Koliku propusnost treba UAV podatkovna veza za kontrolu, telemetriju i HD video?

Bespilotna letjelica može odgovoriti na naredbe na sićušnom protoku podataka, ali izgubiti upotrebljiv video kada radio veza postane preopterećena. Taj kontrast čini planiranje širine pojasa kompliciranijim od odabira modema prema njegovoj oglašenoj vršnoj brzini. Kontrola, telemetrija i HD video postavljaju vrlo različite zahtjeve za istu vezu.

Ključno pitanje je koliko stabilan Propusnost podatkovne veze UAV-a koju zrakoplov može održati tijekom stvarnog leta. Odjeljci u nastavku uspoređuju svaku vrstu prometa, izrađuju praktični proračun propusnosti i pokazuju kako zaštititi kontrolu i telemetriju kada potražnja za videom raste.

 

Koliku propusnost koristi svaki tok podataka UAV-a

Kontrolne naredbe zahtijevaju mali kapacitet, ali trenutnu isporuku

Unosi pilota, promjene načina letenja, ažuriranja putnih točaka, upute za povratak kući, kretanje gimbala i okidači nosivosti sve su to male poruke. Praktični dodatak za planiranje je otprilike 5-100 kbps, uključujući potvrde i troškove protokola. Loša izvedba kontrole obično dolazi od kašnjenja, podrhtavanja, gubitka paketa ili zagušenja reda čekanja, a ne zbog nedostatka sirovog kapaciteta.

Uplink i dalje treba zaštićeni kapacitet jer većina prometa bespilotnih letjelica velike količine putuje u suprotnom smjeru. Veza može imati dovoljno mjesta za video, ali ostavlja kontrolne pakete da čekaju iza drugog prometa. Podaci o naredbama bi stoga trebali dobiti rezervirani prioritet kad god nekoliko aplikacija dijeli jedan radio.

Širina pojasa također se ne može procijeniti bez razmatranja vremena naredbe. Uputa o odgođenom teretu može biti nezgodna, dok odgođena naredba za način leta ili oporavak može odmah utjecati na misiju. Iz tog razloga, kontrolni promet treba ocjenjivati ​​prema dosljednosti odgovora kao i prosječnoj potrošnji podataka.

Zahtjev za telemetrijom ovisi o brzini poruke

Telemetrija uključuje položaj, stav, nadmorsku visinu, stanje baterije, stanje navigacije, napredak misije, kvalitetu veze i zdravlje korisnog tereta. Osnovno izvješćivanje može koristiti 10-50 kbps, dok normalni tok zemaljske kontrolne stanice obično stane unutar 50-300 kbps. Dijagnostika visoke brzine, detaljni zapisnici, nekoliko korisnih tereta ili više letjelica mogu povećati ukupnu brzinu prema 1 Mbps ili više.

Potražnja ovisi o veličini i učestalosti poruke. Podaci o stavu poslani desecima puta u sekundi troše više kapaciteta od ažuriranja baterije poslanog jednom u sekundi. MAVLink omogućuje promjenu pojedinačnih intervala poruka, pomažući timovima u smanjenju nebitnog prometa bez uklanjanja kritičnih podataka o stanju.

Smanjenje telemetrije trebalo bi biti selektivno, a ne neselektivno. Visokofrekventni podaci koji podržavaju navigaciju, kontrolu ili svijest operatera trebaju biti sačuvani, dok se ponavljajuće poruke za otklanjanje pogrešaka mogu usporiti ili onemogućiti tijekom normalnog rada. To održava proračun telemetrije učinkovitim bez skrivanja važnih promjena u stanju zrakoplova.

HD video obično određuje veličinu veze

Komprimirani video obično dominira proračunom propusnosti podatkovne veze UAV-a. Korisni rasponi planiranja su oko 2–5 Mbps za 720p pri 30 fps, 4–12 Mbps za 1080p pri 30 fps, 8–20 Mbps za 1080p pri 60 fps i 15–40 Mbps za komprimirani 4K nadzor. Stvarna potražnja varira s kodekom, brzinom sličica u sekundi, pokretom, detaljima slike, šumom pri slabom osvjetljenju, intervalom ključnih sličica i postavkama kvalitete kodera.

