FANET mreže: kako dronovi komuniciraju bez mobilne mreže
Dron koji snima udaljen dalekovod obično šalje sliku i podatke o letu neposredno operateru. Dok između njih postoji pouzdana radio-veza, takav način rada je jednostavan. Problem nastaje kada se iza brda, zgrade ili drugog zaklona izgubi direktna veza. Jedno od mogućih rešenja jeste da podatke primi drugi dron i prosledi ih dalje.
Kada više letelica na taj način uspostavlja veze i razmenjuje podatke, govorimo o letećoj ad hoc mreži, odnosno FANET mreži (Flying Ad Hoc Network). Ona može da radi bez mobilnog interneta i baznih stanica mobilnog operatera. To, međutim, ne znači da radi bez radio-opreme ili da joj nije potreban čvor na zemlji ako podaci na kraju treba da stignu do operatera.
FANET otvara zanimljive mogućnosti za inspekcije, istraživanje velikih područja i koordinaciju timova na terenu. Istovremeno postavlja zahtevna pitanja: koliko daleko podaci mogu da putuju, šta se događa kada jedan dron promeni položaj, može li mreža da prenese video i kako se obezbeđuje bezbedan let ako veza otkaže?
Šta je FANET mreža?
FANET je poseban oblik mobilne ad hoc mreže, poznate kao MANET (Mobile Ad Hoc Network). Izraz ad hoc opisuje mrežu čiji čvorovi mogu neposredno da uspostavljaju veze jedni s drugima, bez oslanjanja na unapred postavljenu mrežnu infrastrukturu za svaku razmenu podataka. Kada su ti čvorovi bespilotne letelice, koriste se naziv FANET i izraz „leteća ad hoc mreža“. VANET je srodna oblast koja se bavi mrežama vozila koja se kreću po zemlji.
Najjednostavniji primer čine tri drona. Prvi snima i šalje podatke drugom, a drugi ih prosleđuje trećem. Tada se podaci prenose preko posrednog drona, umesto da idu direktno od prvog drona do operatera. Ako je treći dron povezan sa zemaljskom kontrolnom stanicom, snimak ili telemetrija mogu da stignu do operatera iako prvi dron nema neposrednu vezu sa njim.
Svaka letelica u takvoj mreži jeste čvor. Neki čvorovi samo šalju sopstvene podatke, dok drugi mogu da prosleđuju i podatke koje su primili. Koju će ulogu dron imati zavisi od ugrađene opreme i načina na koji je mreža podešena. Običan dron ne postaje automatski mrežni repetitor samo zato što može da komunicira sa drugim uređajima.
Važno je razlikovati FANET od roja dronova. FANET opisuje način komunikacije. Roj podrazumeva da više letelica koordinisano izvršava zadatak, što pored komunikacione mreže zahteva i odgovarajuće upravljanje letom. Dronovi mogu biti povezani u mrežu, a da pritom ne lete kao roj.
Šta znači „bez 4G i 5G“?
Većina dronova koji se koriste za snimanje ne zavisi od javne mobilne mreže: između drona i upravljača postoji zasebna radio-veza. Pojedini sistemi dodatno koriste mobilnu mrežu za nadzor, prenos podataka ili udaljeni pristup. FANET je zanimljiv kada direktna radio-veza nije dovoljna, a oslanjanje na mobilnu infrastrukturu nije moguće ili nije poželjno za planirani zadatak.
Podatak može da putuje sa drona na dron, sve dok između čvorova postoji odgovarajući niz radio-veza. Jedan od čvorova može da bude povezan sa računarom operatera na zemlji. Mreža tada ne koristi bazne stanice mobilnog operatera, ali zemaljska kontrolna stanica i dalje može biti deo sistema.
Ako nijedan dron više nema vezu sa operaterom, letelice možda i dalje mogu međusobno da razmenjuju podatke. Operater ih, međutim, neće dobijati u tom trenutku. Zbog toga izraz „rad bez infrastrukture“ ne treba tumačiti kao obećanje neprekidnog prenosa podataka do bilo koje tačke.
