Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ методов передачи потоковых данных в сетях БПЛА 14
1.1 Особенности самоорганизующихся сетей БПЛА 14
1.2 Анализ протоколов маршрутизации
1.2.1 Классификация протоколов 17
1.2.2 Проактивные протоколы 19
1.2.3 Реактивные протоколы 20
1.2.4 Гибридные протоколы 21
1.3 Анализ методов передачи данных и коррекции ошибок передачи 23
1.3.1 Метод запроса повторной передачи 23
1.3.2 Метод прямой коррекции ошибок 25
1.3.3 Метод сетевого кодирования 26
1.3.4 Метод многопутевой избыточности 28
1.4 Постановка и анализ задач 30
1.4.1 Cценарии мобильности 30
1.4.2 Исследуемые протоколы маршрутизации 31
1.4.3 Алгоритм AL-ARQ в сети БПЛА 32
1.4.4 Критерий выбора узла-помощника 33
1.4.5 Протокол Pull-Push 35
1.5 Выводы по главе 36
ГЛАВА 2 Разработка метода передачи потоковых данных в сети БПЛА 38
2.1 Аналитическое описание процесса передачи данных в сети БПЛА 38
2.2 Метод передачи потоковых данных через узел-помощник в сети БПЛА 41
2.1.2 Процесс выбора маршрута в наложенной сети 41
2.2.2 Аналитическое описание критериев выбора маршрута 42
2.2.5 Сравнение критериев выбора маршрута
2.3 Выводы по главе 49
ГЛАВА 3 Разработка и оценка эффективности алгоритмов передачи потоковых данных в сети БПЛА 50
3.1 Оценка эффективности передачи потоковых данных 50
3.1.1 Описание системы имитационного моделирования 50
3.1.2 Сравнение эффективности протоколов маршрутизации 55
3.2 Разработка алгоритмов передачи потоковых данных в сети БПЛА 67
3.2.1 Алгоритмы передачи потоковых данных в наложенной сети на основе выбора узла-помощника 67
3.2.4 Алгоритм AL-ARQ выборочного запроса повторной передачи на прикладном уровне 73
3.3 Оценка эффективности алгоритмов передачи потоковых данных 76
3.3.1 Критерии оценки эффективности 76
3.3.2 Сценарий «Альтернативный маршрут» 77
3.3.3 Сценарий «Рой дронов» 82
3.4 Выводы по главе 88
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование качества передачи потоковых данных в сети БПЛА 90
4.1 Разработка алгоритмического и программного обеспечения 90
4.2 Цель и задачи экспериментального исследования 103
4.2 Постановка экспериментального исследования 105
4.2.1.Использованное оборудование 105
4.2.2.Траектории движения БПЛА 106
4.2.3. Сценарии экспериментов 107
4.3 Результаты эксперимента 109
4.4 Выводы по главе 112
Заключение 113
Список сокращений 114
- Анализ методов передачи данных и коррекции ошибок передачи
- Процесс выбора маршрута в наложенной сети
- Разработка алгоритмов передачи потоковых данных в сети БПЛА
- Постановка экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность темы. С каждым годом возрастает роль беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для различных сценариев применения, например, для обеспечения связи в труднодоступных регионах и в зонах чрезвычайной ситуации или для мониторинга наземной территории в ходе разведывательных и поисково-спасательных миссий с передачей на наземную станцию видеоданных и изображений в реальном режиме времени. В настоящее время для этих сценариев используется комплекс, состоящий из одного или нескольких БПЛА, каждый из которых передает данные с камеры на борту на наземную станцию управления. Такое решение имеет ряд недостатков: дорогостоящие БПЛА используют мощное радиооборудование с нестандартными характеристиками, каждый БПЛА уязвим перед искусственными радиопомехами и преднамеренным выводом из строя, а территория и время выполнения миссии ограничены характеристиками радиоканала и аккумуляторных батарей устройств.
