vk_logo twitter_logo facebook_logo googleplus_logo youtube_logo telegram_logo telegram_logo

Квадрокоптеры в Wi-Fi-сетях 9

Дата публикации: 27.03.2017
Количество просмотров: 3779

 

 Вместо введения

Интерес к квадрокоптерам увеличивается с каждым днем, ранее на площадках nag’a была опубликована серия статей на эту тему:


Нам стало интересно, как обстоят дела в беспроводном мире, и как квадрокоптеры могут помочь в вопросах организации беспроводных сетей. К слову сказать, идеи использовать беспилотных дронов для этих целей озвучиваются уже не первый год при презентации проектов на различных конференциях (в том числе и в РФ). На нашей памяти идеи использования подобного решения были совершенно разные: начиная от спасательных работ, проводимых МЧС, и вплоть до организации кратковременного радиопокрытия на больших открытых площадках при проведении всевозможных мероприятий. В общем, во всех тех ситуациях, в которых необходимо быстрое развертывание беспроводных сетей. К примеру, нужно чтобы беспроводная сеть начала функционировать сразу же на этапе развертывания проекта, для того чтобы другие службы уже могли начать работу, а в это время будет настраиваться стационарное оборудование.

Отголоски этих идей уводят нас к проекту SkyBender от компании Google и Facebook (о котором многие возможно слышали), в рамках которого задумывается использовать большие воздухоплавательные шары с Wi-Fi точками доступа для организации беспроводного интернета по всему земному шару:


В нашем случае для тех же целей используется квадрокоптер. И концепт проекта вроде как понятен: в воздухе зависает дрон, на борту которого находится беспроводное Wi-Fi устройство, функционирующее (например) в режиме точки доступа (Access Point). В задачу дрона входит обеспечение беспроводного радиопокрытия на определенной территории. Вроде все просто, если не брать в расчет электропитание этого "робота" и погодные условия. Концепт выглядит заманчиво и на первый взгляд довольно прост в реализации, но нам больше интересна физическая сторона вопроса: максимальные реализуемые скорости передачи данных, дальность связи и др. В поисках ответа были проанализированы англоязычные источники, в которых славные американские парни проводили эксперименты с беспилотным летательным аппаратом и точкой доступа на его борту. О результатах этих экспериментов мы бы и хотели поделиться в этой статье.

 

О методологии и особенностях устройств, используемых в эксперименте

В качестве основного элемента системы использовалась плата Intel Galileo. Плата основана на основе 32-битного центрального процессора Quark SoC x 1000 Intel с тактовой частотой 400 МГц. В эксперименте использовалось оборудование первого поколения. В качестве программного обеспечения использовалась версия Linux quark 3.19.8 yocto-standard. В качестве источника питания использовался внешний аккумулятор 10400 мАч. Батарея может обеспечить Galileo до 15 часов автономной работы в зависимости от режима работы и нагрузки трафика. В плате Galileo через порт PCI Express была подключена беспроводная карта Intel Dual Band Wireless-AC 7260 (внешний вид ее ничем не примечателен, форм-фактор как в обычных ноутбуках). Карта обеспечивает скорость передачи данных до 867 Мбит/сек и поддерживает несколько стандартов Wi-Fi (802.11a/b/g/n/ac). К карте были подключены две внешние антенны с усилением в 5 dBi. Общий вес платы Galileo, аккумуляторной батареи и всей антенной части составил 340 грамм.

На первом этапе эксперимента были исследованы теоретические возможности области покрытия БПЛА (беспилотного летательного аппарата). Расчет производился с использованием моделей распространения радиосигнала: "Free Space" и модель "Wireless Initiative New Radio" –WINNER D1. Подробнее о том, что такое модели распространения радиосигнала можно почитать здесь:


На основе этих моделей были рассчитаны максимальные ожидаемые дальности распространения для восходящего и нисходящего канала связи для нескольких версий стандарта Wi-Fi. Также была экспериментально измерена производительность платы Galileo в качестве промежуточного узла сети Wi-Fi.

В эксперименте использовалось два режима работы точек доступа Wi-Fi. Первый режим работы – "Инфраструктурный", он реализуется на большинстве коммерческих Wi-Fi роутеров. В этом режиме точка доступа выступает в роли центрального узла (Access Point, AP), которая соединяет все устройства в сети и выступает в роли шлюза для подключения к сети Интернет. То есть в этом режиме точка доступа принимает на себя все задачи по управлению сетью. В качестве второго режима работы рассматривается режим "Ad-Hoc", который менее распространен в современных реалиях. В этом режиме ни один беспроводной узел не выступает в роли центрального узла, все узлы равноправны и образуют так называемую ячеистую сеть (Mesh Network). Так как все узлы равноправны, то каждый узел в отдельности принимает на себя задачи клиента (хоста) и маршрутизатора. Кроме того, узлы Ad-Hoc могут перемещаться, образуя так называемую мобильную сеть (Mobile Ad-hoc NETwork - MANET). Достоинство этого режима заключается в том, что соединение между узлами может быть динамически изменено при перемещении устройств. Но эффективная работа такой сети может сильно зависеть от алгоритмов маршрутизации, отвечающих за доставку пакет между узлами сети. Из-за динамического характера топологии сети "стоимость" пути между узлами должна периодически пересчитываться для поиска наилучших путей.

