Jak vypočítat rozpočet spojení RF pro datové linky UAV

Datové spojení UAV může vypadat spolehlivě během krátkého pozemního testu a přesto selže, když letadlo dosáhne maximálního dosahu, nakloní se, stoupá nebo přenáší vysokorychlostní video stream. Obtížnost nespočívá pouze ve výběru dostatečného vysílacího výkonu; každý zisk antény, ztráta hardwaru, ztráta šířením, prahová hodnota přijímače a provozní podmínky musí být vyhodnoceny společně.

Praktický Rozpočet datového spoje UAV přeměňuje tyto proměnné na odhad přijatého výkonu a použitelné marže. Výpočet začíná případem mise, sleduje RF cestu od vysílače k ​​přijímači, přidává ztráty související s letem a odhaluje, zda si řídicí a užitečné spoje zachovávají dostatečnou rezervu.

 

Začněte s posláním, ne vzorcem

Oddělte požadavky na uplink, telemetrii a užitečné zatížení

S daty příkazů, telemetrie a užitečného zatížení by se nemělo zacházet jako s jedním obecným tokem provozu. Příkazový uplink může přenášet málo dat, ale vyžaduje nízkou latenci a velmi vysokou kontinuitu. Telemetrie může tolerovat nižší rychlost, zatímco HD video downlink může spotřebovat většinu dostupné kapacity a vyžadovat silnější signál pro svou zvolenou modulaci.

Zaznamenejte minimální propustnost užitečného zatížení, maximální přijatelnou latenci, toleranci ztráty paketů a požadovanou dostupnost pro každou službu. Použijte propustnost aplikací spíše než maximální rychlost fyzické vrstvy rádia, protože režie protokolu, opakované přenosy, řízení provozu a měnící se modulace snižují kapacitu dostupnou pro užitečné zatížení. Rozpočet datového spoje UAV by proto měl být porovnáván s alespoň dvěma prahovými hodnotami: jednou pro zachování velení a řízení a druhou pro udržení požadovaného toku videa nebo senzorů.

Vyberte nejhorší bod v letové obálce

Vzdálenost by měla představovat nejslabší realistický bod na trase, nikoli pouze inzerovaný rádius mise. Pro letadlo v jiné výšce od pozemní stanice použijte rozsah sklonu:

Rozsah sklonu = √(horizontální vzdálenost⊃2; + výškový rozdíl⊃2;)

Geometrie sama o sobě neidentifikuje nejhorší bod. Náklonové zatáčky, změny sklonu, strmé elevační úhly, návratové kurzy a umístění užitečného zatížení mohou způsobit, že pozemní stanice bude ve slabší části vzoru vzdušné antény. Správným zadáním mise je poloha a poloha letadla, které vytvářejí nejslabší důvěryhodný článek, i když je jiný bod o něco dále.

 

Dejte každý zisk a ztrátu do jednoho výpočtu

Sestavte vstupní list z jedné skutečné konfigurace rádia

Začněte s jedním kompletním provozním režimem. Nekombinujte nejvyšší vysílací výkon, úzkopásmovou citlivost, nejširší kanál a maximální datovou rychlost, pokud tyto specifikace nemohou nastat současně.

Jednotky mají různé role. dBm vyjadřuje absolutní úroveň výkonu, dBi popisuje zisk antény vzhledem k izotropnímu zářiči a dB vyjadřuje poměr zisku nebo ztráty. Protože rovnice je logaritmická, zisky se sčítají a ztráty se přímo odečítají.

Specifikace produktu musí být považovány za související provozní podmínky. Airborne série WDS DDLmesh podporuje volitelné širokopásmové a úzkopásmové šířky kanálů, adaptivní modulaci BPSK až 64QAM, nastavitelné možnosti RF výstupu, 2×2 MIMO funkce a citlivost přijímače -103 dBm při 5 MHz nebo -117 dBm při 250 kHz. Tyto hodnoty ilustrují, proč musí pracovní list nejprve vybrat šířku pásma a rychlost služby: úzkopásmovou citlivost nelze použít k prokázání, že širokopásmový tok videa bude fungovat.