В связи с этим с недавнего времени мировым научным сообществом
исследуется идея использования самоорганизующейся сети БПЛА
(англ. FANET), которые смогут согласованно выполнять одну миссию. Такие
устройства могут использовать стандартные технологии передачи данных по
радиоканалам (например, Wi-Fi, LTE). Каждый узел может быть как
источником данных с камеры на борту БПЛА, так и ретранслятором, образуя многосвязную топологию сети. FANET позволяет существенно снизить стоимость технического решения, необходимого для выполнения миссии, расширить территорию ее выполнения за счет ретрансляции данных и повысить максимальную длительность ее проведения (вплоть до круглосуточной) путем поэтапной замены устройств с разряженными аккумуляторными батареями. Такая сеть может продолжать работу в условиях преднамеренного или непреднамеренного вывода из строя одного или нескольких устройств путем автоматической реконфигурации сетевой топологии. Идея использования FANET открыла перед мировым научным сообществом множество новых проблем. Одна из главных проблем — низкое качество обслуживания в FANET. Это связано с тем, что узлы такой сети могут иметь высокую скорость движения как относительно земли, так и относительно друг друга. Действующие узлы могут отключаться, а новые узлы — подключаться к сети во время выполнения миссии. Топология сети подвержена быстрым и частым изменениям, и, как следствие, таким же изменениям подвержены маршруты доставки видеоданных и изображений от источника (камеры на борту БПЛА) до получателя (наземной станции). Применение протоколов маршрутизации, таких как AODV и OLSR, в большинстве случаев не только не обеспечивает приемлемое качество доставки данных в FANET, но и может привести к невозможности выполнения миссии. Кроме того, смена ориентации в пространстве узлов
БПЛА в процессе выполнения миссии является дополнительным негативным фактором.
Степень разработанности темы. Существует несколько методов, которые позволяют повысить качество обслуживания в локальных беспроводных сетях и в сети Интернет, например, метод запроса повторной передачи (англ. ARQ), метод помехозащищенного кодирования, метод сетевого кодирования и метод многопутевой избыточности. Исследование эффективности данных методов в самоорганизующихся сетях мобильных устройств (англ. MANET) требует отдельных исследований.
Сегодня для повышения качества обслуживания в MANET исследуется многопутевая избыточность. Многопутевая избыточность данного вида сетей заключается в том, что использование промежуточных узлов сети позволяет увеличить качество доставки потоковых данных между источником и адресатом. Древовидные и многосвязные структуры, которые используются в наложенных сетях, также обладают многопутевой избыточностью. Метод на основе наложенной сети может использовать многопутевую избыточность для повышения качества обслуживания в FANET.
Развитию теоретической и практической базы в области MANET и FANET посвящены работы отечественных ученых А. Е. Кучерявого, А. И. Ляхова, Д. Е. Прозорова, А. М. Сухова, Е. М. Хорова, а также ряда зарубежных ученых — C. Bettstetter, T. Braun, M. Effros, A Eryilmaz, M. Gerla, A. Goldsmith, D. Gunduz, R. Koetter, N. Marchenko, C. Mecklenbruker, M. Mdard, A. Ozdaglar, A. Passarella, B. Rimoldi, V. Shivaldova, M. Zorzi и др. Повышение качества передачи потоковых данных с помощью наложенных сетей было исследовано отечественными учеными Ю. В. Гайдамакой, К. Е. Самуйловым, а также зарубежными учеными G. Dan, V. Fodor и др.
Объектом исследования является процесс передачи потоковых данных в самоорганизующихся сетях БПЛА.
Предметом исследования являются алгоритмы передачи потоковых данных в самоорганизующихся сетях БПЛА на основе наложенной сети прикладного уровня модели OSI.
Целью диссертационного исследования является разработка
алгоритмов передачи потоковых данных, обеспечивающих повышение качества обслуживания в самоорганизующихся сетях БПЛА за счет применения узла-помощника в наложенной сети для повторного запроса потерянных фрагментов информации.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются основные задачи исследования:
-
Разработка метода передачи потоковых данных в наложенной сети прикладного уровня модели OSI, позволяющего выбирать маршрут в наложенной сети.
-
Разработка алгоритмов передачи потоковых данных в наложенной сети с использованием узла-помощника в самоорганизующейся сети БПЛА,
позволяющих повысить качество обслуживания в условиях высокой мобильности узлов.
3. Разработка алгоритма запроса повторной передачи на прикладном
уровне модели OSI, позволяющего повысить качество обслуживания в
самоорганизующейся сети за счет восстановления потерянных фрагментов
информации с источника и с узла-помощника.
