So berechnen Sie ein RF-Link-Budget für UAV-Datenlinks

Eine UAV-Datenverbindung kann während eines kurzen Bodentests zuverlässig aussehen und dennoch scheitern, wenn das Flugzeug die maximale Reichweite erreicht, sich neigt, steigt oder einen Videostream mit hoher Geschwindigkeit überträgt. Die Schwierigkeit besteht nicht einfach darin, genügend Sendeleistung auszuwählen; Jeder Antennengewinn, jeder Hardwareverlust, jeder Ausbreitungsverlust, jeder Empfängerschwellenwert und jeder Betriebszustand müssen gemeinsam bewertet werden.

Ein praktisches Das UAV-Datenverbindungsbudget wandelt diese Variablen in eine Schätzung der empfangenen Leistung und der nutzbaren Marge um. Die Berechnung beginnt mit dem Missionsfall, folgt dem HF-Pfad vom Sender zum Empfänger, addiert flugbedingte Verluste und zeigt, ob Steuer- und Nutzlastverbindungen über genügend Reserven verfügen.

 

Beginnen Sie mit der Mission, nicht mit der Formel

Trennen Sie die Uplink-, Telemetrie- und Nutzlastanforderungen

Befehls-, Telemetrie- und Nutzlastdaten sollten nicht als ein allgemeiner Verkehrsstrom behandelt werden. Ein Befehls-Uplink überträgt möglicherweise nur wenige Daten, erfordert jedoch eine geringe Latenz und eine sehr hohe Kontinuität. Telemetrie toleriert möglicherweise eine niedrigere Rate, während ein HD-Video-Downlink den größten Teil der verfügbaren Kapazität verbrauchen kann und ein stärkeres Signal für die ausgewählte Modulation erfordert.

Notieren Sie den minimalen Nutzlastdurchsatz, die maximal akzeptable Latenz, die Paketverlusttoleranz und die erforderliche Verfügbarkeit für jeden Dienst. Nutzen Sie den Anwendungsdurchsatz anstelle der Spitzenrate der physikalischen Schicht des Funkgeräts, da Protokoll-Overhead, Neuübertragungen, Kontrollverkehr und sich ändernde Modulation die für die Nutzlast verfügbare Kapazität verringern. Das UAV-Datenverbindungsbudget sollte daher anhand von mindestens zwei Schwellenwerten überprüft werden: einem für die Aufrechterhaltung von Befehl und Kontrolle und einem anderen für die Aufrechterhaltung des erforderlichen Video- oder Sensorstreams.

Wählen Sie den schlechtesten Punkt im Flugbereich

Die Entfernung sollte den schwächsten realistischen Punkt der Route darstellen und nicht nur den angekündigten Missionsradius. Für ein Flugzeug in einer anderen Höhe als die Bodenstation verwenden Sie die Neigungsreichweite:

Neigungsbereich = √(horizontaler Abstand⊃2; + Höhenunterschied⊃2;)

Die Geometrie allein lässt den schlimmsten Punkt nicht erkennen. Schräglagen, Neigungsänderungen, steile Höhenwinkel, Rückkehrkurse und die Platzierung der Nutzlast können dazu führen, dass sich die Bodenstation in einem schwächeren Teil des Flugantennenmusters befindet. Die richtige Missionseingabe ist die Position und Fluglage des Flugzeugs, die die schwächste glaubwürdige Verbindung herstellen, selbst wenn ein anderer Punkt etwas weiter entfernt ist.

 

Fassen Sie jeden Gewinn und Verlust in einer Berechnung zusammen

Erstellen Sie ein Eingabeblatt aus einer tatsächlichen Funkkonfiguration

Beginnen Sie mit einer vollständigen Betriebsart. Kombinieren Sie nicht die höchste Sendeleistung, die Schmalbandempfindlichkeit, den breitesten Kanal und die maximale Datenrate, wenn diese Spezifikationen nicht gleichzeitig erfüllt werden können.

Die Einheiten haben unterschiedliche Rollen. dBm drückt einen absoluten Leistungspegel aus, dBi beschreibt den Antennengewinn relativ zu einem isotropen Strahler und dB drückt ein Gewinn- oder Verlustverhältnis aus. Da die Gleichung logarithmisch ist, werden Gewinne direkt addiert und Verluste subtrahiert.

Produktspezifikationen müssen als verknüpfte Betriebsbedingungen behandelt werden. Die WDS DDLmesh Airborne-Serie unterstützt wählbare Breitband- und Schmalband-Kanalbreiten, adaptive BPSK bis 64QAM-Modulation, einstellbare HF-Ausgangsoptionen, 2×2 MIMO-Funktionen und eine Empfängerempfindlichkeit von –103 dBm bei 5 MHz oder –117 dBm bei 250 kHz. Diese Werte veranschaulichen, warum das Arbeitsblatt zuerst eine Bandbreite und eine Servicerate auswählen muss: Die Schmalbandempfindlichkeit kann nicht zum Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Breitbandvideostreams verwendet werden.