Для тестирования этих двух режимов работы Wi-Fi роутера, в исследуемую сеть были включены два дополнительных устройства. В качестве узлов сети выступали два ноутбука с ОС Linux Ubuntu и Wi-Fi картой IEEE 802.11 a/b/g/n. На приемной стороне был установлен ноутбук с беспроводной картой Intel Centrino Advance-N 6230 и на другом конце ноутбук с картой Intel Dual Band 3160. Центральной частью системы всегда оставалась плата Intel Galileo, работающая в режиме AP (инфраструктурный режим), либо в качестве одного из промежуточных узлов (Ad-Hoc) между передатчиком и приемником. В последнем устройстве был использован протокол маршрутизации BATMAN. Он себя хорошо зарекомендовал по сравнению с другими протоколами, работающими при больших нагрузках трафика. Для получения метрик сети использовался хорошо известный инструмент iPerf3, позволяющий производить измерение полосы пропускания сети, количество потерянных пакетов, определять задержки в сети и пр. Также в iPerf’e возможна настройка нескольких параметров передачи. В этом эксперименте использовалась передача с постоянной скоростью между узлами сети со следующими параметрами: продолжительность передачи – 30 сек; скорость передачи: 1, 3, 5, 7, 9, 11 Мбит/сек; размер пакета: 512 и 1024 байта.

Измерения параметров реальной воздушной сети производились по следующей схеме, представленной на рисунке 1:


Рисунок 1

Два оконечных устройства постепенно удалялись друг от друга на определенное расстояние вдоль оси X (точки измерения показаны на оси X). В указанных точках измерялась максимальная пропускная способность сети с помощью сетевого анализатора iPerf3, и максимальный уровень сигнала с помощью анализатора спектра Rohde&Schwarz FSH3. Квадрокоптер зависал на высоте 10 и 20 метров, на которых и производились измерения. Внешний вид БПЛА приведен на рисунке ниже:


Рисунок 2

 

Результаты измерений. Радиус действия

Итак, резюмируя все то, что сказано выше измерялись два ключевых параметра системы: область радиопокрытия и скорость передачи данных.

Как уже отмечалось выше, производилось экспериментальное измерение дальности связи, а также теоретический расчет радиопокрытия с использованием моделей распространения радиоволн: "Free Space" (свободного пространства) и модель WINNER D1. Формула Фрииса обычно используется, когда необходимо определить силу радиосигнала между передатчиком и приемником при отсутствии объектов на пути распространения радиоволн. Эта модель применяется только при расчете полей в дальней зоне, расчет производится по формуле:

Модель WINNER D1 в отличие от модели Free Space представляет собой стохастическую модель, учитывающую потери в беспроводном канале связи для различных типов сред. Дальность связи по формуле WINNER D1 определяется по формуле:

В ней неопределенные буквенные переменные имеют следующие значения A = 21.5, B= 44.2, и C = 20. Они подбираются исходя из начальных условий при решении задачи, подробнее об их выборе можно прочитать в соответствующих источниках [1].

При расчетах мощность передатчика для Uplink и Downlink была принята равной 20 дБм (100 мВт). Расчет дальности связи производился для разных версий стандартов IEEE 802.11. В таблице ниже приведены результаты расчетов для нисходящего канала (Downlink) и для восходящего (Uplink). Обратите внимание, что сценарий для этих расчетов показан на рисунке 1, и при расчетах было принято, что БПЛА находится на высоте 10 м.

В реальном эксперименте оценивался уровень принимаемого сигнала. На рисунке ниже приводится уровень сигнала в зависимости от расстояния для инфраструктурного режима работы (слева) и режима Ad-hoc (справа) при работе дрона на высоте 10 метров.


Рисунок 3

Те же экспериментальные данные но для работы дрона на высоте 20 метров:


Рисунок 4

Наблюдается довольно заметное отличие между теоретическими расчетными значениями и достигнутыми в эксперименте. Эти различия вызваны множеством дополнительных факторов, не учитываемых в модели распространения сигнала, некоторые из них это: неустойчивость квадрокоптера, наводки от его шасси, атмосферные условия и пр. Но в целом можно отметить, что уровень принимаемого сигнала в инфраструктурном режиме работы значительно выше, чем уровень сигнала, достигнутый в Ad-hoc. На рисунках b и d изображено меньше измеренных контрольных точек, так как фиксировались только те измерения, которые были получены при работе беспилотника в качестве промежуточной точки между двумя оконечными устройствами. Результаты, полученные при непосредственном подключении передатчика и приемника ноутбука, в расчет не брались. Другими словами, когда расстояние между конечными точками доступа было меньше 60 метров (для высоты дрона 10 метров) или 80 метров (для высоты 20 метров), квадрокоптер не выступал в качестве промежуточного устройства в режиме Ad-hoc.