4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения,
позволяющего реализовать алгоритмы передачи потоковых данных в сети
БПЛА прикладного уровня и экспериментально оценить их эффективность в
условиях высокой мобильности узлов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработан метод передачи потоковых данных в наложенной сети прикладного уровня модели OSI, позволяющий выбирать маршрут через узел-помощник в наложенной сети и отличающийся от существующих тем, что учитывает высокую мобильность узлов сети БПЛА.
-
Разработаны алгоритмы передачи потоковых данных в наложенной сети, позволяющие повысить средний коэффициент доставки фрагментов информации (PDRave) и отличающиеся тем, что используют географическую информацию и информацию об относительных скоростях движения узлов в самоорганизующейся сети БПЛА.
3. Разработан алгоритм AL-ARQ выборочного запроса повторной
передачи на прикладном уровне модели OSI, позволяющий повысить средний
коэффициент доставки фрагментов информации (PDRave) и отличающийся
тем, что использует узел-помощник в самоорганизующихся сетях БПЛА для
буферизации данных.
Практическая значимость полученных результатов заключается в
повышении качества передачи потоковых данных в самоорганизующихся
сетях БПЛА за счет использования географической информации и
информации об относительных скоростях движения узлов для выбора узла-
помощника в наложенной сети и восстановления потерянных фрагментов
информации. Результаты экспериментальных исследований и имитационного
моделирования показали, что разработанные алгоритмы позволяют улучшить
средний коэффициент доставки видеоданных в условиях высокой
мобильности узлов. Основные результаты диссертационной работы
внедрены при разработке программного обеспечения в АО «ИЭМЗ «Купол»
для передачи потоковых данных в самоорганизующейся сети БПЛА, а также
в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический
университет имени М.Т. Калашникова», что подтверждается
соответствующими актами.
Методы исследования включают в себя математическое и имитационное моделирование, а также экспериментальное исследование. Положения, выносимые на защиту
1. Метод передачи потоковых данных в наложенной сети прикладного уровня модели OSI, позволяющий выбирать маршрут через узел-помощник в
наложенной сети на основе равновесного, пошагового и адаптивного критериев.
2. Алгоритмы передачи потоковых данных в наложенной сети,
позволяющие повысить средний коэффициент доставки фрагментов (PDRave)
за счет выбора узла-помощника на основе соревновательного, «жадного» и
предиктивного критериев.
3. Алгоритм AL-ARQ выборочного запроса повторной передачи на
прикладном уровне модели OSI, позволяющий повысить средний
коэффициент доставки фрагментов (PDRave) на основе использования узла-
помощника в самоорганизующихся сетях БПЛА для буферизации данных.
4. Алгоритмическое и программное обеспечение передачи потоковых
данных в самоорганизующихся сетях БПЛА на основе разработанных
алгоритмов, позволяющие путем экспериментальных исследований оценить
эффективность передачи видеопотока в условиях высокой мобильности
узлов.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы
базируется на использовании научных положений и методов исследования,
апробации созданного алгоритмического и программного обеспечения и
подтверждается соответствием результатов теоретических и
экспериментальных исследований.
Диссертационное исследование соответствует паспорту специальности 05.12.13 «Системы, сети и устройства телекоммуникаций» в областях: «2. Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур», «11. Разработка научно-технических основ технологии создания сетей, систем и устройств телекоммуникаций и обеспечения их эффективного функционирования» и «14. Разработка методов исследования, моделирования и проектирования сетей, систем и устройств телекоммуникаций».
Личный вклад автора заключается в том, что все основные научные
положения, выводы и рекомендации, составляющие содержание
диссертационного исследования, разработаны автором лично.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции
аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые — ускорению
научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2013 г.), Четвертом
форуме молодых учёных “Education Quality – 2014” (Ижевск, 2014 г.),
конференции NEW2AN/ruSMART 2014 (Санкт-Петербург, 2014 г.),
конференции IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (Омск, 2015 г.), XI Международной научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2015 г.).
Публикации. По основным теоретическим и практическим
результатам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России для публикации результатов диссертационных исследований.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 168 наименований.
