Cara Menghitung Anggaran Tautan RF untuk Tautan Data UAV

Tautan data UAV mungkin terlihat andal selama uji darat singkat dan masih gagal saat pesawat mencapai jangkauan maksimum, berbelok, memanjat, atau membawa aliran video berkecepatan tinggi. Kesulitannya bukan sekedar memilih daya pancar yang cukup; setiap penguatan antena, kerugian perangkat keras, kerugian propagasi, ambang batas penerima, dan kondisi pengoperasian harus dievaluasi bersama.

Praktis Anggaran data link UAV mengubah variabel-variabel tersebut menjadi perkiraan daya yang diterima dan margin yang dapat digunakan. Perhitungannya dimulai dengan kasus misi, mengikuti jalur RF dari pemancar ke penerima, menambahkan kerugian terkait penerbangan, dan mengungkapkan apakah hubungan kontrol dan muatan memiliki cadangan yang cukup.

 

Mulailah dengan Misi, Bukan Formula

Pisahkan persyaratan uplink, telemetri, dan payload

Data perintah, telemetri, dan payload tidak boleh diperlakukan sebagai satu aliran lalu lintas umum. Uplink perintah mungkin membawa sedikit data tetapi memerlukan latensi rendah dan kontinuitas sangat tinggi. Telemetri mungkin mentolerir kecepatan yang lebih rendah, sementara downlink video HD dapat menghabiskan sebagian besar kapasitas yang tersedia dan memerlukan sinyal yang lebih kuat untuk modulasi yang dipilih.

Catat throughput muatan minimum, latensi maksimum yang dapat diterima, toleransi kehilangan paket, dan ketersediaan yang diperlukan untuk setiap layanan. Gunakan throughput aplikasi daripada kecepatan lapisan fisik puncak radio, karena overhead protokol, transmisi ulang, lalu lintas kontrol, dan perubahan modulasi mengurangi kapasitas yang tersedia untuk payload. Oleh karena itu, anggaran data link UAV harus diperiksa terhadap setidaknya dua ambang batas: satu untuk mempertahankan komando dan kontrol, dan satu lagi untuk mempertahankan aliran video atau sensor yang diperlukan.

Pilih titik terburuk dalam amplop penerbangan

Jarak harus mewakili titik realistis terlemah dalam rute, bukan hanya radius misi yang diiklankan. Untuk pesawat yang ketinggiannya berbeda dari stasiun bumi, gunakan rentang miring:

Jarak miring = √(jarak horizontal⊃2; + perbedaan tinggi⊃2;)

Geometri saja tidak dapat mengidentifikasi titik terburuk. Perputaran belokan, perubahan nada, sudut elevasi yang curam, arah kembali, dan penempatan muatan dapat menempatkan stasiun bumi pada bagian yang lebih lemah dari pola antena udara. Masukan misi yang benar adalah posisi dan sikap pesawat yang menghasilkan hubungan kredibel terlemah, bahkan ketika titik lain agak jauh jaraknya.

 

Masukkan Setiap Keuntungan dan Kerugian ke dalam Satu Perhitungan

Buat lembar masukan dari satu konfigurasi radio sebenarnya

Mulailah dengan satu mode pengoperasian lengkap. Jangan gabungkan daya pancar tertinggi, sensitivitas pita sempit, saluran terluas, dan kecepatan data maksimum bila spesifikasi tersebut tidak dapat terjadi secara bersamaan.

Unit-unit tersebut mempunyai peran yang berbeda-beda. dBm menyatakan tingkat daya absolut, dBi menggambarkan penguatan antena relatif terhadap radiator isotropik, dan dB menyatakan rasio keuntungan atau kerugian. Karena persamaannya logaritmik, maka keuntungan dijumlahkan dan kerugian dikurangkan secara langsung.

Spesifikasi produk harus diperlakukan sebagai kondisi pengoperasian yang terkait. Seri lintas udara WDS DDLmesh mendukung lebar saluran broadband dan pita sempit yang dapat dipilih, BPSK adaptif melalui modulasi 64QAM, opsi keluaran RF yang dapat disesuaikan, fungsi MIMO 2×2, dan sensitivitas penerima −103 dBm pada 5 MHz atau −117 dBm pada 250 kHz. Nilai-nilai ini menggambarkan mengapa lembar kerja harus memilih bandwidth dan tarif layanan terlebih dahulu: sensitivitas pita sempit tidak dapat digunakan untuk membuktikan bahwa aliran video broadband akan berfungsi.

Hitung kehilangan jalur ruang bebas dari frekuensi dan rentang kemiringan

Untuk jalur titik-ke-titik yang tidak terhalang, hitung kehilangan jalur ruang bebas dengan frekuensi dalam MHz dan jarak dalam kilometer:

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

Hilangnya jalur ruang bebas mewakili kondisi referensi daripada dedaunan, difraksi medan, penyumbatan badan pesawat, interferensi, atau ketidaksejajaran antena. Efek tersebut memerlukan kelonggaran terpisah atau model propagasi yang lebih rinci.

