كيفية حساب ميزانية ارتباط التردد اللاسلكي لروابط بيانات الطائرات بدون طيار

قد يبدو رابط بيانات الطائرات بدون طيار موثوقًا به أثناء اختبار أرضي قصير ويظل يفشل عندما تصل الطائرة إلى أقصى مدى أو تصطف أو تتسلق أو تحمل دفق فيديو عالي السرعة. ولا تكمن الصعوبة في مجرد اختيار ما يكفي من قوة الإرسال؛ يجب تقييم كل كسب للهوائي، وفقدان الأجهزة، وخسارة الانتشار، وعتبة جهاز الاستقبال، وحالة التشغيل معًا.

عملي تعمل ميزانية وصلة بيانات الطائرات بدون طيار على تحويل هذه المتغيرات إلى تقدير للطاقة المستقبلة والهامش القابل للاستخدام. يبدأ الحساب بحالة المهمة، ويتبع مسار التردد اللاسلكي من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال، ويضيف الخسائر المرتبطة بالرحلة، ويكشف ما إذا كانت روابط التحكم والحمولة النافعة تحتفظ باحتياطي كافٍ.

 

ابدأ بالمهمة، وليس بالصيغة

افصل بين متطلبات الوصلة الصاعدة والقياس عن بعد والحمولة النافعة

لا ينبغي التعامل مع بيانات الأوامر والقياس عن بعد والحمولة على أنها تدفق حركة مرور عام واحد. قد يحمل الارتباط الصاعد للأوامر القليل من البيانات ولكنه يتطلب زمن وصول منخفض واستمرارية عالية جدًا. قد يتحمل القياس عن بعد معدلًا أقل، في حين أن الوصلة الهابطة للفيديو عالي الدقة يمكن أن تستهلك معظم السعة المتاحة وتتطلب إشارة أقوى لتعديلها المحدد.

قم بتسجيل الحد الأدنى من إنتاجية الحمولة النافعة والحد الأقصى لوقت الاستجابة المقبول وتفاوت فقدان الحزمة والتوفر المطلوب لكل خدمة. استخدم إنتاجية التطبيق بدلاً من معدل الذروة للطبقة المادية للراديو، لأن الحمل الزائد للبروتوكول، وعمليات إعادة الإرسال، والتحكم في حركة المرور، وتغيير التشكيل يقلل من السعة المتاحة للحمولة النافعة. ولذلك ينبغي التحقق من ميزانية وصلة بيانات الطائرات بدون طيار مقابل عتبتين على الأقل: واحدة للحفاظ على القيادة والتحكم، والأخرى للحفاظ على تدفق الفيديو أو المستشعر المطلوب.

اختر أسوأ نقطة في مظروف الرحلة

يجب أن تمثل المسافة أضعف نقطة واقعية في المسار، وليس مجرد نصف قطر المهمة المعلن عنه. بالنسبة للطائرة على ارتفاع مختلف عن المحطة الأرضية، استخدم النطاق المائل:

النطاق المائل = √(المسافة الأفقية⊃2; + فرق الارتفاع⊃2;)

الهندسة وحدها لا تحدد أسوأ نقطة. قد تؤدي المنعطفات المصرفية وتغييرات درجة الصوت وزوايا الارتفاع الحادة وعناوين العودة ووضع الحمولة الصافية إلى وضع المحطة الأرضية في جزء أضعف من نمط الهوائي المحمول جواً. المدخلات الصحيحة للمهمة هي الموقع وموقف الطائرة الذي ينتج أضعف رابط موثوق به، حتى عندما تكون نقطة أخرى أبعد قليلاً.

 

ضع كل المكاسب والخسائر في حساب واحد

قم ببناء ورقة إدخال من تكوين راديو فعلي واحد

ابدأ بوضع تشغيل كامل واحد. لا تجمع بين أعلى طاقة إرسال وحساسية النطاق الضيق وأوسع قناة ومعدل البيانات الأقصى عندما لا يمكن تحقيق هذه المواصفات في وقت واحد.

