یک پیوند داده پهپاد برای کنترل، تله متری و ویدیوی HD چقدر به پهنای باند نیاز دارد؟

یک پهپاد می تواند به دستورات موجود در یک جریان داده کوچک پاسخ دهد، اما وقتی پیوند رادیویی بیش از حد بارگیری می شود، ویدیوی قابل استفاده را از دست می دهد. این تضاد برنامه ریزی پهنای باند را پیچیده تر از انتخاب یک مودم بر اساس نرخ پیک تبلیغاتی آن می کند. کنترل، تله متری و ویدیوی HD خواسته های بسیار متفاوتی را برای یک اتصال ایجاد می کنند.

سوال کلیدی این است که چقدر پایدار است پهنای باند پیوند داده پهپاد هواپیما می تواند در طول پرواز واقعی حفظ کند. بخش‌های زیر هر نوع ترافیک را مقایسه می‌کند، بودجه پهنای باند عملی ایجاد می‌کند، و نحوه محافظت از کنترل و تله‌متری را در هنگام افزایش تقاضای ویدیو نشان می‌دهد.

 

هر جریان داده پهپاد چقدر از پهنای باند استفاده می کند

دستورات کنترل به ظرفیت کمی اما تحویل فوری نیاز دارند

ورودی‌های خلبان، تغییرات حالت پرواز، به‌روزرسانی‌های ایستگاه بین راه، دستورالعمل‌های بازگشت به خانه، حرکت گیمبال و محرک‌های محموله همه پیام‌های کوچکی هستند. کمک هزینه برنامه ریزی عملی تقریباً 5 تا 100 کیلوبیت در ثانیه است که شامل قدردانی و سربار پروتکل می شود. عملکرد ضعیف کنترل معمولاً ناشی از تأخیر، لرزش، از دست دادن بسته یا تراکم صف است تا کمبود ظرفیت خام.

لینک بالا هنوز به ظرفیت محافظت شده نیاز دارد زیرا بیشتر ترافیک پهپادهای با حجم بالا در جهت مخالف حرکت می کنند. یک پیوند ممکن است فضای پایین لینک کافی برای ویدیو داشته باشد اما بسته های کنترلی را در پشت ترافیک دیگر در انتظار باقی بگذارد. بنابراین، هر زمان که چندین برنامه یک رادیو را به اشتراک می گذارند، داده های فرمان باید اولویت رزرو شده را دریافت کنند.

پهنای باند نیز بدون در نظر گرفتن زمان بندی فرمان قابل ارزیابی نیست. دستورالعمل بارگیری با تأخیر ممکن است ناخوشایند باشد، در حالی که یک حالت پرواز با تأخیر یا فرمان بازیابی می تواند بلافاصله بر مأموریت تأثیر بگذارد. به همین دلیل، ترافیک کنترل باید بر اساس سازگاری پاسخ و همچنین مصرف متوسط ​​داده قضاوت شود.

تقاضای تله متری به نرخ پیام بستگی دارد

تله متری شامل موقعیت، نگرش، ارتفاع، وضعیت باتری، وضعیت ناوبری، پیشرفت ماموریت، کیفیت پیوند و سلامت محموله است. گزارش اولیه ممکن است از 10 تا 50 کیلوبیت بر ثانیه استفاده کند، در حالی که یک جریان ایستگاه کنترل زمینی معمولی معمولاً در 50 تا 300 کیلوبیت بر ثانیه قرار می گیرد. تشخیص با سرعت بالا، گزارش‌های دقیق، چندین بار یا چندین هواپیما می‌تواند کل را به 1 مگابیت در ثانیه یا بیشتر برساند.

تقاضا به اندازه و فرکانس پیام بستگی دارد. داده‌های نگرش ارسال شده ده‌ها بار در ثانیه ظرفیت بیشتری نسبت به یک به‌روزرسانی باتری ارسال شده در هر ثانیه مصرف می‌کند. MAVLink امکان تغییر فواصل پیام های فردی را فراهم می کند و به تیم ها کمک می کند تا ترافیک غیرضروری را بدون حذف داده های وضعیت بحرانی کاهش دهند.

کاهش تله متری باید انتخابی باشد تا بی رویه. داده‌های با فرکانس بالا که از ناوبری، کنترل یا آگاهی اپراتور پشتیبانی می‌کنند باید حفظ شوند، در حالی که پیام‌های اشکال زدایی تکراری می‌توانند در طول عملیات عادی کند یا غیرفعال شوند. این کار بودجه تله متری را بدون پنهان کردن تغییرات مهم در وضعیت هواپیما کارآمد نگه می دارد.

