Спосіб забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі

Реферат: Винахід належить до галузі зв'язку, зокрема до способів планування та використання спеціалізованих бездротових мереж, що самоорганізуються, з динамічним розподіленням UA 106939 C2 (12) UA 106939 C2 ресурсів серед абонентів мережі, а саме до способів забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі в особливих умовах. Спосіб забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі, за яким в повітря піднімають один безпілотний літальний апарат, утворюють на земній поверхні зону радіопокриття фіксованого радіуса, ретранслюють сигнали, забезпечують епізодичний зв'язок між мобільними абонентами радіомережі, збирають дані про поточне розміщення мобільних абонентів в центрі управління, будують мінімальне кістякове дерево графа мережі та визначають ступені структурної зв'язності епізодичної радіомережі, визначають координати початкового розміщення одного безпілотного літального апарата, розміщують один безпілотний літальний апарат в одній з випадково генерованих точок простору або в центрі мас наземних вузлів мережі, визначають координати остаточного розміщення одного безпілотного літального апарата методом градієнтного спуску. В центрі управління збирають інформацію про тип, інтенсивність та розподілення трафіку мобільних абонентів, моделюють переміщення рятувальників під час виконання пошуково-рятувальних робіт та на основі цього прогнозують тривалість структурної зв'язності мобільних абонентів мережі, враховують протоколи множинного доступу, маршрутизації потоків та обслуговування повідомлень в вузлах мережі, оцінюють показники функціонування мережі, відбирають варіанти зв'язності мережі та оперативно визначають оптимальне розміщення множини безпілотних літальних апаратів, залежно від одержаної інформації підіймають в повітря додаткові безпілотні літальні апарати та розміщують їх в зонах ретрансляції сигналів, розподіляють трафік між абонентами бездротової епізодичної мережі з високою пропускною здатністю. Спосіб забезпечує високу пропускну здатність епізодичної радіомережі в умовах швидкого та непередбачуваного переміщення мобільних абонентів та забезпечує оперативний зв'язок між мобільними абонентами пошуково-рятувальних бригад в зоні стихійного лиха. UA 106939 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі зв'язку, зокрема, до способів планування та використання спеціалізованих бездротових мереж, що самостійно організуються, з динамічним розподіленням ресурсів серед абонентів мережі, а саме до способів забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі в особливих умовах. Спосіб забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі в особливих умовах доцільно застосовувати для оперативної організації зв'язку в районах зі зруйнованою або відсутньою інфраструктурою, наприклад, в зоні надзвичайної ситуації природного чи техногенного характеру для ефективного функціонування мобільних засобів зв'язку в особливих умовах в інтересах ефективної взаємодії наземних пошуково-рятувальних бригад. Відомий спосіб управління топологією мобільної епізодичної радіомережі, за яким збирають інформацію про стан та параметри функціонування мережі або її зони, застосовують один з відомих методів маршрутизації, розраховують та оцінюють характеристики функціонування мережі, находять нову топологію мережі у випадку відхилення параметрів функціонування від допустимих значень, реалізують певну ціль управління вузла, доводять до вузлів прийняте рішення, змінюють потужність передачі або направленість антени терміналу мобільного абонента [1]. Недоліками відомого способу управління топологією мобільної епізодичної радіомережі є те, що для реалізації способу змінюють потужність передачі та направленість антени вузлів мережі, що не забезпечує енергоефективність та простоту реалізації елементної бази терміналів мобільних абонентів. Спосіб забезпечує зв'язність локальної групи абонентів, але не забезпечує зв'язність розосереджених груп мобільних абонентів. Спосіб не забезпечує вирішення задачі великої розмірності. Найбільш близьким способом, як за суттю, так і за завданнями, що вирішуються, вибраний за найближчий аналог (прототип), є спосіб оптимізації зв'язності мобільних епізодичних радіомереж із інтелектуальним розміщенням (переміщенням) безпілотних літальних апаратів, за яким в повітря піднімають один безпілотний літальний апарат, утворюють