Kako izračunati proračun RF veze za UAV podatkovne veze

Podatkovna veza UAV-a može izgledati pouzdano tijekom kratkog zemaljskog testiranja, ali i dalje neće uspjeti kada zrakoplov dosegne maksimalni domet, nagne se, penje se ili prenosi video stream visoke brzine. Poteškoća nije jednostavno odabrati dovoljnu snagu prijenosa; svaki dobitak antene, gubitak hardvera, gubitak propagacije, prag prijamnika i radni uvjeti moraju se procijeniti zajedno.

Praktično Proračun podatkovne veze UAV-a pretvara te varijable u procjenu primljene snage i korisne margine. Izračun počinje s slučajem misije, prati RF putanju od odašiljača do prijamnika, dodaje gubitke povezane s letom i otkriva imaju li veze za kontrolu i nosivost dovoljno rezerve.

 

Počnite s misijom, a ne s formulom

Odvojite zahtjeve za uzlaznu vezu, telemetriju i korisni teret

Komandni, telemetrijski i korisni podaci ne bi se trebali tretirati kao jedan generički tok prometa. Uplink naredbe može nositi malo podataka, ali zahtijeva nisku latenciju i vrlo visok kontinuitet. Telemetrija može tolerirati nižu stopu, dok HD video silazna veza može zauzeti većinu raspoloživog kapaciteta i zahtijevati jači signal za odabranu modulaciju.

Zabilježite minimalnu propusnost korisnog tereta, maksimalnu prihvatljivu latenciju, toleranciju gubitka paketa i potrebnu dostupnost za svaku uslugu. Koristite propusnost aplikacije radije nego vršnu brzinu fizičkog sloja radija, jer opterećenje protokola, ponovni prijenosi, kontrola prometa i mijenjanje modulacije smanjuju kapacitet dostupan korisnom teretu. Proračun podatkovne veze UAV-a stoga treba provjeriti u odnosu na najmanje dva praga: jedan za održavanje zapovijedanja i kontrole, a drugi za održavanje potrebnog video ili senzorskog toka.

Odaberite najlošiju točku u ovojnici leta

Udaljenost bi trebala predstavljati najslabiju realnu točku na ruti, a ne samo oglašeni radijus misije. Za zrakoplov na različitoj visini od zemaljske stanice, koristite nagnuti domet:

Raspon nagiba = √(vodoravna udaljenost⊃2; + visinska razlika⊃2;)

Sama geometrija ne identificira najgoru točku. Nagnuti zaokreti, promjene nagiba, strmi kutovi elevacije, povratni smjerovi i smještaj korisnog tereta mogu staviti zemaljsku postaju u slabiji dio dijagrama zračne antene. Točan unos misije je položaj i položaj zrakoplova koji stvaraju najslabiju vjerodostojnu vezu, čak i kada je neka druga točka malo dalje.

 

Stavite svaki dobitak i gubitak u jedan izračun

Izradite ulazni list od jedne stvarne radijske konfiguracije

Započnite s jednim potpunim načinom rada. Nemojte kombinirati najveću snagu prijenosa, uskopojasnu osjetljivost, najširi kanal i maksimalnu brzinu prijenosa podataka kada se te specifikacije ne mogu pojaviti istovremeno.

Jedinice imaju različite uloge. dBm izražava apsolutnu razinu snage, dBi opisuje pojačanje antene u odnosu na izotropni radijator, a dB izražava omjer dobitka ili gubitka. Budući da je jednadžba logaritamska, dobici se dodaju, a gubici izravno oduzimaju.

Specifikacije proizvoda moraju se tretirati kao povezani radni uvjeti. Zračna serija WDS DDLmesh podržava odabir širokopojasnih i uskopojasnih širina kanala, prilagodljivu BPSK kroz 64QAM modulaciju, podesive opcije RF izlaza, 2×2 MIMO funkcije i osjetljivost prijemnika od −103 dBm na 5 MHz ili −117 dBm na 250 kHz. Ove vrijednosti ilustriraju zašto radna tablica prvo mora odabrati propusnost i brzinu usluge: uskopojasna osjetljivost ne može se koristiti za dokazivanje da će širokopojasni videostream funkcionirati.