Berechnen Sie den Freiraum-Pfadverlust aus Frequenz und Neigungsbereich

Berechnen Sie für einen ungehinderten Punkt-zu-Punkt-Pfad den Freiraum-Pfadverlust mit der Frequenz in MHz und der Entfernung in Kilometern:

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

Der Verlust des Freiraumpfads stellt eher einen Referenzzustand dar als Laub, Geländebeugung, Flugzeugblockierung, Interferenz oder Antennenfehlausrichtung. Diese Effekte erfordern gesonderte Berücksichtigungen oder ein detaillierteres Ausbreitungsmodell.

Bei 2,4 GHz über 10,01 km ergibt sich folgende Berechnung:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Eine Frequenzeingabe in GHz statt MHz würde bei dieser Version der Gleichung einen Fehler von 60 dB erzeugen. Einheiten sollten daher neben jeder Eingabezelle angezeigt werden, anstatt im Speicher zu bleiben.

Berechnen Sie EIRP und die vorhergesagte Empfangsleistung

Die äquivalente isotrop abgestrahlte Leistung kombiniert die sendeseitigen Terme:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Wenn der Sender 30 dBm erzeugt, die Antenne 2 dBi in die entsprechende Richtung liefert und die Kabelstrecke 1 dB verliert, beträgt die EIRP 31 dBm. Dieser Wert sollte anhand der Regeln überprüft werden, die für die gewählte Frequenz und den Betriebsstandort gelten.

Die vorhergesagte Empfängerleistung beträgt dann:

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

Halten Sie zusätzliche Verluste sichtbar. Ein einzelner ungeklärter „Sicherheitsfaktor“ macht es schwierig zu bestimmen, ob das Modell Polarisationsfehlanpassung, Flugzeugzellenabschattung, Spurfehler, Steckertoleranz oder eine Umgebung mit erhöhtem Rauschen aufweist. Separate Einträge erleichtern auch den Vergleich späterer Flugtestdaten mit dem ursprünglichen UAV-Datenverbindungsbudget.

Berechnen Sie abschließend die Luft-Boden- und Boden-Luft-Pfade in separaten Spalten. Sie haben möglicherweise die gleiche Entfernung und den gleichen Freiraumverlust, aber unterschiedliche Sendeleistungen, Antenneninstallationen, Kabelwege, Bandbreiten und Empfindlichkeitsschwellen können zu deutlich unterschiedlichen Margen führen.

 

Entscheiden Sie, ob die Verbindung im Flug noch funktioniert

Vergleichen Sie die empfangene Leistung mit dem richtigen Empfindlichkeitswert

Die Empfängerempfindlichkeit ist keine dauerhafte Eigenschaft eines Funkgeräts. Sie ändert sich normalerweise mit der Bandbreite, der Modulation, der Kodierung, der Zielfehlerleistung und manchmal auch mit der Anzahl der aktiven HF-Ketten. Ein Empfindlichkeitswert sollte nur dann in das UAV-Datenverbindungsbudget aufgenommen werden, wenn er dem von der Anwendung geforderten Betriebsmodus entspricht.

Berechnen Sie die anfängliche Linkmarge wie folgt:

Link-Marge = Vorhergesagte Empfangsleistung − Empfängerempfindlichkeit

Wenn das vorhergesagte Signal –78 dBm beträgt und die anwendbare Empfindlichkeit –103 dBm beträgt, beträgt die anfängliche Marge 25 dB. Dieses Ergebnis besagt, dass das modellierte Signal unter den im Arbeitsblatt eingegebenen Annahmen 25 dB über dem ausgewählten Empfängerschwellenwert liegt.

Reservereserve für sich ändernde Feldbedingungen

Die Fade-Marge ist die nutzbare Reserve zwischen dem erwarteten Betriebssignal und dem für den ausgewählten Dienst erforderlichen Mindestpegel. Es fängt Verluste auf, die zeitlich variieren oder bei der Schreibtischplanung nicht genau vorhersehbar sind. Die erforderliche Reserve hängt von der Missionskritikalität, der akzeptablen Unterbrechungszeit, der Pfadumgebung, der Frequenz, dem Antennenverhalten und der Zuverlässigkeit der Eingabedaten ab.

