لایه MAC در شبکه ادهاک پروازی FANET

 مقاله لایه MAC در شبکه ادهاک پروازی FANET

تحرک بالا یکی از مشخص‌‌ ترین خواص شبکه FANET است و ثمره وجود آن مشکلات جدید برای لایه‌ MAC در شبکه ادهاک است. به دلیل تحرک بالا و فواصل مختلف بین گره‌ها، معمولا کیفیت پیوند در شبکه FANET نوسان می‌گیرد. تغییر کیفیت پیوند و قطع شدن پیوند تحت تاثیر طراحی MAC FANET قرار دارد. تاخیر بسته ها یکی دیگر از مسائل طراحی MAC FANET است.

به ویژه برای کاربرد های زمان واقعی که زمان تاخیر بسته ‌ها باید محدود باشد و چالش‌ های جدیدی تحمیل می‌شوند. خوشبختانه، فناوری‌ های جدیدی وجود دارند که می‌توانند برای رو به‌ رو شدن با الزامات شبکه FANET در لایه MAC مورد استفاده قرار گیرند. آنتن هدایتی و مدارهای انتشار کاملا دو طرفه با پذیرنده چند ‌بسته‌ ای نمونه‌ های امیدوار کننده پیشرفت تکنولوژی هستند که می‌توانند در لایه MAC در شبکه ادهاک فنت مورد استفاده قرار بگیرند.

لایه MAC در شبکه ادهاک بر اساس آنتن هدایتی

آنتن هدایتی دارای مزایای متعددی نسبت به آنتن پخش‌ کننده برای شبکه FANET است که به عنوان یک زیر بخش از لایه فیزیکی ارائه شده است. علاوه بر مزایای استفاده از آنتن جهت‌دار، مشکلات طراحی منحصر به فردی را به ویژه برای لایه MAC به ارمغان می‌آورد. در حالی که بسیاری از لایه‌ های MAC مبتنی بر آنتن جهت‌دار برای شبکه VANET و شبکه MANET پیشنهاد شده‌اند. تحقیقات کمی در مورد طراحی لایه MAC در شبکه ادهاک فنت با آنتن های هدایتی وجود دارد.

لایه MAC در شبکه ادهاک با رادیوی کاملا دو طرفه و پذیرنده چند بسته‌ای :

در ارتباطات مرسوم بی‌سیم پذیرش و ارسال نمی‌توانند همزمان انجام شوند‌. با پیشرفت ‌های اخیر در مدارات رادیویی، اکنون امکان تحقق بخشیدن به ارتباط کاملا دو طرفه بر روی یک کانال وجود دارد. یکی دیگر از محدودیت‌ های ارتباطات مرسوم بی‌سیم، در مورد دریافت بسته ‌ها است. اگر بیش از یک فرستنده وجود داشته باشد گیرنده نمی‌تواند همه‌ی بسته ‌ها را به درستی دریافت کند. خوشبختانه‌ دریافت داده ها از بیش از یک منبع با کمک مدارات رادیویی با پذیرنده چند بسته ای (MPR) ممکن شده است. مدارات رادیویی با پذیرنده چند بسته‌ ای و کاملا دو طرفه اثرات قابل توجهی را در لایه MAC در شبکه ادهاک FANET ایجاد کرده‌اند.

اطلاعات وضعیتی کانل (CSI)، یکی از مهمترین پارامتر های ارسال از طریق امواج رادیویی کاملا دو طرفه است، و تعیین آن (CSI) برای محیط ‌‌های بسیار پویای FANET تقریبا غیرممکن است. با بروز رسانی مکرر اطلاعات وضعیتی کانال پهباد ها می‌توانند اطلاعات آخرین وضعیت کانال‌ ها را در هر زمان داشته باشند. ساختار مبتنی بر علامت به روز رسانی اطلاعات وضعیت کانال برخورد بسته‌ها را حذف می‌کند. نتایج عملکرد اثرات لایه MAC پیشنهادی را حتی اگر دانش کانال‌ ها ناقص باشد نشان داده‌اند.

لایه شبکه

مطالعات اولیه شبکه FANET و آزمایش‌ های طراحی شده با پروتکل‌ های مسیریابی شبکه MANET موجود است. یکی از اولین آزمایش‌ های پرواز با معماری شبکه FANET در سازمان بین‌المللی SRI انجام شده است. در این تحقیق، توپولوژی پخشی مبتنی بر ارسال مسیر – معکوس (پروتکل TBRPF)، که در واقع یک پروتکل فعال است به عنوان لایه شبکه برای به حداقل رساندن سربار مورد استفاده قرار گرفته است. به خاطر تحرک بالای گره ‌های شبکه FANET، ذخیره جدول مسیریابی در روش کنشی مطلوب نیست.

با این حال پیدا کردن راه‌ های تکراری قبل از تحویل هر بسته در مسیریابی واکنشی، می‌تواند جامع باشد. یک استراتژی، تنها بر اساس اطلاعات موقعیتی از هر گره می‌تواند الزامات شبکه FANET را تامین کند.

اگرچه در پیاده سازی‌ های اولیه شبکه FANET از استراتژی ‌های مسیریابی شبکه MANET استفاده شد، بیشتر الگوریتم‌ های مسیریابی شبکه MANET برای شبکه FANET به دلیل‌ مسائل خاص پهباد‌ها از قبیل‌ تغییرات سریع در کیفیت پیوندها و تحرک بسیار بالای گره‌ها، ایده‌آل نیستند. بنابراین راه‌ حل‌ های مسیریابی خاص شبکه FANET در سال‌ های اخیر توسعه یافته‌‌اند.