ویدیوی HD معمولاً اندازه لینک را تعیین می کند

ویدئوی فشرده معمولاً بر بودجه پهنای باند پیوند داده پهپاد غالب است. محدوده برنامه ریزی مفید حدود 2 تا 5 مگابیت در ثانیه برای 720p با سرعت 30 فریم در ثانیه، 4 تا 12 مگابیت در ثانیه برای 1080p با سرعت 30 فریم در ثانیه، 8 تا 20 مگابیت در ثانیه برای 1080p با سرعت 60 فریم در ثانیه و 15 تا 40 مگابیت در ثانیه برای نظارت بر 4K فشرده است. تقاضای واقعی با کدک، نرخ فریم، حرکت، جزئیات تصویر، نویز در نور کم، فاصله فریم کلیدی و تنظیمات کیفیت رمزگذار متفاوت است.

H.264 به طور گسترده برای ویدیوهای بسته بندی شده استفاده می شود، در حالی که H.265 می تواند نرخ بیت مورد نیاز برای کیفیت قابل مقایسه را زمانی که تجهیزات از بار پردازش اضافی پشتیبانی می کنند، کاهش دهد. هنگامی که هواپیما به سمت شاخ و برگ، آب، ساختمان‌ها یا سایر حرکات دقیق می‌چرخد، جریان‌های با نرخ بیت متغیر نیز ممکن است افزایش یابد. برای نظارت عملیاتی، یک تغذیه با نرخ بیت متوسط ​​پایدار معمولا مفیدتر از جریان تیزتر است که نزدیک لبه پوشش منجمد می شود.

این مقادیر باید به عنوان محدوده برنامه ریزی در نظر گرفته شوند، نه تنظیمات رمزگذار جهانی. دو دوربین با وضوح و نرخ فریم یکسان می‌توانند بارهای متفاوتی تولید کنند زیرا صحنه‌ها، نمایه‌های فشرده‌سازی و اهداف کیفی آنها متفاوت است. اندازه گیری جریان واقعی قابل اعتمادتر از تخمین آن از روی وضوح است.

 

چگونه یک بودجه پهنای باند واقعی بسازیم

هر جریانی را که همزمان اجرا می شود اضافه کنید

از یک فرمول ساده استفاده کنید: توان عملیاتی پایدار مورد نیاز برابر با ترافیک مداوم، انفجارهای مورد انتظار و حاشیه عملیاتی است. هر جریانی را که در همان مرحله ماموریت فعال است، بشمارید، از جمله ویدئوهای ثانویه یا حرارتی، دستورات بار، وضعیت حسگر، داشبورد، تشخیص، نقشه‌ها و انتقال گزارش. بینندگان یا هواپیماهای اضافی ممکن است ترافیک را چند برابر کنند مگر اینکه توزیع پس از رسیدن خوراک به زمین انجام شود.

لینک uplink و downlink را جداگانه محاسبه کنید زیرا برخی از رادیوها نرخ کل مشترک بین هر دو جهت را نقل می کنند. ضبط داخلی تا زمانی که فایل‌ها منتقل نشده باشند، پهنای باند رادیویی را مصرف نمی‌کند، اما دانلود بعدی می‌تواند اتصال را اشباع کند، مگر اینکه با سرعت محدود باشد. حاشیه عملیاتی باید پیک رمزگذار، سربار، ارسال مجدد، تغییر مدولاسیون و تداخل موقت را پوشش دهد.

پروازهای دوربرد، تغییر جهت آنتن، طیف متراکم یا مسیرهای رله به رزرو بیشتری نسبت به کار با برد کوتاه در یک میدان تمیز نیاز دارند. هدف از حاشیه این نیست که مشخصات را متورم کند. ثابت نگه داشتن ترافیک ضروری در طول ضعیف ترین بخش مورد انتظار ماموریت است.

از طریق یک نمونه پهپاد تک دوربینی کار کنید

یک جریان 1080p H.264 با سرعت 6 مگابیت در ثانیه، 0.1 مگابیت بر ثانیه تله متری خلبان خودکار، 0.05 مگابیت در ثانیه برای وضعیت بارگذاری و دستورات، و 0.5 تا 0.7 مگابیت در ثانیه برای داشبورد و عیب یابی متناوب را در نظر بگیرید. بار مداوم و متوسط ​​حدود 6.7-6.9 مگابیت در ثانیه است. افزودن 3 تا 5 مگابیت بر ثانیه ذخیره، حداقل هدف معقول تقریباً 10 تا 12 مگابیت در ثانیه از توان عملیاتی پایدار برنامه را ارائه می دهد.

