Беспилотные дроны
в системах Wi-Fi
Назад к блогу Назад к блогу
Содержание статьи Скрыть 04.05.2017

Беспилотные дроны в системах Wi-Fi

Введение

В связи с возрастанием интереса к такому атрибуту, как квадрокоптеры, на многих порталах появились статьи, затрагивающие использование беспилотных радиоуправляемых дронов в создании и модернизации беспроводных сетей различного назначения.

В настоящее время ведется изучение вопроса эффективного использования квадрокоптеров в процессе быстрой развертки сети и увеличения качества радиопокрытия рабочего пространства. На российских и зарубежных конференциях не первый год озвучиваются перспективные идеи, внедрение которых привело бы к улучшению работы сотрудников МЧС в экстремальных ситуациях, установки связи на крупных мероприятиях, проводимых на значительных площадях. Также затрагивался вопрос начала функционирования сети в процессе настройки стационарного оборудования.

Для более полного понимания проблемы следует обратиться к проекту под названием SkyBender (совместная работа компаний Google и Facebook), в котором развивается необычная концепция использования воздухоплавательной техники для создания сети беспроводной связи, то есть накрытия Интернет всей поверхности планете. Предполагается использование воздушных шаров и дирижаблей с точкой доступа Wi-Fi на борту.

В случае использования квадрокоптера концепция проекта остается той же: в воздух поднимается и зависает в определенной точке дрон с соответствующим оборудованием для обеспечения беспроводной связи на борту. Его задача – радиопокрытие определенной территории, что выглядит просто и привлекательно. Однако требуется учесть электропитание «робота», погодные условия и другие условия работы. Кроме того, наиболее интересны показатели качества связи, такие как дальность, скорость передачи данных и др. О физической составляющей эксперимента можно узнать в оригинальном источнике, где рассказывается об экспериментах с БПЛА, проводимых американскими энтузиастами. 

Итоги этих исследований кратко описываются ниже.

Технические и методологические особенности

Оборудование

Основной элемент испытываемого комплекта оборудования – плата Intel Galileo, центральной частью которого является Quark SoC x 1000 Intel. Этот 32-битный процессор имеет тактовую частоту 400 МГц. Используемое оборудование относится к первому поколению.

К плате подключается беспроводная карта самого обычного вида c флеш-фактором как у переносного компьютера, марка изделия Dual Band Wireless-AC 7260, оно подключается к плате Galileo через порт PSI Express. Основные свойства: поддержка большого количества стандартов Wi-Fi, работа с протоколами 802.11a/b/g/n/ac, передача данных со скоростью, достигающей 867 Мбит/сек.

Питание подводилось от аккумулятора 10400 мАч, способного обеспечить до 15 часов непрерывной работы. Срок автономности зависел от уровня трафика и выбранного режима эксплуатации.

А качестве необходимого элемента были использованы внешние антенны с усилением 5 dBi в количестве двух штук.

Рабочая масса всего оборудования в комплекте составила в итоге 340 г.

Программное обеспечение проекта - Linux в версии quark 3.19.8 yocto-standard. 

Порядок эксперимента

Эксперимент состоял из нескольких этапов. На первом оценивались возможности БПЛА и теоретически возможная область покрытия, достижимая с помощью используемого оборудования. Для этого использовались теоретические расчеты с помощью двух наиболее известных моделей распространения радиосигнала: WINNER D1 и Free Space.

Для нескольких наиболее популярных и эффективных версий протоколов стандарта связи Wi-Fi была рассчитана теоретически ожидаемое максимальное расстояние, на которое способен распространиться сигнал. Отдельно проводились расчеты для восходящих и нисходящих каналов связи. Плату Galileo предполагалось использовать как промежуточный узел, и для этого также была замерена ее производительность.

Режимы работы точек доступа в процессе эксперимента:

  • «Инфраструктурный»

Наиболее распространенный в настоящее время режим, в котором точка доступа используется как центральный узел или Access Point. В данном случае оборудование точки доступа объединяет все прочие устройства и переводит на себя основные функции управления сети. Кроме того, она становится шлюзом, предназначенным для подключения к Интернет.

  • «Ad-Hoc»

Не самая распространенная динамическая сеть. При ее создании ни одна из составляющих не назначается центральной, все оборудование обладает равными правами и образует сеть из ячеек необычной подвижной топологии - Mesh Network. Каждый узел представляет собой равноправный маршрутизатор, принимающий и решающий задачи, предоставляемые клиентами.

Основные свойства:

  • Узлы сети могут сдвигаться в пределах определенной степени свободы, образуя подвижную мобильную сеть (MANET).