Kako podaci pronalaze put kroz mrežu?
Zamislimo da dron A snima krov industrijskog objekta, dron B leti iznad njega, a dron C je u radio-vezi sa operaterom. Dron A šalje podatke dronu B, koji ih prosleđuje dronu C. Mreža mora da zna kojim putem podaci treba da stignu do cilja. Taj izbor puta naziva se rutiranje.
U stabilnoj mreži put može dugo da ostane isti. U vazduhu je situacija drugačija: dronovi menjaju položaj i visinu, zgrade ili teren mogu da zaklone radio-vezu, a neki čvor može da završi let zbog baterije. Mreža tada treba da otkrije da prethodni put više nije upotrebljiv i, ako postoji mogućnost, pronađe drugi.
Odatle potiče izraz „samolečeća mreža“, ali on ima jasnu granicu. Ako ispadne dron B, a A može da uspostavi vezu sa drugim čvorom koji vodi do operatera, prenos može da se nastavi novim putem. Ako između drona A i ostatka mreže više ne postoji nijedna upotrebljiva radio-veza, softver za rutiranje ne može da nadomesti fizički prekid veze.
Brzina promene mreže nije ista u svim misijama. Dron koji dugo lebdi kao relejna tačka pravi znatno stabilniju topologiju od grupe letelica koje se kreću različitim brzinama i stalno menjaju međusobni položaj.
Zašto je mreža u vazduhu zahtevnija?
Čvorovi FANET mreže kreću se u tri dimenzije. Promena visine može da otvori radio-vezu preko prepreke, ali može i da udalji dron od drugih čvorova. Važni su i položaj antena, orijentacija letelice, snaga predajnika, frekvencija i smetnje na izabranom kanalu. Istraživanja FANET mreža zato posebno proučavaju modele kretanja, određivanje položaja i prostiranje radio-signala.
Let iznad prepreka često poboljšava uslove za radio-vezu, ali ne rešava svaki problem. U gradu signal može da stigne do prijemnika različitim putanjama nakon odbijanja od fasada. U dolini ili iza masiva možda neće postojati dovoljno povoljan položaj za međučvor. Ni dobar prijem satelitskih navigacionih signala nije svuda zagarantovan.
Broj dronova takođe nije jednostavan odgovor. Dodavanje čvora može da obezbedi novi put oko prepreke, ali svaki dron koji prima i ponovo emituje podatke koristi radio-kanal. Ako više letelica istovremeno šalje video preko istog dela mreže, ukupan saobraćaj raste. Zbog toga projektant mora da posmatra čitavu putanju do operatera, a ne samo domet između dva susedna drona.
Radio-veza, mesh i mrežni protokoli
FANET nije naziv za jedan radio-standard. Prenos preko više dronova može se graditi različitom opremom, uz različite brzine prenosa, domete i načine upravljanja saobraćajem.
Za razumevanje sistema korisno je razdvojiti dva pitanja: kako dva susedna čvora razmenjuju radio-signal i kako mreža odlučuje kome će svaki čvor proslediti podatke.
Na prvom nivou nalaze se radio i pravila korišćenja kanala. U sistemima zasnovanim na Wi‑Fi tehnologiji za mreže sa više skokova relevantan je, na primer, IEEE 802.11s. Postoje i namenski komercijalni mesh radio predajnici projektovani da prenose podatke između pokretnih čvorova. Njihove mogućnosti ne mogu se zaključiti samo iz toga što rade na određenoj frekvenciji: bitni su antene, softver, dozvoljeni radio-parametri i konkretni uslovi upotrebe.
LoRa može biti korisna kada treba preneti male količine podataka na većoj udaljenosti, poput kratkih poruka o položaju ili stanju uređaja. Njen domet zavisi od uslova i podešavanja; broj poput 15 kilometara ne predstavlja garanciju za određeni let. Niska brzina prenosa čini je nepodesnom za uobičajen tok HD videa. Takođe, upotreba LoRa radija sama po sebi ne stvara mesh mrežu. Projekat Meshtastic primer je sistema koji na toj radio-tehnologiji posebno gradi prosleđivanje poruka između čvorova.