Анализ методов передачи данных и коррекции ошибок передачи
Протокол OLSR (Optimized Link State Routing) является проактивным и ориентирован на использование в больших сетях с высокой плотностью узлов. Каждый узел использует широковещательные сообщения HELLO, которые передаются через определённый промежуток времени к узлам на расстоянии одного шага маршрутизации. После приёма HELLO узел-получатель пытается установить двустороннее соединение с узлом-отправителем. Количество управляющих сообщений в OLSR снижено благодаря применению подхода MPR (Multipoint Relays) [69]. В OLSRv2 обмен управляющими сообщениями в сети стал более эффективным, а сама форма сообщений была стандартизирована и упрощена. OLSR взаимодействует с сетевым уровнем, управляя таблицами маршрутизации и используя IP адреса для передачи пакетов.
Протокол B.A.T.M.A.N. (Better Approach To Mobile Ad hoc Networks) также использует проактивный подход [112], в котором все узлы производят широковещательную рассылку сообщений OGM (Originator Message). OGM содержит адрес инициатора, адрес получателя и уникальный последовательный номер. Каждый соседний узел меняет адрес получателя на свой собственный и отправляет сооб 20 щение обратно инициатору. Сообщения OGM не содержат в себе никакой дополнительной информации, например, метрик QoS и таблиц маршрутизации. Протокол B.A.T.M.A.N. Имеет меньшие непроизводительные издержки в сетях с большим количеством узлов, чем протокол OLSR.
Одним из первых проактивных протоколов был DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector), разработанный в 1994 году [124]. Его главной особенностью было добавление поля порядкового номера в управляющие сообщения, потому что это позволило обойти проблему зацикливания при разрыве соединения между узлами сети (Loop free), так как теперь каждый узел знал устарела ли его информация о топологии сети. DSDV оказался неэффективен в больших сетях с быстро изменяющейся топологией, но повлиял на разработку других протоколов, например, AODV.
В реактивном протоколе DSR (Dynamic Source Routing) используется специальный формат заголовка DSR Options Header Format, который может быть добавлен к любому пакету и содержит маршрут от источника до узла назначения [166]. Узел может произвести процесс обнаружения маршрута до нужного узла (Route Discovery) с помощью широковещательных сообщений. Процесс поддержки маршрута (Route Maintenance) заключается в отслеживании уведомлений канального уровня. Если принято уведомление канального уровня или же оставлены без ответа запросы узла, то процесс обнаружения повторяется. К недостаткам и преимуществам DSR можно отнести его реактивность, что снижает издержки на передачу управляющих сообщений, но делает необходимым буферизацию пакетов на время обнаружения маршрута. Кроме того, специальный формат заголовка может привести к тому, что при малом объёме полезной нагрузки большой заголовок будет снижать эффективность работы сети. Дальнейшим развитием реактивного подхода стал протокол AODV [164]. Вместо того, чтобы полагаться на передачу объёмных заголовков, в AODV были заново введены таблицы маршрутизации, которые накапливали всю информацию о топологии сети по мере получения сообщений от других узлов. Для избежания зацикливания были введены два порядковых номера: для источника и для адресата, что позволило отслеживать новизну информации о топологии при использовании маршрута от адресата к источнику. Использование AODV рекомендовано для сетей от 10 до 1000 мобильных узлов. Главной целью его разработки было снижение издержек на передачу управляющих сообщений и улучшение масштабируемости и производительности работы сети.
Другим протоколом, основанном на DSR, стал реактивный SrcRR. [44] Его главным отличием от DSR стало использование метрики ETX, которая измерялась с помощью периодических широковещательных рассылок к соседним узлам, а для всего маршрута использовалась суммарная ETX его частей. Кроме того, SrcRR не зависел от сетевого уровня и мог использовать для поиска пути MAC-адреса.
Компания Microsoft разработала и запатентовала протокол LQSR (Link Quality Source Routing), который тоже основан на DSR [80]. Он реализован между канальным и сетевым уровнем с помощью виртуального сетевого адаптера, что позволяет работать сразу с несколькими физическими соединениями. Заголовок LQSR расположен между Ethernet-заголовком и полезной нагрузкой кадра. Каждый узел, как и в SrcRR, измеряет метрику QoS до соседних узлов, распространяет эту информацию по сети, и она учитывается при выборе лучшего пути до адресата. Руководствуясь правилом, что самый короткий путь не значит самый лучший, LQSR позволяет использовать три метрики QoS: ETX, RTT и PktPair.
