Воздушная базовая станция
Воздушная базовая станция ( ABS ), также известная как беспилотном летательном аппарате , установленная на базовая станция (БПЛА), представляет собой систему летающих антенн, которая работает как концентратор между транспортной сетью и сетью доступа . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Если в таком механизме ретрансляции участвует более одной ABS, устанавливается так называемая одноранговая сеть (FANET). FANET — это воздушная форма одноранговых беспроводных сетей (WANET) или мобильных одноранговых сетей (MANET). [ 5 ]
Обеспечить «связь с неба» [ 6 ] — один из инновационных аспектов сети 5G . Стратегическим отличием ABS от статической классической сетевой архитектуры является их способность развертывать сети по требованию в определенных местах благодаря встроенным свойствам мобильности, гибкости в трехмерном пространстве, адаптивной высоте и симметричному вращению. Эти характеристики позволяют предлагать наземным пользователям услуги премиум-класса с высоким качеством беспроводной связи , низким уровнем деградации, высокой пропускной способностью и низким уровнем помех . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
С отраслевой точки зрения для развертывания сети ABS были запланированы различные варианты использования, чтобы обеспечить подключение во время временных событий и чрезвычайных ситуаций, а также в зонах или сельских районах без ранее существовавшей надежной сетевой инфраструктуры. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Беспилотные летательные аппараты в беспроводной связи
[ редактировать ]БПЛА были созданы только для военных целей. Благодаря развитию технологий производства в настоящее время это одно из возможных решений для обеспечения подключения по требованию в сетевых системах 5G. [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]
История
[ редактировать ]БПЛА, чаще называемые дронами, представляют собой небольшие летательные аппараты или воздушные шары , которыми можно управлять дистанционно с помощью радиоуправления / РЧ-модуля или с помощью интеллектуальных бортовых систем, которые делают дрон автономным, просто взаимодействуя с сетевой инфраструктурой и без участия человека. взаимодействие. [ 10 ]
Исторически БПЛА считались лишь дорогой игрушкой, поэтому их в основном использовали в военных целях, таких как доставка грузов, дистанционное наблюдение, вооруженные нападения, а также для уменьшения потерь солдат на суровых территориях, поскольку в их распоряжении был только удаленный пилот-человек с радиочастотным управлением. вовлеченный. Примитивное использование БПЛА было зафиксировано в Венеции в 1849 году, когда австрийцы атаковали Италию, используя беспилотные воздушные шары, начиненные взрывчаткой. Применение БПЛА также присутствовало во время первой и второй мировых войн. [ 10 ]
Благодаря развитию бортовых датчиков и технологий производства, во второй половине ХХ века БПЛА также стали использовать для шпионажа и поиска заложников с использованием беспроводных датчиков. [ 10 ] [ 3 ]
В начале 2000-х годов как стоимость, так и размер сократились, поэтому гражданские и коммерческие приложения БПЛА стали преобладать, что позволило использовать множество их применений в области беспроводной связи при поддержке существующей сетевой архитектуры, например, для доставки пакетов и трафика. контроль в контексте умного города или точное земледелие и инспекция местности в Индустрии 4.0 . Стоит отметить, что во всех этих сценариях БПЛА работают как воздушное пользовательское оборудование (UE) совместно с классическими наземными пользователями сети, а не как интегрированная часть самой сетевой инфраструктуры. Подобную беспроводную технологию обычно называют БПЛА с сотовой связью . Amazon Air и проект Google Wing [ 11 ] инициативы являются яркими примерами использования БПЛА с сотовой связью . [ 3 ]
В последние годы из-за постоянной миниатюризации компонентов устройств беспроводной связи возникла идея оснащения БПЛА радиочастотными приемопередатчиками и специальным оборудованием для обеспечения надежных, экономичных и доступных по требованию беспроводных соединений для пользователей на земле. начало становиться реальностью. В настоящее время можно найти приемопередатчики весом менее 2 килограммов, например, универсальные программные периферийные радиоустройства, интегрированные с программно-определяемыми радиостанциями , которые можно легко установить на самолет с помощью опоры, напечатанной на 3D-принтере. [ 7 ]
Новая концепция беспроводной связи с помощью БПЛА является многообещающей технологией для поддержки быстрорастущего беспроводного трафика данных. В результате отраслевых испытаний и академических исследований ABS признаны важным компонентом сети 5G и других сетей. [ 3 ] [ 4 ]
Ключевые и сложные аспекты
