5G ağında IoT, UAV / Uydu entegrasyonu
Beşinci nesil mobil iletişimin (5G) geliştirilmesiyle, 5G teknolojisi daha fazla senaryoya uygulanacaktır.Bu uygulama senaryoları daha büyük kapasite ve daha yüksek veri hızları, daha düşük gecikme süresi, daha esnek ve ölçeklenebilir ağlar gerektirir , Daha iyi bir kullanıcı deneyimi (QoE) sağlayabilir. Nesnelerin İnterneti (IoT) bunlardan biridir. Son yıllarda akıllı şehirleri, akıllı fabrikaları, akıllı tarımı vb. Kapsayan yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, karasal ağların sınırlamaları IoT cihazlarının ve hizmetlerinin dağıtımını sınırlar. Ek olarak, Nesnelerin İnternetinde farklı iletişim protokollerine dayalı ve bazı durumlarda farklı erişim altyapılarına dayanan çok sayıda çözüm vardır, bu da aralarındaki entegrasyonu ve yakında bulunan 5G altyapısı ile entegrasyonu zorlaştırır. İHA'lar ve uydular muhtemelen Nesnelerin İnterneti ile 5G çerçevelerinin entegrasyonunu teşvik etmek ve yer altyapısının sınırlamalarının üstesinden gelmek için çözümler olarak hizmet edecek.
1 Genel Bakış
İletişim uyduları ve insansız hava araçları gibi uçuş teknolojileri, yer altyapısının sınırlamalarının üstesinden gelmeye yardımcı olur, daha geniş kapsama alanı, daha yüksek esneklik ve kullanılabilirlik sağlar ve kullanıcı deneyiminin kalitesini iyileştirir. Bu özelliklere dayanarak, dronların ve uyduların 5G ekosistemine entegrasyonu, Nesnelerin İnternetine birçok yönden fayda sağlayacak, yalnızca kapsamın genişletilmesi ve mevcut bant genişliğindeki artış, belki de gelecekte dronlar ve uydular bu hale gelecektir. Bu hizmetin temel bileşeni.
İHA'lar insanların günlük yaşamlarının her alanında kullanılmıştır ve insanların paket teslimatından dalış uygulamalarına kadar çeşitli görevleri tamamlamasına yardımcı olabilir. Nesnelerin İnterneti için, insansız hava araçları, kapsama alanındaki Nesnelerin İnterneti sensörlerinden veri toplayarak ve verileri bir 5G ağı üzerinden İnternete bağlanan yetkili kullanıcılara ileterek, bir Nesnelerin İnterneti ağ geçidi olarak uygun şekilde hareket edebilir. Drone'nun konumu ve hareket yolu, kapsama alanındaki IoT cihazlarının dağılımına ve üretilen verilerin sayısına ve döngüsüne göre keyfi olarak ayarlanabilir ve altyapı maliyetlerini azaltırken özelleştirilebilir çözümler sunar. Ek olarak, yük donanımına bağlı olarak, drone'lar birden fazla IoT çözümü için bir ara düğüm olarak da kullanılabilir ve tek bir düğümde çok teknolojili bir IoT çözümü sağlar.
İletişim uyduları, iletişim mesafesini (telefon ve İnternet) uzatmak için tüm dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Şu anda, bu amaç için kullanılan düzinelerce uydu iletişim takımyıldızı vardır ve bazı takımyıldızlar ayrıca düşük dünya yörüngesi (LEO) uyduları aracılığıyla küresel İnternet bağlantısı sağlamayı planlamaktadır. Bazı ön çalışmalar, Nesnelerin İnterneti cihazları ile son kullanıcılar arasında uydu iletişimi yoluyla veri alışverişi yapmayı amaçlayan Nesnelerin İnterneti için uydu ağlarının kullanımına odaklanmıştır. Uydular, dinamik olarak konuşlandırılabilen gerçek zamanlı bağlantılar sağlamak için doğrudan IoT cihazlarına veya diğer ara toplama düğümleri (dronlar gibi) üzerinden bağlanmak için ara düğümler olarak kullanılabilir.
