пчелиной колонии (Bee Colony Optimization, BCO) (например, см. [11]).

3. 
   Стратегия развертывания роев дронов со взаимодействием
   

Указанная стратегия предполагает полностью автономное поведение дронов внутри роя, каждый из которых принимает собственные решения (например, о коррек­тировке траектории) на основе восприятия ими окружающей среды, включая положе­ние соседних беспилотников. Применение указанной стратегии позволяет интегриро­вать дроны в стае за счет координации своих действий при совместном подходе к зон­дированию, мониторингу, а также обмену информацией. Это позволит рою прийти к консенсусу относительно наилучшего способа выполнения миссии при обнаружении препятствий на пути к выполнению поставленной миссии. Для эффективного обмена данными автономный рой беспилотных летательных аппаратов должен полагаться на сетевую систему, которая не зависит от работы наземной станции, за исключением чрезвычайных ситуаций.

---

В полностью автономной системе рой полагается на бортовые сети на основе прямой видимости с потенциально сильными параметрами, которые облегчают переда­чу данных, а также имеют возможность генерировать подходящие таблицы маршрути­зации, позволяющие дронам принимать решения на основе хорошего понимания их ближайшего соседа. Эта локализованная операция, типичная для самоорганизующихся систем, не требует сетевой системы, способной создавать полное изображение всего роя дронов, что является преимуществом в динамических настройках.Независимо от рассматриваемой топологии сети для бортовой сети определение надежной системы беспроводной связи, обеспечивающей автономное взаимодействие дронов в условиях динамического распространения, имеет важное значение для дости­жения эффективных операций роя. Следовательно, стратегия развертывания со взаимо­действием приводит к более гибкому поведению стаи, обеспечению более высокой ком­пактности расположения и дальностью действия, чем стратегия без взаимодействия.

1. 
   
     1   2   3   4

---

Топология сети Стратегия развертывания роев дронов со взаимодействием требует, чтобы бес­пилотные летательные аппараты взаимодействовали друг с другом напрямую или по каналам связи с несколькими промежуточными устройствами [4]. По этой причине то­пология может быть выполнена с различными уровнями сложности от сети, основан­ной на наземной связи, до нескольких сетей, полагающихся на связь «воздух-воздух». В последнем случае сеть может быть простой, охватывающей один кластер, или более сложной, включающей несколько кластеров или большую плоскую специальную сеть.Рассмотрим возможные варианты построения сетей в рамках указанной страте­гии. Первый возможный из вариантов - это сеть на основе инфраструктуры, которая соответствует той же топологии, что и развертывание без взаимодействия (см. рис. 1), где все беспилотные летательные аппараты напрямую соединяются с наземной станци­ей управления. Разница в том, что при развертывании роев дронов со взаимодействием беспилотники могут взаимодействовать между собой через наземную станцию, которая отвечает за ретрансляцию всех сообщений. Однако передача всей управляющей ин­формации через наземную станцию может привести к существенному снижению на­дежности системы из-за наличия единственной точки отказа. Процесс принятия реше­ний может быть:

1. 
   централизованным - все решения принимаются наземным управлением на ос­нове информации, предоставляемой всеми беспилотными летательными аппаратами;
   
2. 
   децентрализованным - каждый беспилотный летательный аппарат должен иметь возможность принимать свои собственные решения на основе информации, ко­торой дроны обмениваются между собой через наземную станцию, которая в этом слу­чае действует только как ретранслятор.
   

Кластерная сеть - второй из возможных вариантов топологии в стратегии со взаимодействием. В этом случае все беспилотные летательные аппараты подключаются к выделенному дрону, который устанавливается в качестве параметра конфигурации во время развертывания системы или выбирается во время работы на основе состояния роя. Такой беспилотник выбирается для работы в качестве руководителя кластера со­седних с ним беспилотных летательных аппаратов, что означает, что каждое сообще­ние, сгенерированное или завершенное в таких соседях, отправляется через главный дрон, который руководит кластером [12], но он же может стать и узким местом в рое дронов, блокируя соединения и повышая задержку в передаче сигналов. Исправить указанный недостаток можно расширением сети за счет включения нескольких класте­ров, каждый из которых имеет своего собственного главного дрона в кластере. В обоих случаях (для одного или нескольких кластеров) руководители кластеров отвечают за установление связи между кластерами и между каждым кластером и наземным центром управления. Процесс принятия решений может осуществляться самими дронами рас­пределенным образом: на основе индивидуальных решений или на основе консенсуса. Это возможно благодаря тому, что беспилотные летательные аппараты могут взаимо­действовать друг с другом посредством главных дронов кластера, а не только через на­земную станцию. На рисунке 2 представлена иллюстрация набора отдельных класте­ров, образующих многокластерную сеть.

