UAV-tietolinkkien RF-linkkibudjetin laskeminen

UAV-datalinkki voi näyttää luotettavalta lyhyen maatestin aikana ja epäonnistua silti, kun lentokone saavuttaa suurimman kantaman, kaatuu, nousee tai kuljettaa nopeaa videovirtaa. Vaikeus ei ole vain riittävän lähetystehon valinta; jokainen antennin vahvistus, laitteistohäviö, etenemishäviö, vastaanottimen kynnys ja toimintatila on arvioitava yhdessä.

Käytännöllinen UAV-datalinkin budjetti muuttaa nämä muuttujat arvioksi vastaanotetusta tehosta ja käytettävissä olevasta marginaalista. Laskenta alkaa tehtävän tapauksesta, seuraa RF-polkua lähettimestä vastaanottimeen, lisää lentoon liittyvät häviöt ja paljastaa, onko ohjaus- ja hyötykuormalinkeillä riittävästi reserviä.

 

Aloita tehtävästä, ei kaavasta

Erottele uplink-, telemetria- ja hyötykuormavaatimukset

Komento-, telemetria- ja hyötykuormatietoja ei pidä käsitellä yhtenä yleisenä liikennevirtana. Komento ylöslinkki voi kuljettaa vähän dataa, mutta vaatii alhaisen latenssin ja erittäin korkean jatkuvuuden. Telemetria voi sietää alhaisempaa nopeutta, kun taas HD-videon alaslinkki voi kuluttaa suurimman osan käytettävissä olevasta kapasiteetista ja vaatia vahvempaa signaalia valitulle modulaatiolle.

Kirjaa muistiin kunkin palvelun pienin hyötykuorman läpäisykyky, suurin hyväksyttävä latenssi, pakettihäviön sietokyky ja vaadittu saatavuus. Käytä sovelluksen suorituskykyä radion fyysisen kerroksen huippunopeuden sijaan, koska protokollan ylimääräiset kustannukset, uudelleenlähetykset, ohjausliikenne ja muuttuva modulaatio vähentävät hyötykuorman käytettävissä olevaa kapasiteettia. UAV-datalinkkibudjetti on siksi tarkistettava vähintään kahdella kynnysarvolla: toinen komennon ja ohjauksen ylläpitämiseksi ja toinen vaaditun video- tai anturivirran ylläpitämiseksi.

Valitse lentokuoren huonoin kohta

Etäisyyden tulee edustaa reitin heikointa realistista kohtaa, ei pelkästään mainostettua tehtävän sädettä. Jos lentokone on eri korkeudella maa-asemasta, käytä vinoetäisyyttä:

Kaltevuusalue = √(vaakaetäisyys⊃2; + korkeusero⊃2;)

Geometria ei yksin tunnista pahinta kohtaa. Kallistuskäännökset, kaltevuuden muutokset, jyrkät korkeuskulmat, paluusuunta ja hyötykuorman sijoitus voivat asettaa maa-aseman ilma-antennin heikompaan osaan. Oikea tehtäväsyöte on sijainti ja lentokoneen asenne, jotka tuottavat heikoimman uskottavan lenkin, vaikka toinen piste olisi hieman kauempana.

 

Laita kaikki voitot ja tappiot yhteen laskelmaan

Rakenna syöttöarkki yhdestä todellisesta radiokonfiguraatiosta

Aloita yhdellä täydellisellä toimintatilalla. Älä yhdistä suurinta lähetystehoa, kapeakaistaista herkkyyttä, leveintä kanavaa ja maksimidatanopeutta, jos näitä määrityksiä ei voi tapahtua samanaikaisesti.

Yksiköillä on erilaisia ​​rooleja. dBm ilmaisee absoluuttisen tehotason, dBi kuvaa antennin vahvistusta suhteessa isotrooppiseen säteilijään ja dB ilmaisee vahvistus- tai häviösuhdetta. Koska yhtälö on logaritminen, voitot lisätään ja tappiot vähennetään suoraan.

Tuotespesifikaatioita on käsiteltävä toisiinsa liittyvinä käyttöolosuhteina. WDS DDLmesh airborne -sarja tukee valittavissa olevia laaja- ja kapeakaistaisia ​​kanavaleveyksiä, mukautuvaa BPSK:ta 64QAM-modulaatioon, säädettäviä RF-lähtövaihtoehtoja, 2 × 2 MIMO-toimintoa ja vastaanottimen herkkyyttä -103 dBm taajuudella 5 MHz tai -117 dBm taajuudella 250 kHz. Nämä arvot osoittavat, miksi laskentataulukossa on ensin valittava kaistanleveys ja palvelunopeus: kapeakaistaisen herkkyyden avulla ei voida todistaa, että laajakaistainen videovirta toimii.