Гибридный подход даёт возможность использования реактивного и проак-тивного подходов в рамках одной сети. Он применяется в стандарте 802.11s для обеспечения поддержки WMN на канальном уровне [158]. В предыдущих стандартах семейства 802.11 не было возможности получения метрик QoS канального уровня. Для того, чтобы метрика QoS была более точной, её следует получать на более низком уровне сетевой модели OSI.
В качестве протокола по-умолчанию в стандарте 802.11s рекомендован гибридный HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), а опциональным протоколом может выступать OLSR. Реактивный подход реализован на основе AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector). В этом случае узел ищет лучший маршрут по мере надобности, принимая во внимание метрики QoS. При использовании проактив-ного подхода в WMN назначается корневой узел (Root), который производит опрос узлов с определённым интервалом, таким образом, обновляя карту сети. Подключившийся узел, может связаться с корневым узлом и получить информацию о маршрутах до всех узлов сети. Оба подхода могут быть использованы как по отдельности, так и одновременно в одной сети (рис. 1.4).
Процесс выбора маршрута в наложенной сети
Выражение Y =\PabXab в числителе определяет вероятность успешной передачи данных при переходе кортежа za в любой другой кортеж. В знаменателе указано выражение ХЙЛгДаб, которое определяет время ожидания перед переходом кортежа za в любой другой кортеж. Формула (2.3) позволяет вычислить нормализированную пропускную способность полумарковского процесса передачи данных. 2.2 Метод передачи потоковых данных через узел-помощник в сети БПЛА
Между источником и адресатом существует два пути — прямой путь длиной в один шаг и путь через промежуточный узел длиной в два шага маршрутизации. Пусть цель адресата — обеспечить гарантированную передачу данных с помощью метода выборочного запроса повторной передачи (SR-ARQ). Для повышения нормализированной пропускной способности в наложенной сети БПЛА может применяться метод передачи потоковых данных через узел-помощник. Множество Y = {SD, SRD} включает возможные состояния предложенного метода (рис. 2.1) [142].
В состоянии SD источник отправляет фрагменты напрямую адресату. В состоянии SRD источник передает фрагменты адресату, используя узел-помощник. Выражение y(k) указывает состояние процесса передачи на шаге k.
Особенностью применения разработанного метода является использование механизма подтверждений, который основан на методе выборочного запроса повторной передачи. Адресат подтверждает каждый принятый фрагмент дважды: один раз напрямую и один раз с использованием узла-помощника. Изначально значения ACKSD(k)=ACKSRD(k)=0. Если предыдущая передача фрагмента была успешна на шаге (к-1), и подтверждение было принято напрямую от адресата, то ACKSD (к)=1. Если подтверждение адресата было передано адресату узлом-помощником, то ACKSRD(k)=l.
Кортеж z(k) = (y(k\ACKSD(k\ACKSRD(k)) включает состояние процесса у(к) и наличие подтверждений ACKSD(k) и ACKSRD(k) на шаге k (Таблица 2.1). Время перехода НаЬ между состояниями одинаково и равно единице. Если переход za в zb сопровождается успешной передачей фрагмента, то значение награды будет ХаЬ=1, и ХаЬ=0 в противном случае. Нормализированная пропускная способность ц рассчитывается согласно формуле (2.3).
На основе рассмотренных кортежей в работе предложены пошаговый, равновесный и адаптивный критерии выбора маршрута в наложенной сети для повышения нормализированной пропускной способности.
Пошаговый критерий определяет маршрут передачи фрагментов на каждом шаге процесса передачи потоковых данных на основании подтверждения успешного приема предыдущего фрагмента. Если источник не получает специального сообщения подтверждения для предыдущего фрагмента, то маршрут передачи изменяется: SD приуМ=!ЮиАСК$!=1, или у(а) =SRD и ACK b = О, (b) Г - (2.4) SRD приУа)=Жи С =0, [ или у{а) =SRD и ACK( S% = 1. Процесс передачи потоковых данных меняет состояние на основе наличия подтверждения предыдущего фрагмента.
Применяя равновесный критерий использования узла-помощника, источник поочередно передает фрагменты информации по маршрутам SD и SRD. Если текущий фрагмент был отправлен адресату напрямую, то следующий будет отправлен через узле-помощник. Таким образом, адресат получает половину фрагментов от узла-помощника, а половину — напрямую от источника: SD for у(а)= SRD, У(Ь)=\ (2.5) [SRD for у (a)=SD. Данный критерий не использует специальных сообщений для определения подтверждения успешного приема фрагмента.