Vypočítejte ztrátu dráhy ve volném prostoru z kmitočtového a šikmého rozsahu

Pro nerušenou cestu z bodu do bodu vypočítejte ztrátu cesty ve volném prostoru s frekvencí v MHz a vzdáleností v kilometrech:

FSPL (dB) = 32,4 + 20 log10 (fMHz) + 20 log10 (dkm)

Ztráta dráhy ve volném prostoru představuje referenční stav spíše než listí, difrakce terénu, zablokování draku letadla, interference nebo vychýlení antény. Tyto účinky vyžadují samostatné úpravy nebo podrobnější model šíření.

Při 2,4 GHz na 10,01 km je výpočet:

FSPL = 32,4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10,01)

FSPL ≈ 120,0 dB

Frekvence zadaná v GHz spíše než v MHz by v této verzi rovnice způsobila chybu 60 dB. Jednotky by proto měly být zobrazeny vedle každé vstupní buňky, místo aby byly ponechány v paměti.

Vypočítejte EIRP a předpokládaný přijatý výkon

Ekvivalentní izotropně vyzařovaný výkon kombinuje pojmy na vysílací straně:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Pokud vysílač produkuje 30 dBm, anténa poskytuje 2 dBi v příslušném směru a kabelová trasa ztratí 1 dB, EIRP je 31 dBm. Tato hodnota by měla být zkontrolována podle pravidel platných pro zvolenou frekvenci a provozní místo.

Předpokládaný výkon přijímače je pak:

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

Udržujte další ztráty viditelné. Jediný nevysvětlený 'bezpečnostní faktor' ztěžuje určení, zda model zahrnuje nesoulad polarizace, stínění draku letadla, chybu sledování, toleranci konektoru nebo prostředí se zvýšeným šumem. Samostatné položky také usnadňují porovnání dat pozdějších letových testů s původním rozpočtem datového spojení UAV.

Nakonec vypočítejte cesty vzduch-země a země-vzduch v samostatných sloupcích. Mohou sdílet stejnou vzdálenost a ztrátu volného prostoru, ale různé vysílací výkony, instalace antén, kabelové trasy, šířky pásma a prahové hodnoty citlivosti mohou vytvářet výrazně odlišné rezervy.

 

Rozhodněte, zda odkaz stále funguje za letu

Porovnejte přijímaný výkon se správnou hodnotou citlivosti

Citlivost přijímače není jednou trvalou charakteristikou rádia. Normálně se mění se šířkou pásma, modulací, kódováním, výkonností cílové chyby a někdy i počtem aktivních RF řetězců. Hodnota citlivosti by měla vstupovat do rozpočtu datového spojení UAV pouze tehdy, když odpovídá provoznímu režimu požadovanému aplikací.

Vypočítejte počáteční okraj odkazu jako:

Link margin = Předpokládaný přijímaný výkon − Citlivost přijímače

Pokud je předpokládaný signál -78 dBm a použitelná citlivost je -103 dBm, počáteční rezerva je 25 dB. Tento výsledek říká, že modelovaný signál je 25 dB nad vybraným prahem přijímače za předpokladů zadaných do pracovního listu.

Rezervní rezerva pro měnící se podmínky na poli

Mezera zeslabení je využitelná rezerva mezi očekávaným provozním signálem a minimální úrovní požadovanou pro vybranou službu. Absorbuje ztráty, které se mění v čase nebo je nelze přesně předvídat během plánování na pracovišti. Požadovaná rezerva závisí na kritičnosti mise, přijatelné době přerušení, prostředí cesty, frekvenci, chování antény a spolehlivosti vstupních dat.