Razlika između radio-veze i mreže je krucijalna.
MAVLink služi za razmenu poruka, kao što su telemetrija i komande. ExpressLRS može da prenosi komande i MAVLink telemetriju preko svoje radio-veze. To su korisne mogućnosti, ali nijedna sama po sebi ne znači da više dronova ima uspostavljenu mrežu za prenos videa. Za takav sistem potrebni su međusobno usklađeni radio-uređaji, mrežni softver i način da se saobraćaj prosledi do odredišta.
Kako mreža bira naredni čvor?
Za rutiranje u mobilnim mrežama razvijeno je više pristupa. Njihova imena mogu delovati komplikovano, ali razlika među njima je razumljiva: neki traže put kada zatreba, neki stalno održavaju informacije o mreži, a neki pri izboru puta koriste položaj čvorova.
AODV je primer pristupa na zahtev. Kada čvor treba da pošalje podatke na odredište za koje nema poznat put, pokreće otkrivanje rute. Time se izbegava stalno održavanje svih mogućih puteva, ali uspostavljanje nove rute može da unese kašnjenje.
OLSR, odnosno njegova novija verzija OLSRv2, predstavlja proaktivni pristup. Čvorovi redovno razmenjuju podatke potrebne da održavaju formu mreže i mogu da izračunaju put pre nego što se pojavi nova poruka za slanje. Prednost je spremnost za prenos, a cena dodatni kontrolni saobraćaj. Poruke HELLO služe za otkrivanje suseda, dok se informacije o široj topologiji prenose drugim kontrolnim porukama.
Kod geografskog rutiranja čvorovi koriste podatke o položaju.
GPSR je poznat primer: pri jednostavnom izboru sledećeg koraka poruka se šalje odgovarajućem komšiji koji je bliži odredištu. Problem nastaje kada takav komšija ne postoji iako put kroz mrežu možda postoji. Uz to, postupci razvijeni za mrežu predstavljenu u ravni ne prenose se automatski na dronove koji se kreću u tri dimenzije.
Nijedan od tih pristupa nije najbolji za svaku FANET mrežu. Izbor zavisi od broja i kretanja letelica, vrste radio-veze, količine podataka i toga koliko brzo sistem mora da reaguje kada se put prekine.
Koliko signal slabi sa udaljenošću?
Za početnu procenu veze koristi se slabljenje signala u slobodnom prostoru, označeno kao FSPL. Model pretpostavlja povoljan prenos bez prepreka i pokazuje kako slabljenje raste sa udaljenošću i frekvencijom.
Kada se udaljenost unosi u kilometrima, a frekvencija u megahercima, formula glasi:
FSPL (dB) = 32,44 + 20 × log₁₀(d u km) + 20 × log₁₀(f u MHz)
Slovo d označava rastojanje između predajnika i prijemnika, a f frekvenciju. Ako je frekvencija 2.400 MHz, a rastojanje 1 km, rezultat je približno 100 dB. Pri istoj frekvenciji i rastojanju od 100 m rezultat je približno 80 dB. Desetostruko veća udaljenost u ovom modelu, dakle, donosi oko 20 dB dodatnog slabljenja.
Ova računica ne govori sama po sebi da li će veza raditi. Za to su potrebni i podaci o snazi predajnika, dobicima i položaju antena, osetljivosti prijemnika, širini kanala i potrebnoj rezervi signala. U stvarnoj misiji treba uzeti u obzir i prepreke, odraze signala i promene položaja drona. Formula je dobra polazna tačka, a merenje na terenu i plan radio-veze ostaju neophodni.
Kretanje letelica može da izazove i Doplerov pomeraj primljene frekvencije.
