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技術探索

無人機救災通訊應用

工研院資通所 康又升、何承運

近年來天然災害不但日益頻繁,而且由規模較小、災情較為單純的災害,轉變為規模巨大化、災因與災情複雜化,甚至形成被稱為「複合型」的巨大災害。當大型災難發生時,受困於災難現場的人員,必須在黃金72小時內搶救出來,否則生還機會極為微弱,因此在災難發生之初,最重要的是要集中所有救難資源搶救受困人員。然而,行動網路基礎建設有可能在大型自然災害後毀損癱瘓,無法通訊的情況下增加救災的困難度。藉由無人機的高機動性、即時性以及便利性,在基礎網路被破壞的災區裡,達成災區資訊即時傳輸,讓搶救人員可以藉由無人機搭建臨時空中無線中繼骨幹網路,與前進指揮所進行溝通,讓前進指揮所快速掌握災情,並搶救災害區域的民眾。

無人機救災通訊技術

利用無人機攜帶網路通訊裝置在災區快速建立空中無線中繼骨幹網路,依環境限制自動形成無線骨幹拓撲,當無線連結中斷時立即啟動自動修復機制,並在修復期間自動將經過的封包導向備援路徑。而當網路拓撲更動調整時,自動反應調整路由規劃,維持穩定的空中無線中繼骨幹網路連線。無人機於空中即時偵測通訊品質參數及無人機所在位置,經由自適應調配演算法調整無人機至最合適飛行姿態及機間距離,達到較佳的通訊品質。同時,具有遠端指揮管理系統能即時掌握網路連結現況,達到部署快速反應之目的。希望能提供救災人員可臨時布建之救災通訊無人機技術解決方案,以解決災區通訊基礎建設毀壞所造成的通訊不易之情況。圖1為救災通訊無人機技術解決方案,其中無人機隊之間是以Wi-Fi直連(Wi-Fi Direct)的方式串接起來,藉以快速布建空中無線中繼網路,而無人機可搭載Wi-Fi熱點(AP)或4G/LTE小型基站,提供網路通訊服務,讓受災災民可以提供災情給救災人員知道,救災人員也可以將災情回報給前進指揮所和指揮中心。

圖1 救災通訊無人機技術解決方案

圖1 救災通訊無人機技術解決方案

國內廠商目前僅開發傳統無線分散式系統(Wireless Distribution System, WDS)路由設備,採集中式路由,有單點失效(single point of failure)的隱憂亦無法支援捷徑(short cut)。此外,國內亦尚未有以無人機隊做為無線中繼節點之概念應用。而國外無人機隊做為無線中繼節點之概念尚在驗證起步中,以日本東北大學的無人機無線中繼為例,僅單點中繼,且最長滯空時間不超過1小時。本團隊利用無人機隊升空,以延伸並擴大訊號覆蓋範圍,在空中形成一個多跳(multi-hop)無線中繼骨幹網路,可依布建範圍需求而採多台串接延伸至災區內,在基礎網路建設被破壞的災區裡,達成災區資訊即時傳輸,而分散式路由架構使網路具有更好的強健性及捷徑路由能力,有效協助救災的工作,加速救援腳步,達到真正的機動性、即時性與便利性的應用。

ITRI自適應網路拓樸技術

.多跳無線中繼技術
   在大規模災害發生當下,造成基地台倒塌、基礎網路建設損毀時,又或者因為水災、地震等原因造成需救難的區域沒有網路時,無人機隊的多跳
   無線中繼網路能力就提供了即時延伸網路涵蓋範圍的能力。當單台無人機攜帶Wi-Fi熱點進入救難區域時,其涵蓋率有限,不一定能抵達距離較
   遠之區域,此時就能透過無人機隊建立機對機通訊連結來延伸無線網路的範圍。

.分散式路由技術
   當無人機布建完災區網路後,可能會有多個無人機能連結到沒倒塌的基地台所發送的訊號,此時,就可以使用多個具備對外連線的無人機來分散
   災區所需要的對外連線。另一方面,每個節點皆以智慧路由演算法計算權重,做出最佳路由決策,所以封包傳遞路徑是依照當下網路布局進行動
   態路由,因此不需要中央控制器,可以有效避免網路因為中央控制器失效時,無法串接空中無線中繼骨幹網路的問題。本空中無線中繼骨幹網路
   中可存在多個對外網路節點(multiple outbound link),存取網際網路的封包會自動經由適當的對外網路節點作轉送。