Адаптивный критерий использования узла-помощника основан на коэффициенте доставки фрагментов (PDR). Значение PDR рассчитывается как количество принятых подтверждений к количеству отправленных фрагментов N: где Tx — это количество фрагментов, отправленных источником, а Rx — это количество принятых подтверждений.
Нормализированная пропускная способность п для идеального метода SR-ARQ с бесконечным буфером может быть определена [105] как: ri=PDR. (2.8) Для сравнения предложенных критериев была использована среда моделирования NS-3. Имитационная модель включает три узла, соединенные с помощью беспроводной среды передачи и статической маршрутизации. Источник отправляет потоковые данные адресату через узел-помощник. Рассмотрено два сценария: со стационарным узлом-помощником и с мобильным узлом-помощником.
В обоих сценариях источник и адресат были стационарными. Все узлы были настроены одинаково (Таблица 2.2). Все узлы использовали стандарт беспроводной связи 801.1 1n. Ширина полосы пропускания для данного стандарта 20 МГц в спектре частот 5 ГГц. В модели канала связи используется QPSK модуляция с коэффициентом кодирования для системы из одной антенны на приемнике и одной на передатчике. Мощность передатчика составила 17.5 дБм. Продолжительность каждого испытания равна 120 секунд. Каждый фрагмент имеет размер 1250 байт (10 000 бит). Источник использует UDP протокол для передачи 10 000 фрагментов адресату.
Среда NS-3 моделирует битовую ошибку для каждого беспроводного соединения: источник-адресат SD, источник-помощник SR и помощник-адресат RD. При моделировании использовалась формула передачи Фрииса и модель битовой ошибки NIST для имитации коэффициента доставки фрагментов на основе мощности принятого сигнала.
Разработка алгоритмов передачи потоковых данных в сети БПЛА
Пусть эффективность алгоритмов передачи потоковых данных заключается в повышении коэффициента доставки фрагментов PDR адресату в определённых условиях функционирования самоорганизующейся сети БПЛА. Эффективность предложенных алгоритмов была оценена с помощью имитационного моделирования в среде NS-3 [145]. Имитационная модель должна учитывать мобильность узлов сети БПЛА, а также параметры, влияющие на процесс передачи потоковых данных. В отличие от математических моделей она позволяет рассматривать более сложные сценарии мобильности и учитывать протоколы нижележащих уровней, например, канального и транспортного.
Рассматриваемая самоорганизующаяся сеть БПЛА должна обеспечить трансляцию потоковых данных с источника адресату в условиях высокой мобильности узлов. В ходе имитационного моделирования был проведено измерение коэффициента передачи фрагментов PDR, который определяется как отношение количества принятых фрагментов к переданным: где Rx — количество принятых фрагментов, Тх — количество переданных фрагментов. В имитационном и экспериментальном исследованиях для оценки эффективности разработанных алгоритмов по сравнению с существующими используем выигрыш G по среднему коэффициенту PDRave: РШ те G= (3 7) PDR ave . где PDRave — значение при применении разработанного алгоритма, PDRave — значение без применения алгоритма.
Требования к коэффициенту доставки фрагментов определены в [168] и потери могут составлять до 1 фрагмента на 1000 переданных фрагментов, иначе видео является бесклассовым. Так как рассматриваемые сети являются географически локальными, задержки передачи потоковых данных от источника до адресата незначительны и поэтому не оцениваются в имитационном моделировании. Буфер для каждого узла одинаков и не превышает 1 с, указанное значение используется исходя из данных представленных в исследованиях наложенных сетей [102, 153, 154].
Доверительные интервалы для полученных результатов имитационного моделирования рассчитаны с помощью критерия Стьюдента с доверительной вероятностью 95%. Количество достаточных моделирований также находилось по методу доверительных интервалов, как это описано в [37].
На основе алгоритмов, предложенных в разделе 3.2, разработан протокол Pull-Push. Рассмотрим результаты имитационного моделирования для этого протокола в сценарии «Альтеративный маршрут» (раздел 1.4.1). Идеализация этого сценария заключается в том, что взаимное расположение и характер движения узлов обеспечивает такую динамическую топологию сети, которая позволяет достигнуть гарантированной передачи потоковых данных с источника до адресата при применении разработанного протокола Pull-Push и выполнить требования ITU к коэффициенту доставки потоковых данных PDR.
