Инженеры Массачусетского технологического института разработали метод, позволяющий адаптировать любую беспроводную сеть для обработки высокой нагрузки данных, чувствительных ко времени, поступающих из нескольких источников. Фото: Кристин Данилофф, Массачусетский технологический институт
Насколько свежи ваши данные? Для беспилотных летательных аппаратов, обыскивающих зону бедствия, или роботов, осматривающих здание, работа с самыми свежими данными является ключом к обнаружению выжившего или сообщению о потенциальной опасности. Но когда несколько роботов одновременно передают чувствительную ко времени информацию по беспроводной сети, может возникнуть затор данных. Любая информация, которая поступает, слишком устарела, чтобы рассматривать ее как полезный отчет в режиме реального времени.
Теперь у инженеров Массачусетского технологического института, возможно, есть решение. Они разработали метод, позволяющий адаптировать любую беспроводную сеть к обработке большого объема данных, чувствительных ко времени, поступающих из нескольких источников. Их новый подход, получивший название WiSwarm, настраивает беспроводную сеть для управления потоком информации из нескольких источников, обеспечивая при этом передачу по сети самых свежих данных.
Команда использовала свой метод для настройки обычного маршрутизатора Wi-Fi и показала, что специализированная сеть может действовать как эффективный регулировщик дорожного движения, способный расставлять приоритеты и передавать самые свежие данные, чтобы обеспечить работу нескольких беспилотных летательных аппаратов, отслеживающих транспортные средства.
Метод команды, который они представят в мае на Международной конференции IEEE по компьютерным коммуникациям (INFOCOM), предлагает нескольким роботам практичный способ общения по доступным сетям Wi-Fi, чтобы им не приходилось носить на борту громоздкое и дорогостоящее оборудование для связи и обработки данных.
Авторами исследования из Массачусетского технологического института являются Вишрант Трипати, Эзра Тал, Мухаммад Шахир Рахман, Александр Уоррен, Сертак Караман и Эйтан Модиано из Лаборатории информационных систем и систем принятия решений (LIDS), а также Игорь Кадота SM '16, доктор философии '20 из Колумбийского университета.
Последний в очереди
Подход команды отличается от типичного способа, с помощью которого роботы предназначены для передачи данных.
"То, что происходит в большинстве стандартных сетевых протоколов, - это подход "первым пришел, первым обслужен", - объясняет Трипати. "Приходит видеокадр, вы его обрабатываете. Приходит другой, вы его обрабатываете. Но если ваша задача чувствительна ко времени, например, попытка определить, где находится движущийся объект, то все старые видеокадры бесполезны. То, что вам нужно, - это новейший видеокадр."
Теоретически, альтернативный подход "последним вошел, первым вышел" мог бы помочь сохранить свежесть данных. Концепция похожа на то, как шеф-повар готовит первые блюда одно за другим, пока они горячие. Если вы хотите самую свежую тарелку, вам нужна последняя, которая присоединилась к очереди. То же самое относится и к данным, если вас волнует "век информации" или самые актуальные данные.
"Возраст информации - это новый показатель свежести информации, который учитывает задержку с точки зрения приложения", - объясняет Модиано. "Например, свежесть информации важна для автономного транспортного средства, которое полагается на различные входные сигналы датчиков. Датчику, который измеряет близость к препятствиям, чтобы избежать столкновения, требуется более свежая информация, чем датчику, измеряющему уровень топлива."
Команда стремилась расставить приоритеты в отношении возраста информации, включив протокол "последний входящий, первый выходящий" для нескольких роботов, работающих вместе над задачами, зависящими от времени. Они стремились сделать это по обычным беспроводным сетям, поскольку Wi-Fi широко распространен и для доступа к нему не требуется громоздкого бортового коммуникационного оборудования.
Однако у беспроводных сетей есть большой недостаток: они распределены по своей природе и не отдают приоритет получению данных из какого-либо одного источника. Затем беспроводной канал может быстро засориться, когда несколько источников одновременно отправляют данные. Даже при использовании протокола "последний вход, первый выход" могли бы возникнуть коллизии данных. При выполнении упражнения, требующего много времени, система могла бы выйти из строя.
Приоритет данных
В качестве решения команда разработала WiSwarm — алгоритм планирования, который может быть запущен на централизованном компьютере и сопряжен с любой беспроводной сетью для управления несколькими потоками данных и приоритизации самых свежих данных.
Вместо того, чтобы пытаться принимать каждый пакет данных из каждого источника в каждый момент времени, алгоритм определяет, какой источник в сети должен отправлять данные следующим. Этот источник (беспилотный летательный аппарат или робот) затем соблюдал бы протокол "последним вошел, первым вышел", чтобы отправить свою самую свежую порцию данных по беспроводной сети на центральный процессор.
Алгоритм определяет, какой источник должен передавать данные следующим, оценивая три параметра: общий вес дрона или приоритет (например, дрону, отслеживающему быстрое транспортное средство, возможно, придется обновлять данные чаще и, следовательно, он будет иметь более высокий приоритет по сравнению с дроном, отслеживающим более медленное транспортное средство); возраст дрона информации, или сколько времени прошло с тех пор, как беспилотник отправлял обновление; и надежность канала беспилотника, или вероятность успешной передачи данных.
Умножая эти три параметра для каждого дрона в любой момент времени, алгоритм может запланировать, чтобы дроны сообщали об обновлениях через беспроводную сеть по одному за раз, не засоряя систему и таким образом, чтобы предоставлять самые свежие данные для успешного выполнения задачи, требующей времени.
Команда протестировала свой алгоритм на нескольких беспилотных летательных аппаратах, отслеживающих мобильность. Они оснастили летающие дроны небольшой камерой и базовым компьютерным чипом с поддержкой Wi-Fi, который использовался для непрерывной передачи изображений на центральный компьютер вместо использования громоздкой бортовой вычислительной системы. Они запрограммировали дроны так, чтобы они пролетали над небольшими транспортными средствами, беспорядочно движущимися по земле, и следовали за ними.
Когда команда соединила сеть со своим алгоритмом, компьютер смог получать самые свежие изображения с наиболее релевантных беспилотных летательных аппаратов, которые затем использовались для отправки команд обратно дронам, чтобы удерживать их на трассе транспортного средства.
Когда исследователи проводили эксперименты с двумя дронами, метод смог передавать данные, которые были в два раза более свежими, что привело к в шесть раз лучшему отслеживанию, по сравнению с тем, когда два дрона проводили тот же эксперимент только с Wi-Fi. Когда они расширили систему до пяти беспилотных летательных аппаратов и пяти наземных транспортных средств, один только Wi-Fi не смог вместить более интенсивный трафик данных, и беспилотники быстро потеряли след наземных транспортных средств. С WiSwarm сеть была лучше оснащена и позволила всем беспилотным летательным аппаратам продолжать отслеживать свои соответствующие транспортные средства.
"Наша работа - первая, показывающая, что век информации может работать в реальных приложениях робототехники", - говорит Тал.
В ближайшем будущем дешевые и маневренные беспилотники могли бы работать вместе и обмениваться данными по беспроводным сетям для выполнения таких задач, как осмотр зданий, сельскохозяйственных полей, ветряных и солнечных ферм. В дальнейшем, по его мнению, этот подход будет необходим для управления потоковой передачей данных в "умных городах".
"Представьте, что самоуправляемые автомобили подъезжают к перекрестку, на котором установлен датчик, который видит что-то за углом", - говорит Караман. "Какая машина должна получить эти данные первой? Это проблема, когда важны сроки и свежесть данных".