Berücksichtigen Sie Polarisationsfehler, Steckertoleranzen, Ausrichtung der Bodenantenne, Blockierung der Flugzeugzelle, teilweise Behinderung, Mehrwegeausbreitung und Installationsunsicherheit. Mit Störungen sollte vorsichtig umgegangen werden, da sie nicht immer die empfangene Signalleistung verringern. Stattdessen kann es das effektive Grundrauschen erhöhen und den für eine bestimmte Datenrate erforderlichen Signalpegel erhöhen. In einem einfachen Planungsblatt kann dieser Effekt als konservativer Sensitivitätsnachteil dargestellt werden, sofern er klar gekennzeichnet ist.

Für Wege in geringer Höhe in der Nähe von Gelände, Vegetation, Gebäuden oder dem Boden ist eine kurze Überprüfung der Fresnel-Freiheit erforderlich. Eine Sichtverbindung ist keine Garantie für ein ungestörtes Ausbreitungsgebiet. Wenn der Abstand fraglich ist, ist eine geländebezogene Ausbreitungsstudie angemessener, als sich allein auf den Verlust des freien Raums zu verlassen.

Berücksichtigen Sie die Fluglage und das Antennenmuster des Flugzeugs

Der Antennenwert in einer UAV-Verbindungsberechnung sollte der Gewinn zum anderen Funkgerät sein und nicht nur die maximale Zahl, die auf einem Datenblatt angegeben ist. Eine omnidirektionale Antenne im Azimut kann immer noch tiefe Höhennullpunkte aufweisen, während die Installation in der Nähe von Kohlefaser, Batterien, Motoren, Kabeln, Kameras oder anderen Antennen ihr effektives Muster verändern kann.

Rollen, Nicken und Gieren gehören daher in die Designprüfung. Eine überhöhte Kurve kann die Polarisation drehen oder einen Nullpunkt auf die Station richten, während ein Überkopfflug die Bodenantenne möglicherweise außerhalb des stärksten Höhenbereichs platziert. Am meisten duDas zuverlässige UAV-Datenverbindungsbudget enthält separate Szenarien für Horizontalflug, maximale Querneigung, Steigflug, Überkopftransit und Rückkehrkurs.

MIMO und Empfangsdiversität können die Ausfallsicherheit verbessern, der Nutzen sollte sich jedoch aus dem dokumentierten Funkmodus und der installierten Antennentrennung ergeben. Räumliches Multiplexing dient in erster Linie der Kapazitätserhöhung, während Diversity die Robustheit gegenüber Fading verbessern soll. Das Hinzufügen einer willkürlichen „MIMO-Verstärkung“ zur empfangenen Leistung kann die Leistung überbewerten.

Überprüfen Sie beide Linkrichtungen und beide Leistungsschwellenwerte

Eine bidirektionale Verbindung wird durch ihre schwächere Richtung begrenzt. Der Downlink verfügt möglicherweise über eine höhere Sendeleistung in der Luft und überträgt starken Videoverkehr, während der Befehls-Uplink möglicherweise eine andere Bodenantenne, Kanaleinstellung oder Empfindlichkeitsanforderung verwendet. Die Reziprozität der Ausbreitung führt nicht dazu, dass die gesamten Ausrüstungsketten identisch sind.

Die Missionsreichweite sollte auf dem zuerst erreichten Schwellenwert basieren. Ein UAV bleibt möglicherweise steuerbar, nachdem der Videostream unbrauchbar geworden ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die ursprüngliche Anforderung an die Datenverbindung erfüllt ist.

 

Führen Sie ein ausgearbeitetes Beispiel durch und hinterfragen Sie dann das Ergebnis

Führen Sie eine realistische UAV-Datenverbindungsberechnung durch

Stellen Sie sich eine beispielhafte 2,4-GHz-Luft-Boden-Verbindung mit einer horizontalen Reichweite von 10 km und einem Höhenunterschied von 500 m vor. Die ausgewählte Funkkonfiguration verwendet 1 W pro HF-Kette, was 30 dBm pro Kette entspricht, und einen 5-MHz-Kanal mit einer Empfindlichkeit von –103 dBm. Bei dem Beispiel handelt es sich eher um eine Berechnungsübung als um einen Anspruch auf eine garantierte Reichweite.

Die Neigungsreichweite beträgt √(10⊃2; + 0,5⊃2;) oder etwa 10,01 km. Der Freiraumverlust beträgt etwa 120 dB, während EIRP 30 + 2 − 1 oder 31 dBm beträgt. Die empfangene Leistung beträgt 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Beim Vergleich von −78 dBm mit −103 dBm verbleibt ein nominaler Spielraum von 25 dB. Auf dem Papier sieht das machbar aus, setzt aber eine klare Sichtlinie, genaue Antennengewinne, keine nicht modellierten Installationsverluste und eine für den erforderlichen Dienst geeignete Empfängerempfindlichkeit voraus. Die Gegenrichtungsberechnung muss noch mit den eigenen Sender-, Antennen- und Empfängerwerten abgeschlossen werden.

