Исследование управление сетями БПЛА на основе технологий мобильной связи 4G И 5G

Введение

В современном мире беспилотные летательные аппараты (БПЛА) становятся все более важным элементом авиационных технологий, находя применение в различных областях, начиная от военных операций и наблюдения до поставок грузов и поисково-спасательных миссий. С развитием технологий связи появляются новые возможности для управления и контроля беспилотными системами, что требует глубокого исследования и оптимизации сетевых технологий.

Целью данной работы является проведение исследования по управлению сетями беспилотных летательных аппаратов с использованием технологий мобильной связи 4G и 5G. Данные технологии обещают значительное улучшение передачи данных, снижение задержек и повышение надежности связи, что может иметь критическое значение для эффективного управления беспилотными системами в реальном времени.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) играют все более значимую роль в различных областях, таких как сельское хозяйство, логистика, мониторинг окружающей среды и безопасность. Одним из ключевых факторов, определяющих эффективность и надежность применения БПЛА, является способность к надежному и оперативному управлению ими на больших расстояниях. Технологии мобильной связи четвертого поколения (4G) предоставляют необходимые средства для достижения этой цели, обеспечивая высокую пропускную способность и низкую задержку передачи данных.

Технические характеристики сетей 4G для БПЛА

Технология 4G, основанная на стандартах LTE (Long Term Evolution), предлагает несколько преимуществ для управления БПЛА:

• Высокая скорость передачи данных: Сети 4G могут обеспечивать скорости загрузки до 100 Мбит/с и выше, что позволяет передавать видео в реальном времени и получать данные с датчиков на борту дронов без значительных задержек.
• Низкая задержка: Время задержки в сетях 4G обычно составляет около 30–50 мс, что позволяет быстро передавать команды управления и получать отклик от дронов.
• Широкий охват и доступность: Сети 4G широко распространены и обеспечивают надежное покрытие как в городских, так и в сельских районах, что позволяет использовать БПЛА в различных условиях.

Примеры применения БПЛА с использованием 4G

1. Сельское хозяйство: В сельском хозяйстве дроны, оснащенные камерами и датчиками, могут собирать данные о состоянии посевов, уровне влаги в почве и наличии вредителей. Использование 4G позволяет фермерам оперативно получать эту информацию и принимать соответствующие меры.
2. Логистика и доставка: Компании, занимающиеся доставкой товаров, могут использовать БПЛА для быстрой доставки малых грузов в труднодоступные или удаленные районы. Связь по 4G обеспечивает постоянный контроль за передвижением дронов и позволяет отслеживать статус доставки в реальном времени.
3. Мониторинг и безопасность: В области безопасности и мониторинга дроны, управляемые через сети 4G, могут использоваться для патрулирования территорий, наблюдения за массовыми мероприятиями и оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. Высокая скорость передачи данных позволяет оперативно передавать видеоизображения и другую информацию в центры управления.

Наклон антенны и ассоциация ячеек

Чтобы обеспечить наилучшее обслуживание наземных пользователей, антенны сотовой станции BS наклонены вниз. Воздушному покрытию в последнее время уделяется значительное внимание, в основном для стыковки пассажиров на внутренних рейсах. Для обеспечения обширного покрытия и непрерывной связи во время полета необходимо лишь небольшое количество БС с модернизированными антеннами. Однако из-за конструктивных и нормативных ограничений эти методы нельзя использовать для коммерческих БПЛА, которые часто летают на меньших высотах, например 50–300 м, как показано на рисунке 2. БПЛА фундаментально отличаются от наземных пользователей, поскольку предположения, применимые к наземным пользователям, не применимы к воздушным пользователям. Рассмотрим следующий пример: антенны двух базовых станций (A и B) наклонены вниз, а основные лепестки обращены вниз, к земле. Наземный пользователь подключается к БС. Если уровень сигнала от обеих БС одинаков, пользователь останется на связи с предыдущей. В случае БПЛА полезны боковые лепестковые антенны. На рисунке 3 показано, что несмотря на то, что БПЛА в Y1 находится ближе к BS A, чем к BS B, обслуживается BS B. Это вызовет чрезмерные HO и эффекты пинг-понга. Эта проблема также относится к горизонтальным расположениям.

Рис. 1. Базовая станция БПЛА (UBS) и обычные BS в будущей сверхплотной гетерогенной сети

Рис. 2. Соединение БПЛА через боковые лепестки в будущей сверхплотной гетерогенной сети

Для мест Y2 и Y4 на рисунке 3 картину можно расширить, включив в нее большое количество BS, что означает, что скорость HO для БПЛА будет более высокой, чем для обычных или традиционных сетей. Увеличение высоты БПЛА снизит конкурентоспособность его обслуживания через основные лепестки, пока антенны наземной БС будут наклонены вниз. В результате обслуживание БПЛА на больших высотах будет осуществляться через боковые лепестки, что не находится на том же уровне, что и основные лепестки. Из-за повышенного потенциала прямой видимости (LoS) на таких больших высотах связь БПЛА будет страдать от помех восходящей линии связи (UL) и нисходящей линии связи. Это создаст серьезные помехи и проблемы с управлением навигацией. Увеличение высоты позволит боковым лепесткам антенн БС иметь более одной возможности подключения в зависимости от местоположения БПЛА. Это повышает возможность использования линий связи LoS, что увеличивает помехи в соседних сотах по сравнению с наземным оборудованием UE.

