Az RF link költségvetésének kiszámítása UAV adatkapcsolatokhoz

Egy UAV adatkapcsolat megbízhatónak tűnhet egy rövid földi teszt során, és még mindig meghibásodik, ha a repülőgép eléri a maximális hatótávolságot, dől, emelkedik, vagy nagy sebességű videofolyamot visz. A nehézség nem egyszerűen az elegendő adási teljesítmény kiválasztása; minden antennaerősítést, hardvervesztést, terjedési veszteséget, vevőküszöböt és működési állapotot együtt kell értékelni.

Egy praktikus Az UAV adatkapcsolati költségvetése ezeket a változókat a vett teljesítmény és a felhasználható tartalék becslésévé alakítja. A számítás a küldetés esetével kezdődik, követi az RF útvonalat az adótól a vevőig, hozzáadja a repüléssel kapcsolatos veszteségeket, és feltárja, hogy az irányítási és a hasznos terhelés kapcsolata elegendő tartalékot tart-e.

 

Kezdje a küldetéssel, ne a formulával

Különítse el az uplink, a telemetria és a hasznos terhelés követelményeit

A parancs-, telemetriai- és hasznosadat-adatokat nem szabad egyetlen általános forgalmi adatfolyamként kezelni. A felfelé irányuló parancs kevés adatot hordozhat, de alacsony késleltetést és nagyon magas folytonosságot igényel. A telemetria elviselheti az alacsonyabb sebességet, míg a HD videó lefelé irányuló kapcsolat felemészti a rendelkezésre álló kapacitás nagy részét, és erősebb jelet igényel a kiválasztott modulációhoz.

Minden egyes szolgáltatáshoz rögzítse a minimális hasznos adatátviteli sebességet, a maximális elfogadható késleltetést, a csomagvesztési toleranciát és a szükséges rendelkezésre állást. Használja az alkalmazás átviteli sebességét a rádió legmagasabb fizikai rétegsebessége helyett, mert a protokoll többletterhelése, az újraadás, a vezérlési forgalom és a változó moduláció csökkenti a hasznos teher számára rendelkezésre álló kapacitást. Az UAV adatkapcsolati költségvetését ezért legalább két küszöbértékhez képest ellenőrizni kell: az egyik a parancs és vezérlés fenntartása, a másik pedig a szükséges video- vagy érzékelőfolyam fenntartása.

Válassza ki a legrosszabb pontot a repülési borítékban

A távolságnak az útvonal leggyengébb reális pontját kell képviselnie, nem csupán a meghirdetett küldetési sugarat. A földi állomástól eltérő magasságban lévő repülőgépek esetén használja a dőlésszöget:

Dőléstartomány = √(vízszintes távolság⊃2; + magasságkülönbség⊃2;)

A geometria önmagában nem azonosítja a legrosszabb pontot. A dőlésszögű fordulatok, a dőlésszög-változások, a meredek emelkedési szögek, a visszatérési irányok és a hasznos teher elhelyezése a földi állomást a légi antenna mintájának gyengébb részébe helyezhetik. A helyes küldetésbemenet az a pozíció és a repülőgép hozzáállása, amely a leggyengébb hiteles láncszemet hozza létre, még akkor is, ha egy másik pont kissé távolabb van.

 

Tegye minden nyereséget és veszteséget egyetlen számításba

Készítsen beviteli lapot egyetlen tényleges rádiókonfigurációból

Kezdje egy teljes üzemmóddal. Ne kombinálja a legnagyobb adási teljesítményt, keskeny sávú érzékenységet, legszélesebb csatornát és maximális adatsebességet, ha ezek a specifikációk nem fordulhatnak elő egyszerre.

Az egységeknek különböző szerepük van. A dBm az abszolút teljesítményszintet, a dBi az antenna erősítését egy izotróp sugárzóhoz viszonyítva, a dB pedig az erősítési vagy veszteségi arányt fejezi ki. Mivel az egyenlet logaritmikus, a nyereséget hozzáadjuk és a veszteségeket közvetlenül kivonjuk.