الوحدات لها أدوار مختلفة. يعبر dBm عن مستوى الطاقة المطلق، ويصف dBi كسب الهوائي بالنسبة إلى مشعاع متناحٍ، ويعبر dB عن نسبة الكسب أو الخسارة. ولأن المعادلة لوغاريتمية، يتم إضافة المكاسب وطرح الخسائر مباشرة.

يجب التعامل مع مواصفات المنتج على أنها ظروف تشغيل مرتبطة. تدعم سلسلة WDS DDLmesh المحمولة جواً عروض قنوات النطاق العريض والنطاق الضيق القابلة للتحديد، وBPSK التكيفي من خلال تعديل 64QAM، وخيارات إخراج التردد اللاسلكي القابلة للتعديل، ووظائف MIMO 2 × 2، وحساسية جهاز الاستقبال البالغة −103 ديسيبل مللي متر عند 5 ميجاهرتز أو −117 ديسيبل مللي متر عند 250 كيلو هرتز. توضح هذه القيم لماذا يجب على ورقة العمل تحديد عرض النطاق الترددي ومعدل الخدمة أولاً: لا يمكن استخدام حساسية النطاق الضيق لإثبات أن دفق الفيديو عريض النطاق سيعمل.

حساب خسارة المسار في الفضاء الحر من التردد والمدى المائل

للحصول على مسير من نقطة إلى نقطة دون عائق، احسب خسارة المسير في الفضاء الحر بالتردد بالميجاهرتز والمسافة بالكيلومترات:

FSPL (ديسيبل) = 32.4 + 20 log10(fMHz) + 20 log10(dkm)

تمثل خسارة المسير في الفضاء الحر حالة مرجعية وليست أوراق الشجر أو انحراف التضاريس أو انسداد هيكل الطائرة أو التداخل أو عدم محاذاة الهوائي. تتطلب هذه التأثيرات بدلات منفصلة أو نموذج انتشار أكثر تفصيلاً.

عند تردد 2.4 جيجا هرتز على مسافة 10.01 كيلومترًا، يكون الحساب كما يلي:

FSPL = 32.4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10.01)

FSPL ≈ 120.0 ديسيبل

التردد الذي يتم إدخاله بالجيجاهرتز بدلاً من ميجاهرتز قد ينتج عنه خطأ قدره 60 ديسيبل في هذا الإصدار من المعادلة. ولذلك يجب أن تظهر الوحدات بجوار كل خلية إدخال بدلاً من تركها في الذاكرة.

حساب EIRP والقدرة المستقبلة المتوقعة

تجمع القدرة المشعة المكافئة الخواص بين مصطلحات جانب الإرسال:

EIRP = Ptx + Gtx - Ltx

إذا أنتج المرسل 30 ديسيبل مللي واط، يوفر الهوائي 2 ديسيبل في الاتجاه ذي الصلة، ويفقد مسار الكابل 1 ديسيبل، وتكون القدرة المشعة المكافئة المتناحية (EIRP) 31 ديسيبل ميلي واط. ويجب التحقق من هذه القيمة مقابل القواعد التي تنطبق على التردد المختار وموقع التشغيل.

إذن طاقة المستقبل المتوقعة هي:

Prx = Ptx + Gtx − Ltx − FSPL − Ladditional + Grx − Lrx

أبقِ الخسائر الإضافية مرئية. 'عامل الأمان' الوحيد غير المفسر يجعل من الصعب تحديد ما إذا كان النموذج يتضمن عدم تطابق الاستقطاب، أو تظليل هيكل الطائرة، أو خطأ التتبع، أو تسامح الموصل، أو بيئة ضوضاء مرتفعة. تعمل الإدخالات المنفصلة أيضًا على تسهيل مقارنة بيانات اختبار الطيران اللاحقة بميزانية رابط بيانات الطائرات بدون طيار الأصلية.

وأخيرًا، قم بحساب المسارات جو-أرض وأرض-جو في أعمدة منفصلة. وقد تشترك في نفس المسافة وفقدان المساحة الحرة، ولكن اختلاف قوى الإرسال، وتركيبات الهوائي، وتشغيل الكبلات، وعرض النطاق الترددي، وعتبات الحساسية يمكن أن تخلق هوامش مختلفة بشكل كبير.