на земній поверхні зону радіопокриття фіксованого радіуса, ретранслюють сигнали, забезпечують епізодичний зв'язок між мобільними абонентами радіомережі, збирають дані про поточне розміщення мобільних абонентів в центрі управління, будують мінімальне кістякове дерево графа мережі та визначають ступені структурної зв'язності епізодичної радіомережі, визначають координати початкового розміщення одного безпілотного літального апарата, розміщують один безпілотний літальний апарат в одній з випадково генерованих точок простору або в центрі мас наземних вузлів мережі, визначають координати остаточного розміщення одного безпілотного літального апарата методом градієнтного спуску [2]. Недоліками відомого способу є те, що для реалізації способу застосовується розміщення лише одного безпілотного літального апарата, який не забезпечує зв'язність потрібної кількості мобільних абонентів. Спосіб забезпечує лише створення зони радіопокриття певної кількості мобільних абонентів, але не забезпечує задані функціональні показники передачі даних в мережі. Спосіб дозволяє оцінювати наявність структурної зв'язності мобільних абонентів, але не дозволяє прогнозувати її тривалість. При великій кількості абонентів в мережі спосіб не дозволяє вирішувати задачу управління положенням безпілотного літального апарата в режимі реального часу. В основу винаходу поставлено задачу за рахунок змінювання чинних та здійснення додаткових технологічних операцій щодо збирання інформації про поточне розміщення та переміщення мобільних абонентів, визначення зміни структурної зв'язності мобільних абонентів мережі та оптимального розміщення множини безпілотних літальних апаратів забезпечити високу пропускну здатність епізодичної радіомережі в особливих умовах; значно скоротити час визначення оптимального розміщення будь-якого повітряного ретранслятора на базі безпілотного літального апарата у визначений район; забезпечити оперативний зв'язок між мобільними абонентами пошуково-рятувальних бригад в зоні стихійного лиха; оперативність просторової орієнтації та керування безпілотними літальними апаратами; уникнути переривання радіозв'язку між мобільними абонентами в разі їх швидкого та непередбачуваного переміщення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі, за яким в повітря піднімають один безпілотний літальний апарат, утворюють на земній поверхні зону радіопокриття фіксованого радіуса, ретранслюють сигнали, забезпечують епізодичний зв'язок між мобільними абонентами радіомережі, збирають дані про поточне розміщення мобільних абонентів в центрі управління, будують мінімальне кістякове дерево графа мережі та визначають ступені структурної зв'язності епізодичної радіомережі, визначають координати початкового розміщення одного безпілотного літального 1 UA 106939 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 апарата, розміщують один безпілотний літальний апарат в одній з випадково генерованих точок простору або в центрі мас наземних вузлів мережі, визначають координати остаточного розміщення одного безпілотного літального апарата методом градієнтного спуску, згідно з винаходу, в центрі управління збирають інформацію про тип, інтенсивність та розподілення трафіку мобільних абонентів, моделюють переміщення рятувальників під час виконання пошуково-рятувальних робіт та на основі цього прогнозують тривалість структурної зв'язності мобільних абонентів мережі, враховують протоколи множинного доступу, маршрутизації потоків та обслуговування повідомлень в вузлах мережі, оцінюють показники функціонування мережі, відбирають варіанти зв'язності мережі та оперативно визначають оптимальне розміщення множини безпілотних літальних апаратів, залежно від одержаної інформації підіймають в повітря додаткові безпілотні літальні апарати та розміщують їх в зонах ретрансляції сигналів, розподіляють трафік між абонентами бездротової епізодичної мережі з високою пропускною здатністю. Збирання інформації в центрі управління про тип, інтенсивність та розподілення трафіку мобільних абонентів забезпечує накопичення потрібних вихідних даних для розрахунку параметрів функціонування мережі. Моделювання переміщення рятувальників під час виконання пошуково-рятувальних робіт забезпечує прогнозування тривалості взаємного радіозв'язку між мобільними абонентами. Врахування протоколів множинного доступу, маршрутизації потоків та обслуговування повідомлень в вузлах