5G döneminin gelişiyle birlikte, Nesnelerin İnterneti, dronlar ve uyduların tümü 5G ortamında konuşlandırılacak. Bu makale, Nesnelerin İnterneti'nin, dronların ve uyduların gelecekteki 5G ortamında ortak entegrasyonunu ele alıyor, 5G modundaki Nesnelerin İnternetini, dronları ve uyduları entegre etmek için farklı olası çözümleri tartışıyor ve 5G yer uydu hibrit ağına odaklanarak Çin'deki Nesnelerin İnternetini entegre etmek için ilk çözüm ve bu entegre çözümün gelecekteki zorluklarını gösteriyor.
2. 5G Ortamında Nesnelerin, İHA'ların ve Uyduların İnterneti
Gelecekteki 5G mimarisi göz önüne alındığında, Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (ITU) farklı uygulamaları aynı performans gereksinimlerine göre gruplandırdı ve kullanıcıya üç farklı kullanım durumunda QoE verdi. Bunlardan biri, küçük bir alanda çok sayıda bağlı cihazla karakterize edilen ve genellikle az miktarda gecikmesiz hassas veri ileten büyük ölçekli makine iletişimidir (mMTC). Çoğu IoT uygulaması bu kategoriye girer. Bununla birlikte, Nesnelerin İnterneti için birçok uygulama senaryosu vardır ve bazı durumlarda sadece zemin altyapısını güçlendirerek çözülemez. Örneğin, bazı kırsal ve uzak bölgelerde, karasal iletişim altyapısını inşa etmenin (veya güçlendirmenin) ve yönetmenin ekonomik getirileri yetersizdir. İnternet bağlantısının akıllı çiftlik ve akıllı köy çözümlerine genişletilmesi ve diğer 5G uygulama senaryolarının yer altyapısının ötesine geçmesi gerekiyor. Bu durumda dronların ve uyduların tanıtılması olası çözümler olacaktır.
3GPP, karasal olmayan ağların (NTN) R15 standardında 5G ekosistemindeki olası rolünü tanımlamak için bazı araştırmalar yapmış ve karasal olmayan ağlar ile karasal ağların entegrasyonunu sağlamak için R16'da ağ perspektifinden çözümler önermiştir. Bu çözümler arasındaki temel fark, zemin dışı nesnelerde uygulanan işlevselliktir. Karasal olmayan nesneler, 5G radyo erişim ağının (RAN) kapsamını genişletmek veya omurga desteği olarak hizmet etmek için 5G kullanıcı ekipmanı (UE) ve 5G erişim noktaları (5G-gNB) arasında röle düğümleri olarak kullanılabilir. Ayrıca, 5G erişim işlemlerinde uydu iletişim ağlarını aktif düğümler olarak kullanma, yani 5G hücreleri oluşturmak için uyduları 5G-gNB olarak kullanma olasılığını araştıran bir başka çalışma da var. Bu çözümlerin her birinin avantajları ve dezavantajları vardır ve IoT uygulamaları için en uygun çözümün hangisi olduğu belirsizdir.