 

قرر ما إذا كان الرابط لا يزال يعمل أثناء الطيران

قارن الطاقة المستقبلة بقيمة الحساسية الصحيحة

حساسية جهاز الاستقبال ليست إحدى الخصائص الدائمة للراديو. ويتغير عادةً مع عرض النطاق الترددي والتشكيل والتشفير وأداء الخطأ المستهدف وأحيانًا عدد سلاسل الترددات اللاسلكية النشطة. يجب أن تدخل قيمة الحساسية ميزانية ارتباط بيانات الطائرات بدون طيار فقط عندما تتوافق مع وضع التشغيل الذي يتطلبه التطبيق.

احسب هامش الارتباط الأولي على النحو التالي:

هامش الارتباط = الطاقة المستقبلة المتوقعة - حساسية جهاز الاستقبال

إذا كانت الإشارة المتوقعة هي dBm 78- والحساسية المطبقة هي dBm 103-، فإن الهامش الأولي هو dB 25. تشير هذه النتيجة إلى أن الإشارة النموذجية أعلى بمقدار 25 ديسيبل من عتبة جهاز الاستقبال المحدد بموجب الافتراضات المدخلة في ورقة العمل.

هامش احتياطي لظروف الحقل المتغيرة

هامش الخبو هو الاحتياطي القابل للاستخدام بين إشارة التشغيل المتوقعة والمستوى الأدنى المطلوب للخدمة المختارة. فهو يمتص الخسائر التي تختلف مع مرور الوقت أو التي لا يمكن التنبؤ بها بدقة أثناء التخطيط المكتبي. ويعتمد الاحتياطي المطلوب على أهمية المهمة وزمن الانقطاع المقبول وبيئة المسار والتردد وسلوك الهوائي ومدى ثقة البيانات المدخلة.

قم بتضمين بدلات خطأ الاستقطاب، وتفاوتات الموصل، وتوجيه الهوائي الأرضي، وانسداد هيكل الطائرة، والعرقلة الجزئية، وتعدد المسارات، وعدم اليقين في التثبيت. ينبغي التعامل مع التداخل بعناية لأنه لا يقلل دائمًا من قدرة الإشارة المستقبلة؛ وبدلاً من ذلك، يمكنه رفع مستوى الضوضاء الفعال وزيادة مستوى الإشارة المطلوبة لمعدل بيانات معين. في ورقة تخطيط بسيطة، يمكن تمثيل هذا التأثير كعقوبة حساسية متحفظة، بشرط أن يتم تصنيفها بوضوح.

تستحق إزالة فريسنل فحصًا موجزًا ​​للمسارات على ارتفاعات منخفضة بالقرب من التضاريس أو النباتات أو المباني أو الأرض. لا يضمن خط الرؤية المرئي وجود منطقة انتشار غير مضطربة. عندما يكون التطهير موضع شك، تكون دراسة الانتشار مع مراعاة التضاريس أكثر ملاءمة من الاعتماد على فقدان الفضاء الحر وحده.

حساب موقف الطائرة ونمط الهوائي

يجب أن تكون قيمة الهوائي في حساب وصلة الطائرات بدون طيار هي الكسب تجاه جهاز الراديو الآخر، وليس مجرد الحد الأقصى للرقم المطبوع على ورقة البيانات. يمكن للهوائي متعدد الاتجاهات في السمت أن يحتوي على قيم خالية من الارتفاع العميق، في حين أن التثبيت بالقرب من ألياف الكربون أو البطاريات أو المحركات أو الأسلاك أو الكاميرات أو الهوائيات الأخرى يمكن أن يعيد تشكيل نمطه الفعال.

وبالتالي فإن التدحرج والميل والانعراج تنتمي إلى مراجعة التصميم. قد يؤدي المنعطف المائل إلى تدوير الاستقطاب أو الإشارة إلى نقطة الصفر باتجاه المحطة، في حين قد يؤدي التمرير العلوي إلى وضع الهوائي الأرضي خارج أقوى منطقة ارتفاع. الأكثر شتحتوي ميزانية ارتباط بيانات الطائرات بدون طيار الكاملة على سيناريوهات منفصلة لمستوى الطيران، والحد الأقصى للضفة، والتسلق، والعبور العلوي، وعنوان العودة.