Njegova približna vrednost računa se kao: Δf = (vᵣ / c) × f₀
Ovde je vᵣ relativna brzina duž pravca radio-veze, c brzina svetlosti, a f₀ frekvencija predajnika. Pri radijalnoj brzini od 20 m/s i frekvenciji od 2,4 GHz, rezultat je približno 160 Hz. Doplerov pomeraj jeste deo analize pokretne radio-veze, ali taj broj sam za sebe ne dokazuje da će se prijemnik razdesiti ili da je potreban širi kanal.
Telemetrija i video nemaju iste zahteve
Poruka sa položajem, stanjem baterije i režimom leta mnogo je manja od video-snimka. Zato mreža koja bez problema prenosi telemetriju možda neće moći da prenese nekoliko video-strimova istovremeno. Čak i kada svaki pojedinačni radio-link ima dovoljan kapacitet, deo mreže kroz koji prolaze podaci sa više dronova može postati usko grlo.
Kod prenosa preko više dronova ista informacija mora da bude primljena, obrađena i prosleđena. To troši vreme i kapacitet kanala. Kašnjenje zatim zavisi od broja skokova, kvaliteta svake veze, zagušenja, načina kodiranja videa i eventualnog ponovnog slanja izgubljenih paketa.
Zato ne postoji opšte pravilo da FANET ima kašnjenje od 1 do 10 milisekundi ili da je uvek brži od 4G ili 5G mreže.
Za pošteno poređenje potrebno je navesti koja se dva konkretna sistema porede, kakvi su uslovi, koliko čvorova učestvuje i odakle dokle se meri kašnjenje.
Ako zadatak zahteva samo obaveštenje da je dron pregledao određeni sektor, kratka poruka može biti dovoljna. Ako operater mora uživo da procenjuje detalje na termovizijskom snimku, zahtevi za protok, stabilnost i kašnjenje biće znatno veći. Od namene podataka treba početi projektovanje mreže.
Primer primene: potraga na terenu bez dobre mobilne pokrivenosti
Zamislimo potragu na planinskom terenu na kojem tim nema pouzdanu mobilnu vezu. Jedan dron snima područje, a drugi je postavljen na položaj sa kojeg može da održi radio-vezu i sa prvim dronom i sa čvorom kod spasilaca. Ako oprema podržava prosleđivanje, podaci sa drona koji pretražuje teren mogu da stignu do tima preko drona na višem položaju.
Ovo je primer moguće arhitekture, a ne tvrdnja da bilo kojih pet ili deset dronova može odmah da napravi takvu mrežu. Potrebno je unapred proveriti kapacitet veze, trajanje leta relejnog drona, mogućnost njegovog bezbednog povratka i postupak kada jedan čvor ispadne. Posebno je važno odlučiti šta tim zaista treba da prima: kontinuirani video, povremene slike, telemetriju ili kratka obaveštenja.
Treba razlikovati i položaj drona od položaja osobe uočene na snimku. Koordinate koje prijavljuje letelica pokazuju gde je dron, a ne automatski gde se nalazi osoba koju kamera vidi. Za određivanje položaja cilja potrebno je dodatno povezati snimak sa položajem i orijentacijom kamere ili potvrditi lokaciju drugim postupkom.
Mesh komunikacija u spasilačkim aktivnostima nije samo teorijska zamisao. Kompanija Doodle Labs opisala je simuliranu vežbu potrage i spasavanja sa vatrogasnom službom Corona, u oblasti sa slabom LTE vezom. To je primer primene mobilne ad hoc mreže na terenu, ali nije dokaz da će bilo koji zamišljeni lanac dronova u planinskom kanjonu prenositi HD video bez prekida.
Primer primene: inspekcija velikog kompleksa
U industrijskom kompleksu velika zgrada može da zakloni direktnu radio-vezu između drona koji snima i operatera. Drugi dron, postavljen na pogodnije mesto, mogao bi da prima podatke i prosleđuje ih dalje. Na taj način može se rešavati problem zaklonjene putanje radio-signala.