رادیویی که با سرعت 12 مگابیت در ثانیه تبلیغ می شود به طور خودکار کافی نیست. باید آن نرخ را در فاصله مورد نظر، ارتفاع، وضعیت هواپیما، شرایط کانال و ترکیب ترافیک حفظ کند. یک دوربین دوم نرخ بیت جریان کامل خود را اضافه می کند، در حالی که چندین پهپاد نیاز به محاسبه انبوه برای هر بخش شبکه مشترک دارند.

این محدوده ها برای انتخاب اولیه مفید هستند، اما جایگزین اندازه گیری نمی شوند. خروجی رمزگذار واقعی را در حین حرکت و روشنایی واقعی ضبط کنید، سپس ترافیک غیر ویدئویی مشاهده شده را اضافه کنید. این امر هم از کوچک شدن لینک و هم از حمل وزن غیر ضروری، تقاضای توان یا ظرفیت طیف جلوگیری می کند.

 

چرا توان عملیاتی در حین پرواز از نرخ دیتاشیت کمتر است؟

PHY Rate قابل استفاده نیست پهنای باند پیوند داده پهپاد

عرض کانال، نرخ لایه فیزیکی، توان عملیاتی شبکه و توان عملیاتی موارد مختلفی را توصیف می کنند. نرخ فیزیکی شامل ظرفیت مصرف‌شده توسط کدگذاری و کادربندی است، در حالی که برنامه‌ها کمتر دریافت می‌کنند زیرا هدرها، رمزگذاری، تصحیح خطا، تصدیق‌ها، ارسال‌های مجدد، مسیریابی و مدیریت ترافیک از زمان پخش استفاده می‌کنند. بنابراین، یک عدد صفحه داده بزرگ را نمی توان به عنوان پهنای باند در دسترس دوربین و کنترلر پرواز در نظر گرفت.

رادیوهای تطبیقی ​​نیز با کاهش کیفیت سیگنال به سمت مدولاسیون و کدگذاری قوی تر حرکت می کنند. این امر اتصال را حفظ می کند، اما توان عملیاتی را کاهش می دهد، در حالی که ارسال مجدد زمان پخش بیشتری را مصرف می کند و بافر باعث تاخیر می شود. توان عملیاتی اندازه گیری شده پایدار را به جای حداکثر نرخ بدست آمده در شرایط آزمایشگاهی ایده آل مقایسه کنید.

برد و حرکت هواپیما نرخ داده را تغییر می دهد

با حرکت هواپیما، توان عملیاتی تغییر می کند. فاصله، خط دید، فاصله منطقه فرنل، ارتفاع آنتن زمین، پلاریزاسیون و تداخل همگی بر کیفیت سیگنال تأثیر می‌گذارند. بانکداری یا خمیازه کشیدن می تواند آنتن را در قسمت ضعیفی از الگوی آن قرار دهد، در حالی که باتری ها، فیبر کربن، سازه های فلزی یا محموله ها ممکن است مسیر را مسدود کنند.

تنظیمی که ویدیوی بی عیب و نقصی را روی نیمکت حمل می کند ممکن است زمانی که پهپاد بچرخد، پایین بیاید یا به دورترین قسمت مسیر خود برسد، ناپایدار شود. مشخصات ماموریت واقعی، از جمله چرخش ها و تغییرات ارتفاع را آزمایش کنید، در حالی که از دست دادن بسته، جیتر، تاخیر و توان عملیاتی پایدار را اندازه گیری کنید. برای ضعیف ترین شرایطی که هنوز اتصال مورد نیاز است برنامه ریزی کنید.

زمان پخش مشترک ظرفیت را بیشتر کاهش می دهد

دو دوربین، چندین پهپاد، فیدهای تک پخشی مجزا برای چندین بیننده، یا ترافیک نگهداری پس‌زمینه، همگی زمان پخش موجود را تقسیم می‌کنند. مسیرهای رله و مش می توانند پوشش را گسترش دهند، اما بسته های ارسال شده منابع رادیویی را در بیش از یک هاپ مصرف می کنند. بنابراین ممکن است ظرفیت انتها به انتها حتی زمانی که هر پیوند محلی سالم به نظر می رسد کاهش یابد.