.捷徑路由技術
   當具備分散式路由技術的空中無線中繼無人機進入災區時,將建立網狀(mesh)通訊連結拓樸的空中無線中繼骨幹網路,此時若需要連線至對
   外網路時,無人機將使用距離最近的對外通訊之無人機進行數據傳輸。本技術可以有效減少多跳中繼時所經過的無人機數量,並且減少災區對外
   連線時的通訊延遲。每個路由節點都會自行選擇路徑較短的對外路由節點進行對外通訊,如圖2中,S1節點自動選擇O1節點作為對外路由之節
   點,S2節點自動選擇O2路由作為最佳路由節點,就不會因為經過太多路由節點導致網路使用效率下降。

.容錯轉移技術
   當無人機隊當成無線中繼節點時,無人機之間的鏈路韌性就成為一個必須克服的議題。本技術做為強化無人機隊通訊鏈路韌性的功能,在無人機
   需緊急迫降或者本來提供對外連線之無人機無法提供網路時,將自動切換到其他可對外連線的無人機,等待迫降之無人機重新上線之後,將自行
   恢復無人機之間的通訊鏈路如下圖所示。圖2中,內部路由如果遇到通訊鏈路中斷時,將自動轉移到備援鏈路,而當通訊鏈路修復時就會自動還
   原至原本的最佳通訊鏈路。而在對外路由方面,當S1節點與最佳對外路由節點O1的通訊鏈路中斷時,將自動選擇次佳的對外路由節點O2,而當
   O1的路由節點與S1之間的通訊鏈路恢復後,S1節點將自動選擇最佳的路由節點O1進行對外連線。

圖2 容錯轉移技術

圖2 容錯轉移技術

空中建立無線中繼骨幹網路技術

發展以無人機隊快速部署空中無線中繼骨幹網路,彌補失去通訊的地面區域,延伸無線網路的涵蓋範圍。以網狀網路智慧路由能力,藉由空中無線中繼無人機組織成網狀拓樸形成更密集的救災通訊網,提升救災通訊網的涵蓋率及可靠度。因應無人機救災通訊所開發的智慧自動組態建立技術,能達到最佳3D空間頻道選擇,減少無線訊號干擾的狀況。因應布建策略改變而需要調整網路拓樸時,能夠自動迅速反應調整路由規劃,保持最適合的封包傳遞路徑。當偵測到無線連結中斷時,啟動連線自我修復機制,並自動迅速選擇備援路徑,維持網路通訊。

無人機救災通訊應用

參與新北市消防局防災通訊演習

本系統於2019年7月9日受新北市政府消防局邀請參與年度防災通訊演練,藉由無人機搭載通訊基地台,展示無人機中繼通訊,並示範深入孤島災區架設通訊網路,來解決災區通訊問題,對未來無人機產業技術做加值應用服務。在圖3中,展示多台無人機在空中串接無線骨幹網路,並透過前進指揮所的對外網路節點接取對外網路,將對外網路透過空中無線骨幹網路延伸至孤島災區。同時,提供空中網路熱點供地面搜救人員持行動裝置連上取得通訊。另一方面,透過無人機搭載Wi-Fi熱點或4G/LTE小型基站,使得無線中繼骨幹網路上的熱點皆可存取網際網路。而前進指揮所可藉由圖形化管理介面即時監控救災通訊的網路狀態。

圖3 參與新北市消防局防災通訊演習

圖3 參與新北市消防局防災通訊演習

結論

本通訊方法具備無線連結中斷偵測與自我修復功能,在網路拓撲改變時自動反應,同時調整路由規劃。無人機建立空中骨幹網路並結合Wi-Fi/4G/LTE等無線相關技術,提供救災人員或災區民眾手機連接存取,再透過無線中繼骨幹網路中繼傳輸至地面的對外網路節點用以對外通訊,使得災區之災民與救災人員之間保有通訊能力,以加速救災進行。此外,本通訊系統具有圖形化介面之遠端網路管理系統,讓操作人員即時監控網路狀態以及網路參數配置,並有效提升救災行動之通訊能力。