Zahrňte přídavky na polarizační chybu, tolerance konektorů, nasměrování pozemní antény, zablokování draku letadla, částečnou překážku, vícecestné cesty a nejistotu instalace. S rušením by se mělo zacházet opatrně, protože ne vždy snižuje výkon přijímaného signálu; místo toho může zvýšit efektivní spodní hranici šumu a zvýšit úroveň signálu potřebnou pro danou datovou rychlost. V jednoduchém plánovacím listu může být tento účinek reprezentován jako konzervativní penalizace citlivosti za předpokladu, že je jasně označen.

Fresnelův prostor si zaslouží krátkou kontrolu trasy pro cesty v nízkých nadmořských výškách v blízkosti terénu, vegetace, budov nebo země. Vizuální přímka nezaručuje nerušenou oblast šíření. Tam, kde je vzdálenost sporná, je vhodnější terénní studie šíření než spoléhat se pouze na ztrátu volného prostoru.

Zohledněte polohu letadla a vzor antény

Hodnota antény ve výpočtu spojení UAV by měla být zisk vůči druhému rádiu, nikoli pouze maximální číslo vytištěné na datovém listu. Všesměrová anténa v azimutu může mít stále hluboké nulové hodnoty, zatímco instalace v blízkosti uhlíkových vláken, baterií, motorů, kabeláže, kamer nebo jiných antén může změnit její efektivní vzor.

Rolování, stoupání a vybočení proto patří do recenze designu. Nakloněná zatáčka může otočit polarizaci nebo ukazovat nulu směrem ke stanici, zatímco průlet nad hlavou může umístit pozemní anténu mimo oblast nejsilnější elevace. Nejvíce udobrý rozpočet datového spoje UAV obsahuje samostatné scénáře pro vodorovný let, maximální náklon, stoupání, přejezd nad hlavou a směr návratu.

MIMO a diverzita příjmu mohou zlepšit odolnost, ale přínos by měl následovat zdokumentovaný rádiový režim a instalované oddělení antény. Prostorové multiplexování se primárně používá ke zvýšení kapacity, zatímco diverzita je určena ke zlepšení odolnosti proti slábnutí. Přidání libovolného 'MIMO zisku' k přijatému výkonu může nadhodnocovat výkon.

Zkontrolujte oba směry propojení a oba prahové hodnoty výkonu

Obousměrné spojení je omezeno svým slabším směrem. Sestupný spoj může mít vyšší vzdušný vysílací výkon a přenášet těžký video provoz, zatímco příkazový vzestupný spoj může používat jinou pozemní anténu, nastavení kanálu nebo požadavek na citlivost. Reciprocita šíření neznamená, že kompletní řetězce zařízení jsou identické.

Dosah mise by měl být založen na tom, který práh je dosažen jako první. UAV může zůstat ovladatelný poté, co se video stream stane nepoužitelným, ale to neznamená, že byl splněn původní požadavek na datové spojení.

 

Spusťte zpracovaný příklad a poté vyzkoušejte výsledek

Dokončete jeden realistický výpočet datového spojení UAV

Uvažujme ilustrativní spojení vzduch-země 2,4 GHz s horizontálním dosahem 10 km a výškovým rozdílem 500 m. Vybraná rádiová konfigurace využívá 1 W na RF řetězec, což odpovídá 30 dBm na řetězec, a 5 MHz kanál s citlivostí -103 dBm. Příkladem je spíše výpočet než tvrzení o zaručeném rozsahu.

Rozsah sklonu je √(10⊃2; + 0,5⊃2;), neboli přibližně 10,01 km. Ztráta ve volném prostoru je asi 120 dB, zatímco EIRP je 30 + 2 − 1 nebo 31 dBm. Přijímaný výkon bude 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Porovnání −78 dBm s −103 dBm ponechává 25 dB nominální rezervy. Na papíře to vypadá proveditelně, ale předpokládá to jasnou viditelnost, přesné zisky antény, žádné nemodelované ztráty při instalaci a citlivost přijímače odpovídající požadované službě. Výpočet opačného směru musí být ještě dokončen s vlastními hodnotami vysílače, antény a přijímače.