H.264 se široko koristi za paketni video, dok H.265 može smanjiti brzinu prijenosa potrebnu za usporedivu kvalitetu kada oprema podržava dodatno opterećenje obrade. Streamovi promjenjive brzine prijenosa također mogu skočiti kada se zrakoplov okrene prema lišću, vodi, zgradama ili drugim detaljnim pokretima. Za operativni nadzor, stabilan feed umjerene brzine prijenosa obično je korisniji od oštrijeg toka koji se zamrzava blizu ruba pokrivenosti.

Ove vrijednosti treba tretirati kao raspone planiranja, a ne univerzalne postavke kodera. Dvije kamere koje proizvode istu razlučivost i broj sličica u sekundi mogu generirati različita opterećenja jer se njihove scene, profili kompresije i ciljevi kvalitete razlikuju. Mjerenje stvarnog toka je pouzdanije od njegove procjene samo na temelju rezolucije.

 

Kako izgraditi realan proračun propusnosti

Dodajte svaki stream koji će se izvoditi u isto vrijeme

Upotrijebite jednostavnu formulu: potrebna stabilna propusnost jednaka je kontinuiranom prometu, očekivanim izbijanjima i operativnoj margini. Brojite svaki stream aktivan tijekom iste faze misije, uključujući sekundarni ili termalni video, naredbe za korisni teret, status senzora, nadzorne ploče, dijagnostiku, karte i prijenose dnevnika. Dodatni gledatelji ili zrakoplovi mogu višestruko povećati promet osim ako se distribucija ne dogodi nakon što feed stigne na tlo.

Izračunajte uzlaznu i silaznu vezu odvojeno jer neki radijski uređaji navode ukupnu stopu koja se dijeli između oba smjera. Onboard snimanje ne troši radio pojas dok se datoteke ne prenesu, ali kasnije preuzimanje može zasititi vezu osim ako nije ograničena brzinom. Radna marža trebala bi pokriti vršne vrijednosti kodera, opterećenje, retransmisije, promjenjivu modulaciju i privremene smetnje.

Let na velike udaljenosti, mijenjanje orijentacije antene, zagušeni spektar ili relejne staze zahtijevaju više rezerve od rada na kratkim udaljenostima na čistom terenu. Svrha marže nije napuhavanje specifikacije. To je održavanje osnovnog prometa stabilnim tijekom najslabijeg očekivanog dijela misije.

Rad na primjeru UAV-a s jednom kamerom

Razmotrite jedan 1080p H.264 stream pri 6 Mbps, 0,1 Mbps telemetrije autopilota, 0,05 Mbps za status korisnih podataka i naredbe te 0,5–0,7 Mbps za nadzornu ploču i povremenu dijagnostiku. Kontinuirano i prosječno opterećenje je oko 6,7–6,9 Mbps. Dodavanje 3–5 Mbps rezerve daje razuman minimalni cilj od približno 10–12 Mbps stabilne propusnosti aplikacije.

Radio koji se oglašava brzinom od 12 Mbps nije automatski dovoljan. Mora održavati tu brzinu na predviđenoj udaljenosti, visini, položaju zrakoplova, uvjetima kanala i mješavini prometa. Druga kamera dodaje vlastitu brzinu prijenosa punog toka, dok više bespilotnih letjelica zahtijeva zbirni izračun za svaki dijeljeni segment mreže.

Ovi su rasponi korisni za rani odabir, ali ne zamjenjuju mjerenje. Snimite stvarni izlaz kodera tijekom realističnog kretanja i osvjetljenja, zatim dodajte promatrani nevideo promet. Ovo sprječava premalu veličinu veze i nošenje nepotrebne težine, potražnje za energijom ili kapaciteta spektra.

 

Zašto je propusnost tijekom leta niža od stope podatkovne tablice

PHY brzina nije upotrebljiva propusnost podatkovne veze UAV-a

Širina kanala, brzina fizičkog sloja, propusnost mreže i propusnost aplikacije opisuju različite stvari. Fizička stopa uključuje kapacitet potrošen kodiranjem i okvirom, dok aplikacije primaju manje jer zaglavlja, enkripcija, ispravljanje pogrešaka, potvrde, ponovni prijenosi, usmjeravanje i upravljanje prometom koriste vrijeme emitiranja. Stoga se veliki broj podatkovne tablice ne može smatrati propusnošću koja je dostupna kameri i kontroloru leta.