5G'de uydu ve drone kullanımını inceleyen ve ileride 5G ağlarında uygulanacak çözümleri geliştiren ve test eden bazı projeler de var. Örneğin, Avrupa Komisyonu tarafından finanse edilen mevcut SAT5G projesi, proje, 5G gelişmiş mobil geniş bant (eMBB) senaryosunda uydu iletişimlerinin konumlandırılmasını inceleyecek. Amacı, uygun maliyetli tak ve çalıştır uydu iletişim çözümleri sağlamak ve tüm bölgelerde 5G'nin dağıtımını hızlandırmaktır. Proje, dört farklı eMBB uydu kullanım durumunu seçti ve çalışma esas olarak (1) ağ ucu için verimli çoklu yayın / yayın içeriği dağıtımı sağlama; (2) yer ağını desteklemek için 5G bağlantı erişimi sağlama; (3) uçak Diğer mobil platformlar 5G bağlantıları sağlar; (4) Göller ve adalar gibi yer bağlantılarının konuşlandırılmasının zor olduğu alanlar için sabit 5G ana taşıyıcı bağlantıları sağlayın. EMBB uygulamalarına yardımcı olmak ve gerçek zamanlı akışlı medya uygulamaları için QoE sağlamak için uydu iletişimine ve mobil uç hesaplamaya (MEC) dayalı 5G odaklı bir ağ mimarisini tanıtan çalışmalar da vardır. Araştırma değerlendirmesi gerçek bir uydu bağlantısı üzerinden yapılır. SATis5 adlı başka bir proje, uydu ve karasal 5G ağlarını birleştiren bir göstericiyi gösterdi. Yakın zamanda başlatılan bir AB projesi 5G! Drones, dronların 5G'ye entegrasyonunu inceliyor. Nihai hedefi, 5G altyapısına dayalı çeşitli İHA kullanım durum testleri tasarlamak, uygulamak ve çalıştırmak ve 5G temel performans göstergelerini doğrulamaktır. Dikkate alınan ana kullanım örnekleri arasında drone trafik yönetimi, kamu güvenliği / kurtarma, durumsal farkındalık ve kalabalık yoğun etkinlikler sırasında bağlantı bulunur.
3. IoT, drone / uydu ve 5G entegrasyonu
5G döneminde, dronlar / uydular ve 5G karasal ağlar arasındaki entegrasyon, IoT uygulamalarını daha iyi destekleyecek ve birçok fayda sağlayacaktır. Diğer iletişim altyapısının yokluğunda, 5G uygulama senaryoları, IoT cihazları tarafından oluşturulan verileri toplamak ve iletmek için dronları ve uyduları kullanabilir. İHA'lar, ticari Nesnelerin İnternetinin kapsamını genişletmek için mobil erişim noktaları olarak kullanılabilir ve konumları ve hareket yolları uygun şekilde ayarlanıp dinamik olarak ayarlanabilir.
Dronlar / uydular ve 5G karasal ağlar arasındaki entegrasyon, çeşitli yollarla sağlanacak. Yukarıdaki teknolojileri entegre etmenin ilk adımı aşağıda tartışılacaktır. Farklı mimarileri tanıtmadan önce, ilk olarak bazı olası koşulları listeleyin:
· IoT cihazları 5G UE (Kullanıcı Ekipmanı) olarak hareket edebilir. Dezavantajı, çoğu durumda, IoT cihazlarının çok basit olması ve boyutlarının, donanımlarının ve mevcut kaynak kısıtlamalarının kesinlikle sınırlı olması ve bu nedenle 5G UE işlevlerinin taşınmasının aşırı yüklenebilmesidir.
· Drone, 5G UE, 5G-gNB (5G erişim noktası) veya şeffaf bir röle düğümü (RN) olarak kullanılabilir. İlk durumda, dronlar 5G olmayan kablosuz arayüzler (ticari veya standartlaştırılmış düşük güçlü geniş alan (LPWA) çözümleri gibi) aracılığıyla IoT cihazlarıyla iletişim kurar. İHA'lar, görünür uydular tarafından oluşturulan 5G hücrelerine bağlanabilir (uzaydaki 5G-gNB) veya RN'ler olarak hareket eden uydular aracılığıyla 5G çekirdek ağlarına erişebilir. İkinci durumda, bir 5G-gNB olarak İHA, 5G hücrelerini talep üzerine konuşlandırabilir ve cihazlar için 5G UE'ler olarak bağlantılar sağlayabilir. Üçüncü durumda, IoT cihazı bir 5G UE ise ve yer segmentinde 5G ağına bağlıysa, o zaman drone 5G iletişimi için "şeffaf bir RN" dir ve yalnızca frekans dönüştürme ve RF amplifikasyonu gerçekleştirir, böylece veriler uyduya iletilir .