Ovaj primer ima ograničenje koje se lako previdi. To što radio-signal putuje preko međučvora ne znači da pilot automatski sme da šalje dron iza zgrade ili izvan svog vidnog polja. Radio-vidljivost i vizuelna vidljivost letelice dve su različite stvari. Plan leta mora da odgovara pravilima koja važe na mestu operacije, nezavisno od mogućnosti mrežne opreme.
Šta je potrebno za stvaran FANET sistem?
Na tehničkom nivou potrebni su radio-uređaji koji mogu da ostvare planirane međusobne veze, način prosleđivanja podataka, dovoljno kapaciteta za predviđeni saobraćaj i jasno određeni postupci pri gubitku veze. Sistem mora da prepozna čvorove, kontroliše pristup mreži i zaštiti podatke od neovlašćenog pristupa.
Planiranje uključuje i samu letelicu. Dodatni radio, antena i napajanje zauzimaju prostor i povećavaju masu i potrošnju. Relejni dron koji lebdi na pogodnom mestu ograničen je trajanjem svoje baterije. Ako je on jedini most između dve grupe čvorova, njegovo sletanje može da prekine prenos.
Postoje gotovi profesionalni MANET radiji, poput porodice Silvus StreamCaster, koji su namenjeni mrežnom prenosu podataka, komandi i videa. Oni pokazuju da je ovakva arhitektura tehnički ostvariva. Njihovo postojanje ipak ne znači da se ista funkcija može jednostavno dodati svakom postojećem komercijalnom dronu. Izbor opreme i njena integracija posao su za tim koji poznaje radio-komunikacije, mreže i sistem upravljanja letom.
Za pilota je najvažnije da razume operativna ograničenja sistema koji koristi: koji podaci treba da stižu do njega, šta se događa pri gubitku veze i kakve su procedure za nastavak ili prekid leta. Poznavanje svih protokola rutiranja nije preduslov da bi neko bio profesionalni pilot drona.
Tehnologija veze ne menja pravila letenja
FANET može da pomogne prenosu podataka, ali sam po sebi ne rešava pitanje odobrenja leta, vidljivosti letelice, odgovornosti pilota ili koordinacije više dronova u istom prostoru. Operacija u kojoj se dronovi udaljavaju iza prepreka ili lete kao koordinisana grupa mora se planirati i sa stanovišta bezbednosti vazdušnog prostora.
U pravilima Evropske unije postoje ograničenja za operacije u otvorenoj kategoriji, uključujući zahteve u vezi sa vidljivošću drona i mogućnošću da pilot interveniše. Složeniji letovi mogu zahtevati drugačiji regulatorni postupak.
Posebno je važno unapred odrediti šta svaka letelica radi ako izgubi vezu sa mrežom ili operaterom. Način nastavka leta, povratka ili sletanja mora biti deo planiranog sistema, a ne odluka koja se prvi put donosi kada veza nestane.
Gde je stvarna vrednost FANET mreža?
Vrednost FANET-a nije u tome što svaki dron postaje „pametan repetitor“, već u mogućnosti da se za konkretan zadatak napravi mreža čiji čvorovi mogu da razmenjuju i prosleđuju podatke dok se kreću. Takva mreža može da pomogne na terenu bez dobre mobilne pokrivenosti ili tamo gde prepreke otežavaju neposrednu radio-vezu.
Njene mogućnosti uvek zavise od opreme i projekta: broj dronova, položaj čvorova, vrsta podataka i raspoloživ kapacitet određuju da li će sistem prenositi kratke poruke, telemetriju ili video. Jedan dodatni relejni dron može rešiti konkretan problem zaklona, dok složenija mreža donosi više mogućih puteva, ali i više saobraćaja i organizacionih zahteva.
Za civilnu industriju najzanimljivija pitanja zato nisu samo koliko daleko dron može da odleti, već koje informacije treba da stignu do ljudi na terenu, koliko pouzdano i pod kojim uslovima leta. FANET je jedan od načina da se na ta pitanja odgovori kada direktna veza nije dovoljna. Nije zamena za planiranje radio-veze, bezbednosti i same misije.