Izračunajte gubitke na putu slobodnog prostora iz frekvencije i raspona nagiba

Za nesmetan put od točke do točke, izračunajte gubitak putanje slobodnog prostora s frekvencijom u MHz i udaljenošću u kilometrima:

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

Gubitak putanje u slobodnom prostoru predstavlja referentno stanje, a ne lišće, difrakciju terena, blokadu konstrukcije zrakoplova, smetnje ili neusklađenost antene. Ti učinci zahtijevaju posebna dopuštenja ili detaljniji model širenja.

Na 2,4 GHz preko 10,01 km, izračun je:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Frekvencija unesena u GHz umjesto u MHz proizvela bi pogrešku od 60 dB s ovom verzijom jednadžbe. Jedinice bi stoga trebale biti prikazane pored svake ulazne ćelije umjesto da budu prepuštene memoriji.

Izračunajte EIRP i predviđenu primljenu snagu

Ekvivalentna izotropno zračena snaga kombinira članove na strani prijenosa:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Ako odašiljač proizvodi 30 dBm, antena daje 2 dBi u relevantnom smjeru, a kabelska putanja gubi 1 dB, EIRP je 31 dBm. Ovu vrijednost treba provjeriti prema pravilima koja se primjenjuju na odabranu frekvenciju i mjesto rada.

Predviđena snaga prijemnika je tada:

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

Držite dodatne gubitke vidljivima. Jedan neobjašnjeni 'sigurnosni faktor' otežava određivanje uključuje li model neusklađenost polarizacije, zasjenjenje okvira zrakoplova, pogrešku praćenja, toleranciju konektora ili okruženje s povišenom bukom. Zasebni unosi također olakšavaju usporedbu kasnijih podataka testiranja leta s izvornim proračunom podatkovne veze UAV-a.

Na kraju, izračunajte putanje zrak-zemlja i zemlja-zrak u zasebnim stupcima. Oni mogu dijeliti istu udaljenost i gubitak slobodnog prostora, ali različite snage odašiljanja, antenske instalacije, kabelske linije, širine pojasa i pragovi osjetljivosti mogu stvoriti značajno različite margine.

 

Odlučite radi li veza i dalje tijekom leta

Usporedite primljenu snagu s pravom vrijednošću osjetljivosti

Osjetljivost prijemnika nije stalna karakteristika radija. Obično se mijenja s širinom pojasa, modulacijom, kodiranjem, izvedbom ciljne pogreške, a ponekad i brojem aktivnih RF lanaca. Vrijednost osjetljivosti trebala bi ući u proračun podatkovne veze UAV-a samo kada odgovara načinu rada koji zahtijeva aplikacija.

Izračunajte početnu marginu veze kao:

Margina veze = Predviđena primljena snaga − Osjetljivost prijemnika

Ako je predviđeni signal -78 dBm, a primjenjiva osjetljivost -103 dBm, početna margina je 25 dB. Taj rezultat kaže da je modelirani signal 25 dB iznad odabranog praga prijemnika prema pretpostavkama unesenim u radnu tablicu.

Rezervna marža za promjenjive uvjete na terenu

Fade margin je korisna rezerva između očekivanog radnog signala i minimalne razine potrebne za odabranu uslugu. Apsorbira gubitke koji variraju s vremenom ili se ne mogu precizno predvidjeti tijekom planiranja temeljenog na stolu. Potrebna pričuva ovisi o kritičnosti misije, prihvatljivom vremenu prekida, okruženju staze, frekvenciji, ponašanju antene i pouzdanosti ulaznih podataka.