Laske vapaan tilan polkuhäviö taajuudesta ja vinoalueesta

Jos kyseessä on esteetön pisteestä pisteeseen -polku, laske vapaan tilan polun menetys taajuudella MHz ja etäisyydellä kilometreinä:

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

Vapaan tilan polkuhäviö edustaa vertailutilaa pikemminkin kuin lehtien, maaston diffraktiota, lentokoneen rungon tukkeutumista, häiriöitä tai antennivirheitä. Nämä vaikutukset edellyttävät erillisiä päästöoikeuksia tai yksityiskohtaisempaa leviämismallia.

2,4 GHz taajuudella 10,01 km:n ajan laskelma on:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Taajuus, joka syötetään GHz:nä MHz:n sijaan, aiheuttaisi 60 dB:n virheen tällä yhtälön versiolla. Yksiköt tulisi siksi näyttää jokaisen syötesolun vieressä sen sijaan, että ne jätettäisiin muistiin.

Laske EIRP ja ennustettu vastaanotettu teho

Vastaava isotrooppisesti säteilytetty teho yhdistää lähetyspuolen termit:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Jos lähetin tuottaa 30 dBm, antenni tuottaa 2 dBi vastaavaan suuntaan ja kaapelin polku menettää 1 dB, EIRP on 31 dBm. Tämä arvo on tarkistettava valittua taajuutta ja käyttöpaikkaa koskevien sääntöjen mukaan.

Ennustettu vastaanottimen teho on silloin:

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

Pidä lisätappiot näkyvissä. Yksi selittämätön 'turvatekijä' tekee vaikeaksi määrittää, sisältääkö malli polarisaatioepäsopivuuden, lentokoneen rungon varjostuksen, seurantavirheen, liittimen toleranssin vai kohonneen meluympäristön. Erilliset merkinnät helpottavat myös myöhempien lentotestien tietojen vertailua alkuperäiseen UAV-datalinkkibudjettiin.

Lopuksi laske ilma-maa- ja maa-ilma-reitit erillisissä sarakkeissa. Niillä voi olla sama etäisyys ja vapaan tilan häviö, mutta erilaiset lähetystehot, antenniasennukset, kaapelien kulku, kaistanleveydet ja herkkyyskynnykset voivat luoda merkittävästi erilaisia ​​marginaaleja.

 

Päätä, toimiiko linkki edelleen lennon aikana

Vertaa vastaanotettua tehoa oikeaan herkkyysarvoon

Vastaanottimen herkkyys ei ole radion pysyvä ominaisuus. Se muuttuu normaalisti kaistanleveyden, modulaation, koodauksen, tavoitevirheen suorituskyvyn ja joskus aktiivisten RF-ketjujen lukumäärän mukaan. Herkkyysarvon tulisi syöttää UAV-datalinkkibudjetti vain, kun se vastaa sovelluksen vaatimaa toimintatilaa.

Laske linkin alkuperäinen marginaali seuraavasti:

Linkin marginaali = Ennustettu vastaanottoteho − Vastaanottimen herkkyys

Jos ennustettu signaali on −78 dBm ja käytettävä herkkyys −103 dBm, alkumarginaali on 25 dB. Tämä tulos sanoo, että mallinnettu signaali on 25 dB valitun vastaanottimen kynnyksen yläpuolella laskentataulukkoon syötettyjen oletusten mukaan.

Varamarginaali muuttuviin kenttäolosuhteisiin

Häivytysmarginaali on käytettävissä oleva reservi odotetun toimintasignaalin ja valitulle palvelulle vaaditun vähimmäistason välillä. Se vaimentaa häviöitä, jotka vaihtelevat ajan myötä tai joita ei voida ennustaa tarkasti pöytäpohjaisen suunnittelun aikana. Vaadittava reservi riippuu tehtävän kriittisyydestä, hyväksyttävästä keskeytysajasta, polun ympäristöstä, taajuudesta, antennin käyttäytymisestä ja syöttötietojen luotettavuudesta.