---

Рис. 2. Развертывание роев дронов со взаимодействием с применением нескольких кластеровFig. 2. Deployment of drone swarms with multi-cluster interactionСеть на основе Adhoc (сеть без точки доступа, сеть компьютер-компьютер) - третий из возможных вариантов топологии в стратегии развертывания роев дронов со взаимодействием, предполагающий 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. Преимущества стратегии развертывания сети на основе Adhoc: масштабирование сети, отказоустойчивость, ав­тономность устройства, гибкость и меньшие затраты на настройку [13]. Сеть Adhoc по­зволяет значительно расширить охват роя дронов по сравнению с кластерной сетью благодаря возможности маршрутизации пакетов через несколько переходов. Однако трудности масштабирования при маршрутизации в плоской организации сети Adhoc можно преодолеть за счет создания множества отдельных кластеров, каждый из кото­рых будет работать как единая сеть Adhoc. В этом случае каждая сеть Adhoc должна будет иметь одного или нескольких главных дронов кластера, которые будут функцио­нировать как шлюзы. На рисунке 3 показана общая топология набора сетей без точки доступа, которые вместе могут образовывать сеть Adhoc на основе кластера.Рис. 3. Развертывание сети со взаимодействием без точки доступа на основе кластера Fig. 3. Deployment of a network that interacts without a cluster-based access point

2. 
   Основные технологии
   

Для построения модели роя беспилотных летательных аппаратов как сети NCS необходимо учитывать требования, предъявляемые к связи, способные гарантировать максимальную производительность системы по беспроводной сети в воздухе. С сете­вой точки зрения проблемы сбоев передачи, задержек, замирания каналов и ошибок в сообщениях могут привести к снижению общей производительности системы. Пред­ставляется важным использование беспроводной технологии, способной соединять все дроны вместе с помощью действенных механизмов, обеспечивающих эффективное взаимодействие между дронами [4]. Для развертывания стратегии роев дронов со взаимодействием рекомендуется использовать несколько технологий, включая

---

IEEE 802.11 [14], 3G/LTE [15] и спутниковую связь [16]. Хотя возможны и альтернативные сетевые решения, обеспечивающие надежность и стабильность беспроводной связи, являющиеся ключевыми для работы группы БПЛА, использующие протоколы мар­шрутизации, способные обеспечивать безопасные маршруты передачи данных от ис­точника к месту назначения.В стратегии развертывания со взаимодействием вычислительные ресурсы рас­пределяются по различным беспилотным летательным аппаратам, а также в наземной станции управления, что требует назначения нескольких вычислительных задач для создания подходящего процесса принятия решений (с указанием мест и способов при­нятия решения). Такое требование обусловлено важностью координации вычислитель­ных задач и наличием необходимых вычислительных ресурсов. Например, если выпол­нение задачи управления полетом могут быть гарантированы контроллером, находя­щимся на борту каждого дрона, то более трудоемкие задачи (типа распознавания изо­бражений) требуют более мощных ресурсов, которые могут быть реализованы назем­ным оборудованием или совокупностью дронов, выступающих как единый комплекс обработки данных. Кроме того, координация вычислительных задач может выполнять­ся на основе обмена информацией между дронами, во избежание лишней информации, снижающей эффективность работы роя дронов.

2. 
   Системные компоненты
   

Рассмотрим свойства двух основных элементов роя дронов: сетевой системы и вычислительной системы, каждая из которых решает определенные задачи, соответст­вует некоторым требованиям и имеет ряд проблем.

1. 
   Сетевая система роя дронов
   

Сетевая система строит граф связи для обмена данными между беспилотными летательными аппаратами, а также между дронами и наземной инфраструктурой. Она должна гарантировать замкнутый цикл управления потоком данных между осуществ­лением задачи мониторинга, принятием решений и приведением в действие этих реше­ний. Один из вариантов решения этой проблемы состоит в перераспределении указан­ных функций между несколькими дронами, при условии сохранения совместного вы­полнения поставленной миссии. Например, беспилотный летательный аппарат может обнаружить новое препятствие, которое не мешает его собственному движению, но может оказать влияние на выполнение полета другим членам стаи. Эта информация предоставляется другому беспилотному летательному аппарату, способному вычислить действие, которое может быть выполнено набором других дронов, находящихся на пу­ти такого препятствия. В стае связь необходима не только для распространения наблю­дений, задач и информации об управлении, но также может помочь в более эффектив­ной и безопасной координации беспилотных летательных аппаратов. Требования к свя­зи значительно различаются в разных приложениях. Однако обеспечение надежной се­ти является особенно сложной задачей из-за ограничения энерговооруженности беспи­лотников и внешних факторов, таких как беспроводное затенение и прерывистость дос­тупных каналов связи. Проанализируем сетевые требования и ограничения сетевой системы, а также покажем основные принципы ее работы и ключевые свойства.

---

Смотрите также файлы

• Прочитайте текст и выполните задания 1 А.Ф.Кони. Искусство речи на суде.docx

• Сор 1 за раздел 1А Отношения и пропорции Тема.docx

• Орловский Государственный университет им. Тургенева Презентация.pptx

• Инструкция по применению вакцины туберкулезной (бцжм) сухой (для щадящей первичной иммунизации) вакцины бцжм АлмМа Ахмед.pptx

• Исполнитель студентка гр. 392 Мс, актуальность темы задачи Провести наблюдение за собственным образом жизни.pptx