Uključite dopuštenja za pogrešku polarizacije, tolerancije konektora, usmjeravanje zemaljske antene, blokadu okvira zrakoplova, djelomičnu opstrukciju, višestaznost i nesigurnost instalacije. Smetnjama treba pažljivo postupati jer one ne smanjuju uvijek snagu primljenog signala; umjesto toga, može podići efektivni prag buke i povećati razinu signala potrebnu za određenu brzinu prijenosa podataka. U jednostavnom listu za planiranje taj se učinak može prikazati kao konzervativna kazna osjetljivosti, pod uvjetom da je jasno označen.

Fresnelov razmak zaslužuje kratku provjeru rute za staze na niskim nadmorskim visinama u blizini terena, vegetacije, zgrada ili tla. Vizualni vidokrug ne jamči neometano područje širenja. Tamo gdje je udaljenost upitna, studija širenja s obzirom na teren je prikladnija nego oslanjanje samo na gubitak slobodnog prostora.

Uzmite u obzir položaj zrakoplova i dijagram antene

Vrijednost antene u izračunu veze UAV trebala bi biti dobitak prema drugom radiju, a ne samo maksimalni broj ispisan na podatkovnoj tablici. Višesmjerna antena u azimutu još uvijek može imati duboke nulte točke elevacije, dok instalacija u blizini karbonskih vlakana, baterija, motora, žica, kamera ili drugih antena može preoblikovati njezin učinkoviti uzorak.

Roll, pitch i yaw stoga spadaju u pregled dizajna. Nagnuti zaokret može rotirati polarizaciju ili usmjeriti nulu prema stanici, dok prolaz iznad glave može postaviti zemaljsku antenu izvan područja najveće elevacije. Najviše uSjevan proračun podatkovne veze UAV-a sadrži zasebne scenarije za vodoravni let, maksimalni nagib, penjanje, tranzit iznad glave i smjer povratka.

MIMO i različitost primanja mogu poboljšati otpornost, ali korist bi trebala slijediti dokumentirani radijski način rada i instalirano odvajanje antena. Prostorno multipleksiranje primarno se koristi za povećanje kapaciteta, dok je raznolikost namijenjena poboljšanju otpornosti protiv blijeđenja. Dodavanje proizvoljnog 'MIMO pojačanja' primljenoj snazi ​​može precijeniti performanse.

Provjerite oba smjera veze i oba praga izvedbe

Dvosmjerna veza ograničena je svojim slabijim smjerom. Silazna veza može imati veću snagu prijenosa u zraku i prenositi gust video promet, dok naredbena uzlazna veza može koristiti drugačiju zemaljsku antenu, postavku kanala ili zahtjeve za osjetljivošću. Uzajamnost širenja ne čini kompletne lance opreme identičnima.

Domet misije trebao bi se temeljiti na pragu koji se prvi dosegne. UAV može ostati upravljiv nakon što videostream postane neupotrebljiv, ali to ne znači da je izvorni zahtjev za podatkovnu vezu ispunjen.

 

Izvedite razrađeni primjer, a zatim izazovite rezultat

Dovršite jedan realan izračun podatkovne veze UAV-a

Razmotrite ilustrativnu vezu zrak-zemlja od 2,4 GHz s vodoravnim dometom od 10 km i visinskom razlikom od 500 m. Odabrana radijska konfiguracija koristi 1 W po RF lancu, što je ekvivalentno 30 dBm po lancu, i kanal od 5 MHz s osjetljivošću od −103 dBm. Primjer je vježba izračuna, a ne zahtjev za zajamčeni raspon.

Domet nagiba je √(10⊃2; + 0,5⊃2;), ili približno 10,01 km. Gubitak slobodnog prostora je oko 120 dB, dok je EIRP 30 + 2 − 1, ili 31 dBm. Primljena snaga postaje 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Usporedba -78 dBm s -103 dBm ostavlja 25 dB nominalne margine. To izgleda izvedivo na papiru, ali pretpostavlja jasnu liniju vidljivosti, precizne dobitke antene, bez nemodeliranih gubitaka pri instalaciji i osjetljivost prijamnika prikladnu za traženu uslugu. Izračun suprotnog smjera i dalje mora biti dovršen s vlastitim vrijednostima odašiljača, antene i prijemnika.

