Квадрокоптеры в Wi-Fi-сетях

Нам стало интересно, как обстоят дела в беспроводном мире, и как квадрокоптеры могут помочь в вопросах организации беспроводных сетей. К слову сказать, идеи использовать беспилотных дронов для этих целей озвучиваются уже не первый год при презентации проектов на различных конференциях. На нашей памяти идеи использования подобного решения были совершенно разные: начиная от спасательных работ и вплоть до организации кратковременного радиопокрытия на больших открытых площадках при проведении всевозможных мероприятий. В общем, во всех тех ситуациях, в которых необходимо быстрое развертывание беспроводных сетей. К примеру, нужно чтобы беспроводная сеть начала функционировать сразу же на этапе развертывания проекта, для того чтобы другие службы уже могли начать работу, а в это время будет настраиваться стационарное оборудование.

Отголоски этих идей уводят нас к проекту SkyBender от компании Google и Facebook (о котором многие возможно слышали), в рамках которого задумывается использовать большие воздухоплавательные шары с Wi-Fi точками доступа для организации беспроводного интернета по всему земному шару.

В нашем случае для тех же целей используется квадрокоптер. И концепт проекта вроде как понятен: в воздухе зависает дрон, на борту которого находится беспроводное Wi-Fi устройство, функционирующее (например) в режиме точки доступа (Access Point). В задачу дрона входит обеспечение беспроводного радиопокрытия на определенной территории. Вроде все просто, если не брать в расчет электропитание этого «робота» и погодные условия. Концепт выглядит заманчиво и на первый взгляд довольно прост в реализации, но нам больше интересна физическая сторона вопроса: максимальные реализуемые скорости передачи данных, дальность связи и др. В поисках ответа были проанализированы англоязычные источники, в которых славные американские парни проводили эксперименты с беспилотным летательным аппаратом и точкой доступа на его борту. О результатах этих экспериментов мы бы и хотели поделиться в этой статье.

О методологии и особенностях устройств, используемых в эксперименте

В качестве основного элемента системы использовалась плата Intel Galileo. Плата основана на основе 32-битного центрального процессора Quark SoC x 1000 Intel с тактовой частотой 400 МГц. В эксперименте использовалось оборудование первого поколения. В качестве программного обеспечения использовалась версия Linux quark 3.19.8 yocto-standard. В качестве источника питания использовался внешний аккумулятор 10400 мАч. Батарея может обеспечить Galileo до 15 часов автономной работы в зависимости от режима работы и нагрузки трафика. В плате Galileo через порт PCI Express была подключена беспроводная карта Intel Dual Band Wireless-AC 7260 (внешний вид ее ничем не примечателен, форм-фактор как в обычных ноутбуках). Карта обеспечивает скорость передачи данных до 867 Мбит/сек и поддерживает несколько стандартов Wi-Fi (802.11a/b/g/n/ac). К карте были подключены две внешние антенны с усилением в 5 dBi. Общий вес платы Galileo, аккумуляторной батареи и всей антенной части составил 340 грамм.

На первом этапе эксперимента были исследованы теоретические возможности области покрытия БПЛА (беспилотного летательного аппарата). Расчет производился с использованием моделей распространения радиосигнала: «Free Space» и модель «Wireless Initiative New Radio» –WINNER D1.

На основе этих моделей были рассчитаны максимальные ожидаемые дальности распространения для восходящего и нисходящего канала связи для нескольких версий стандарта Wi-Fi. Также была экспериментально измерена производительность платы Galileo в качестве промежуточного узла сети Wi-Fi.

В эксперименте использовалось два режима работы точек доступа Wi-Fi. Первый режим работы – «Инфраструктурный», он реализуется на большинстве коммерческих Wi-Fi роутеров. В этом режиме точка доступа выступает в роли центрального узла (Access Point, AP), которая соединяет все устройства в сети и выступает в роли шлюза для подключения к сети Интернет. То есть в этом режиме точка доступа принимает на себя все задачи по управлению сетью. В качестве второго режима работы рассматривается режим «Ad-Hoc», который менее распространен в современных реалиях. В этом режиме ни один беспроводной узел не выступает в роли центрального узла, все узлы равноправны и образуют так называемую ячеистую сеть (Mesh Network). Так как все узлы равноправны, то каждый узел в отдельности принимает на себя задачи клиента (хоста) и маршрутизатора. Кроме того, узлы Ad-Hoc могут перемещаться, образуя так называемую мобильную сеть (Mobile Ad-hoc NETwork — MANET). Достоинство этого режима заключается в том, что соединение между узлами может быть динамически изменено при перемещении устройств. Но эффективная работа такой сети может сильно зависеть от алгоритмов маршрутизации, отвечающих за доставку пакет между узлами сети. Из-за динамического характера топологии сети «стоимость» пути между узлами должна периодически пересчитываться для поиска наилучших путей.

Для тестирования этих двух режимов работы Wi-Fi роутера, в исследуемую сеть были включены два дополнительных устройства. В качестве узлов сети выступали два ноутбука с ОС Linux Ubuntu и Wi-Fi картой IEEE 802.11 a/b/g/n. На приемной стороне был установлен ноутбук с беспроводной картой Intel Centrino Advance-N 6230 и на другом конце ноутбук с картой Intel Dual Band 3160. Центральной частью системы всегда оставалась плата Intel Galileo, работающая в режиме AP (инфраструктурный режим), либо в качестве одного из промежуточных узлов (Ad-Hoc) между передатчиком и приемником. В последнем устройстве был использован протокол маршрутизации BATMAN. Он себя хорошо зарекомендовал по сравнению с другими протоколами, работающими при больших нагрузках трафика. Для получения метрик сети использовался хорошо известный инструмент iPerf3, позволяющий производить измерение полосы пропускания сети, количество потерянных пакетов, определять задержки в сети и пр. Также в iPerf’e возможна настройка нескольких параметров передачи. В этом эксперименте использовалась передача с постоянной скоростью между узлами сети со следующими параметрами: продолжительность передачи – 30 сек; скорость передачи: 1, 3, 5, 7, 9, 11 Мбит/сек; размер пакета: 512 и 1024 байта.