  • Соединение может изменяться, если устройства перемещаются.

  • Для эффективной работы требуется периодический перерасчет путей, по которым ведется доставка информационных пакетов. Требуется выбор лучшего алгоритма маршрутизации. 

Дополнительное оборудование

  • Приемная сторона

Данный узел сети представляет собой ноутбук с операционной системой Linux Ubuntu, на который установлена карточка беспроводного Wi-Fi, обеспечивающая работу протоколов IEEE 802.11 a/b/g/n. Марка используемого изделия Intel Centrino Advance-N 6230.

  • Отдающая сторона

Второй узел сети представляет собой такой же ноутбук с предварительно установленной на него беспроводной картой марки Intel Dual Band 3160.

Однако, Intel Galileo так и осталась главной частью создаваемой системы, работая или в качестве центрального узла (для AP) на первом этапе практического теста и в качестве промежуточного (Ad-Hoc), служа соединительной частью передатчика и приемника во второй части наглядного исследования.

Выбранный в данном случае протокол маршрутизации, был предпочтен согласно его способности успешно выполнять работу при большой нагрузке на каналы связи. Его обозначение – BATMAN.  

Инструмент iPerf3, в данном случае используемый для получения метрик сети, отличается широким спектром возможностей по фиксации показаний функциональности сети. Он измеряет количество потерянных пакетов информации, полосы пропускания сети и ее задержки. Также позволяет настраивать параметры передачи в обширном спектре вариантов.

В данном случае использовались варианты передачи информационных пакетов между узлами с поддержанием постоянной скорости. Показатели работы: продолжительность – 30 секунд, скорость 1,3,5,7,9,11 Мбит/сек, размеры пакетов 512, 1024 байта.

Схема эксперимента. Рис. 1
1.png
Устройства приема и передачи перемещались по оси X на определенное расстояние с шагом в три метра. В местах, где они фиксировались, производился замер требуемых показателей, которые включали максимальную пропускную способность сети, а также уровень сигнала.  

Для проведения данных замеров использовались: оговоренная выше программа iPerf3, а также Rohde&Schwarz FSH3. Беспилотный аппарат при этом поднимался на высоту десять и двадцать метров.

Используемый БПЛА. Рис. 2
2.png

Результаты теоретических практических экспериментов

Уточнение радиуса действия

Подводя итог приведенной выше информации, следует отметить, что при проведении данного исследования успешно производился качественный замер ключевых параметров предлагаемой системы. К ним относятся область покрытия и скорость передачи данных.  Экспериментальному учету подвергся также такой показатель, как дальность связи.

Для сравнения результатов был произведен теоретический расчет покрытия площади по модели «Free Space». В данном случае применялась формула Фрииса. Полученная с ее помощью схема и смоделированная ситуация пригодны для расчета силы сигнала в случае безусловного отсутствия препятствий на пути его распространения, например, в отдаленной зоне.

11.png

Формула расчета дальности связи по модели WINNER D1 предполагает учитывать потери при беспроводной передаче данных в различных средах. Это схоластическая модель.
22.png
Буквенные переменные в этой формуле подбираются в зависимости от начальных условий, в которых производилась установка задачи. Уточнить эти значения возможно, воспользовавшись соответствующей литературой (1). В данном случае А=21,5, В=44,2, С=20.

В расчетах использовалось значение мощности передатчика, равное 20 дВм или 100 Вт, причем как для нисходящего, так и для восходящего канала связи. Теоретические данные, получаемые при последовательных расчетах, ведущихся согласно схеме, представленной на рисунке 1 при предполагаемой высоте парения БПЛА в 10 м, сведены в таблицу, где указаны значения для различных стандартов протоколов, поддерживающих беспроводную Wi-Fi связь.

Теоретический расчет покрытия. Рис. 3
3.png
Практическая часть эксперимента служила для оценки мощности и качества сигнала, принимаемого указанным выше оборудованием, в зависимости от расстояния узлов сети при рабочей высоте квадрокоптера, составляющей десять метров для обоих режимов (AP и Ad-Hos). Схожие данные были получены при поднятии дрона до 20 м.

Практические данные по уровню сигнала. Рис. 4
4.png
После обработки данных эксперимента были выявлены заметные различия между расчетными значениями, полученными с помощью формул, и данными, полученными в ходе эксперимента. Это связано с тем, что предлагаемые теоретические модели несовершенны и не учитывают в схеме распространения сигнала большое количество дополнительных элементов, снижающих эффективность работы аппаратуры, в том числе атмосферные условия, возможные наводки от шасси дрона, его неустойчивую позицию и т.д.