· Uydular yenilenebilir faydalı yüklerle donatılmışsa 5G-gNB, şeffaf faydalı yük uyduları ise 5G UE ile 5G RAN (Radyo Erişim Ağı) arasında RN olarak kullanılabilir. Aynı durum, 5G-gNB olarak kullanılabilen veya karasal bağlantılar yoluyla 5G-gNB'ye bağlanabilen uydu ağ geçitleri için de geçerlidir.
· Yer segmenti, 5G çekirdek ağını ve 5G gNB'yi (başka bir yerde konuşlandırılmamışsa) içerir.
Karasal olmayan ağların 5G standardizasyonunun ilerlemesine göre, Şekil 1 ila 6, olası ağ mimarisi yapılandırmalarını göstermektedir (bir kullanıcı perspektifinden).
(1) 5G odaklı olmayan cihazlar olarak IoT cihazları
Spesifik olarak, Şekil 1 ila 3'te gösterilen durum, IoT cihazlarının 5G odaklı olmayan cihazlar olması ve IoT protokol yığınına dayalı arayüzlerle donatılmış olmasıdır. Bu durumda, drone bir 5G-UE gibi davranır ve Nesnelerin İnterneti ile 5G protokol yığını arasındaki dönüşümden sorumludur. Bu mimariler arasındaki fark, uyduların rolünde, yani 5G-gNB'nin konumunda yatmaktadır. Şekil 1'de uydu basit bir RN'dir ve tek amacı UAV ile uydu bağlantısı arasında iletim için gerekli olan radyo frekansı işlemeyi ve frekans dönüşümünü (RF ve FS) gerçekleştirmek olan bir "genişletici" olarak işlev görür. 5G-gNB, 5G çekirdek ağına yakın yerde yer alır ve uydular 5G-UE ile 5G-gNB arasında iletim bağlantıları sağlar. Şekil 2'de uydu hala basit bir RN'dir, ancak 5G-gNB, 5G-UE'ye daha yakındır. 5G-gNB hala yerdedir ve uydu, 5G-gNB ile 5G-CN arasında bir ana taşıyıcı görevi görür. Şekil 1 ve Şekil 2'nin mimarisi arasındaki temel fark, ikinci durumda, 5G-gNB'nin MEC gibi teknolojilerin dağıtımını kolaylaştıran ağın kenarına yakın olması ve daha düşük iletişim gecikmesi nedeniyle 5G-UE ve 5G-gNB arasında daha iyi bir uygulama olmasıdır. Etkileşim. Şekil 3'te, 5G-gNB işlevi uyduya aktarılır ve karmaşıklığı artar. Uydu tabanlı 5G-gNB, yazılım ve donanım sorunlarını içeren daha büyük teknik zorluklara sahiptir ve hemen uygulanmayacaktır. Yakın gelecekte en gerçekçi yol, uyduları RN'ler olarak kullanmaktır. Diğer "klasik" uydu iletişim protokollerini (DVBS2 gibi) yerleştiren ve uygulayan uydular da bu amaçla kullanılabilir. 5G-gNB özellikli bir uydu tasarlamak ve fırlatmak birkaç yıl alabilir.
Şekil 15G-UE drone üzerinde, uydu RN ve 5G-gNB yerde
Şekil 25G-UE drone üzerinde, 5G-gNB yerde drone'ya yakın ve uydu 5G-gNB ile 5G-CN arasında ana taşıyıcı için kullanılıyor
Şekil 3 Drone'da 5G-UE, uyduda 5G-gNB
(2) IoT cihazları tüm 5G bileşenleriyle donatılmıştır
Şekil 4 ila 6'da gösterilen ağ mimarisinde, Nesnelerin İnterneti cihazları, tüm 5G bileşenleri ile donatılmış nesneler olarak kabul edilir ve 5G hücrelerine doğrudan erişebilir, yani, Nesnelerin İnterneti cihazları 5G-UE'dir. Ancak bu tür çözümler mevcut tüm ticari IoT çözümleriyle uyumlu değildir, bu nedenle benzersiz bir 5G IoT iletişim standardı tanıtılacaktır. Bu benzersiz standart teknoloji, farklı çözümler arasındaki uyumluluk sorunlarını önleyecektir. Şekil 4, IoT cihazlarını 5G-UE olarak ve UAV'leri ve uyduları basit RN'ler olarak kullanır.Şekil 5'teki çözüm, gerekli donanım karmaşıklığının ve daha yüksek kaynak gereksinimlerinin uygun şekilde işlenmesini gerektiren uydularda 5G-gNB taşımaktır. sorumluluk. 5G-gNB'yi drone üzerine koyma durumu Şekil 6'da gösterilmektedir. İHA yazılım ve donanımının karmaşıklığını artıracaktır. Pratik açıdan bakıldığında, bu çözümler hemen uygulanamaz.