Технические характеристики сетей 5G для БПЛА

Технологии 5G предлагают несколько ключевых преимуществ для управления БПЛА:

• Высокая скорость передачи данных: Сети 5G могут обеспечивать скорости загрузки до 10 Гбит/с, что позволяет передавать большие объемы данных, включая видео в ультравысоком разрешении и данные с датчиков в реальном времени.
• Минимальная задержка: Время задержки в сетях 5G составляет менее 1 мс, что критически важно для управления БПЛА в реальном времени и выполнения задач, требующих мгновенной реакции.
• Высокая плотность подключений: 5G поддерживает до миллиона устройств на квадратный километр, что позволяет эффективно управлять большими флотами дронов в ограниченных пространствах.
• Повышенная надежность и устойчивость: Сети 5G обеспечивают высокую степень надежности связи и устойчивости к помехам, что важно для безопасного и бесперебойного функционирования БПЛА.

Примеры применения БПЛА с использованием 5G

1. Сельское хозяйство: БПЛА, оснащенные датчиками и камерами высокого разрешения, могут собирать данные о состоянии посевов, уровне влажности и здоровье растений. Использование 5G позволяет передавать эти данные в реальном времени, что способствует оперативному принятию решений и повышению эффективности сельскохозяйственных операций.
2. Логистика и доставка: Компании, занимающиеся доставкой, могут использовать БПЛА для быстрой и точной доставки грузов. Технология 5G обеспечивает постоянный контроль и управление дронами, а также позволяет отслеживать их движение в реальном времени, что улучшает точность и надежность доставки.
3. Мониторинг и безопасность: В сфере безопасности и мониторинга дроны, управляемые через сети 5G, могут использоваться для патрулирования, наблюдения за массовыми мероприятиями и оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. Высокая скорость передачи данных позволяет передавать видеоизображения и другую информацию в режиме реального времени, что улучшает ситуационную осведомленность и реакцию на инциденты.

Влияние 5G на развитие автономных систем управления БПЛА

Технологии 5G способствуют развитию автономных систем управления БПЛА за счет:

• Улучшенной связи и обмена данными: Минимальная задержка и высокая скорость передачи данных позволяют интегрировать искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение в системы управления БПЛА, что повышает уровень автономности и эффективности выполнения задач.
• Координации больших флотов: Возможность подключения большого числа устройств позволяет эффективно управлять и координировать работу множества дронов одновременно, что особенно важно для таких задач, как мониторинг и доставка.

Большинство пилотов применяют Правила визуального полета (ПВП) при полете в воздушном пространстве на малых высотах, как показано на рисунке 1. В соответствии с VFR каждый пилот несет ответственность за обход других самолетов или препятствий, сохраняя постоянный обзор региона и других пользователей воздушного пространства. Значительные опасности, связанные с движением БПЛА, присутствуют в неклассифицированном воздушном пространстве, если за планерами не ведется наблюдение и отсутствуют пилоты-люди. Риск столкновения птиц, зданий или аварий с другими беспилотными транспортными средствами может вызвать серьезные проблемы среди национальных авиационных властей. Системы предотвращения столкновений повысят безопасность беспилотных летательных аппаратов. Однако они не предназначены для обработки сложных действий или движений других плоскостей и объектов в пределах области. Требуется новый взгляд на организацию и мониторинг деятельности в низковысотном и неклассифицированном воздушном пространстве. Несколько исследователей в настоящее время изучают различные методы решения проблемы UTM. На рисунке 1 представлены проблемы, с которыми должны столкнуться административные органы, а также задачи, необходимые для полной структуры UTM. UTM – это экосистема управления движением для движений, которые не контролируются системой управления воздушным движением (ATM) Федерального авиационного управления (FAA). UTM будет усовершенствован и развит для определения служб и обязанностей, возложенных на операции БПЛА при полете на малых высотах без присмотра. Протоколы обмена информацией и другие технические детали также будут указаны в операциях управления и связи.

Рис. 3. Подробности задачи, стоящей перед административными органами, и действий, необходимых для комплексной структуры UTM

UTM – это механизм управления воздушным пространством для облегчения и разрешения операций БПЛА, выполняемых за пределами прямой видимости (BVLoS), где стандартные воздушные услуги недоступны. В результате операторы БПЛА и ФАУ будут работать вместе, чтобы определять и сообщать о состоянии воздушного пространства в режиме реального времени. В настоящее время ФАУ налагает ряд ограничений на операторов БПЛА для обеспечения безопасного управления полетами. Операторы ФАУ и БПЛА в основном общаются через распределенную сеть высокоавтоматизированных систем через интерфейсы прикладного программирования (API). Они не координируют свои действия посредством устного общения, как это делают пилоты и авиадиспетчеры.

Заключение

Исследование проведено с соблюдением высоких стандартов, и его результаты предоставляют ценную информацию для дальнейшего развития и совершенствования систем управления беспилотными летательными аппаратами с использованием передовых технологий связи. Перспективы развития: В заключение, стоит выделить несколько перспектив развития в области управления беспилотными летательными аппаратами, основанными на проведенных исследованиях:

Интеграция с Искусственным Интеллектом (ИИ): Одним из ключевых направлений будущего является более глубокая интеграция беспилотных систем с технологиями искусственного интеллекта. Это позволит улучшить способности БПЛА в обработке данных, принятии решений и адаптации к сложным сценариям.