يمكن أن يؤدي تنوع MIMO واستقباله إلى تحسين المرونة، ولكن يجب أن تتبع الفائدة وضع الراديو الموثق وفصل الهوائي المثبت. ويستخدم تعدد الإرسال المكاني في المقام الأول لزيادة السعة، بينما يهدف التنوع إلى تحسين المتانة ضد الخبو. يمكن أن تؤدي إضافة 'كسب MIMO' التعسفي إلى الطاقة المستلمة إلى المبالغة في الأداء.

تحقق من اتجاهات الارتباط وحدود الأداء

الاتصال ثنائي الاتجاه محدود باتجاهه الأضعف. قد تتمتع الوصلة الهابطة بقدرة إرسال أعلى محمولة جواً وتحمل حركة فيديو كثيفة، بينما قد تستخدم الوصلة الصاعدة للتحكم هوائيًا أرضيًا مختلفًا أو إعداد قناة أو متطلبات حساسية مختلفة. إن تبادلية الانتشار لا تجعل سلاسل المعدات الكاملة متطابقة.

يجب أن يعتمد نطاق المهمة على أي عتبة يتم الوصول إليها أولاً. قد تظل الطائرة بدون طيار قابلة للتحكم بعد أن يصبح دفق الفيديو غير قابل للاستخدام، ولكن هذا لا يعني أنه تم استيفاء متطلبات ربط البيانات الأصلية.

 

قم بتشغيل مثال عملي، ثم اعترض على النتيجة

أكمل حسابًا واقعيًا لرابط بيانات الطائرات بدون طيار

خذ بعين الاعتبار وصلة جو-أرض توضيحية بتردد 2.4 جيجاهرتز ومدى أفقي يبلغ 10 كيلومترات وفرق ارتفاع قدره 500 متر. يستخدم تكوين الراديو المحدد 1 واط لكل سلسلة تردد لاسلكي، أي ما يعادل 30 ديسيبل ميلي واط لكل سلسلة، وقناة 5 ميجا هرتز بحساسية 103- ديسيبل ميلي واط. المثال عبارة عن تمرين حسابي وليس مطالبة بنطاق مضمون.

النطاق المائل هو √(10⊃2; + 0.5⊃2;) أو حوالي 10.01 كم. وتبلغ الخسارة في الفضاء الحر حوالي 120 ديسيبل، بينما تبلغ القيمة المشعة المكافئة المتناحية (EIRP) 30 + 2 - 1، أو 31 ديسيبل ميلي واط. تصبح القدرة المستقبلة 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 ديسيبل مللي واط.

وبمقارنة −78 ديسيبل ميلي واط مع −103 ديسيبل ميلي واط يترك 25 ديسيبل من الهامش الاسمي. يبدو ذلك قابلاً للتطبيق على الورق، لكنه يفترض خط رؤية واضحًا، وكسبًا دقيقًا للهوائي، وعدم فقدان التثبيت غير النموذجي، وحساسية جهاز الاستقبال المناسبة للخدمة المطلوبة. لا يزال يتعين استكمال حساب الاتجاه المعاكس بقيم جهاز الإرسال والهوائي والمستقبل الخاص به.

اختبار الإجهاد للميزانية قبل الموافقة على التصميم

وينبغي الآن الطعن في النتيجة الاسمية بدلاً من قبولها. لنفترض أن الانعطاف المنحني ووضع هيكل الطائرة يتسببان في فقدان نمط الهوائي بمقدار 6 ديسيبل. وإذا فرض التداخل وعدم اليقين في التنفيذ عقوبة إضافية مكافئة قدرها dB 4، فإن الهامش المتاح ينخفض ​​من dB 25 إلى dB 15 تقريباً.

إن زيادة طاقة جهاز الإرسال ليست دائمًا أفضل استجابة أولى. يمكن أن يؤدي ارتفاع خرج التردد اللاسلكي إلى زيادة الحمل الكهربائي، وتبديد الحرارة، ووزن النظام، والتداخل، والتعرض التنظيمي، في حين أن وضع الهوائي بشكل أفضل قد يستعيد عدة ديسيبل دون تلك العقوبات.