При проведении имитационного моделирования протокола Pull-Push в среде NS-3 была создана сеть, состоящая из трех узлов (рис. 3.20). Адресат D стационарен и представляет собой наземных узел. Источник S и узел-помощник R двигаются по окружностям с радиусом равным 50 метров с заранее заданными скоростями в диапазоне от 30 до 40 метров в секунду, имитируя реальное поведение микро БПЛА (весом до 10 кг) при выполнении мониторинга местности. Дальность связи ограничена расстоянием 250 метров с помощью модели затухания сигнала в открытом пространстве (формула Г.Фрииса). Источник передает адресату потоковые данные по протоколу UDP со скоростью 1 Мбит/с. В данной симуляции каждая дейтаграмма инкапсулирует только один фрагмент размером 1400 байт. В течение симуляции источник S теряет связь до адресата D и вынужден восстанавливать двухшаговый маршрут с помощью используемого протокола маршрутизации (AODV, OLSR) и узла-помощника R.
С помощью вычисления метрик качества обслуживания оценивается эффективность работы предложенного протокола в сетях БПЛА под управлением реактивного протокола AODV и проактивного протокола OLSR. Было проведено 10 запусков симуляций для скоростей движения узлов S и R в диапазоне от 30 до 40 м/с. Каждая симуляция длилась одну минуту. В заголовке прикладного уровня каждой дейтаграммы, несущей полезную нагрузку, было добавлено поле с номером текущего фрагмента.
Важной характеристикой потоковых данных является скорость передачи полезных данных адресату. Частным случаем передачи потоковых данных является передача видео. Для непрерывного воспроизведения видео на адресате, скорость передачи полезных данных должна быть примерно равна скорости передачи видео источником. Скорость передачи полезных данных R определяется по следующей формуле:
Постановка экспериментального исследования
В экспериментальном исследовании использовались БПЛА eBee [161], разработанные компанией SenseFly. Эти миниатюрные летательные аппараты с фиксированными крыльями приводятся в движение электродвигателем с помощью пропеллера. Корпус устройства сделан из полипропилена, размах крыльев равен 96 сантиметров, вес составляет 630 грамм. Благодаря своим миниатюрным размерам БПЛА данного вида не требует получения разрешения для проведения полетов. Каждый БПЛА обладает встроенным автопилотом, который позволяет достигать скорости до 12 м/с, круизной скорости 57 км/ч и имеет запас батареи достаточный для автономного полета в течение 45 минут. Для проведения экспериментального исследования в БПЛА был установлен мини-компьютер компании Gum-stix Inc. на базе ARM-процессора Gumstix Overo Tide [159].
Компьютер присоединен к автопилоту по серийному порту и запускает специальный дистрибутив ОС Linux (версия ядра 3.5.0). Компьютер подключен к HD-камере по USB-порту и подсоединен к WiFi-интерфейсу. В ходе экспериментального исследования использовалась камера HD-Pro C920 компании Logitech и видеокодек H.264. Это позволило передавать видеопоток в качестве full-HD без нагрузки на компьютер Gumstix CPU без применения видеокомпрессии. На рис. 4.16а показан БПЛА, используемый компьютер изображен на рис. 4.16б.
В качестве WiFi-интерфейса использовалось USB-устройство Linksys AE3000 USB и стандарт 802.11n. Несмотря на свои небольшие размеры это устройство поддерживает технологию MIMO с тремя антеннами. В ходе экспериментального исследования для более эффективного использования канала связи было включено кодирование STBC (spaceime block coding) стандарта 802.11n. Полоса пропускания была установлена равной 20 МГц в 5 ГГц диапазоне частот. Использовалась QPSK -модуляция, сверточное кодирование и один поток стандарта 802.11n. В случае чрезвычайной ситуации БПЛА может контролироваться удаленно на расстоянии до 3 км по низкоскоростному соединению оборудования с помощью оборудования Microhard Systems Nano n2420 [160]. Это низкоскоростное соединение применяется только в случае чрезвычайной ситуации, а все потоковые данные передаются по беспроводному соединению стандарта 802.11n.