мережі забезпечує більш точну оцінку показників функціонування мережі. Оцінка показників функціонування мережі забезпечує визначення функціональної зв'язності абонентів та виявлення перевантажених ділянок мережі. Відбір варіантів зв'язності мережі із застосуванням сукупності спеціально розроблених правил забезпечує скорочення повного перебору варіантів зв'язності мережі і тим самим часу обчислення. Оперативне визначення оптимального розміщення множини безпілотних літальних апаратів забезпечує здатність просторової орієнтації та керування положенням безпілотних літальних апаратів в режимі реального часу. Підіймання в повітря додаткових однотипних або різнотипних безпілотних літальних апаратів та розміщення їх в зонах ретрансляції сигналів забезпечує кращу зв'язність мобільних абонентів, більшу кількість незалежних маршрутів передачі даних між ними. Розподіл трафіку за новими маршрутами між абонентами бездротової епізодичної мережі забезпечує баланс навантаження та високу загальну пропускну здатність мережі. Суть способу забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі пояснюється за допомогою ілюстрації, де на кресленні показано схему архітектури епізодичної радіомережі із використанням повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів. Перший рівень 1 епізодичної радіомережі складає мережа мобільних абонентів (позиції 2, 3, 4, 5, 6,…10), що можуть довільним чином переміщуватися в деякому районі 1 заданої площі та зв'язуватись між собою безпосередньо в зоні взаємного радіопокриття (як, наприклад, абоненти 2 і 3) або із почерговою ретрансляцією сигналів один через одного на частоті f1 (як, наприклад, абоненти 2 та 10 через ланцюг 3-4-5-6-7-8-9), використовуючи механізм ретрансляції "прийнявзапам'ятав-передав" ("store-and-forward"). Другий рівень 2 епізодичної радіомережі складає мережа повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів (позиції 11, 12, 13), які здійснюють польоти на висоті h по колу мінімального радіуса R навколо проекції точки свого оптимального положення x0 , y0 , k  1 K , ,  k k  де K - кількість безпілотних літальних апаратів в мережі, утворюючи на земній поверхні зони радіопокриття 14 радіуса R. Мобільні абоненти, що знаходяться в зоні радіопокриття повітряного ретранслятора (наприклад, позиції 2, 3, 4, 5, 6) можуть ретранслювати сигнали через нього іншим мобільним абонентам цієї ж зони на частотах f2-f3, використовуючи радіолінії зв'язку "абонент - безпілотний літальний апарат" (на кресл. позначені суцільними лініями 17) або через міжплатформні радіолінії (на кресл. позначені суцільними лініями 18) на частотах f4-f5 мобільним абонентам інших зон радіопокриття (наприклад, позиції 7, 8, 9, 10), скорочуючи таким чином кількість ретрансляцій в довгих маршрутах та забезпечуючи баланс навантаження в мережі. Спосіб забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі реалізують наступним чином (див. кресл.). Для управління місцеположенням повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів (позиції 11, 12, 13) в мережі використовують центр управління 15 винесений за межі району 1. Використовуючи окремий службовий канал 16 (показано на кресл. пунктирними стрілками), через мережу повітряних ретрансляторів 2 на базі 2 UA 106939 C2 безпілотних літальних апаратів у найкоротший час t збирають інформацію про поточне розміщення мобільних абонентів, а саме координати та вектор швидкості переміщення кожного мобільного абонента (позиції 2, 3, 4, 5, 6,…, 10) xi, yi t , v i , та попередньо виведених повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів (позиції 11, 12, 13) 5 10 15 20 25 30 35 40 45   X0k  x0k , y0k , z0k , V0k , а також дані про функціонування мережі мобільних абонентів 1 (позиції 2, 3, 4, 5, 6,…, 10), зокрема, тип, інтенсивність та розподілення трафіку між абонентами. В центрі управління моделюють переміщення мобільних абонентів (позиції 2, 3, 4, 5, 6,…, 10) та визначають середню тривалість їх зв'язності. Розраховують та оцінюють параметри структурної зв'язності та параметри функціонування мереж мобільних абонентів 1 (позиції 2, 3, 4, 5, 6,…, 10). Визначають нове місцеположення будь-якого повітряного ретранслятора на базі безпілотного літального апарата (будь-яка позиція із 11, 12, 13) у випадку відхилення параметрів мережі мобільних абонентів 1 від допустимих значень, що реалізує задану ціль управління (максимум пропускної здатності). На основі