Sebelumnya dalam publikasi kami, kami telah berulang kali
mengangkat topik tentang penggunaan quadrocopters dalam telekomunikasi. Beberapa
studi kasus tentang topik ini telah muncul di blog kami.
Namun, hari ini kita akan fokus pada penggunaan copters dalam mengatur jaringan nirkabel. Ini telah dikatakan lebih dari sekali dan saya ingat Facebook akan mendistribusikan Internet di seluruh planet ini dengan bantuan drone. Mereka juga berencana untuk menggunakan drone di Kementerian Darurat, misalnya, ketika mengatur liputan radio jangka pendek sambil mengatur berbagai operasi penyelamatan atau acara lainnya. Secara umum, dalam semua situasi di mana penyebaran cepat jaringan nirkabel diperlukan.
Dalam materi ini, saya ingin menyajikan
studi tentang para ahli asing, yang dengan jelas menunjukkan hasil percobaan dengan drone yang bertindak sebagai titik akses.
Tentang metodologi dan fitur perangkat eksperimen
Papan Intel Galileo digunakan sebagai elemen utama sistem. Papan ini didasarkan pada Intel Quark SoC x 1000 CPU 32-bit dengan frekuensi clock 400 MHz. Perangkat lunak yang digunakan adalah Linux quark 3.19.8 yocto-standard. Sumber daya adalah baterai 10400 mAh, mampu memberikan Galileo hingga 15 jam masa pakai baterai. Kartu Intel Dual Band Wireless-AC 7260 terhubung ke papan Galileo melalui port PCI Express. Kartu ini mampu memberikan kecepatan transfer data hingga 867 Mbit / dtk. Ini bekerja pada beberapa standar Wi-Fi (802.11a / b / g / n / ac). Dua antena eksternal dengan gain 5 dBi terhubung ke kartu. Berat total papan Galileo, baterai dan seluruh bagian antena adalah 340 gram.
Tahap pertama percobaan adalah mempelajari kemampuan teoretis untuk meliput drone. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan model propagasi radio: "Ruang Kosong" dan model "Inisiatif Nirkabel Baru" - PEMENANG D1.
Dengan menggunakan model ini, perkiraan rentang propagasi maksimum untuk uplink dan downlink dari beberapa versi Wi-Fi dihitung. Selain itu, kami mengukur kinerja papan Galileo sebagai simpul perantara dari jaringan Wi-Fi.
Percobaan ini didasarkan pada dua mode operasi titik akses nirkabel. Yang pertama - "Infrastruktur" - diimplementasikan di sebagian besar jaringan Wi-FI komersial. Dalam mode ini, titik akses adalah simpul komunikasi pusat yang menghubungkan perangkat di jaringan dan berfungsi sebagai gateway ke Internet. Dalam mode ini, titik akses menangani semua tugas manajemen jaringan.
Mode kedua adalah Ad-Hoc. Ini tidak kalah umum dan merupakan jaringan mesh, di mana tidak ada titik akses yang terpusat. Semua node sama dan masing-masing mengambil tugas dari host atau router. Node Ad-Hoc dapat bergerak untuk membentuk apa yang disebut jaringan seluler (Mobile Ad-hoc NETwork - MANET). Keuntungan dari mode ini adalah bahwa koneksi antar node dapat diubah secara dinamis saat memindahkan perangkat. Tetapi operasi efektif dari jaringan semacam itu dapat sangat bergantung pada algoritma routing yang bertanggung jawab untuk mengirimkan paket antar node jaringan. Karena sifat dinamis dari topologi jaringan, "biaya" jalur antara node harus dihitung ulang secara berkala untuk menemukan jalur terbaik.
Untuk pengujian, dua perangkat tambahan terhubung ke jaringan. Node jaringan adalah dua laptop dengan Linux Ubuntu OS dan kartu Wi-Fi IEEE 802.11 a / b / g / n. Laptop dengan kartu nirkabel Intel Centrino Advance-N 6230 dipasang di sisi penerima, dan laptop dengan kartu Intel Dual Band 3160 dipasang di sisi lain. Papan Intel Galileo, yang bekerja dalam mode AP (mode infrastruktur), atau sebagai salah satu dari node perantara (Ad-Hoc) antara pemancar dan penerima. Di perangkat terakhir, protokol routing BATMAN digunakan, yang telah membuktikan dirinya dengan baik. Metrik jaringan diperoleh dengan menggunakan iPerf3. Dalam percobaan ini, transmisi dengan kecepatan konstan antara node jaringan dengan parameter berikut digunakan: durasi transmisi - 30 detik; kecepatan transfer: 1, 3, 5, 7, 9, 11 Mbps; ukuran paket: 512 dan 1024 byte.