[ редактировать ]Интеграция ABS или FANET в беспроводные сотовые сети в качестве платформ воздушной связи открывает новые возможности проектирования сетевой инфраструктуры и требует учета сложных аспектов. Действительно, отличий по сравнению с земным аналогом немало. [ 3 ] [ 2 ]
- большая высота : типичная высота наземных БС составляет около 10-20 метров в городских условиях, тогда как действующие правила позволяют АБС зависать на высоте до 100-120 метров. Это позволяет ABS достичь более широкого покрытия по сравнению с классической наземной инфраструктурой и снизить помехи от других терминалов. Фактически, наземные клеммы легко различимы на разных высотах и углах места, измеренных относительно ABS; [ 2 ] [ 6 ]
- Высокая мобильность в 3D и отслеживание пользователей : ABS может обеспечить более высокую вероятность канала прямой видимости (LoS), чем классическая связь «земля-земля», которая обычно страдает от большего затухания на трассе и эффектов замирания . Трансиверы ABS могут отслеживать движущихся пользователей (пешеходов, подключенных транспортных средств или устройств Интернета вещей ), поддерживая стабильное соединение LoS. У такого состояния есть несколько преимуществ. Например, в сетях 5G миллиметровые волны используются , и LoS жизненно важен для обеспечения связи в этих полосах частот. Более того, условие LoS обеспечивает эффективное формирование луча в трехмерном пространстве, что делает ABS подходящими кандидатами для так называемого 3D MIMO ; [ 3 ] [ 6 ]
- FANET — это масштабируемые сети , в которых количество задействованных ABS можно изменять динамически в зависимости от варианта использования. Обычно обмен информацией между АБС в сетях FANET осуществляется с использованием протокола 802.11p, используемого для автомобильной связи . Термин «ad-hoc» относится к тому факту, что сети FANET характеризуются децентрализованным протоколом маршрутизации для передачи данных; [ 5 ]
- энергоэффективный дизайн : АБС и БПЛА в целом представляют собой системы с ограниченным энергопотреблением; этот аспект накладывает критические ограничения на время их зависания и полета, и может возникнуть некоторый компромисс с точки зрения качества услуг, предоставляемых пользователю (т.е. передаваемой мощности), и энергетических ограничений; [ 3 ] [ 4 ]
- безопасность и здоровье окружающей среды : необходимо постоянно контролировать системы АБС и их датчики, чтобы избежать инцидентов и поддерживать безопасную дистанцию с другими летательными аппаратами, зданиями и препятствиями. Для этого устанавливается канал управления с наземной транспортной сетью; [ 2 ]
- конфиденциальность и защита данных : информация, собранная бортовыми датчиками, представляет собой проблему с точки зрения конфиденциальности как частных лиц, так и предприятий. [ 2 ] [ 3 ] [ 6 ]
Сценарии воздействия и применения
[ редактировать ]ABS позволяют оператору мобильной связи /провайдеру связи или разработчикам сетей создавать сети по требованию в приграничной зоне, которые обслуживают конкретных клиентов и варианты использования. Легкие коммерческие БС подходят для установки на БПЛА с умеренной полезной нагрузкой, что позволяет использовать их в широком спектре: [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
- эффективно сопровождать существующие наземные системы в местах массового скопления людей (например, на стадионе во время спортивных мероприятий или живых выступлений), предоставляя дополнительную пропускную способность; [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
- распространение и сбор информации в беспроводных сенсорных сетях и сценариях IoT ( умный город или поля для обследования местности и точного земледелия ), где из-за низкой передаваемой мощности устройств связь на большие расстояния невозможна; [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
- передача информации между географически разнесенными центрами обработки данных или обеспечение покрытия сети в труднодоступных сельских или пригородных районах, где развертывание АБС становится более выгодным по сравнению с дорогостоящими телекоммуникационными вышками для БС или установкой оптоволоконных линий связи; [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
- быстрое восстановление соединения после сбоя инфраструктуры или ретрансляция данных в чрезвычайных ситуациях, таких как террористические атаки. Примером может служить связь между линией фронта и штабом во время таких непредсказуемых ситуаций; [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
Модели такой инновационной техники предоставлены Qualcomm. [ 12 ] и AT&T , которые экспериментировали с внедрением ABS для обеспечения широкомасштабной беспроводной связи. Также такие проекты, как Facebook Aquila , клетка на колесах и крыльях (COW-W), Google SKYBENDER, Nokia F-Cell, [ 13 ] Цифровое небо Huawei [ 14 ] нацелены на тестирование преимуществ услуг АБС. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