Было проведено два эксперимента, в ходе которых была создана самоорганизующаяся сеть с помощью оборудования стандарта 802.11n, которая состояла из наземного узла (ноутбука) и летающего узла (БПЛА). Компьютер на борту БПЛА передавал видео, кодированное H.264, наземному узлу в качестве full-HD (разрешение: 1920x1080) с частотой 30 кадров в секунду. В алгоритме AL-ARQ использовался буфер с максимальной длиной 2000 фрагментов информации. Максимальное количество запросов повторной передачи slrc на канальном уровне в стандарте 802.11n было равно семи.
В первом эксперименте БПЛА совершал круговое движение вокруг нескольких точек, расположенных на разном расстоянии от наземного узла. Для всех точек был выбран радиус полета БПЛА, равный 30 метрам, и высота над поверхностью 75 метров. БПЛА летал 5 минут перед тем, как двигаться к следующей точке. Траектории БПЛА показаны на рис. 4.17.
Во втором эксперименте БПЛА совершал движение по траектории между двумя точками на расстоянии 550 метров друг от друга. Наземный узел располагался на расстоянии 50 метров от ближайшей точки и на расстоянии 600 метров от дальней точки траектории. Траектория БПЛА также показана на рис. 4.17.
На рис. 4.18 показан сценарий первого эксперимента. Летающий узел передает потоковые данные наземному узлу. В каждом испытании передается видео стандарта Н.264, а БПЛА совершает круговое движение вокруг заранее определенной точки на местности. Было проведено 7 испытаний на разном расстоянии от наземного узла, продолжительность каждого испытания составляла 5 минут.
Эксперимент включает в себя 7 испытаний продолжительностью по 5 минут каждое. В каждом испытании летающий узел транслирует видео стандарта H.264 наземному узле и совершает полет от одной точки к другой и обратно.
Измерение значения PDR ave и PDRave производилось аналогично первому эксперименту. На основе измеренных величин рассчитывается средний выигрыш GARQ при применении алгоритма AL-ARQ согласно (4.1).
Коэффициент PDR был рассчитан с помощью порядковых номеров, записанных в заголовок каждого фрагмента. Разработанный алгоритм AL-ARQ использует поле с номером текущего фрагмента для определения потерь данных. Источник отправляет фрагменты, строго упорядоченные по их порядковым номерам. Алгоритм AL-ARQ на адресате определяет потери фрагментов по нарушению порядка их следования. Если источник повторяет фрагмент в ответ на принятый запрос, то он отмечает это в специальном поле заголовка прикладного уровня. Алгоритм AL-ARQ на стороне адресата хранит вновь принятые фрагменты, объединяет номера потерянных фрагментов в группы, формирует на их основе запросы повторной передачи и отправляет их на источник. Коэффициент PDR рассчитывается на основе фрагментов, принятых адресатом. Адресат может измерять PDR после восстановления фрагментов и тем самым позволяет сравнить эффективность работы алгоритма повторного запроса фрагментов с источника. Фрагменты, номера которых идут не по порядку, определяют размер пачки потерянных фрагментов.
Интервал измерения в обоих экспериментах был равен 1000 отправленных фрагментов с источника. Среднее значение коэффициента потери фрагментов PDRave было рассчитано, чтобы обнаружить зависимость между качеством передачи потоковых данных и расстоянием от наземного узла до БПЛА.
В первом эксперименте алгоритм AL-ARQ позволил повысить значения коэффициента PDRave для всех рассмотренных точек. При увеличении расстояния между источником и адресатом значения PDRave и PDR ave растут. При расстояниях между источником и адресатом от 200 до 350 метров передача потоковых данных без алгоритма AL-ARQ происходила со средним значением коэффициента доставки равным PDRave = 0,97. Однако, применение алгоритма AL-ARQ позволило восстановить все потерянные фрагменты, что обеспечило высокое качество передачи видеопотока и значение PDR ave = 1 на рассмотренном интервале расстояний и выигрыш по PDR равный GARQ = 1,03. На интервале расстояний от 400 до 500 метров без алгоритма AL-ARQ значение PDRave уменьшилось до 0,8. На том же интервале алгоритм AL-ARQ позволил улучшить значение коэффициента доставки фрагментов до PDR ave = 0,9. При этом выигрыш по PDR от использования разработанного алгоритма составил GARQ = 1,13. На рис. 4.20 показано значение PDRave для первого эксперимента.