одержаної інформації переміщують у просторі повітряні ретранслятори (будь-яка позиція із 11, 12, 13) на базі безпілотних літальних апаратів в нове положення простору Х0k для досягнення високої пропускної здатності мережі або підіймають у повітря достатню кількість повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів (будь-яка позиція із 11, 12, 13). Цикл технологічних операцій реалізують послідовно і оперативно для кожного із повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів залежно від швидкості і моделі переміщення мобільних абонентів у мережі 1 (позиції 2, 3,4, 5, 6,…, 10). Нове положення будь-якого повітряного ретранслятора на базі літального апарата (будь-яка позиція із 11, 12, 13) визначається із застосуванням сукупності правил відбору варіантів зв'язності мережі, що дозволяють оперативно створити структуру мережі, що має більшу кількість незалежних маршрутів передачі даних між абонентами. Це дозволяє збільшити мінімальний переріз та максимальний потік, що мережа може пропустити в одиницю часу, тобто підвищити її пропускну здатність. Більша ефективність способу забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі досягається за рахунок здійснення технологічних операцій щодо визначення потрібної кількості повітряних ретрансляторів на базі безпілотних літальних апаратів та оптимального їх розміщення у повітряному просторі. Спосіб забезпечує високу пропускну здатність епізодичної радіомережі в разі швидкого та непередбачуваного переміщення мобільних абонентів. Таким чином, порівняно з прототипом запропонований спосіб покращує пропускну здатність епізодичної радіомережі на 15-20 %. Час визначення оптимального розміщення будь-якого повітряного ретранслятора на базі безпілотного літального апарата у визначений район становить одиниці/десятки секунд на відміну від одиниць/десятків хвилин, що передбачає прототип. Це дозволяє вивести та управляти положенням повітряних ретрансляторів на базі безпілотного літального апарата в режимі реального часу при середній тривалості зв'язку між мобільними абонентами у місті 5 хв. При цьому відхилення значення пропускної здатності відносно методу повного перебору можуть становити лише 5-7 %. Джерела інформації: 1. Миночкин А.И. Управление топологией мобильной радиосети / А.И. Миночкин, В.А. Романюк // Зв'язок. - 2003. - № 2. - С. 28-33, рис. 1. - Аналог. 2. Han Ζ. Optimization of MANET connectivity via smart deployment/movement of unmanned air vehicles / Z. Han, A. L. Swindlehurst, K.J.R. Liu // IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY. - 2009. - Vol.58. - № 7. - P. 3533-3546, таблиця 1. - Прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Спосіб забезпечення високої пропускної здатності епізодичної радіомережі, за яким в повітря піднімають один безпілотний літальний апарат, утворюють на земній поверхні зону радіопокриття фіксованого радіуса, ретранслюють сигнали, забезпечують епізодичний зв'язок між мобільними абонентами радіомережі, збирають дані про поточне розміщення мобільних абонентів в центрі управління, будують мінімальне кістякове дерево графа мережі та визначають ступені структурної зв'язності епізодичної радіомережі, визначають координати початкового розміщення одного безпілотного літального апарата, розміщують один безпілотний літальний апарат в одній з випадково генерованих точок простору або в центрі мас наземних вузлів мережі, визначають координати остаточного розміщення одного безпілотного літального апарата методом градієнтного спуску, який відрізняється тим, що в центрі управління 3 UA 106939 C2 5 збирають інформацію про тип, інтенсивність та розподілення трафіку мобільних абонентів, моделюють переміщення рятувальників під час виконання пошуково-рятувальних робіт та на основі цього прогнозують тривалість структурної зв'язності мобільних абонентів мережі, враховують протоколи множинного доступу, маршрутизації потоків та обслуговування повідомлень в вузлах мережі, оцінюють показники функціонування мережі, відбирають варіанти зв'язності мережі та оперативно визначають оптимальне розміщення множини безпілотних літальних апаратів, залежно від одержаної інформації підіймають в повітря додаткові безпілотні літальні апарати та розміщують їх в зонах ретрансляції сигналів, розподіляють трафік між абонентами бездротової епізодичної мережі з високою пропускною здатністю. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4