Исследование устойчивости схем связи для доставки грузов в космическом пространстве.
Содержание
Научно-исследовательская работа по теме: Исследование устойчивости схем связи для доставки грузов в космическом пространстве.
Работу выполнил:
ученик 11 А класса
Воронин Ростислав Игоревич
Возраст 16 лет
Научный руководитель:
Рук.од. ИПЛИТ РАН
Воронин И.В.
Введение:
В настоящее время существуют много важный проблем, которые можно решить только с помощью человеческого ума. Например, одна из таких задач — это полёт космического корабля к звезде Альфа Центавра. Её можно реализовать более рациональным способом: не посылать огромный, тяжёлый шатл, для которого подняться на орбиту будет иметь крайне высокую цену, как по финансам, так и по ресурсам, а создать несколько маленьких корабликов, которые легки в транспортировке. В итоге должно получиться облако из кораблей данного типа. Такое решение позволит не создавать сверхмощные комплектующие для огромного звездолёта и перевозить огромного количества топлива, вместо этого будет много кораблей с маломощными двигателями и с малым запасом энергии. Такую идею предложил Стивен Хокингс. Как раз этот проект финансируется российским бизнесменом — Юрием Мильнером. Главной проблемой для достижения цели — является связь множества объектов в единую систему, по средствам ячеистой топологии (англ. Mesh Topology) — это сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, где рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. И вместо основных двигателей у таких кораблей будет лазерный парус, разгоняемый лучами лазера с земли.
Описание постановки задач:
Назначением нашей работы является организация связи, построение сети ячеистой топологии. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии образуется высокая отказоустойчивость. Этот тип соединения mesh-сети отлично сочетается в дистанционном управление одним или несколькими роботами. В структуре топологии узлы соединяются по принципу "каждый с каждым". Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута и следования трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом. (см. иллюстрация 2) Вариантов соединить устройства между собой существует бесконечное множество. И есть несколько практичных методов организации множества электронной техники в единую беспроводную сеть. Среди таких наиболее популярны соединение типа «звезда», где центральной точкой является организатор сети, а все остальные участники соединения находятся в зоне прямой видимости (схема представлена на иллюстрации 3). В случае выхода из строя центрального узла вся перестаёт работать в принципе. По такому принципу объединяются мобильные телефоны в зоне радиуса действия базовой станции.
Другим способом соединения устройств в единую сеть является «дерево». В этом случае каждое конечное устройство подключается к ближайшему доступному ему роутеру, а сами роутеры объединяются с друг другом через организатора сети. В случае выхода из строя любого из роутера все остальные участники сети, кто находится за ним, теряют связь. По такому принципу действует всемирная сеть, или, как её часто называют, интернет.
Лучшей альтернативой этим двум беспроводным способам является объединение Mesh. В этом случае все частники сети являются равноправными партнёрами и каждый передаёт пакет данных от одного соседа к другому по заранее написанному правилу. Условия передачи данных и присоединение новый участников сети задаются координатором сети. В любой момент времени любой участник может присоединиться к сети, так и выйти из неё. Этот вариант организации сети был предложен нами, так как он гарантирует стабильную работу сети без длительной возможности устранить неполадку в каком-либо участнике сети. И в случае выхода участника из сети вся сеть продолжить работать в штатном режиме.
Возможность создания данной фигурации сети предоставляет протокол
«ZigBee», что в переводе на русский означает «летающая зигзагом пчела».
Проведение исследования:
Для проведения исследования мы выбрали модули с технологией ZigBee, которые называются XBee S2C. Для их конфигурации потребуется системная утилита Xctu. Целью проведения эксперимента является создание на базе данных модулей ячеистой сети, исключение одного участника сети и присоединение сети. В эксперименте мы будем пользоваться распределёнными сетями, где каждый элемент таковой сети в обязательном порядке является либо координатором, либо роутером, либо конечным устройством. Координатор необходим для построения сети и прописи правил каждому участнику сети, с кем он взаимодействует. Роутер — это такой участник сети, который может присоединяться к другим роутерам и присоединяет к себе конечное устройство, которое выполняет функцию сбора данных на границе сети и в обязательном порядке должны присоединяться к роутерам. Построение всех объектов изображено на иллюстрации 5, в ней все модули связаны. На схеме мы можем видеть, как все участники сети устанавливают связь с друг другом, некоторые её уже установили, и мы видим разноцветные стрелочки и числовое значение соединения, а некоторые лишь соединяются (серые полосы).
Мы исключили одного частника. Как результат, сеть не упала и продолжает стабильно работать без одного модуля. Это состояние зафиксировано на иллюстрации 6.
На иллюстрации 7 мы изменили статус объекта с роутера на конечное устройство (end device). Оно присоединилось к сети. Связь объектов, несмотря на это, продолжал стабильно работать. Как мы видим, три объекта находятся в близости от друг друга и имеют максимальный сигнал 255 в условных единицах.
Выводы:
Таким образом в настоящей работе предложен способ организации связи множества передвижных объектов в единую систему посредством Mesh-сети. Рассмотрены принципы связи, такие как ZigBee, для решения поставленных задач. И даются рекомендации по определению местоположения каждого участника системы космических кораблей и корректировки его в пространстве относительно заданной точки. Зная, как построена наша архитектура сети, и имея данные о силе сигнала между устройствами, мы можем построить двухмерную картину распределения участников сети на плоскости, а учтивая, что наши корабли располагаются в трёхмерном пространстве, мы можем пересчитать нашу двухмерную картину в трёхмерную. И тем самым сможем определить местоположение каждого космического корабля внутри передвигающийся к Альфа Центавре всей системы. И в случае отклонения какого-либо одного космического корабля от заданного положения, вернуть его обратно на место
Литература:
http://www.tvc.ru/news/show/id/90349#211992