Führen Sie einen Stresstest des Budgets durch, bevor Sie den Entwurf genehmigen

Das nominelle Ergebnis sollte nun eher in Frage gestellt als akzeptiert werden. Angenommen, eine Steilkurve und die Platzierung der Flugzeugzelle verursachen einen Antennenmusterverlust von 6 dB. Wenn Interferenzen und Implementierungsunsicherheiten eine zusätzliche äquivalente Strafe von 4 dB erfordern, sinkt der verfügbare Spielraum von 25 dB auf etwa 15 dB.

Eine Erhöhung der Sendeleistung ist nicht immer die beste erste Reaktion. Eine höhere HF-Leistung kann die elektrische Belastung, die Wärmeableitung, das Systemgewicht, die Interferenzen und die behördliche Belastung erhöhen, während eine bessere Antennenplatzierung ohne diese Nachteile mehrere Dezibel einbringen kann.

Die Flugerprobung sollte von kurzen, risikoarmen Strecken bis hin zur vollständigen Flugprüfung erfolgen. Zeichnen Sie die Stärke des empfangenen Signals, das SNR, die Modulation, den Durchsatz, den Paketverlust und die Latenz während des horizontalen Hinflugs, bei Kurvenfahrten, Steigflügen, Überflügen und dem Rückflug auf. Durch den Vergleich dieser Messungen mit den Szenarioberechnungen wird das ursprüngliche Arbeitsblatt in ein kalibriertes Modell für zukünftige Missionen umgewandelt.

 

Abschluss

Ein zuverlässiges UAV-Datenverbindungsbudget sollte die gesamte Mission widerspiegeln und nicht eine ideale Sichtlinienberechnung. Durch die Überprüfung beider Verbindungsrichtungen, die Anpassung der Empfängerempfindlichkeit an die erforderliche Datenrate und die Berücksichtigung von Antennenausrichtung, Interferenzen und Installationsverlusten entsteht eine realistischere Grundlage für Design und Flugtests.

Die luftgestützten DDLmesh-Datenverbindungsprodukte von Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. können im Rahmen desselben Prozesses bewertet werden, was Teams dabei hilft, Betriebskonfigurationen zu vergleichen und geeignete Leistungs-, Bandbreiten- und Modulationseinstellungen auszuwählen. Das Ergebnis ist ein klarerer Weg von der anfänglichen RF-Planung bis zur zuverlässigen Befehls-, Telemetrie- und Nutzlastkommunikation.

 

FAQ

F: Wie hoch ist das Budget für UAV-Datenverbindungen?

A: Ein UAV-Datenverbindungsbudget addiert Senderleistung und Antennengewinne, subtrahiert Pfad- und Hardwareverluste und vergleicht dann die vorhergesagte Empfangsleistung mit dem Empfängerschwellenwert.

F: Wie lautet die grundlegende Budgetformel für RF-Verbindungen?

A: Die vorhergesagte Empfangsleistung entspricht der Sendeleistung zuzüglich der Sende- und Empfangsantennengewinne, abzüglich Kabel-, Stecker-, Ausbreitungs-, Polarisations-, Blockierungs- und anderer Implementierungsverluste.

F: Wie viel Link-Marge benötigt ein UAV-Kommunikationssystem?

A: Es gibt kein universelles Ziel. Der erforderliche Spielraum hängt von der Missionskritikalität, der Häufigkeit, den Störungen, der Flugzeugbewegung, den akzeptablen Ausfällen und dem Vertrauen in die Ausbreitungsannahmen ab.

F: Warum sollte die Neigungsreichweite für UAV-Verbindungsberechnungen verwendet werden?

A: Die Neigungsreichweite spiegelt die tatsächliche dreidimensionale Entfernung zwischen dem Flugzeug und der Bodenstation wider und berücksichtigt sowohl den horizontalen Abstand als auch den Höhenunterschied.

F: Sollten UAV-Uplink- und Downlink-Budgets separat berechnet werden?

A: Ja. Jede Richtung kann unterschiedliche Sendeleistung, Antennen, Kabelverluste, Bandbreite, Modulation und Empfängerempfindlichkeit verwenden, was zu unterschiedlichen Betriebsmargen führt.

F: Verbessert eine Erhöhung der Sendeleistung immer die Zuverlässigkeit der UAV-Verbindung?

A: Mehr Leistung kann die Stärke des empfangenen Signals erhöhen, aber Antennenplatzierung, Einspeisungsdämpfung, Kanalbandbreite, Interferenzen, behördliche Grenzwerte, Wärme und Energieverbrauch können jedoch wichtiger sein.