Правила
[ редактировать ]Одним из существенных барьеров технологии беспроводной связи АБС является отсутствие единого правового регулирования. Политика различается в зависимости от страны и зоны. [ 2 ] [ 3 ]
Критерии регулирования можно разделить на две категории: первая связана с технологией БПЛА, а вторая - с телекоммуникациями. [ 2 ] [ 3 ]
Что касается БПЛА, существуют различные агентства, которые разрабатывают рекомендации по управлению полетом. В США операции контролируются Федеральным управлением гражданской авиации (FAA). [ 15 ] и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). [ 16 ] В Европе Европейское агентство авиационной безопасности (EASA) опубликовало регламент использования БПЛА. [ 17 ] Международная организация гражданской авиации (ИКАО) обеспокоена азиатским руководством по регулированию и безопасной эксплуатации беспилотных авиационных систем. [ 18 ] [ 3 ]
Правила беспроводной связи постоянно разрабатываются различными организациями, такими как Комитет по электронным коммуникациям (ECC). [ 19 ] в Европе и Федеральной комиссией по связи (FCC) в США. Цель состоит в том, чтобы контролировать работу АБС с учетом различных факторов, таких как тип и идентификация АБС, частотный спектр для обмена данными и управления датчиками, высота, которая зависит от наличия прямой видимости с пилотом, скорость и вес. [ 3 ]
Обзор архитектур
[ редактировать ]Хотя 3GPP по-прежнему концентрирует свои усилия на стандартизации БПЛА, подключенных к сотовой сети , [ 20 ] Существуют различные предлагаемые беспроводные архитектуры, в которых используются летающие системы с интеллектуальным маршрутизатором. Архитектура, включающая ABS, обычно характеризуется двумя основными типами каналов связи: каналом управления и связи, не связанным с полезной нагрузкой (CNPC), и каналом передачи данных. [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
Линия связи управления и неполезной нагрузки
[ редактировать ]Линия связи управления и неполезной нагрузки предполагает связь между АБС и наземными центрами управления транспортной сети, которая, как правило, представляет собой специализированную БС. Линия CNPC выполняет в основном критически важные для безопасности функции, такие как управление в реальном времени и предотвращение столкновений с препятствиями. Для этого необходимы более строгие требования к задержке и безопасности. Безопасность и конфиденциальность также имеют приоритетное значение, чтобы избежать несанкционированных контролеров. Канал CNPC также используется для доставки информации о конфигурации сети, которая определяет распределение временных и частотных ресурсов, а также для сбора некоторой информации о полетных данных ABS (например, GPS , относительный угол места и скорость полета), остаточной энергии и характеристики обеспечения связи (например, средняя частота битовых ошибок , принимаемая и передаваемая мощность). Полосы частот, выделенные для этого канала, представляют собой L-диапазоны и C-диапазоны, поскольку они не страдают от серьезных потерь на трассе, что обеспечивает высокую надежность связи и низкую задержку. [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
Ссылка на данные
[ редактировать ]Линии передачи данных предусматривают передачу информационных данных между мобильными наземными устройствами, наземной инфраструктурой (БС или шлюзом ), датчиками и другими АБС. Поскольку его объем отличается от CNPC, требования также различаются. Канал передачи данных менее чувствителен к задержкам, чем канал CNPC, а запрос мощности обычно зависит от приложения. Скорость передачи данных может варьироваться от килобит в секунду в случае связи ABS-наземные пользователи, так что можно использовать полосу частот 4G , до гигабит в секунду в случае сети ABS-backhaul или связи ABS-ABS. Поскольку в последних в основном преобладает компонент LoS, использование полосы пропускания миллиметрового диапазона является важным решением для обеспечения требований к высокой пропускной способности. [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
Рекомендации по размещению
[ редактировать ]Проблема поиска оптимального местоположения и/или планирования маршрута является более сложной для ABS по сравнению с традиционными наземными BS. С одной стороны, ABS могут свободно перемещаться в трехмерном пространстве без каких-либо границ, с другой стороны, существует также множество прикладных ограничений, которые необходимо учитывать, например, поддержание соединения LoS, ограничение энергии и предотвращение столкновений с препятствиями, многие из которых зависят от времени и их трудно предсказать. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]