Sisällytä polarisaatiovirheen, liittimen toleranssien, maa-antennin osoittamisen, lentokoneen rungon tukkeutumisen, osittaisen tukkeutumisen, monitie- ja asennuksen epävarmuuden rajoitukset. Häiriöitä tulee käsitellä varovasti, koska ne eivät aina vähennä vastaanotetun signaalin tehoa; sen sijaan se voi nostaa tehollista kohinan vähimmäistasoa ja lisätä tietyllä datanopeudella tarvittavaa signaalitasoa. Yksinkertaisessa suunnittelulomakkeessa tämä vaikutus voidaan esittää konservatiivisena herkkyysrangaistuksena, jos se on selvästi merkitty.

Fresnel-raivaus ansaitsee lyhyen reitin tarkastuksen matalilla poluilla lähellä maastoa, kasvillisuutta, rakennuksia tai maata. Näkönäkyvyys ei takaa häiriötöntä etenemisaluetta. Jos raivaus on kyseenalainen, maastotietoinen etenemistutkimus on tarkoituksenmukaisempi kuin luottaa pelkkään vapaan tilan menettämiseen.

Ota huomioon lentokoneen asenne ja antennikuvio

Antenniarvon UAV-linkin laskennassa tulisi olla vahvistus toiseen radioon nähden, ei vain datalehteen tulostettu enimmäismäärä. Omnisuuntaisella atsimuuttiantennilla voi silti olla syvät korkeusnollat, kun taas asennus hiilikuitujen, akkujen, moottoreiden, johtojen, kameroiden tai muiden antennien lähelle voi muuttaa sen tehokkaan kuvion.

Kierto, kallistus ja käännös kuuluvat siksi suunnitteluarviointiin. Kallistuva käännös voi kääntää polarisaatiota tai osoittaa nollapisteen asemaa kohti, kun taas yläpääsy voi sijoittaa maa-antennin vahvimman korkeusalueen ulkopuolelle. Useimmat uhyödyllinen UAV-datalinkkibudjetti sisältää erilliset skenaariot vaakasuoralle lennolle, maksimikallistukselle, nousulle, ylikulkumatkalle ja paluusuuntalle.

MIMO ja vastaanottodiversiteetti voivat parantaa kestävyyttä, mutta hyödyn pitäisi seurata dokumentoitua radiotilaa ja asennettua antennierotusta. Spatiaalista multipleksointia käytetään ensisijaisesti kapasiteetin lisäämiseen, kun taas diversiteetin tarkoituksena on parantaa kestävyyttä häipymistä vastaan. Mielivaltaisen 'MIMO-vahvistuksen' lisääminen vastaanotettuun tehoon voi yliarvioida suorituskyvyn.

Tarkista molemmat linkkien suunnat ja molemmat suorituskynnykset

Kaksisuuntaista yhteyttä rajoittaa sen heikompi suunta. Downlinkillä voi olla suurempi ilmalähetysteho ja se kuljettaa raskasta videoliikennettä, kun taas komento ylöslinkillä voi käyttää erilaista maaantennia, kanava-asetusta tai herkkyysvaatimusta. Etenemisen vastavuoroisuus ei tee kokonaisista laiteketjuista identtisiä.

Tehtäväalueen tulee perustua siihen, kumpi kynnys saavutetaan ensin. UAV voi jäädä hallittavaksi sen jälkeen, kun videovirta tulee käyttökelvottomaksi, mutta se ei tarkoita, että alkuperäinen datalinkkivaatimus on täytetty.

 

Suorita toimiva esimerkki ja haasta sitten tulos

Suorita yksi realistinen UAV-tietolinkkilaskenta

Harkitse havainnollistavaa 2,4 GHz:n ilma-maa-linkkiä, jonka vaaka-alue on 10 km ja korkeusero 500 m. Valittu radiokonfiguraatio käyttää 1 W RF-ketjua kohden, mikä vastaa 30 dBm ketjua kohti, ja 5 MHz kanavaa, jonka herkkyys on -103 dBm. Esimerkki on pikemminkin laskentatehtävä kuin taatun vaihteluvälivaatimus.

Kaltevuusalue on √(10⊃2; + 0,5⊃2;) eli noin 10,01 km. Vapaan tilan häviö on noin 120 dB, kun taas EIRP on 30 + 2 − 1 eli 31 dBm. Vastaanotetun tehon arvoksi tulee 30 + 2 - 1 - 120 + 12 - 1 = -78 dBm.

Vertaamalla −78 dBm arvoon −103 dBm jää nimellismarginaaliksi 25 dB. Se näyttää toimivalta paperilla, mutta se edellyttää selkeää näköyhteyttä, tarkat antennivahvistukset, ei mallintamattomia asennushäviöitä ja vastaanottimen herkkyyttä, joka vastaa vaadittua palvelua. Vastakkaisen suunnan laskenta on silti suoritettava omilla lähettimen, antennin ja vastaanottimen arvoilla.

