به دنبال پیشرفت سریع تکنولوژی در الکترونیک، و فناوری های سنسور و ارتباطات، تولید سیستم های وسایل نقلیه بدون سرنشین (UAV) ممکن شد که می توانند به صورت مستقل پرواز کنند یا بدون حمل انسان از راه دور کنترل شوند. به دلیل این تطبیق پذیری، انعطاف پذیری، نصب و راه اندازی آسان و هزینه های عملیاتی نسبتا کم، استفاده از UAV ها منجر به روش های جدیدی در کاربردهای نظامی و غیرنظامی شد، این کاربردها عبارتند از جستجو و نابودسازی عملیات (1)، نظارت مرزها (2)، مدیریت آتش سوزی (3)، رله برای شبکه های موقت (4،5)، برآورد باد (6)، نظارت بر فاجعه (7)، سنجش از راه دور (8) و نظارت بر ترافیک (9). اگرچه سیستم های UAV تک سال ها به جای توسعه و اداره ی یک UAV بزرگ مورد استفاده بوده است، اما استفاده از گروهی از UAVهای کوچک مزایای بسیاری دارد. با این وجود، سیستم های UAVمتعدد نیز چالش های منحصربفرد خود را دارند و یکی از مهم ترین مشکلات طراحی، ارتباطات است. در این مقاله، شبکه پرواز موقت (FANET) که اساسا شبکه ی موقت بین UAVهاست به عنوان شبکه ی جدیدی مورد بررسی قرار گرفته است. تفاوت بین شبکه ی موقت تلفن همراه ( MANET)، شبکه موقت وسیله نقلیه (VANET) و FANET مشخص می شود و مهم ترین چالش طراحی FANET معرفی می گردد. علاوه بر راه حل های موجود، مسائل تحقیقی دیگر نیز مورد بحث قرار می گیرند.
همراه با پیشرفت سیستم های جاسازی شده و گرایش کوچک سازی سیستم های میکروالکترومکانیکی، تولید UAVهای کوچک یا مینی با هزینه ی کم ممکن شده است. با این وجود، قابلیت UAV کوچک تک محدود می باشد. هماهنگی و همکاری UAVهای متعدد می تواند سیستمی را تولید کند که فراتر از قابلیت یک UAV تک است. مزایای سیستم های UAV متعدد می تواند به شرح زیر خلاصه شود:
- هزینه: هزینه ی کسب و تعمیر و نگهداری UAV های کوچک کمتر از هزینه ی UAV های بزرگ است (10).
- مقیاس پذیری: استفاده از UAV های بزرگ افزایش پوشش محدودی را قادر می سازد (11). با این وجود، سیستم های UAV متعدد می تواند مقیاس پذیری عملیات را به آسانی گسترش دهند.
- قابلیت بقا: اگر UAV ها نتوانند در ماموریتی که تنها با یک UAV انجام می شود موفق شوند، ماموریت نمی تواند ادامه یابد. با این وجود، اگر UAV در سیستم UAV متعدد باشد، عملیات می تواند با دیگر UAV ها ادامه یابد.
- سرعت بالا: نشان داده شده است که ماموریت ها می تواند با تعداد بیشتری از UAV ها سریع تر تکمیل شوند (12).
- رادار متقاطع کوچک: به جای یک رادار متقاطع بزرگ، سیستم های UAV متعدد رادارهای متقاطع کوچکی تولید می کنند که برای کاربردهای نظامی بسیار مهم می باشد (13).
اگرچه چندین مزیت برای سیستم های UAV متعدد وجود دارد، اما زمانی که با سیستم UAV تک مقایسه می شود، چالش های منحصربفردی مانند ارتباطات دارد. در سیستم های UAV تک، یک پایگاه زمینی یا ماهواره برای ارتباطات مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین ایجاد ارتباطات بین UAV و سیستم کنترل هوابرد نیز ممکن است. در همه ی موارد، ارتباط UAV تک بین UAV و زیرساخت ایجاد می شود. در حالیکه تعداد UAV ها در سیستم های هواپیماهای بدون سرنشین افزایش می یابد، طراحی ساختار شبکه کارآمد به عنوان یک مسئله حیاتی باید در نظر گرفته شود.
همانند سیستم های UAV تک، UAV ها می توانند به پایگاه زمینی یا ماهواره در سیستم های UAV متعدد متصل شوند. ممکن است انواع دیگری از این راه حل های مبتنی بر توپولوژی ستاره ای وجود داشته باشد(14).در حالیکه برخی از UAV ها با پایگاه زمینی ارتباط برقرار می کنند، بقیه موارد می توانند با ماهواره ها ارتباط برقرار کنند. در این رویکرد، ارتباط UAV به UAV نیز از طریق زیرساخت تحقق می یابد. چندین مشکل طراحی با رویکرد مبتنی بر زیرساخت وجود دارد. اول از همه اینکه هر UAV باید با سخت افزار گران و پیچیده تجهیز شود تا با پایگاه زمینی یا ماهواره ارتباط برقرار کند. نقص دیگر در مورد ساختار شبکه قابلیت اطمینان ارتباطات است. به دلیل شرایط محیطی پویا، حرکت گره ها و سازه های زمین، UAV ممکن است رابط ارتباطی خود را حفظ نکند. مشکل دیگر محدودیت دامنه بین UAV و پایگاه زمینی است. اگر UAV خارج از پوشش پایگاه زمینی باشد، قطع می شود. راه حل ارتباطی جایگزین برای سیستم های UAV متعدد، ایجاد شبکه موقت بین UAV است که FANET نامیده می شود. در حالیکه تنها یک زیرمجموعه از UAVها می تواند با پایگاه زمینی یا ماهواره ارتباط برقرار کند، همه ی UAV ها دارای شبکه موقت هستند. در این روش، UAV می تواند با هر پایگاه زمینی و با یکدیگر ارتباط برقرار کند.
FANET، می تواند به عنوان نوع خاصی از MANET و VANET در نظر گرفته شود. با این حال، تفاوت های خاصی بین FANET و شبکه های موقت موجود وجود دارد:
- درجه حرکت گره های FANET بسیار بالاتر از درجه حرکت گره های MANET یا VANET است. در حالیکه گره های MANET و VANET معمولی به ترتیب ماشین و انسان هستند که (روی زمین) راه می روند ، گره های FANET در آسمان ها پرواز می کند.
- بر مبنای حرکت بالای گره های FANET، توپولوژی بیشتر از توپولوژی شبکه های MANET یا حتی VANET تغییر می کند.
- هدف شبکه های موقت ارتباط نظیر به نظیر است. FANET نیز نیاز به ارتباط نظیر به نظیر برای همکاری و هماهنگی UAV ها دارد. علاوه بر این، اکثر اوقات، داده هایی از محیط و رله جمع آوری می کند تا به مرکز کنترل فرمان دهد مانند شبکه های حسگر بی سیم (15). در نتیجه، FANET باید ارتباط نظیر به نظیر و پوشش ترافیک در یک زمان را پشتیبانی کند.
- فاصله های معمولی بین گره های FANET بسیار طولانی تر از MANET و VANET است (16). به منظور ایجاد رابط های ارتباطی بین UAV ها، دامنه ی ارتباطات باید طولانی تر از MANET و VANET باشد. این پدیده لینک های رادیویی، مدارهای سخت افزار و رفتار لایه فیزیکی را تحت تاثیر قرار می دهد.
- سیستم های UAV متعدد ممکن است شامل انواع متفاوتی از حسگرها باشند و هر حسگر ممکن است نیازمند استراتژی های متفاوت تحویل باشد.
انگیزه ی اصلی این مقاله تعریف FANET به عنوان شبکه ی موقت و معرفی چالش های منحصربفرد و محدودیت های طراحی می باشد. اگرچه، مطالعات اندکی وجود دارد که برخی از مسائل خاص UAV های شبکه ای را بیان می کند (17،18،14)، اما تا حد دانش ما، این مقاله نخستین بررسی جامع در مورد FANET هاست.
مقاله به شرح زیر مرتب شده است. در بخش 2، چندین کاربرد FANET را ارائه می دهیم و ویژگی های طراحی FANET را در بخش 3 معرفی می کنیم. بررسی جامعی از پروتکل های ارتباطی موجود و مسائل تحقیقی دیگر را در بخش 4 مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین بسترهای آزمون UAVهای متعدد و محیط شبیه سازی آن را در بخش 5 ارائه می دهیم. و در بخش 6 نتیجه گیری می کنیم.