В большинстве случаев оптимальное решение основано на применении. Например, в случае покрытия сотовой связи, поддерживаемого ABS , решением является развертывание статической ABS, которая зависает над центром охватываемой области. В случае приложений реального времени или движущихся устройств более интуитивно понятно использовать более одной ABS для совместного достижения низкой задержки и высокой надежности связи. Также в случае развертывания с учетом энергопотребления несколько АБС должны сотрудничать, позволяя АБС покинуть зону обслуживания для пополнения энергии, в то время как пробел в подключении заполняется соседними АБС, например, за счет увеличения мощности передачи и/или корректировки положения самолета. . [ 1 ] [ 3 ] [ 2 ] [ 9 ]
См. также
[ редактировать ]- 5G
- БПЛА
- Список применений беспилотных летательных аппаратов
- Регулирование беспилотных летательных аппаратов
- История беспилотных летательных аппаратов
- МАНЕ
- миллиметровая волна
- сеть доступа
- Универсальное программное обеспечение для радиопериферии
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Саад, Валид; Беннис, Мехди; Мозаффари, Мохаммед; Линь, Синцинь (2020). Беспроводная связь и сети для беспилотных летательных аппаратов . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781108691017 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Мозаффари, Мохаммед; Саад, Валид; Беннис, Мехди; Нам, Ён-Хан; Дебба, Меруан (2019). «Учебное пособие по БПЛА для беспроводных сетей: приложения, проблемы и открытые проблемы» . Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 21 (3): 2334–2360. arXiv : 1803.00680 . дои : 10.1109/COMST.2019.2902862 . S2CID 4740226 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v Фотоухи, Азаде; Цян, Хаоран; Дин, Мин; Хасан, Махбуб; Джордано, Лоренцо Галати; Гарсиа-Родригес, Адриан; Юань, Цзиньхун (2018). «Обзор сотовой связи БПЛА: практические аспекты, достижения в стандартизации, регулирование и проблемы безопасности». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 21 (4): 3417–3442. arXiv : 1809.01752 . дои : 10.1109/COMST.2019.2906228 . S2CID 52169284 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Ли, Бин; Фей, Цзезун; Чжан, Ян (апрель 2019 г.). «БПЛА-коммуникации для 5G и за его пределами: последние достижения и будущие тенденции». Журнал IEEE Интернета вещей . 6 (2): 2241–2263. arXiv : 1901.06637 . дои : 10.1109/JIOT.2018.2887086 . S2CID 58981450 .
- ^ Перейти обратно: а б да Круз, EPF (март 2018 г.). «Всеобъемлющий обзор будущих FANET». Транзакции IEEE в Латинской Америке . 16 (3): 876–884. дои : 10.1109/TLA.2018.8358668 . S2CID 21668499 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Цзэн, Юн; У, Цинцин; Чжан, Жуй (декабрь 2019 г.). «Доступ с неба: руководство по связи БПЛА для 5G и других сетей». Труды IEEE . 107 (12): 2327–2375. arXiv : 1903.05289 . дои : 10.1109/JPROC.2019.2952892 . S2CID 76660922 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кавамото, Юичи; Нисияма, Хироки; Като, Ней; Оно, Фуми; Миура, Рю (февраль 2019 г.). «На пути к будущим сетям беспилотных летательных аппаратов: архитектура, распределение ресурсов и полевые эксперименты». Беспроводная связь IEEE . 26 (1): 94–99. дои : 10.1109/MWC.2018.1700368 . S2CID 59282834 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ченг, Нан; Сюй, Вэньчао; Ши, Вайзен; Чжоу, И; Лу, Нин; Чжоу, Хайбо; Шен, Сюэмин (август 2018 г.). «Интегрированные мобильные периферийные сети воздух-земля: архитектура, проблемы и возможности». Журнал коммуникаций IEEE . 56 (8): 26–32. arXiv : 1804.04763 . дои : 10.1109/MCOM.2018.1701092 . S2CID 51961148 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Цзэн, Юн; Чжан, Руй; Лим, Тенг Джун (май 2016 г.). «Беспроводная связь с беспилотными летательными аппаратами: возможности и проблемы». Журнал коммуникаций IEEE . 54 (5): 36–42. arXiv : 1602.03602 . дои : 10.1109/MCOM.2016.7470933 . S2CID 3508081 .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Краткая история беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)» . Консортик . 10 июня 2020 г.
- ^ «Х-крыло» . X, фабрика лунных снимков .
- ^ «Прокладывая путь к 5G: оптимизация коммерческих сетей LTE для связи дронов [видео]» . Квалкомм . 6 сентября 2016 г.
- ^ «Технология F-Cell от Nokia Bell Labs совершает революцию в развертывании малых сот за счет сокращения проводов, затрат и времени» . Нокиа .
- ^ «MBBF2017 Connected Aerial Vehicle Live — Huawei X Labs» . Huawei (на итальянском языке).
- ^ «Беспилотные авиационные системы (БПЛА)» . www.faa.gov .
- ^ ARC, Викториана Де Лос Сантос (31 августа 2018 г.). «NASA UTM: Домой» . utm.arc.nasa.gov .
- ^ «Гражданские дроны (Беспилотные летательные аппараты)» . ЕАСА . 7 сентября 2023 г.
- ^ «Типовые правила использования БПЛА» . www.icao.int .
- ^ «Правила ECC» (PDF) .
- ^ «БПЛА – БПЛА» . www.3gpp.org .