A termékleírásokat kapcsolódó működési feltételekként kell kezelni. A WDS DDLmesh airborne sorozat támogatja a választható szélessávú és keskenysávú csatornaszélességeket, az adaptív BPSK-t 64QAM moduláción keresztül, az állítható RF kimeneti opciókat, a 2×2 MIMO funkciót és a vevő érzékenységét –103 dBm 5 MHz-en vagy –117 dBm 250 kHz-en. Ezek az értékek szemléltetik, hogy a munkalapnak miért kell először kiválasztania a sávszélességet és a szolgáltatási sebességet: a keskeny sávú érzékenység nem használható annak bizonyítására, hogy a szélessávú videofolyam működik.

Számítsa ki a szabad tér útveszteségét a frekvencia és a ferde tartomány alapján

Akadálymentes pont-pont út esetén számítsa ki a szabad tér útveszteségét MHz-ben megadott frekvenciával és kilométerben mért távolsággal:

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

A szabad tér útvesztése inkább referenciaállapotot jelent, nem pedig lombozatot, terep diffrakciót, repülőgépváz-elzáródást, interferenciát vagy antenna eltolódást. Ezek a hatások külön engedményeket vagy részletesebb terjedési modellt igényelnek.

2,4 GHz-en 10,01 km-en a számítás a következő:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

A MHz helyett GHz-ben megadott frekvencia 60 dB-es hibát okozna az egyenlet ezen változatával. Ezért a mértékegységeket minden bemeneti cella mellett meg kell jeleníteni ahelyett, hogy a memóriában hagynák őket.

Számítsa ki az EIRP-t és a várható vételi teljesítményt

Az ekvivalens izotróp sugárzott teljesítmény az adási oldali kifejezéseket egyesíti:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Ha az adó 30 dBm-t produkál, az antenna 2 dBi-t ad a megfelelő irányba, és a kábelút 1 dB-t veszít, az EIRP 31 dBm. Ezt az értéket ellenőrizni kell a választott frekvenciára és működési helyre vonatkozó szabályokkal.

Ekkor a vevő várható teljesítménye:

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

Tartsa láthatóan a további veszteségeket. Egyetlen megmagyarázhatatlan 'biztonsági tényező' megnehezíti annak meghatározását, hogy a modell tartalmaz-e polarizációs eltérést, repülőgépváz-árnyékolást, követési hibát, csatlakozótűrést vagy fokozott zajkörnyezetet. A külön bejegyzések megkönnyítik a későbbi repülési tesztek adatainak összehasonlítását az eredeti UAV adatkapcsolati költségvetéssel.

Végül külön oszlopokban számítsa ki a levegő-föld és föld-levegő útvonalakat. Ugyanolyan távolságon és szabad helyveszteségen osztozhatnak, de a különböző átviteli teljesítmények, antennatelepítések, kábelek, sávszélességek és érzékenységi küszöbök jelentősen eltérő sávokat hozhatnak létre.

 

Döntse el, hogy a kapcsolat továbbra is működik-e repülés közben

Hasonlítsa össze a vett teljesítményt a megfelelő érzékenységi értékkel

A vevő érzékenysége nem a rádió állandó jellemzője. Általában a sávszélesség, a moduláció, a kódolás, a célhiba teljesítmény és néha az aktív RF láncok számának függvényében változik. Az érzékenységi értéknek csak akkor kell megadnia az UAV adatkapcsolati költségvetését, ha az megfelel az alkalmazás által igényelt üzemmódnak.

Számítsa ki a kezdeti link margót a következőképpen:

Link margó = Előre jelzett vételi teljesítmény − Vevő érzékenysége

Ha az előre jelzett jel –78 dBm, és az alkalmazandó érzékenység –103 dBm, akkor a kezdeti határ 25 dB. Az eredmény szerint a modellezett jel 25 dB-lel meghaladja a kiválasztott vevőküszöböt a munkalapon megadott feltételezések szerint.

Tartalék margó a változó terepi körülményekhez

A fade margin a felhasználható tartalék a várt működési jel és a kiválasztott szolgáltatáshoz szükséges minimális szint között. Elnyeli azokat a veszteségeket, amelyek időben változnak, vagy az asztali tervezés során nem jelezhetők pontosan előre. A szükséges tartalék függ a küldetés kritikusságától, az elfogadható megszakítási időtől, az útvonal környezetétől, a frekvenciától, az antenna viselkedésétől és a bemeneti adatok megbízhatóságától.