Testirajte proračun prije nego što odobrite dizajn

Nominalni rezultat sada treba osporiti, a ne prihvatiti. Pretpostavimo da nagnuti zaokret i postavljanje konstrukcije zrakoplova uzrokuju gubitak dijagrama antene od 6 dB. Ako smetnje i neizvjesnost implementacije nameću dodatnih 4 dB ekvivalentne kazne, raspoloživa margina pada s 25 dB na približno 15 dB.

Povećanje snage odašiljača nije uvijek najbolji prvi odgovor. Veći RF izlaz može povećati električno opterećenje, rasipanje topline, težinu sustava, smetnje i regulatornu izloženost, dok bolje postavljanje antene može povratiti nekoliko decibela bez tih kazni.

Ispitivanje leta trebalo bi napredovati od kratkih staza s niskim rizikom do cijele omotnice. Bilježite snagu primljenog signala, SNR, modulaciju, propusnost, gubitak paketa i latenciju tijekom ravnog odlaznog leta, skretanja, penjanja, prolaza iznad glave i smjera povratka. Usporedba tih mjerenja s izračunima scenarija pretvara originalni radni list u kalibrirani model za buduće misije.

 

Zaključak

Pouzdan proračun podatkovne veze UAV-a trebao bi odražavati cjelokupnu misiju, a ne idealni izračun linije vidljivosti. Provjera oba smjera veze, usklađivanje osjetljivosti prijamnika sa potrebnom brzinom prijenosa podataka i dopuštanje orijentacije antene, smetnji i gubitaka pri instalaciji stvaraju realniju osnovu za projektiranje i ispitivanje leta.

DDLmesh zračni podatkovni linkovi Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. mogu se procijeniti unutar ovog istog procesa, pomažući timovima da usporede radne konfiguracije i odaberu odgovarajuće postavke snage, propusnosti i modulacije. Rezultat je jasniji put od početnog RF planiranja do pouzdanog zapovjedništva, telemetrije i komunikacije s korisnim teretom.

 

FAQ

P: Što je proračun podatkovne veze UAV-a?

O: Proračun podatkovne veze UAV-a dodaje snagu odašiljača i dobitke antene, oduzima gubitke u putanji i hardveru, zatim uspoređuje predviđenu primljenu snagu s pragom prijamnika.

P: Koja je osnovna proračunska formula za RF vezu?

O: Predviđena primljena snaga jednaka je snazi ​​odašiljača plus dobici odašiljačke i prijamne antene, minus kabel, konektor, širenje, polarizacija, blokada i drugi gubici u implementaciji.

P: Kolika je margina veze potrebna za UAV komunikacijski sustav?

O: Ne postoji univerzalni cilj. Zahtijevana margina ovisi o kritičnosti misije, učestalosti, smetnjama, kretanju zrakoplova, prihvatljivim prekidima i povjerenju u pretpostavke o širenju.

P: Zašto bi se kosi domet trebao koristiti za izračune veze UAV-a?

O: Nagnuti domet odražava stvarnu trodimenzionalnu udaljenost između zrakoplova i zemaljske stanice, uzimajući u obzir horizontalno razdvajanje i visinsku razliku.

P: Trebaju li proračuni za uplink i downlink UAV-a biti odvojeno izračunati?

O: Da. Svaki smjer može koristiti različitu snagu odašiljanja, antene, gubitke u kabelu, propusnost, modulaciju i osjetljivost prijamnika, stvarajući različite operativne granice.

P: Poboljšava li povećanje snage prijenosa uvijek pouzdanost UAV veze?

O: Više snage može povećati jačinu primljenog signala, ali položaj antene, gubitak napoja, propusnost kanala, smetnje, regulatorna ograničenja, toplina i potrošnja energije mogu biti važniji.