 

Результаты измерений. Скорость передачи данных

Чтобы оценить производительность инфраструктурного режима работы и режима Ad-hoc с точки зрения максимальной пропускной способности использовалась программа iPerf, с помощью которой запускались пакеты между оконечными точками доступа. Сначала измерения были произведены в лабораторных условиях, в котором измерялась скорость для указанных режимов работы и двух размеров пакета (512 и 1024 байта). Результаты измерений приведены в таблице ниже:

После чего измерения были произведены в реальных условиях. Скорости в зависимости от расстояния, полученные в результате измерений Wi-Fi сети, показаны на рисунках 5 и 6 ниже. Можно отметить, что скорость в инфраструктурном режиме значительно выше скорости в Ad-hoc сети. Для инфраструктурного режима работы (слева) и режима Ad-hoc (справа) при работе дрона на высоте 10 метров:


Рисунок 5

Те же экспериментальные данные но для работы дрона на высоте 20 метров:


Рисунок 6

Максимальная скорость передачи данных по Wi-Fi различается для различных версий стандарта 802.11 и определяется главным образом методами модуляции, кодированием и технологиями расширения спектра, а также количеством пространственных потоков, шириной канала и пр. Ниже для сравнения приведены максимальные теоретически достижимые скорости передачи данных для заданных условий испытаний. В эксперименте точки доступа настраивались на самопроизвольный выбор версии протокола 802.11g-802.11n для обеспечения наилучших условий передачи в зависимости от качества канала связи. Максимально достижимые скорости для рассматриваемого эксперимента приведены ниже:

С увеличением расстояния снижается качество канала связи, что заставляет беспроводные сетевые карты использовать более консервативные методы модуляции, что в свою очередь приводит к уменьшению максимальной скорости передачи данных. Инфраструктурный режим работы обеспечивает более высокие скорости передачи по сравнению с режимом Ad-hoc.

 

Заключение

Таким образом, в этой статье был рассмотрен один из наиболее эффективных вариантов применения квадрокоптеров в беспроводной связи – для построения автоматически конфигурируемых mesh-сетей. Для решения этой задачи было рассмотрено два режима работы беспроводного устройства на борту дрона: Ad-Hoc и инфраструктурный. Сначала производился теоретический расчет дальности связи с использованием двух моделей распространения сигнала "Free Space" и "WINNER D1". Далее производилось сравнение режимов работы точки доступа по дальности связи и предельной пропускной способности. Инфраструктурный режим работы показал лучший результаты. Но с точки зрения энергопотребления режим работы Ad-Hoc приблизительно на 4% эффективнее. Беспилотные летательные аппараты открывают новые возможности в сфере телекоммуникаций и, возможно, в будущем мы увидим их в концепте сетей следующих поколений беспроводной связи.

 

Список литературы:

  1. Winner and I. S. Technologies, "IST-4-027756 WINNER II. D1.1.2 V1.2. WINNER II Channel Models," 2008.
  2. WiFi networks on drones
  3. Google SkyBender Drone Project Aims To Deliver 5G WiFi
  4. Project Skybender: Google"s secretive 5G internet drone tests revealed
  5. Квадрокоптер в интернет-провайдинге
  6. Квадрокоптер при строительстве сетей
  7. Квадрокоптер в работе монтажника-связиста
  8. Квадрокоптер научили находить уязвимые сети и гаджеты на большой высоте

 

От редакции: если у вас есть чем поделиться с коллегами по отрасли, приглашаем к сотрудничеству
Ссылка на материал, для размещения на сторонних ресурсах
/articles/article/31332/kvadrokopteryi-v-wi-fi-setyah.html

Комментарии:(9) комментировать

27 марта 2017 - 21:01
Robot_NagNews:
#1

Материал:
Нам стало интересно, как обстоят дела в беспроводном мире, и как квадрокоптеры могут помочь в вопросах организации беспроводных сетей.

Полный текст


27 марта 2017 - 21:01
Saab95:
#2

Опять никак не содержательная статья. О чем? Не ясно. Зачем? не понятно. Какой практический смысл описанной задачи? никакой.