Tartalmazza a polarizációs hiba, a csatlakozó tűréseinek, a föld-antenna irányának, a repülőgépváz eltömődésének, a részleges akadályozásnak, a többutas útnak és a telepítési bizonytalanságnak a figyelembe vételét. Az interferenciát óvatosan kell kezelni, mert nem mindig csökkenti a vett jel teljesítményét; ehelyett növelheti az effektív zajszintet és növelheti az adott adatsebességhez szükséges jelszintet. Egy egyszerű tervezési lapon ez a hatás konzervatív érzékenységi büntetésként ábrázolható, feltéve, hogy egyértelműen fel van tüntetve.

A Fresnel távolság megérdemel egy rövid útvonal-ellenőrzést a terep, növényzet, épületek vagy talaj közelében lévő alacsony tengerszint feletti magasságú ösvényeknél. A látótávolság nem garantálja a zavartalan terjedési régiót. Ahol a szabad tér megkérdőjelezhető, helyénvalóbb egy terep-tudatos terjedési vizsgálat, mint pusztán a szabad terület elvesztésére hagyatkozni.

Vegye figyelembe a repülőgép helyzetét és az antenna mintáját

Az UAV-kapcsolat számításánál az antennaértéknek a másik rádióhoz viszonyított erősítésnek kell lennie, nem csupán az adatlapra nyomtatott maximális számnak. Az irányszögű körsugárzó antennának továbbra is lehetnek mély magassági nullpontjai, míg a szénszál, akkumulátorok, motorok, vezetékek, kamerák vagy más antennák közelébe történő telepítés megváltoztathatja hatásos mintáját.

A gördülés, a dőlés és a dőlés ezért beletartoznak a tervezési felülvizsgálatba. Egy dőlt kanyar elforgathatja a polarizációt vagy nullát mutathat az állomás felé, míg egy felső áthaladás a földantennát a legerősebb magassági tartományon kívülre helyezheti. A legtöbb uA seful UAV adatkapcsolati költségvetés külön forgatókönyveket tartalmaz a vízszintes repüléshez, a maximális dőlésszöghöz, az emelkedéshez, a felső tranzithoz és a visszatérési irányhoz.

A MIMO és a vételi diverzitás javíthatja az ellenálló képességet, de az előnyöknek a dokumentált rádiómódot és a telepített antennaelválasztást kell követniük. A térbeli multiplexelést elsősorban a kapacitás növelésére használják, míg a diverzitás célja a fading elleni robusztusság javítása. Tetszőleges 'MIMO erősítés' hozzáadása a vett teljesítményhez túlbecsülheti a teljesítményt.

Ellenőrizze mindkét link irányát és mindkét teljesítményküszöböt

A kétirányú kapcsolatot a gyengébb iránya korlátozza. A lefelé irányuló kapcsolat nagyobb légi adási teljesítménnyel rendelkezhet, és nagy videoforgalmat hordozhat, míg a felfelé irányuló parancs eltérő földi antennát, csatornabeállítást vagy érzékenységi követelményt használhat. A terjedés kölcsönössége nem teszi azonossá a teljes berendezésláncot.

A küldetés tartományának azon kell alapulnia, amelyik küszöböt éri el először. Az UAV továbbra is vezérelhető marad, miután a videofolyam használhatatlanná válik, de ez nem jelenti azt, hogy az eredeti adatkapcsolati követelmény teljesült.

 

Futtasson egy működő példát, majd kérje ki az eredményt

Végezzen el egy valósághű UAV adatkapcsolat számítást

Vegyünk egy szemléltető 2,4 GHz-es levegő-föld kapcsolatot 10 km-es vízszintes hatótávolsággal és 500 m-es magasságkülönbséggel. A kiválasztott rádiókonfiguráció RF-lánconként 1 W-ot használ, ami lánconként 30 dBm-nek felel meg, és egy 5 MHz-es csatornát –103 dBm érzékenységgel. A példa egy számítási gyakorlat, nem pedig egy garantált tartomány igény.

A dőlésszög √(10⊃2; + 0,5⊃2;), vagyis körülbelül 10,01 km. A szabad tér vesztesége körülbelül 120 dB, míg az EIRP 30 + 2 - 1 vagy 31 dBm. A vett teljesítmény 30 + 2 - 1 - 120 + 12 - 1 = -78 dBm lesz.

A -78 dBm és a -103 dBm összehasonlítása 25 dB névleges határt hagy. Ez papíron működőképesnek tűnik, de tiszta rálátást, pontos antennaerősítést, nem modellezett telepítési veszteséget és a kívánt szolgáltatásnak megfelelő vevőérzékenységet feltételez. Az ellenkező irányú számítást továbbra is a saját adó-, antenna- és vevőértékekkel kell kiegészíteni.