يجب أن يتقدم اختبار الطيران من المسارات القصيرة ومنخفضة المخاطر إلى الغلاف الكامل. سجل قوة الإشارة المستلمة، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، والتعديل، والإنتاجية، وفقدان الحزمة، ووقت الاستجابة أثناء مستوى الطيران الصادر، والمنعطفات، والتسلق، والتمريرات العلوية، وعنوان العودة. تؤدي مقارنة هذه القياسات مع حسابات السيناريو إلى تحويل ورقة العمل الأصلية إلى نموذج معاير للبعثات المستقبلية.

 

خاتمة

يجب أن تعكس ميزانية وصلة بيانات الطائرات بدون طيار الموثوقة المهمة الكاملة بدلاً من الحساب المثالي لخط البصر. يؤدي التحقق من اتجاهي الارتباط، ومطابقة حساسية جهاز الاستقبال مع معدل البيانات المطلوب، والسماح بتوجيه الهوائي، والتداخل، وخسائر التثبيت إلى إنشاء أساس أكثر واقعية للتصميم واختبار الطيران.

يمكن تقييم منتجات وصلة البيانات المحمولة جواً DDLmesh الخاصة بشركة Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. ضمن هذه العملية نفسها، مما يساعد الفرق على مقارنة تكوينات التشغيل واختيار إعدادات الطاقة وعرض النطاق الترددي والتعديل المناسبة. والنتيجة هي مسار أكثر وضوحًا بدءًا من التخطيط الأولي للترددات اللاسلكية وحتى الأوامر التي يمكن الاعتماد عليها والقياس عن بعد واتصالات الحمولة.

 

التعليمات

س: ما هي ميزانية وصلة بيانات الطائرات بدون طيار؟

ج: تضيف ميزانية وصلة بيانات الطائرات بدون طيار طاقة جهاز الإرسال ومكاسب الهوائي، وتطرح خسائر المسار والأجهزة، ثم تقارن الطاقة المستقبلة المتوقعة مع عتبة جهاز الاستقبال.

س: ما هي الصيغة الأساسية لميزانية وصلة التردد اللاسلكي؟

ج: الطاقة المستقبلة المتوقعة تساوي قدرة جهاز الإرسال بالإضافة إلى مكاسب هوائي الإرسال والاستقبال، ناقص الكبل والموصل والانتشار والاستقطاب والانسداد وخسائر التنفيذ الأخرى.

س: ما مقدار هامش الارتباط الذي يحتاجه نظام اتصالات الطائرات بدون طيار؟

ج: لا يوجد هدف عالمي. ويعتمد الهامش المطلوب على مدى أهمية المهمة والتردد والتداخل وحركة الطائرات والانقطاعات المقبولة والثقة في افتراضات الانتشار.

س: لماذا يجب استخدام النطاق المائل لحسابات ارتباط الطائرات بدون طيار؟

ج: يعكس النطاق المائل المسافة الفعلية ثلاثية الأبعاد بين الطائرة والمحطة الأرضية، مع مراعاة الفصل الأفقي وفرق الارتفاع.

س: هل يجب حساب ميزانيات الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة للطائرات بدون طيار بشكل منفصل؟

ج: نعم. قد يستخدم كل اتجاه قدرة إرسال مختلفة، وهوائيات، وفقد الكابلات، وعرض النطاق الترددي، والتشكيل، وحساسية جهاز الاستقبال، مما ينتج هوامش تشغيل مختلفة.

س: هل تؤدي زيادة طاقة الإرسال دائمًا إلى تحسين موثوقية رابط الطائرات بدون طيار؟

ج: يمكن أن يؤدي المزيد من الطاقة إلى زيادة قوة الإشارة المستقبلة، ولكن قد يكون وضع الهوائي وفقدان وحدة التغذية وعرض النطاق الترددي للقناة والتداخل والحدود التنظيمية والحرارة واستهلاك الطاقة أكثر أهمية.