Если бы уж хотели проверить реально покрытие и возможность работы - следовало бы повесить на беспилотник mAP lite, у которого отпаять не нужные детали - разъем сетевого порта, юсб, прочий не используемый обвес, предварительно настроив его как точку доступа. Наземный канал подавать через какой-то роутер, умеющий работать клиентом, либо ноутбук, т.к. связь коптер-ноут самое слабое звено, ведь подать сам канал интернета можно направленной антенной с земли без проблем. При этом для решения подобной схемы достаточно измерить потребление wi-fi точки, потребление коптера, и подобрать необходимые аккумуляторы, которые обеспечат нужное время работы.


28 марта 2017 - 11:27
NikeFIT:
#3

как по мне, то эта тема вообще ниочем!
много из этого не продумано, а уже говорят о wifi


29 марта 2017 - 12:28
TIR52:
#4

Да нормальные эксперименты. Люди делают, пробуют, интересуются. Почему нет? Лучше конечно не чего делать. И применение этому можно много найти. Но проблема во времени полета. В идеале нужен коптер для зависания над точкой. Но приемлемое время висения будет только у самолета, но он будет в лучшем случае круги нарезать это накладывает ограничения по качеству сигнала. Да можно по старинке разворачивать мобильный узел и поднимать антенны, но в теории преимущества у летающей точки вполне очевидны.


29 марта 2017 - 13:09
Wildy75:
#5

Ну вообще эксперимент не чистый. Как минимум:

  • Какая антенная система на дроне? Нужно явно что-то секторное с широким углом раскрытия. Светить, соответственно, вниз. Если там обычные диполи - будет плохо.
  • Антенная система на клиентах явно не предусматривает, что ТД будет находиться вверху :) но с этим уже ничего не сделаешь.
  • RTS/CTS включали? В таком сценарии запросто получается пресловутая hidden node, и из-за количества коллизий сеть деградирует вплоть до нуля.

Ну может быть, я что-то не так прочитал. Но 10 Мбит/с в лучших условиях - это за гранью бобра и козла.


29 марта 2017 - 13:54
vodz:
#6

Просмотр сообщенияTIR52 (29 марта 2017 - 11:28) писал:

В идеале нужен коптер для зависания над точкой.


Значить - дирижабль :)


29 марта 2017 - 14:43
jab:
#7

Просмотр сообщенияvodz (29 марта 2017 - 12:54) писал:

Просмотр сообщенияTIR52 (29 марта 2017 - 11:28) писал:

В идеале нужен коптер для зависания над точкой.


Значить - дирижабль :)



У дирижаблей проблема с зависаниями вне помещений, большая парусность при низкой энерговооруженности.


29 марта 2017 - 14:51
stas_k:
#8

Просмотр сообщенияjab (29 марта 2017 - 13:43) писал:

У дирижаблей проблема с зависаниями вне помещений, большая парусность при низкой энерговооруженности.


Тоже мне проблема, встать на якорь.

Стационарные аэростаты используются давно. И в ПВО, и радиолокационными службами, и для подъема антенн на нужную высоту и рекламщиками.


29 марта 2017 - 18:07
Saab95:
#9

Просмотр сообщенияWildy75 (29 марта 2017 - 12:09) писал:

Ну вообще эксперимент не чистый. Как минимум:
Ну может быть, я что-то не так прочитал. Но 10 Мбит/с в лучших условиях - это за гранью бобра и козла.



Эксперимент ни о чем, да его, скорее всего, и не делали.

Антенна - потолочная, светит вниз. Из минусов размеры и парусность.
Ограничений по скорости нет, если подавать канал на 5ггц, можно легко раздать на 2.4ггц или тех же 5ггц, если приемники стационарные.


29 марта 2017 - 18:43
NN----NN:
#10

Цитата

В поисках ответа были проанализированы англоязычные источники, в которых славные американские парни проводили эксперименты с беспилотным летательным аппаратом и точкой доступа на его борту.



Ага, "американские парни", некоторые со степенью PhD, да и не все "парни":

Antonio Guillen-Perez (Dept. of Information Technologies and Communications, Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena, Spain)
Ramon Sanchez-Iborra (Dept. of Information Technologies and Communications, Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena, Spain)
Maria-Dolores Cano (Dept. of Information Technologies and Communications, Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena, Spain)

Maria-Dolores Cano received the Telecommunications Engineering Degree in 2000 from the Universidad Politécnica de Valencia (UPV), Spain, and obtained the PhD degree from the Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), Spain, in 2004. She joined the UPCT in 2000, where she is currently an Associate Professor at the Department of Information Technologies and Communications. She has published numerous papers in international journals and conferences in the areas of Quality of Service (QoS) / Quality of user Experience (QoE) and security provisioning in telecommunications networks and engineering education, which are also her current research interests. Spanish (mother tongue).

Автор, как так может быть? Если читать первоисточник и его переводить, надо иметь особый талант, чтобы не увидеть про то, что "парни" из Испании.


Обсудить на форуме

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Зарегистрироваться