Parameter jaringan udara nyata diukur sesuai dengan skema berikut:
Kedua terminal secara bertahap bergerak menjauh satu sama lain di sepanjang sumbu X. Pada titik-titik tersebut, bandwidth jaringan diukur menggunakan penganalisa jaringan iPerf3, dan tingkat sinyal maksimum diukur menggunakan penganalisis spektrum Rohde & Schwarz FSH3. Quadcopter tergantung pada ketinggian 10 dan 20 meter, di mana pengukuran dilakukan. Jadi drone itu melihat:
Jari-jari aksi
Seperti yang kami catat dalam percobaan, jangkauan komunikasi diukur dan cakupan dihitung menurut model propagasi gelombang radio “Ruang Bebas” dan model WINNER D1. Formula Friis digunakan ketika perlu untuk menghitung panjang sinyal radio antara pemancar dan penerima tanpa adanya hambatan di antara mereka.
Model ini hanya digunakan ketika menghitung bidang di zona jauh, perhitungan dilakukan sesuai dengan rumus:
WINNER D1 adalah model stokastik. Ini memperhitungkan kerugian dalam saluran nirkabel. Itu ditentukan oleh rumus:
Di dalamnya, variabel huruf tidak pasti memiliki nilai berikut A = 21,5, B = 44,2, dan C = 20.
Dalam perhitungan, daya pemancar untuk Uplink dan Downlink diasumsikan 20 dBm (100 mW). Perhitungan rentang komunikasi dibuat untuk berbagai versi standar IEEE 802.11. Tabel di bawah ini menunjukkan hasil perhitungan untuk downlink (Downlink) dan untuk uplink (Uplink). Dalam perhitungan, diasumsikan bahwa UAV berada pada ketinggian 10 m.
Dalam percobaan nyata, tingkat sinyal yang diterima diperkirakan. Gambar di bawah ini menunjukkan tingkat sinyal tergantung pada jarak untuk mode operasi infrastruktur (kiri) dan mode Ad-hoc (kanan) ketika pesawat beroperasi pada ketinggian 10 meter.
Data percobaan yang sama tetapi untuk pengoperasian drone pada ketinggian 20 meter:
Hasil menunjukkan perbedaan nyata antara nilai-nilai teoritis dan praktis. Mereka disebabkan oleh banyak faktor tambahan. Namun, secara umum, level sinyal yang diterima jauh lebih tinggi daripada sinyal yang diterima di Ad-hoc. Gambar b dan d menunjukkan lebih sedikit titik kontrol yang diukur, karena hanya pengukuran yang dicatat yang diperoleh ketika UAV dioperasikan sebagai titik perantara antara dua perangkat terminal. Hasil yang diperoleh dengan langsung menghubungkan pemancar dan penerima laptop tidak diperhitungkan. Dengan kata lain, ketika jarak antara titik akhir kurang dari 60 meter (untuk ketinggian drone 10 meter) atau 80 meter (untuk ketinggian 20 meter), quadrocopter tidak bertindak sebagai perangkat perantara dalam mode Ad-hoc.
Kecepatan data
Untuk mengevaluasi kinerja mode operasi infrastruktur dan mode Ad-hoc dalam hal throughput maksimum, iPerf digunakan untuk menjalankan paket antara titik akhir. Pengukuran pertama dilakukan dalam kondisi laboratorium. Kecepatan terukur dalam beberapa mode operasi dan paket 512 dan 1024 byte.
Pengukuran berikut dilakukan dalam kondisi nyata. Kecepatan infrastruktur lebih tinggi dari kecepatan jaringan Ad-hoc.
Untuk mode operasi infrastruktur (di sebelah kiri) dan mode Ad-hoc (di sebelah kanan) saat mengoperasikan drone di ketinggian 10 meter:
Data percobaan yang sama tetapi untuk pengoperasian drone pada ketinggian 20 meter:
Kecepatan transfer data Wi-F maksimum bervariasi tergantung pada versi standar 802.11. Hal ini terutama ditentukan oleh metode modulasi, lebar saluran, jumlah aliran spasial, metode pengkodean dan penyebaran spektrum.
Kecepatan maksimum yang dapat dicapai untuk percobaan yang dimaksud diberikan di bawah ini:
Meningkatnya jarak mempengaruhi kualitas komunikasi. Pada gilirannya, ini memaksa kartu jaringan untuk menggunakan metode modulasi yang lebih konservatif dan mengurangi kecepatan transfer data. Dalam mode infrastruktur, dimungkinkan untuk menahan kecepatan transmisi yang lebih tinggi.
Di atas, selama percobaan, terlihat dengan jelas peluang apa yang terbuka saat menggunakan quadrocopters untuk memindai jaringan mesh yang dikonfigurasi secara otomatis. Dengan perkembangan teknologi komunikasi dan kendaraan udara tak berawak, akan ada banyak kesempatan lebih banyak untuk mengembangkan cara membangun jaringan seperti itu.