Před schválením návrhu zátěžově otestujte rozpočet

Nominální výsledek by nyní měl být spíše zpochybněn než přijat. Předpokládejme, že nakloněná zatáčka a umístění draku způsobí ztrátu antény o 6 dB. Pokud rušení a nejistota implementace způsobí další ekvivalentní penalizaci 4 dB, dostupná rezerva klesne z 25 dB na přibližně 15 dB.

Zvýšení výkonu vysílače není vždy nejlepší první reakcí. Vyšší RF výstup může zvýšit elektrickou zátěž, rozptyl tepla, hmotnost systému, rušení a regulační vystavení, zatímco lepší umístění antény může obnovit několik decibelů bez těchto sankcí.

Letové zkoušky by měly postupovat od krátkých tras s nízkým rizikem až po kompletní obálku. Zaznamenávejte sílu přijatého signálu, SNR, modulaci, propustnost, ztrátu paketů a latenci během vodorovného odletového letu, zatáček, stoupání, průletů nad hlavou a směru návratu. Porovnáním těchto měření s výpočty scénáře se původní pracovní list převede na kalibrovaný model pro budoucí mise.

 

Závěr

Spolehlivý rozpočet datového spojení UAV by měl odrážet kompletní poslání spíše než ideální výpočet přímé viditelnosti. Kontrola obou směrů spojení, přizpůsobení citlivosti přijímače požadované rychlosti přenosu dat a umožnění orientace antény, rušení a ztrát při instalaci vytváří realističtější základ pro návrh a letové testování.

V rámci stejného procesu lze hodnotit produkty DDLmesh pro vzdušné datové spoje společnosti Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd., které týmům pomáhají porovnávat provozní konfigurace a vybrat vhodné nastavení výkonu, šířky pásma a modulace. Výsledkem je jasnější cesta od počátečního RF plánování ke spolehlivému příkazu, telemetrii a komunikaci užitečného zatížení.

 

FAQ

Otázka: Co je rozpočet na datové spojení UAV?

Odpověď: Rozpočet datového spoje UAV přidává výkon vysílače a zisky antény, odečítá ztráty cesty a hardwaru a poté porovnává předpokládaný přijímaný výkon s prahovou hodnotou přijímače.

Otázka: Jaký je základní vzorec pro rozpočet spojení RF?

Odpověď: Předpokládaný přijímaný výkon se rovná výkonu vysílače plus zisky vysílací a přijímací antény, mínus kabel, konektor, šíření, polarizace, blokování a další implementační ztráty.

Otázka: Jak velkou rezervu spojení potřebuje komunikační systém UAV?

A: Neexistuje žádný univerzální cíl. Požadovaná rezerva závisí na kritičnosti mise, frekvenci, rušení, pohybu letadla, přijatelných výpadcích a důvěře v předpoklady šíření.

Otázka: Proč by se měl pro výpočty spojení UAV používat šikmý rozsah?

Odpověď: Šikmý dosah odráží skutečnou trojrozměrnou vzdálenost mezi letadlem a pozemní stanicí, přičemž zohledňuje jak horizontální rozstup, tak výškový rozdíl.

Otázka: Měly by se rozpočty UAV pro uplink a downlink počítat odděleně?

A: Ano. Každý směr může využívat jiný vysílací výkon, antény, kabelové ztráty, šířku pásma, modulaci a citlivost přijímače, což vytváří různé provozní rezervy.

Otázka: Zvyšuje zvýšení vysílacího výkonu vždy spolehlivost spojení UAV?

Odpověď: Více energie může zvýšit sílu přijímaného signálu, ale důležitější může být umístění antény, ztráta napáječe, šířka pásma kanálu, rušení, regulační limity, teplo a spotřeba energie.