Однако в целом, выявленная закономерность позволяет утверждать, что в режиме AP показатели выше, чем в режиме Ad-hoc. На графике b отмечено меньшее количество контрольных точек, в которых производились замеры. Это связано с тем, что приемник и передатчик ноутбука на расстояниях меньше 60 метров при расположении дрона на высоте 10 м соединялись напрямую, и устройство не использовалось в качестве промежуточного. Соответственно, получаемые значения игнорировались и не учитывались при дальнейшей обработке.

При поднятии летающего механизма до 20 м похожая ситуация проявляется, когда расстояние между ноутбуками становится менее 80 м. 

Уточнение скорости передачи 

Измерение производительности режима AP и режима Ad-hoc в данных условиях ведется с помощью оценки максимальной пропускной способности каналов, установленных между узлами испытываемой системы. Для этого использовалась указанная выше универсальная программа iPerf, основной задачей которой был запуск информационных пакетов между точками доступа.

Тестирование оборудования было произведено в идеальных условиях закрытой лаборатории. Результаты замеров скорости для двух перечисленных выше режимов и двух вариантов пакета представлены в таблице, расположенной ниже.

5.png

Далее был проведен замер параметров в условиях открытого воздуха. Выведенная зависимость падения скорости передачи информации от расстояния показана на диаграммах, представленных на нижерасположенных таблицах за номером 5 и 6.

Основной вывод - при работе в режиме AP аппаратура показывает более высокую скорость, с которой ведется передача данных, чем при работе в режиме Ad-hoc.

Данные, полученные на высоте десять метров. Рис. 5

6.png

Квад на высоте двадцать метров. Рис. 6

7.png

Стандартные версии Интернет протоколов, применяемых в работе используемой аппаратуры, при передаче информации достигают различных максимумов скорости. Они определяются по совокупности разнообразных показателей, включающих подсчет количества потоков, пронизывающих пространство, измерение ширины каналов передачи и т.д. Также используется технология расширения спектра частот, новейшие методы модуляции и специальное кодирование.

При проведении эксперимента оборудование вело автоматический выбор соответствующей версии протокола среди наиболее популярных (802.11g-n) для установки наиболее качественного канала передачи информации и улучшения условий передачи информации.

В таблице на рисунке 7 приведены различные максимумы, которых способно достигнуть оборудование при проведении данного эксперимента.

Таблица максимальных значений скорости. Рис. 7

В целом, отмечается снижение качества беспроводного канала связи при увеличении расстояния между узлами системы, что вынуждает сетевое оборудование переходить к консервативным методам модуляции. Этот метод ведет к последующему снижению максимально возможной скорости передачи данных.

Отмечено также, что AP-режим характеризуется более высокими показателями скорости передачи информации, в лучшую сторону отличаясь от режима Ad-hoc.8.pngВ целом, отмечается снижение качества беспроводного канала связи при увеличении расстояния между узлами системы, что вынуждает сетевое оборудование переходить к консервативным методам модуляции. Этот метод ведет к последующему снижению максимально возможной скорости передачи данных.

Отмечено также, что AP-режим характеризуется более высокими показателями скорости передачи информации, в лучшую сторону отличаясь от режима Ad-hoc.

Краткий итог

В данной статье рассматриваются варианты применения беспилотных дронов при создании беспроводных сетей и степень эффективности применяемых вариантов для автоматической конфигурации и налаживания специализированных mesh-сетей.

В статье были подробно рассмотрены наиболее популярные и эффективные режимы работы оборудования, установленного на борту квадрокоптера. Собранная конструкция тестировалось в популярном инфраструктурном и менее известном Ad-hoc режиме.

Начальный этап включал расчет возможной дальности связи по специально выведенным теоретическим формулам. Он был проведен в соответствии с двумя известными моделями, рассматривающими способы и расстояния распространения сигнала. Они обозначаются как «Free Space» и Wireless Initiative New Radio.

Основной вывод – один из режимов работы точки доступа, а именно AP, показал самую высокую результативность по всем параметрам и в теоретической, и в практической части.

В частности, получены заметно более высокие показатели по накрытию и расстоянию, на котором возможна установка связи, кроме того, повышена максимально возможная пропускная способность. Однако режим Ad-hoc показал себя более выгодным с точки зрения энергоэффективности. Значение этого показателя выше, чем у режима АР на 4% выше.

Следует отметить, что использование различных БПЛА является одной из самых перспективных разработок, пригодных к использованию в сфере коммуникаций, и развитие этой концепции возможно станет очередным этапом при создании следующего поколения беспроводных сетей связи.

Теги: #wifi #дроны
1503
  • Поделиться:
Написать комментарий:
Статьи по теме: