Báo cáo môn học hệ thống và mạng máy tính Đề tài kiến trúc mạng fanet

Mặt cắt radar nhỏ: Kích thước nhỏ của các UAV trong hệ thống nhiều UAV dẫn đến mặt cắt radar rất nhỏ, điều này vô cùng quan trọng đối với các ứng dụng quân sự Những thách thức về truyền

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA TOÁN TIN

 BÁO CÁO MÔN HỌC HỆ THỐNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

ĐỀ TÀI: KIẾN TRÚC MẠNG FANET

Giáo viên hướng dẫn: TS Ngô Thị Hiền Nhóm sinh viên thực hiện:

Trần Anh Quân 20227202 Nguyễn Trường Sơn 20227260

Đỗ Văn Thiện 20227263

Hà Đức Mạnh 20227244 Nguyễn Quang Thuận 20227184 Nguyễn Thế Thiện 20227264

Ngày 18 tháng 10 năm 2024

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN

STT Họ và tên Vai trò Công việc đảm nhận

1 Trần Anh Quân Trưởng nhóm

2 Nguyễn Thế Thiện Thành viên Làm báo cáo

3 Đỗ Văn Thiện Phó nhóm

4 Nguyễn Quang Thuận Thành viên

5 Nguyễn Trường Sơn Thành viên

BẢNG ĐÁNH GIÁ CHI TIẾT MAX ĐIỂM VỚI MỖI TIÊU CHÍ LÀ 5

Tiêu chí Trần

Quân Thiện Văn Thiện Thế Trường Sơn Mạnh Đức Quang Thuận

Trách nhiệm

Cởi mở

Tin cậy

Phối hợp

Sẵn sàng

Linh hoạt

Chăm chỉ

Sáng tạo

Đóng góp

Thái độ

Mục lục

Giới thiệu tổng quan

1 Giới thiệu tổng quan:

Hệ thống UAV đã trở nên ngày càng phổ biến trong thời gian gần đây nhờ vào những tiến bộ vượt bậc trong các công nghệ điện tử, cảm biến, và truyền thông

Hệ thống UAV mang lại một loạt các ứng dụng đa dạng trong cả lĩnh vực dân sự

và quân sự, cho phép điều khiển từ xa hoặc hoạt động tự động mà không cần người lái, đem lại sự linh hoạt tuyệt vời Công nghệ UAV đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm nhưng không giới hạn ở việc giám sát biên giới, theo dõi thảm họa, tìm kiếm cứu hộ, mạng ad-hoc, cảm biến từ xa, và giám sát giao thông Qua nhiều thập kỷ sử dụng công nghệ UAV, một điều rõ ràng là việc sử dụng một nhóm các UAV nhỏ mang lại lợi ích lớn hơn so với việc phát triển một UAV lớn Việc phối hợp và hợp tác giữa nhiều UAV gia tăng đáng kể khả năng của chúng, vượt qua những gì mà một UAV đơn lẻ có thể đạt được

1 Mở rộng khả năng: Hệ thống nhiều UAV có thể dễ dàng mở rộng phạm vi ứng dụng, trong khi một UAV lớn chỉ có thể tăng phạm vi trong giới hạn nhất định

2 Tốc độ: Tốc độ hoàn thành nhiệm vụ được ghi nhận cao hơn nhiều trong

hệ thống nhiều UAV

3 Khả năng sống sót: Hệ thống nhiều UAV cho phép linh hoạt trong việc thay đổi hoạt động và tiếp tục nhiệm vụ ngay cả khi một UAV gặp sự cố Ngược lại, nếu chỉ có một UAV và nó gặp trục trặc, nhiệm vụ sẽ thất bại

4 Mặt cắt radar nhỏ: Kích thước nhỏ của các UAV trong hệ thống nhiều UAV dẫn đến mặt cắt radar rất nhỏ, điều này vô cùng quan trọng đối với các ứng dụng quân sự

Những thách thức về truyền thông trong hệ thống nhiều UAV, đặc biệt là trong FANETs, là vấn đề cần phải giải quyết để triển khai và vận hành thành công

UAV trong nhiều ứng dụng khác nhau Trong khi các hệ thống UAV đơn lẻ có thể dễ dàng thiết lập liên lạc với các căn cứ mặt đất, vệ tinh, hoặc các hệ thống điều khiển trên không, thì sự phức tạp gia tăng đáng kể khi có nhiều UAV tham gia Báo cáo này tập trung vào FANETs như một dạng mạng mới và so sánh chúng với các loại mạng ad-hoc khác, cụ thể là Mạng di động ad-hoc (MANETs) và Mạng ad-hoc giữa các phương tiện giao thông (VANETs) FANETs là một mạng ad-hoc được thiết kế đặc biệt cho việc truyền thông giữa

các UAV Mỗi loại mạng ad-hoc đều có những thách thức riêng do đặc điểm và môi trường sử dụng khác nhau

 MANETs: (Mobile Ad hoc Network) là một loại mạng Ad hoc cho phép các máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiển trung tâm Với

sự phát triển của các dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa

và hướng đến các dịch vụ tích hợp thì khả năng phát triển mạng MANET

có nhiều triển vọng Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thông có tính chất tạm thời như trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng

 VANETs: VANETs là một loại mạng ad-hoc đặc biệt được thiết kế để truyền thông giữa các phương tiện giao thông Mặc dù VANETs có một số điểm tương đồng với FANETs về tính di động và cấu trúc mạng động, môi trường hoạt động và các thách thức là khác nhau do UAV hoạt động trong không gian không trung, không phải trên đường

 FANETs: FANETs là các mạng ad-hoc được điều chỉnh đặc biệt cho việc truyền thông giữa các UAV như hình trên Những thách thức trong FANETs rất đáng chú ý bởi vì sự di chuyển trong không gian ba chiều của UAV và cần phải tính đến các chướng ngại vật, độ cao thay đổi, và các quy định về giao thông không trung Các kiến trúc mạng hiệu quả, các giao thức định tuyến, cơ chế tránh va chạm, và truyền thông an toàn là một số thách thức thiết kế cơ bản mà FANETs đối mặt FANETs là một lĩnh vực nghiên cứu và công nghệ mới nổi, vẫn còn nhiều câu hỏi nghiên cứu và thách thức cần được giải quyết để khai thác hoàn toàn tiềm năng của hệ thống nhiều UAV và tích hợp chúng vào các ứng dụng khác nhau Truyền thông hiệu quả chắc chắn là một trong những trụ cột quan trọng nhất của các hệ thống nhiều UAV thành công, vì nó khuyến khích hành vi phối hợp và hợp tác giữa các UAV, dẫn đến hoạt động bền vững và hiệu quả hơn trong nhiều kịch bản khác nhau

Vậy tóm lại, FANET là gì ? Và khác gì so với MANET và VANET ?

FANET (Flying Ad-hoc Network) là một loại mạng ad-hoc đặc biệt được thiết

kế để truyền thông giữa các thiết bị bay không người lái (UAV) FANET cho phép các UAV trong một nhóm có thể giao tiếp với nhau và với trạm mặt đất mà không cần cơ sở hạ tầng mạng cố định Nó khác biệt với các loại mạng ad-hoc truyền thống như MANET (Mobile hoc Network) và VANET (Vehicular

Ad-hoc Network) ở chỗ các UAV hoạt động trong môi trường không gian ba chiều, dẫn đến nhiều thách thức về định tuyến, điều khiển, và quản lý mạng

2 Các kịch bản ứng dụng của FANET đối với UAV:

2.1 Khả năng mở rộng hoạt động đa-UAV:

Nếu một mạng truyền thông đa-UAV được thiết lập hoàn toàn dựa trên hạ tầng như vệ tinh hoặc trạm mặt đất, thì khu vực hoạt động sẽ bị giới hạn bởi phạm vi truyền thông của hạ tầng Nếu một UAV không thể liên lạc với hạ tầng, nó sẽ không thể hoạt động Thay vào đó, FANET dựa trên các liên kết dữ liệu giữa các UAV với nhau thay vì liên kết dữ liệu giữa UAV và hạ tầng, và do đó có thể mở rộng phạm vi hoạt động Ngay cả khi một nút FANET không thể thiết lập liên lạc với hạ tầng, nó vẫn có thể hoạt động bằng cách liên lạc thông qua các UAV khác Hình ảnh ở dưới là minh họa:

Cần lưu ý rằng địa hình cũng ảnh hưởng đến phạm vi truyền thông của hạ tầng

Có thể có các chướng ngại vật trên địa hình như núi, tường hoặc các tòa nhà, và những chướng ngại này có thể chặn tín hiệu của hạ tầng Đặc biệt trong các khu vực đô thị, các tòa nhà và công trình xây dựng chặn tín hiệu radio giữa trạm mặt đất và UAV Tuy nhiên, FANET có thể giúp duy trì hoạt động phía sau các chướng ngại vật, và có thể mở rộng khả năng hoạt động của các ứng dụng đa-UAV

Vậy tóm lại, điểm mấu chốt là FANET cung cấp khả năng mở rộng tốt hơn cho

các hệ thống UAV thông qua việc sử dụng giao tiếp đa-hop (truyền thông qua nhiều UAV khác nhau), và nó có thể khắc phục các hạn chế của hệ thống truyền thống khi gặp phải các chướng ngại vật hoặc khu vực có địa hình phức tạp

2.2 Trở nên đáng tin cậy hơn trong hệ thống nhiều UAV

Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống nhiều UAV hoạt động trong môi trường

có tính động cao Điều kiện tại thời điểm bắt đầu nhiệm vụ có thể thay đổi trong quá trình thực hiện Nếu không có cơ hội thiết lập một mạng ad-hoc, tất cả các UAV sẽ phải kết nối với một cơ sở hạ tầng, như được minh họa trong dưới đây

Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, do sự thay đổi của điều kiện thời tiết, một

số UAV có thể bị mất kết nối Nếu hệ thống nhiều UAV hỗ trợ kiến trúc FANET,

nó có thể duy trì kết nối thông qua các UAV khác, như minh họa trong hình dưới đây Tính năng duy trì kết nối này làm tăng độ tin cậy của hệ thống nhiều UAV

2.3 Đội hình UAV (UAV swarms)

Các UAV nhỏ có khối lượng nhẹ và khả năng mang tải hạn chế Mặc dù có những giới hạn về khả năng, nhưng hành vi đội hình (swarm) của nhiều UAV

nhỏ có thể hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp Hành vi này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các UAV, và để đạt được sự phối hợp đó, chúng phải giao tiếp với nhau Tuy nhiên, do khả năng mang tải hạn chế của các UAV nhỏ, có thể chúng không thể mang theo các thiết bị truyền thông nặng nề để kết nối với cơ sở hạ tầng FANET, với phần cứng tương đối nhẹ và rẻ hơn, có thể được sử dụng để thiết lập mạng giữa các UAV nhỏ

Nhờ vào kiến trúc FANET, các UAV hoạt động theo đội hình có thể tránh va chạm, đồng thời phối hợp với nhau để hoàn thành nhiệm vụ một cách thành công Trong nghiên cứu, mô hình Cooperative Autonomous Reconfigurable UAV Swarm (CARUS) được đề xuất, sử dụng kiến trúc FANET để hỗ trợ truyền thông giữa các UAV Mục tiêu của CARUS là giám sát một tập hợp các điểm nhất định Mỗi UAV hoạt động theo cách tự chủ và tự đưa ra quyết định ngay trên không, thay vì dựa vào sự điều khiển từ mặt đất

Ben-Asher và cộng sự đã giới thiệu một cơ chế ra quyết định và kiểm soát phân tán cho các hệ thống nhiều UAV sử dụng FANET Trong nghiên cứu, một kiến trúc đội hình UAV dựa trên FANET được đề xuất để dẫn dắt các UAV đến vị trí mục tiêu thông qua cơ chế ra quyết định hợp tác Quaritsch và cộng sự đã phát triển một ứng dụng đội hình UAV dựa trên FANET cho công tác quản lý thảm họa Trong các tình huống thảm họa, các đội cứu hộ không thể dựa vào hạ tầng

cố định Mục tiêu của dự án này là cung cấp thông tin nhanh chóng và chính xác

từ khu vực bị ảnh hưởng

Tóm lại, việc sử dụng FANET trong đội hình UAV giúp tăng cường khả năng tự

chủ, giảm thiểu va chạm, và cải thiện khả năng phối hợp trong các nhiệm vụ phức tạp như giám sát, quản lý thảm họa, và tìm kiếm cứu hộ

2.4 FANET giúp giảm tải trọng và chi phí

Vấn đề về khả năng mang tải không chỉ ảnh hưởng đến các UAV nhỏ mà còn áp dụng cho cả các UAV thuộc loại HALE (High Altitude Low Endurance) Tải trọng nhẹ hơn có nghĩa là UAV có thể bay cao hơn và duy trì hoạt động lâu hơn Nếu kiến trúc truyền thông của hệ thống nhiều UAV hoàn toàn dựa vào kết nối truyền thông UAV-với-hạ tầng, thì mỗi UAV phải mang theo các thiết bị truyền thông nặng nề hơn Tuy nhiên, nếu sử dụng FANET, chỉ một phần UAV trong hệ

thống cần duy trì kết nối với hạ tầng, trong khi các UAV còn lại có thể hoạt động dựa trên FANET, sử dụng các thiết bị truyền thông nhẹ hơn trong nhiều trường hợp

Bằng cách này, FANET có thể kéo dài thời gian hoạt động của hệ thống nhiều UAV, giảm tải trọng và chi phí phần cứng cho các UAV, đồng thời cải thiện khả năng thực hiện các nhiệm vụ trong môi trường khắc nghiệt mà không cần đến những thiết bị phức tạp và đắt tiền

3 Ứng dụng thực tiễn của FANET trong các lĩnh vực khác:

3.1 Trong nông nghiệp

1 Giám sát cây trồng

 Theo dõi sức khỏe cây trồng: UAV có thể sử dụng cảm biến và camera

để theo dõi tình trạng sức khỏe của cây trồng, phát hiện sớm các vấn đề như bệnh tật, sâu bệnh, hoặc thiếu nước

 Phân tích dữ liệu từ xa: FANET cho phép truyền tải dữ liệu từ nhiều

UAV đến một trạm điều khiển, giúp nông dân phân tích dữ liệu nhanh chóng và chính xác

2 Tưới nước và phân bón

 Tưới nước thông minh: UAV có thể xác định những khu vực cần tưới và

thực hiện tưới nước tự động, giúp tiết kiệm nước và giảm chi phí

 Phân bón hiệu quả: Các UAV có thể được trang bị để phân phối phân

bón một cách chính xác và đồng đều, giảm lãng phí và tối ưu hóa năng suất cây trồng

3 Lập bản đồ nông nghiệp:

 Khảo sát địa hình: UAV có thể được sử dụng để khảo sát địa hình nông

trại, xác định các khu vực tốt nhất để trồng cây và lập kế hoạch cho việc tưới tiêu

 Phân tích chất lượng đất: Thông qua việc thu thập dữ liệu từ cảm biến,

UAV có thể đánh giá chất lượng đất và đề xuất biện pháp cải thiện

3.2 Trong quân sự:

1 Giám sát và trinh sát:

FANET cho phép các UAV hoạt động cùng nhau để giám sát một khu vực rộng lớn Thông qua việc chia sẻ thông tin giữa các UAV, quân đội có thể thu thập dữ liệu tình báo một cách hiệu quả hơn và có cái nhìn tổng thể về tình hình chiến trường

2 Giao tiếp và điều khiển không gian:

Trong môi trường chiến tranh, việc duy trì liên lạc giữa các UAV và các đơn vị mặt đất là cực kỳ quan trọng FANET giúp các UAV duy trì liên lạc và phối hợp hoạt động, ngay cả trong các khu vực không có hạ tầng cố định

3 Thực hiện các nhiệm vụ tự động:

Các UAV trong FANET có thể được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ tự động như tuần tra, kiểm soát không phận, và thu thập dữ liệu mà không cần sự can thiệp của con người

4 Những hạn chế của FANET:

Mặc dù FANET (Flying Ad-hoc Network) có nhiều ưu điểm và ứng dụng tiềm năng, nhưng nó cũng tồn tại một số nhược điểm và thách thức cần được giải quyết Dưới đây là một số nhược điểm hiện tại của FANET:

1 Khó khăn trong việc duy trì liên lạc: Việc các UAV di chuyển với tốc độ cao và thay đổi vị trí liên tục có thể dẫn đến mất kết nối tạm thời giữa các UAV, gây khó khăn cho việc duy trì một mạng lưới liên tục và ổn định

2 Tính phức tạp trong định tuyến: Việc định tuyến dữ liệu giữa các UAV trong không gian ba chiều là một thách thức lớn Hệ thống phải có khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi về vị trí và môi trường

3 Bảo mật: Do tính chất mở của mạng ad-hoc, FANET dễ bị tấn công từ bên ngoài, như các cuộc tấn công vào tín hiệu hoặc xâm nhập vào dữ liệu Bảo mật thông tin trong FANET là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết

4 Giới hạn về tải trọng và năng lượng: Các UAV có giới hạn về tải trọng và thời gian bay Việc mang theo thiết bị truyền thông nặng có thể làm giảm thời gian hoạt động và hiệu suất của UAV

5 Tương tác với môi trường: Các UAV phải đối mặt với nhiều yếu tố môi trường như gió, thời tiết xấu, và chướng ngại vật trong không gian bay, có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền thông và hiệu suất hoạt động

6 Công nghệ và chi phí: Mặc dù chi phí của các UAV đang giảm, nhưng việc phát triển và duy trì một hệ thống FANET phức tạp vẫn có thể tốn kém và đòi hỏi đầu tư vào công nghệ tiên tiến

7 Đồng bộ hóa thời gian: Các UAV cần phải đồng bộ hóa thời gian chính xác để đảm bảo việc truyền thông hiệu quả và đồng thời thực hiện nhiệm

vụ Sự thiếu đồng bộ có thể dẫn đến sai lệch trong việc chia sẻ dữ liệu

8 Quy định pháp lý và chính sách: Việc sử dụng UAV trong không gian dân

sự và quân sự gặp phải nhiều quy định pháp lý và chính sách, có thể hạn chế khả năng triển khai FANET trong một số khu vực

9 Thách thức về khả năng mở rộng: Khi số lượng UAV tăng lên, việc quản

lý và điều phối hoạt động giữa nhiều UAV có thể trở nên phức tạp hơn, dẫn đến vấn đề về khả năng mở rộng của hệ thống

10.Khả năng chịu lỗi: Nếu một UAV trong mạng gặp sự cố hoặc ngừng hoạt động, khả năng hoạt động của toàn bộ mạng có thể bị ảnh hưởng, đặc biệt nếu không có kế hoạch dự phòng phù hợp

Những nhược điểm này cần được nghiên cứu và khắc phục để phát triển và tối

ưu hóa hiệu quả của FANET trong các ứng dụng thực tế

5 Bảng so sánh chi tiết giữa FANET/VANET/MANET: Tiêu chí MANET VANET FANET

Phương tiện

(Elements)

Điện thoại di động, máy tính Xe cộ

UAVs, máy bay, HAPs (giống vệ tinh) Tốc độ nút

(Node speed)

6 km/h 0–1.5 m/s

20–130 km/h 20–100 km/h 4–36 m/s

6–460 km/h 50–100 km/h 8–257 m/s Tính di động Tương đối chậm Trung bình Nhanh hơn so với