A terv jóváhagyása előtt tesztelje a költségvetést

A névleges eredményt most inkább megkérdőjelezni kell, mint elfogadni. Tegyük fel, hogy egy ferde fordulat és a repülőgépváz elhelyezése 6 dB antennaminta-veszteséget okoz. Ha az interferencia és a megvalósítási bizonytalanság további 4 dB egyenértékű büntetést ró ki, a rendelkezésre álló határ 25 dB-ről körülbelül 15 dB-re csökken.

Az adó teljesítményének növelése nem mindig a legjobb első válasz. A magasabb rádiófrekvenciás kimenet növelheti az elektromos terhelést, a hőleadást, a rendszer súlyát, az interferenciát és a szabályozási expozíciót, míg az antenna jobb elhelyezése több decibelt is visszanyerhet ezen büntetések nélkül.

A repülési tesztelésnek a rövid, alacsony kockázatú útvonalaktól a teljes terjedelemig kell haladnia. Rögzítse a vett jelerősséget, az SNR-t, a modulációt, az áteresztőképességet, a csomagvesztést és a késleltetést a kimenő repülések, fordulatok, emelkedések, felülhaladások és a visszatérési irány során. Ha összehasonlítja ezeket a méréseket a forgatókönyv-számításokkal, az eredeti munkalapot egy kalibrált modelllé alakítja a jövőbeli küldetésekhez.

 

Következtetés

A megbízható UAV adatkapcsolati költségvetésnek a teljes küldetést kell tükröznie, nem pedig egy ideális rálátási számítást. Mindkét kapcsolat irányának ellenőrzése, a vevő érzékenységének a szükséges adatsebességhez igazítása, valamint az antenna tájolása, az interferencia és a telepítési veszteségek figyelembevétele reálisabb alapot teremt a tervezéshez és a repülési teszteléshez.

A Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. DDLmesh légi adatkapcsolati termékei ugyanezen folyamaton belül értékelhetők, segítve a csapatokat a működési konfigurációk összehasonlításában és a megfelelő teljesítmény-, sávszélesség- és modulációs beállítások kiválasztásában. Az eredmény egy világosabb út a kezdeti RF tervezéstől a megbízható parancs-, telemetria- és hasznos kommunikációig.

 

GYIK

K: Mi az UAV adatkapcsolati költségvetés?

V: Az UAV adatkapcsolati költségvetés hozzáadja az adóteljesítményt és az antenna nyereségét, kivonja az útvonal- és hardverveszteségeket, majd összehasonlítja a várható vételi teljesítményt a vevő küszöbértékével.

K: Mi az alapvető RF link költségvetési képlete?

V: A becsült vételi teljesítmény egyenlő az adóteljesítménnyel, plusz az adó- és vevőantenna erősítéssel, mínusz kábel, csatlakozó, terjedési, polarizációs, blokkolási és egyéb megvalósítási veszteségek.

K: Mekkora link margóra van szüksége egy UAV kommunikációs rendszernek?

V: Nincs univerzális cél. A szükséges ráhagyás függ a küldetés kritikusságától, a frekvenciától, az interferenciától, a repülőgép mozgásától, az elfogadható kiesésektől és a terjedési feltételezésekbe vetett bizalomtól.

K: Miért érdemes a ferde tartományt használni az UAV-hivatkozás számításaihoz?

V: A ferde tartomány a repülőgép és a földi állomás közötti tényleges háromdimenziós távolságot tükrözi, figyelembe véve mind a vízszintes távolságot, mind a magasságkülönbséget.

K: Az UAV uplink és downlink költségvetését külön kell kiszámítani?

V: Igen. Mindegyik irány eltérő adási teljesítményt, antennát, kábelveszteséget, sávszélességet, modulációt és vevőérzékenységet használhat, eltérő működési határokat eredményezve.

K: Az adási teljesítmény növelése mindig javítja az UAV kapcsolat megbízhatóságát?

V: A nagyobb teljesítmény növelheti a vett jel erősségét, de az antenna elhelyezése, az adagoló vesztesége, a csatorna sávszélessége, az interferencia, a szabályozási korlátok, a hő- és az energiafogyasztás fontosabbak lehetnek.