Stressitestaa budjetti ennen suunnitelman hyväksymistä

Nimellinen tulos pitäisi nyt pikemminkin kyseenalaistaa kuin hyväksyä. Oletetaan, että kallistettu käännös ja lentokoneen rungon sijoitus aiheuttavat 6 dB antennikuvion häviön. Jos häiriöt ja toteutuksen epävarmuus aiheuttavat ylimääräisen 4 dB:n vastaavan sakon, käytettävissä oleva marginaali putoaa 25 dB:stä noin 15 dB:iin.

Lähettimen tehon lisääminen ei ole aina paras ensimmäinen vastaus. Suurempi RF-lähtö voi lisätä sähkökuormitusta, lämmön haihtumista, järjestelmän painoa, häiriöitä ja säännöstenmukaista altistumista, kun taas parempi antennin sijoitus voi palauttaa useita desibeleja ilman näitä seuraamuksia.

Lentotestauksen tulisi edetä lyhyistä, vähäriskisistä reiteistä koko kirjekuoreen. Tallenna vastaanotetun signaalin voimakkuus, SNR, modulaatio, suorituskyky, pakettihäviö ja latenssi tasaisen lähtevän lennon, käännösten, nousujen, ylikulkujen ja paluusuuntaan aikana. Näiden mittausten vertaaminen skenaariolaskelmiin muuntaa alkuperäisen laskentataulukon kalibroiduksi malliksi tulevia tehtäviä varten.

 

Johtopäätös

Luotettavan UAV-datalinkkibudjetin pitäisi heijastaa koko tehtävää mieluummin kuin ihanteellisen näköyhteyslaskelman. Molempien linkkien suunnan tarkistaminen, vastaanottimen herkkyyden sovittaminen vaadittuun datanopeuteen ja antennin suunnan, häiriöiden ja asennushäviöiden huomioiminen luo realistisemman perustan suunnittelulle ja lentotestaukselle.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd.:n DDLmesh-lentokoneisia datalinkkituotteita voidaan arvioida tässä samassa prosessissa, mikä auttaa tiimejä vertailemaan käyttökokoonpanoja ja valitsemaan sopivat teho-, kaistanleveys- ja modulaatioasetukset. Tuloksena on selkeämpi polku alkuperäisestä RF-suunnittelusta luotettavaan komento-, telemetria- ja hyötykuormaviestintään.

 

FAQ

K: Mikä on UAV-datalinkkibudjetti?

V: UAV-datalinkin budjetti lisää lähettimen tehon ja antennin vahvistukset, vähentää polku- ja laitteistohäviöt ja vertaa sitten ennustettua vastaanotettua tehoa vastaanottimen kynnykseen.

K: Mikä on RF-linkin perusbudjettikaava?

V: Ennustettu vastaanottoteho on yhtä suuri kuin lähettimen teho plus lähetys- ja vastaanottoantennin vahvistukset, miinus kaapeli, liitin, eteneminen, polarisaatio, tukos ja muut toteutushäviöt.

K: Kuinka paljon linkkimarginaalia UAV-viestintäjärjestelmä tarvitsee?

V: Ei ole olemassa universaalia tavoitetta. Vaadittu marginaali riippuu tehtävän kriittisyydestä, taajuudesta, häiriöistä, lentokoneen liikkeestä, hyväksyttävistä katkoksista ja luottamuksesta etenemisoletuksiin.

K: Miksi kaltevuusaluetta pitäisi käyttää UAV-linkin laskelmissa?

V: Kaltevuusalue heijastaa lentokoneen ja maa-aseman välistä todellista kolmiulotteista etäisyyttä, mikä ottaa huomioon sekä vaakaetäisyyden että korkeuseron.

K: Pitäisikö UAV:n uplink- ja downlink-budjetit laskea erikseen?

V: Kyllä. Kukin suunta voi käyttää eri lähetystehoa, antenneja, kaapelihäviöitä, kaistanleveyttä, modulaatiota ja vastaanottimen herkkyyttä, mikä tuottaa erilaisia ​​toimintamarginaaleja.

K: Parantaako lähetystehon lisääminen aina UAV-linkin luotettavuutta?

V: Enemmän tehoa voi lisätä vastaanotetun signaalin voimakkuutta, mutta antennin sijoitus, syöttöhäviö, kanavan kaistanleveys, häiriöt, säädösrajat, lämmön ja energian kulutus voivat olla tärkeämpiä.