محل همگرایی ترافیک را شناسایی کنید و بار ترکیبی را در آن نقطه محاسبه کنید. فرض نکنید که هر گره نرخ سرفصل کامل را به طور همزمان دریافت می کند. یک نمودار توپولوژی ساده با برچسب‌های جهت و نرخ بیت اغلب تنگناها را واضح‌تر از یک کل شبکه نشان می‌دهد.

 

نحوه اولویت بندی ترافیک و انتخاب پیوند داده مناسب

قبل از کنترل یا تله متری ویدیو را کاهش دهید

یک پیوند داده‌های ترکیبی به یک نظم سرویس واضح نیاز دارد: ابتدا دستورات پرواز، به دنبال آن پیام‌های تله‌متری ضروری و پیوند سلامت، دستورات مربوط به ایمنی، ویدیوی زنده، و در نهایت گزارش‌ها یا انتقال فایل‌ها. این سلسله مراتب مانع از به تاخیر انداختن یک بسته کوچک اما حیاتی توسط یک جریان بصری می شود. همچنین وقتی ظرفیت موجود کاهش می یابد، رفتار سیستم را قابل پیش بینی می کند.

کیفیت خدمات، صف‌های جداگانه، اولویت خدمات قابل انتخاب و محدودیت‌های نرخ، ارزش بیشتری نسبت به ظرفیت پیک استفاده نشده به تنهایی دارند. بدون آنها، یک ویدیو پشت سر هم یا دانلود فایل می تواند صف را پر کند، حتی زمانی که ترافیک متوسط ​​قابل قبول به نظر می رسد. ویدیو باید حداکثر نرخ بیت داشته باشد و انتقال پس‌زمینه باید در طول پرواز متوقف یا محدود شود.

یک استراتژی تخریب ویدیوی قابل پیش بینی تنظیم کنید

با کاهش حاشیه پیوند، ابتدا انتقال انبوه را متوقف کنید، سپس نرخ بیت ویدیو را کاهش دهید، نرخ فریم را کاهش دهید، وضوح را کاهش دهید و در صورت نیاز یک جریان ثانویه را غیرفعال کنید. کنترل ضروری و تله متری باید تا زمانی که پیوند RF بتواند آنها را پشتیبانی کند در دسترس باقی بماند. توالی باید قبل از استقرار پیکربندی شود نه اینکه در طول یک ماموریت بداهه شود.

نرخ بیت ثابت بار قابل پیش بینی ایجاد می کند اما ممکن است ظرفیت را در صحنه های ساده یا کیفیت تصویر پایین تر در صحنه های پیچیده هدر دهد. نرخ بیت متغیر به طور موثر از بیت های موجود استفاده می کند، اما می تواند انفجارهایی در نزدیکی حد لینک ایجاد کند. یک نمایه نرخ بیت متغیر محدود با حداکثر ثابت اغلب یک مصالحه قابل اجرا فراهم می کند.

آزمایش باید توان عملیاتی موجود را به تدریج کاهش دهد. قطع ناگهانی اتصال فقط ثابت می کند که پیوند ممکن است شکست بخورد. نشان نمی‌دهد که آیا صف‌ها ایجاد می‌شوند، تأخیر افزایش می‌یابد، یا رمزگذار ابتدا سازگار می‌شود. تاخیر ویدئو، پاسخ فرمان، تداوم تله متری و از دست دادن بسته را در هر مرحله ضبط کنید.

مشخصات محصول را با بودجه ماموریت مطابقت دهید

هنگامی که بودجه ترافیک مشخص شد، توان عملیاتی پایدار را در محدوده، ظرفیت uplink و downlink، تأخیر تحت بار، QoS، رابط‌ها، تنظیمات کانال، آرایش آنتن، جرم هوابرد، مصرف برق و نیازهای حرارتی مقایسه کنید. سازگاری رابط مهم است زیرا داده های کنترلی ممکن است از طریق سریال یا اترنت وارد شوند در حالی که ویدیو از طریق IP، HDMI، SDI یا CVBS وارد می شود. یک مودم سریع که به چندین مبدل نیاز دارد می تواند سیم کشی، تاخیر، وزن و نقاط خرابی را اضافه کند.