یکی دیگر از مجموعه راه‌ حل مسیریابی برای شبکه FANET پروتکل سلسله مراتبی است که برای رسیدگی به مشکل مقیاس‌ پذیری شبکه توسعه پیدا کرده است. در اینجا شبکه شامل تعدادی گروه است که در مناطق مختلف عملاتی واقع شده‌اند. هر گروه‌، یک سرگروه دارد (CH)، و همه‌ی گره‌ های موجود در محدوده انتقال مستقیما از یک سرگروه در یک گروه قرار دارند.

سرگروه با لایه بالاتر پهباد‌ ها یا ماهواره به طور مستقیم در ارتباط است و یا به صورت غیر مستقیم به عنوان نماینده کل گروه است. از سوی دیگر سرگروه می‌تواند داده ‌‌ها را به وسیله پخش در بین اعضای گروه منتشر کند. این مدل می‌‌تواند در زمانی که منطقه عملیاتی بزرگ و تعداد پهبادها زیاد است نتایج مطلوبی تولید کند.

 شکل 1 : مسیریابی سلسله مراتبی در شبکه FANET

  یکی از مهمترین مسائل طراحی مسیریابی سلسله مراتبی تشکیل گروه است. پیش‌ بینی تحرک گره‌ ها توسط الگوریتم تشکیل گروه برای شبکه FANET توسعه پیدا کرده است. ساختار متحرک گره‌ های شبکه FANET در نتیجه‌ی آن به‌روز رسانی مکرر گروه و تحرک گروه با هدف حل این مشکل برای پیش‌بینی به‌روز رسانی توپولوژی شبکه پیش‌بینی می‌شود.

پیش‌بینی ساختار متحرک پهباد ها با کمک الگوریتم پیش‌ بینی ساختار درخت و زمان انقضای پیوند ها در مدل متحرک انجام می‌شود. به وسیله‌ی این مدل مجموعه‌ ای از وزن ‌ها به پهباد ها داده می‌شود و پهبادی که در میان همسایه‌ ها وزن بالاتری دارد به عنوان سرگروه انتخاب می‌شود. بررسی‌ های شبیه‌ سازی شده نشان می‌دهد که طرح انتخاب سرگروه می‌تواند پایداری گروه‌ ها و سرگروه‌ ها را افزایش دهد.

الگوریتم‌ های مسیریابی داده محور همچنین می‌توانند برای شبکه FANET استفاده شوند. پهباد‌ها به طور منظم برای ماموریت‌ های خاص تولید می‌شوند و این برای انطباق سیستم‌ های چند پهباده در ماموریت ‌های مختلف دشوار است. راه‌ حل‌ های مسیریابی داده محور می‌توانند برای انواع مختلفی از کاربرد‌ های سیستم‌ های چند پهباده استفاده شود.

مدل اشتراک – انتشار معمولا برای نوعی از معماری ارتباطی استفاده می‌شود. این به طور خودکار داده‌ های متصل به هم ای تولید می‌کند که ناشر نامیده می‌شود و مصرف‌کننده‌ی داده که مشترک نامیده می‌شود. راه‌ حل‌های داده‌ محور به تجمع و تراکم داده ‌ها در شبکه اجرایی نیاز دارند. برخلاف سیل، این تنها داده‌ های ثبت شده ی نوع / محتوا را برای مشترک شدن پخش می‌کند. در این مورد، انتقال داده‌ها از یه نقطه به چند نقطه می‌تواند به انتقال داده از یک نقطه به یک نقطه ترجیح داده شود.

ارتباطات داده محور به سه  نوع تقسیم می شود :

• فضای تجزیه شده: قسمت ‌ها در هر نقطه‌ای می‌توانند ارتباط برقرار کنند.
• زمان تجزیه شده: داده‌ها را می‌توان به صورت بلافاصله یا بعدا به مشترکین ارسال کرد.
• جریان تجزیه شده: تحویل می‌تواند با اطمینان بالایی انجام شود.

این مدل می‌تواند برای سیستم‌ هایی که شامل تعداد کمی پهباد با مسیر از پیش تعیین شده است که به همکاری کمتری نیاز دارند اجرا شود. مسیریابی یکی از مسائل چالش برانگیز شبکه FANET است. به علت چالش‌ های منحصر به فرد شبکه FANET، راه‌ حل‌ های مسیریابی شبکه MANET موجود نمی‌توانند نیازمندی‌ های شبکه FANET را برآورده کنند.

شکل 2 : مروری بر پروتکل های لایه شبکه برای شبکه FANET

  ارتباطات نظیر به نظیر برای هماهنگی و جلوگیری از برخورد سیستم ‌های چند پهباده ضروری است. با این حال، ممکن است از شبکه FANET برای جمع‌آوری اطلاعات محیطی از طریق شبکه‌ های حسگر بی‌سیم، که الگو های مختلف ترافیکی را تولید می کنند استفاده شود. تمامی داده‌ها در اختیار مجموعه‌ی محدودی از پهباد ها که به صورت مستقیم با زیرساخت ارتباطی ارتباط برقرار می‌کنند قرار می‌گیرد.

مسیریابی داده محور یک روش امید بخش برای شبکه FANET است. با کمک معماری اشتراک – انتشار الگوریتم‌ های داده محور، تولید سیستم‌ های چند پهباده‌ای که از کاربرد های مختلف پشتیبانی می‌کنند می‌تواند ممکن شود.