Adaptivni radijski uređaji također prelaze na robusniju modulaciju i kodiranje kako kvaliteta signala opada. To čuva povezanost, ali smanjuje propusnost, dok ponovni prijenosi troše dodatno vrijeme emitiranja, a spremanje u međuspremnik dodaje kašnjenje. Usporedite stabilnu izmjerenu propusnost na dometu misije umjesto maksimalne brzine postignute u idealnim laboratorijskim uvjetima.

Domet i kretanje zrakoplova mijenjaju brzinu prijenosa podataka

Propusnost se mijenja kako se zrakoplov kreće. Udaljenost, vidna linija, razmak Fresnelove zone, visina zemaljske antene, polarizacija i smetnje utječu na kvalitetu signala. Naginjanje ili skretanje mogu postaviti antenu u slabi dio njezinog dijagrama, dok baterije, karbonska vlakna, metalne strukture ili teret mogu blokirati put.

Postavka koja prenosi besprijekoran video na stolu može postati nestabilna kada se UAV okrene, spušta ili dosegne najudaljeniji dio svoje rute. Testirajte pravi profil misije, uključujući skretanja i promjene nadmorske visine, dok mjerite gubitak paketa, podrhtavanje, latenciju i održivu propusnost. Planirajte oko najslabijeg stanja u kojem je još uvijek potrebna povezanost.

Zajedničko vrijeme emitiranja dodatno smanjuje kapacitet

Dvije kamere, nekoliko bespilotnih letjelica, odvojeni unicast feedovi za više gledatelja ili pozadinski promet održavanja dijele dostupno vrijeme emitiranja. Relejne i mrežaste staze mogu proširiti pokrivenost, ali proslijeđeni paketi troše radio resurse na više od jednog skoka. Kapacitet od kraja do kraja stoga može pasti čak i kada se svaka lokalna veza čini ispravnom.

Odredite gdje se promet skuplja i izračunajte kombinirano opterećenje na toj točki. Nemojte pretpostavljati da svaki čvor istovremeno prima punu stopu naslova. Jednostavan topološki dijagram s oznakama smjera i brzine prijenosa često jasnije otkriva uska grla nego jedan ukupni iznos za cijelu mrežu.

 

Kako odrediti prioritet prometa i odabrati pravu podatkovnu vezu

Napravite degradaciju videa prije kontrole ili telemetrije

Veza s mješovitim podacima zahtijeva jasan redoslijed usluge: prvo naredbe za let, zatim bitne telemetrije i poruke o stanju veze, naredbe vezane uz sigurnost, video uživo i na kraju zapisnici ili prijenosi datoteka. Ova hijerarhija sprječava da vizualno zahtjevan tok odgodi maleni, ali kritični paket. Također čini ponašanje sustava predvidljivim kada raspoloživi kapacitet padne.

Kvaliteta usluge, odvojeni redovi čekanja, prioritet usluge koji se može odabrati i ograničenja brzine vredniji su od samog neiskorištenog vršnog kapaciteta. Bez njih, rafalni video zapis ili preuzimanje datoteke mogu popuniti čekanje čak i kada se prosječni promet čini prihvatljivim. Video treba imati maksimalnu brzinu prijenosa, a pozadinski prijenosi trebaju biti pauzirani ili ograničeni tijekom leta.

Postavite predvidljivu strategiju degradacije videa

Kako margina veze opada, prvo pauzirajte skupne prijenose, zatim smanjite brzinu prijenosa videozapisa, smanjite broj sličica u sekundi, smanjite razlučivost i onemogućite sekundarni tok ako je potrebno. Osnovna kontrola i telemetrija trebaju ostati dostupni sve dok ih RF veza može podržavati. Redoslijed bi trebao biti konfiguriran prije postavljanja, a ne improviziran tijekom misije.

Konstantna brzina prijenosa stvara predvidljivo opterećenje, ali može izgubiti kapacitet u jednostavnim scenama ili smanjiti kvalitetu slike u složenim. Varijabilna brzina prijenosa učinkovito koristi dostupne bitove, ali može proizvesti nizove blizu ograničenja veze. Ograničeni profil varijabilne brzine prijenosa s čvrstim maksimumom često pruža izvediv kompromis.

Testiranje bi trebalo postupno smanjivati ​​dostupnu propusnost. Iznenadni prekid veze samo dokazuje da veza može zakazati; ne pokazuje stvaraju li se redovi čekanja, raste li latencija ili se koder prvi prilagođava. Snimajte kašnjenje videa, odgovor na naredbu, kontinuitet telemetrije i gubitak paketa na svakom koraku.