سری WDS Mesh DDLmesh هوابرد پشتیبانی می کند پهنای باند پیوند داده پهپاد قابل تنظیم برای ترافیک ترکیبی ویدئو و داده. قابلیت‌های موجود عبارتند از: عملیات باند پهن 1 تا 70 مگابیت در ثانیه در 20 مگاهرتز، عملکرد باند باریک تطبیقی 50 تا 1000 کیلوبیت بر ثانیه، QoS، اولویت سرویس قابل انتخاب، اترنت شفاف و انتقال سریال، پشتیبانی از MAVLink، پهنای کانال پهن باند قابل تنظیم از 1.25 تا 20 مگاهرتز، در مقیاس کوچک به نقطه، نقطه به نقطه، و نقطه به نقطه. حالت ها رابط‌های ویدئویی و داده‌ای همزمان همچنین به ترافیک کنترل پرواز، محموله، موقعیت‌یابی، صدا و دوربین اجازه می‌دهند تا یک سیستم ارتباطی هوابرد را به اشتراک بگذارند.

این قابلیت ها تنها نقطه شروع هستند. پیکربندی انتخاب شده را با هر جریان مورد نظر فعال در حالی که هواپیما از فواصل و جهت های معرف حرکت می کند، اعتبار سنجی کنید. خروجی برنامه، استفاده خاص جهت، کیفیت سیگنال، تأخیر، لرزش، از دست دادن بسته، و رفتار رمزگذار برای تأیید اینکه کنترل و تله متری قبل از کاهش کیفیت ویدیو قابل استفاده باقی می مانند.

 

نتیجه گیری

کنترل و تله متری معمولاً به ظرفیت بسیار کمتری نسبت به ویدیوی HD نیاز دارند، اما به اولویت بالاتر و تحویل ثابت تری نیاز دارند. بنابراین، یک هدف کاربردی پهنای باند پیوند داده پهپاد باید منعکس کننده توان عملیاتی واقعی، ترافیک همزمان، محدوده عملیاتی، تداخل و حاشیه کافی برای افزایش نرخ بیت یا شرایط لینک ضعیف تر باشد.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. پیوندهای داده هوابرد DDLmesh را ارائه می دهد که ویدئو، تله متری و انتقال داده دو طرفه را با ویژگی های شبکه با اولویت ترافیک و سازگاری ترکیب می کند. تطبیق این قابلیت‌ها با بودجه ماموریت اندازه‌گیری شده می‌تواند یکپارچه‌سازی سیستم را ساده کند و در عین حال کمک می‌کند تا دستورات حیاتی با تنظیم کیفیت ویدیو در دسترس باقی بمانند.

 

سوالات متداول

س: چه مقدار پهنای باند پیوند داده پهپاد برای ویدیوی 1080p مورد نیاز است؟

پاسخ: یک جریان فشرده 1080p معمولاً به 4 تا 12 مگابیت در ثانیه با سرعت 30 فریم در ثانیه نیاز دارد. تله متری، کنترل ترافیک، سربار پروتکل و حاشیه عملیاتی باید به طور جداگانه اضافه شوند.

س: سیگنال های کنترل و تله متری پهپاد چقدر از پهنای باند استفاده می کنند؟

پاسخ: دستورات کنترل ممکن است به 5-100 کیلوبیت در ثانیه نیاز داشته باشند، در حالی که تله متری معمول معمولاً از 10 تا 300 کیلوبیت بر ثانیه استفاده می کند. قابلیت اطمینان، تأخیر و فرکانس پیام بیشتر از ظرفیت خام اهمیت دارد.

س: آیا یک پیوند داده پهپاد می تواند کنترل، تله متری و ویدئو را حمل کند؟

پاسخ: بله، مشروط بر اینکه لینک دارای توان عملیاتی پایدار و اولویت بندی ترافیک باشد. هنگامی که تقاضای ویدیو به ظرفیت موجود نزدیک می شود، کنترل و تله متری ضروری باید اولویت داشته باشند.

س: چرا توان عملیاتی پیوند داده قابل استفاده کمتر از نرخ تبلیغ شده است؟

A: هدرهای پروتکل، رمزگذاری، تصحیح خطا، تأیید، ارسال مجدد و شرایط ضعیف سیگنال، پهنای باند در دسترس دوربین ها، کنترلرهای پرواز و برنامه های کاربردی بار را کاهش می دهند.

س: آیا محدوده ارتباطی پهپاد بر پهنای باند موجود تأثیر می گذارد؟

ج: بله. توان عملیاتی اغلب با فاصله، تداخل، ناهماهنگی آنتن، حرکت هواپیما و موانع کاهش می یابد. برنامه ریزی پهنای باند باید ضعیف ترین قسمت مورد انتظار پرواز را منعکس کند.