Şekil 4 IoT cihazındaki 5G-UE, dronlar ve uydular yerde RN, 5G-gNB olarak
Şekil 5 IoT cihazında 5G-UE, uyduda 5G-gNB
Şekil 6 IoT cihazlarında 5G-UE, dronlarda 5G-gNB
Tablo 1, her bir çözümün avantajlarını ve dezavantajlarını özetlemektedir.
Tablo 1 Her çözümün avantajları ve dezavantajları
4. Gelecekteki zorluklar
Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterilen çözüm, karasal olmayan ve karasal ağların 5G çerçevesi altında entegrasyonunun ilk adımı olarak kabul edilmektedir. Bu iki çözümün avantajları vardır, ancak aynı zamanda yeni zorluklar da getirir:
· Drone protokol yığını açısından, drone, IoT cihazları için bir veya daha fazla arayüzle donatılabilir. Bu şekilde, belirli veya birden çok IoT teknolojisine ve protokolüne dayalı olarak cihazlar tarafından üretilen verileri aynı anda toplayabilirler ve bu da birden çok IoT çözümünün entegrasyonunu kolaylaştırır.
· Drone, 5G-gNB radyo baz istasyonuna doğrudan erişim için ek bir arayüzle donatılabilir. Böylelikle dronlar, yerdeki 5G hücresel kapsama alanına yerleştirildiğinde, toplanan verileri uydulara veya kablosuz baz istasyonlarına göndermeyi seçebilirler. Gerekirse veriler, dönüşümlü olarak veya eşzamanlı olarak iki uydu veya kablosuz baz istasyonu bağlantısı üzerinden gönderilen çok yollu çözümleri (MP-TCP gibi) da kullanabilir.
· 5G-gNB'yi 5G-UE'ye yaklaştırmak veya uzaklaştırmak tartışmalı etkilere sahip olabilir ve etkisi araştırılmayı beklemektedir; örneğin, iletişim gecikmesi Şekil 2'nin yapısında 5G-UE ile 5G-gNB arasında daha yüksek ve 5G-gNB'den daha düşük 5G-CN ve 5G-CN arasında düşük; Şekil 3 mimarisinde tam tersi. Bilgi işlem ve depolama yetenekleri IoT cihazlarına yakınsa, MEC teknolojisi dağıtılabilir.
Yukarıdaki hususlar göz önüne alındığında, İHA'nın yazılım ve donanımının karmaşıklığını ve ayrıca enerji tüketimi problemini (bu, uçan cisimler için ciddi bir sorundur) artıracaktır, ancak bazı teknik çözümler bu eksikliği giderebilir. Örneğin, karmaşıklık, daha fazla insansız hava aracından oluşan bir insansız hava aracı sürüsüne dağıtılabilir ve sürüdeki tüm dronlar, kısa menzilli bir kablosuz arayüz (WiFi gibi) aracılığıyla bağlanır. Sürüdeki bir insansız hava aracı, uydu verilerinin gönderilmesi ve alınmasından sorumludur ve diğer dronlar, belirli erişimi desteklemek için diğer dronlardan farklı bir LPWA (düşük güçlü geniş alan) teknolojisi ile donatılmıştır.