Uskladite specifikacije proizvoda s proračunom misije

Nakon što je proračun prometa poznat, usporedite stabilnu propusnost u dometu, kapacitet uzlazne i silazne veze, latenciju pod opterećenjem, QoS, sučelja, postavke kanala, raspored antena, masu u zraku, potrošnju energije i toplinske potrebe. Kompatibilnost sučelja je važna jer kontrolni podaci mogu stići putem serijskog ili Etherneta dok video ulazi putem IP-a, HDMI-ja, SDI ili CVBS. Brzi modem koji zahtijeva više pretvarača može dodati ožičenje, kašnjenje, težinu i točke kvara.

WDS Mesh DDLmesh serije airborne podržava konfigurabilna propusnost UAV podatkovne veze za mješoviti video i podatkovni promet. Dostupne mogućnosti uključuju 1–70 Mbps širokopojasni rad na 20 MHz, 50–1000 kbps adaptivni uskopojasni rad, QoS, odabir prioriteta usluge, transparentni Ethernet i serijski prijenos, podršku za MAVLink, konfigurabilne širine širokopojasnog kanala od 1,25 do 20 MHz i način rada od točke do točke, točke do više točaka i mreže male veličine. Simultana video i podatkovna sučelja također omogućuju kontrolu leta, teret, pozicioniranje, glas i promet kamera za dijeljenje jednog komunikacijskog sustava u zraku.

Ove sposobnosti samo su početna točka. Potvrdite odabranu konfiguraciju sa svakim planiranim aktivnim tokom dok se zrakoplov kreće kroz reprezentativne udaljenosti i orijentacije. Bilježite propusnost aplikacije, korištenje specifično za smjer, kvalitetu signala, kašnjenje, podrhtavanje, gubitak paketa i ponašanje kodera kako biste potvrdili da kontrola i telemetrija ostaju upotrebljivi prije nego što se kvaliteta videa sruši.

 

Zaključak

Kontrola i telemetrija obično zahtijevaju daleko manji kapacitet od HD videa, ali zahtijevaju veći prioritet i dosljedniju isporuku. Praktična ciljana propusnost podatkovne veze UAV-a stoga bi trebala odražavati stvarnu propusnost aplikacije, istovremeni promet, radni domet, smetnje i dovoljnu marginu za skokove brzine prijenosa ili slabije uvjete veze.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. nudi DDLmesh zračne podatkovne veze koje kombiniraju video, telemetriju i dvosmjerni prijenos podataka s prioritetom prometa i prilagodljivim mrežnim značajkama. Usklađivanje tih mogućnosti s izmjerenim proračunom misije može pojednostaviti integraciju sustava dok pomaže da kritične naredbe ostanu dostupne dok se kvaliteta videa prilagođava.

 

FAQ

P: Kolika je propusnost UAV podatkovne veze potrebna za 1080p video?

O: Komprimirani 1080p stream obično treba 4–12 Mbps pri 30 fps. Telemetriju, kontrolu prometa, troškove protokola i operativnu maržu treba dodati zasebno.

P: Koliku propusnost koriste kontrolni i telemetrijski signali UAV-a?

O: Kontrolne naredbe mogu zahtijevati oko 5-100 kbps, dok rutinska telemetrija obično koristi 10-300 kbps. Pouzdanost, latencija i učestalost poruka bitniji su od sirovog kapaciteta.

P: Može li jedna podatkovna veza UAV-a prenositi kontrolu, telemetriju i video?

O: Da, pod uvjetom da veza nudi dovoljno stabilnu propusnost i prioritet prometa. Kontrola i bitna telemetrija trebaju dobiti prioritet kada se potražnja za videom približi raspoloživom kapacitetu.

P: Zašto je korisna propusnost podatkovne veze niža od reklamirane stope?

O: Zaglavlja protokola, enkripcija, ispravljanje pogrešaka, potvrde, ponovni prijenosi i slabiji uvjeti signala smanjuju propusnost dostupnu kamerama, kontrolerima leta i korisnim aplikacijama.

P: Utječe li komunikacijski domet UAV-a na dostupnu propusnost?

O: Da. Propusnost se često smanjuje s udaljenošću, smetnjama, neusklađenošću antene, kretanjem zrakoplova i preprekama. Planiranje propusnosti treba odražavati najslabiji očekivani dio leta.