Измерения параметров реальной воздушной сети производились по следующей схеме, представленной на рисунке 1:
Рисунок 1

Два оконечных устройства постепенно удалялись друг от друга на определенное расстояние вдоль оси X (точки измерения показаны на оси X). В указанных точках измерялась максимальная пропускная способность сети с помощью сетевого анализатора iPerf3, и максимальный уровень сигнала с помощью анализатора спектра Rohde&Schwarz FSH3. Квадрокоптер зависал на высоте 10 и 20 метров, на которых и производились измерения. Внешний вид БПЛА приведен на рисунке ниже:

Рисунок 2

Результаты измерений. Радиус действия

Итак, резюмируя все то, что сказано выше измерялись два ключевых параметра системы: область радиопокрытия и скорость передачи данных.

Как уже отмечалось выше, производилось экспериментальное измерение дальности связи, а также теоретический расчет радиопокрытия с использованием моделей распространения радиоволн: «Free Space» (свободного пространства) и модель WINNER D1. Формула Фрииса обычно используется, когда необходимо определить силу радиосигнала между передатчиком и приемником при отсутствии объектов на пути распространения радиоволн. Эта модель применяется только при расчете полей в дальней зоне, расчет производится по формуле:Модель WINNER D1 в отличие от модели Free Space представляет собой стохастическую модель, учитывающую потери в беспроводном канале связи для различных типов сред. Дальность связи по формуле WINNER D1 определяется по формуле:В ней неопределенные буквенные переменные имеют следующие значения A = 21.5, B= 44.2, и C = 20. Они подбираются исходя из начальных условий при решении задачи, подробнее об их выборе можно прочитать в соответствующих источниках [1].

При расчетах мощность передатчика для Uplink и Downlink была принята равной 20 дБм (100 мВт). Расчет дальности связи производился для разных версий стандартов IEEE 802.11. В таблице ниже приведены результаты расчетов для нисходящего канала (Downlink) и для восходящего (Uplink). Обратите внимание, что сценарий для этих расчетов показан на рисунке 1, и при расчетах было принято, что БПЛА находится на высоте 10 м.

В реальном эксперименте оценивался уровень принимаемого сигнала. На рисунке ниже приводится уровень сигнала в зависимости от расстояния для инфраструктурного режима работы (слева) и режима Ad-hoc (справа) при работе дрона на высоте 10 метров.Рисунок 3

Те же экспериментальные данные но для работы дрона на высоте 20 метров:Рисунок 4

Наблюдается довольно заметное отличие между теоретическими расчетными значениями и достигнутыми в эксперименте. Эти различия вызваны множеством дополнительных факторов, не учитываемых в модели распространения сигнала, некоторые из них это: неустойчивость квадрокоптера, наводки от его шасси, атмосферные условия и пр. Но в целом можно отметить, что уровень принимаемого сигнала в инфраструктурном режиме работы значительно выше, чем уровень сигнала, достигнутый в Ad-hoc. На рисунках b и d изображено меньше измеренных контрольных точек, так как фиксировались только те измерения, которые были получены при работе беспилотника в качестве промежуточной точки между двумя оконечными устройствами. Результаты, полученные при непосредственном подключении передатчика и приемника ноутбука, в расчет не брались. Другими словами, когда расстояние между конечными точками доступа было меньше 60 метров (для высоты дрона 10 метров) или 80 метров (для высоты 20 метров), квадрокоптер не выступал в качестве промежуточного устройства в режиме Ad-hoc.

Результаты измерений. Скорость передачи данных

Чтобы оценить производительность инфраструктурного режима работы и режима Ad-hoc с точки зрения максимальной пропускной способности использовалась программа iPerf, с помощью которой запускались пакеты между оконечными точками доступа. Сначала измерения были произведены в лабораторных условиях, в котором измерялась скорость для указанных режимов работы и двух размеров пакета (512 и 1024 байта). Результаты измерений приведены в таблице ниже:После чего измерения были произведены в реальных условиях. Скорости в зависимости от расстояния, полученные в результате измерений Wi-Fi сети, показаны на рисунках 5 и 6 ниже. Можно отметить, что скорость в инфраструктурном режиме значительно выше скорости в Ad-hoc сети. Для инфраструктурного режима работы (слева) и режима Ad-hoc (справа) при работе дрона на высоте 10 метров:

Рисунок 5

Те же экспериментальные данные но для работы дрона на высоте 20 метров:
Рисунок 6

Максимальная скорость передачи данных по Wi-Fi различается для различных версий стандарта 802.11 и определяется главным образом методами модуляции, кодированием и технологиями расширения спектра, а также количеством пространственных потоков, шириной канала и пр. Ниже для сравнения приведены максимальные теоретически достижимые скорости передачи данных для заданных условий испытаний. В эксперименте точки доступа настраивались на самопроизвольный выбор версии протокола 802.11g-802.11n для обеспечения наилучших условий передачи в зависимости от качества канала связи. Максимально достижимые скорости для рассматриваемого эксперимента приведены ниже:С увеличением расстояния снижается качество канала связи, что заставляет беспроводные сетевые карты использовать более консервативные методы модуляции, что в свою очередь приводит к уменьшению максимальной скорости передачи данных. Инфраструктурный режим работы обеспечивает более высокие скорости передачи по сравнению с режимом Ad-hoc.