Ele alınması gereken diğer araştırma zorlukları ve teknik konular şunları içerir:
· Yönlendirme sorunu: 5G-UE, 5G iletişimi için kullanıcı uç noktalarından oluşur, bu nedenle 5G çekirdek ağı, drona bağlı birden fazla IoT cihazını göremez. Verileri IoT cihazlarına doğru şekilde dağıtabilmesi için drone üzerinde uygun mekanizmalar uygulanmalıdır (örneğin talimatlar, talepler vb.). Karşılık gelen çözüm, IP için geliştirilen "Ağ Adresi Çevirisine" (NAT) benzer olabilir. Farklı IoT çözümlerine dayalı daha fazla cihaz aynı drone'a farklı arayüzler üzerinden bağlanırsa, bu sorun daha da zordur çünkü her çözüm kendi cihaz adres formatını kullanır ve bazı durumlarda Veya tescilli format.
· Devir sorunu: İHA'lar önceden belirlenmiş bir yola göre konum değiştirebilir ve yer eşzamanlı olmayan uydular her zaman sabit bir alanı kapsamaz. Bu, IoT cihazlarının her zaman aynı drona bağlanamayacağı ve dronların her zaman uydulara bağlı olmadığı anlamına gelir. Bu, bu farklı geçiş türleri sırasında iletişimi yönetmek için uygun bir devir mekanizması gerektirir.
Uzun vadeli depolama sorunları: Drone ile uydu arasındaki veya uydu ile uydu geçidi arasındaki uydu bağlantısında öngörülebilir veya öngörülemeyen arızalar nedeniyle, drone geçici olarak 5G çekirdek ağından ayrılabilir. Dronlar ve uydular arasındaki iletişim engellerden etkilenebilir ve engellerin neden olduğu saçılma sinyal zayıflamasını artıracaktır. Yüksek zayıflama, özellikle yüksek frekans bantlarında uydu iletişimini etkiler: Ka veya daha yüksek frekans bantlarında yağmur zayıflaması sorunu göz ardı edilemez Uydu ağ geçidi istasyonlarında, şiddetli yağış hat kesintisine neden olabilir. Bağlantı kesinti süresi, bağlantı kesintisinin nedenine (yavaş veya hızlı solma, engelin devam etmesi vb.) Bağlı olarak birkaç milisaniyeden birkaç dakikaya kadar değişir. Verileri drone üzerinde uzun süre saklayabiliyorsanız, veri, bant genişliği ve IoT cihazlarıyla bağlantı kurma fırsatlarını boşa harcamayın. Elbette bu işlevi dikkate almak, İHA'nın yazılım ve donanımının karmaşıklığını da artıracaktır.
· Güvenlik: Bazı IoT çözümleri (özellikle ticari çözümler), IoT cihazları ve kullanıcılar arasında güvenli veri alışverişini sağlamak için veri şifreleme mekanizmalarını içerecek şekilde tasarlanmıştır. Ancak, dronların ve uyduların (daha büyük gecikmeler, olası kesintiler, geçişler vb.) Desteklenen uygulamaların güvenliği üzerindeki etkisini değerlendirmek için daha fazla analiz yapılmalıdır.
Şekil 7, IoT cihazlarını, dronları ve uyduları 5G modunda entegre etme mimarisini ve daha önce bahsedilen olası zorlukları göstermektedir.
Şekil 7 IoT cihazı-UAV-uydu ve 5G mimarisi
5. Sonuç
Bu makale IoT cihazlarının, dronların ve uyduların bir 5G ortamında entegrasyonunu tanıtmaktadır. IoT cihazlarının, dronların ve uyduların rolleri ayırt edilerek farklı mimariler önerilmiştir. İHA'nın 5G-UE, uydunun RN ve 5G-gNB'nin yerde olduğu yöntem, yukarıdaki entegrasyonu sağlamanın ilk adımı olacak. Ayrıca bu makale, bu entegrasyonun karşılaşabileceği çeşitli zorlukları da sunmaktadır.