Pada 2,4 GHz sepanjang 10,01 km, perhitungannya adalah:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Frekuensi yang dimasukkan dalam GHz dan bukan MHz akan menghasilkan kesalahan 60 dB dengan persamaan versi ini. Oleh karena itu, unit harus ditampilkan di samping setiap sel masukan, bukan disimpan di memori.

Hitung EIRP dan prediksi daya yang diterima

Daya yang dipancarkan secara isotropik setara menggabungkan istilah sisi transmisi:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Jika pemancar menghasilkan 30 dBm, antena menyediakan 2 dBi pada arah yang relevan, dan jalur kabel kehilangan 1 dB, EIRP adalah 31 dBm. Nilai ini harus diperiksa berdasarkan aturan yang berlaku pada frekuensi yang dipilih dan lokasi pengoperasian.

Maka daya penerima yang diprediksi adalah:

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

Jaga agar kerugian tambahan tetap terlihat. Satu 'faktor keamanan' yang tidak dapat dijelaskan menyulitkan untuk menentukan apakah model tersebut mencakup ketidakcocokan polarisasi, bayangan badan pesawat, kesalahan pelacakan, toleransi konektor, atau lingkungan kebisingan yang tinggi. Entri terpisah juga membuat data uji terbang selanjutnya lebih mudah dibandingkan dengan anggaran data link UAV asli.

Terakhir, hitung jalur udara-ke-darat dan darat-ke-udara dalam kolom terpisah. Mereka mungkin berbagi jarak dan kehilangan ruang bebas yang sama, namun kekuatan transmisi, instalasi antena, jalur kabel, bandwidth, dan ambang sensitivitas yang berbeda dapat menciptakan margin yang sangat berbeda.

 

Putuskan Apakah Tautan Masih Berfungsi dalam Penerbangan

Bandingkan daya yang diterima dengan nilai sensitivitas yang tepat

Sensitivitas penerima bukanlah salah satu karakteristik permanen dari sebuah radio. Biasanya berubah seiring bandwidth, modulasi, pengkodean, kinerja kesalahan target, dan terkadang jumlah rantai RF aktif. Nilai sensitivitas hanya boleh dimasukkan dalam anggaran tautan data UAV bila sesuai dengan mode pengoperasian yang diperlukan oleh aplikasi.

Hitung margin tautan awal sebagai:

Margin tautan = Perkiraan daya yang diterima - Sensitivitas penerima

Jika sinyal yang diprediksi adalah −78 dBm dan sensitivitas yang berlaku adalah −103 dBm, margin awal adalah 25 dB. Hasil tersebut menyatakan bahwa sinyal yang dimodelkan adalah 25 dB di atas ambang batas penerima yang dipilih berdasarkan asumsi yang dimasukkan ke dalam lembar kerja.

Cadangan margin untuk mengubah kondisi lapangan

Margin pudar adalah cadangan yang dapat digunakan antara sinyal pengoperasian yang diharapkan dan tingkat minimum yang diperlukan untuk layanan yang dipilih. Hal ini menyerap kerugian yang bervariasi seiring waktu atau tidak dapat diprediksi secara tepat selama perencanaan berbasis meja. Cadangan yang diperlukan bergantung pada kekritisan misi, waktu interupsi yang dapat diterima, lingkungan jalur, frekuensi, perilaku antena, dan keyakinan data masukan.

Mencakup kemungkinan kesalahan polarisasi, toleransi konektor, penunjukan antena ground, penyumbatan badan pesawat, hambatan sebagian, multipath, dan ketidakpastian pemasangan. Interferensi harus ditangani dengan hati-hati karena tidak selalu mengurangi kekuatan sinyal yang diterima; sebaliknya, ini dapat meningkatkan tingkat kebisingan efektif dan meningkatkan level sinyal yang diperlukan untuk kecepatan data tertentu. Dalam lembar perencanaan sederhana, dampak tersebut dapat direpresentasikan sebagai penalti sensitivitas konservatif, asalkan diberi label dengan jelas.

Izin Fresnel memerlukan pemeriksaan rute singkat untuk jalur ketinggian rendah di dekat medan, vegetasi, bangunan, atau tanah. Garis pandang visual tidak menjamin wilayah propagasi tidak terganggu. Apabila pembukaan lahan dipertanyakan, studi propagasi yang memperhatikan medan lebih tepat dibandingkan hanya mengandalkan hilangnya ruang bebas.

Perhitungkan sikap pesawat dan pola antena

Nilai antena dalam penghitungan tautan UAV harus merupakan penguatan terhadap radio lain, bukan hanya jumlah maksimum yang tercetak pada lembar data. Antena omnidireksional di azimuth masih dapat memiliki nilai nol elevasi yang dalam, sementara pemasangan di dekat serat karbon, baterai, motor, kabel, kamera, atau antena lain dapat membentuk kembali pola efektifnya.

Oleh karena itu roll, pitch, dan yaw termasuk dalam tinjauan desain. Belokan yang membelok dapat memutar polarisasi atau mengarahkan nol ke arah stasiun, sedangkan lintasan di atas dapat menempatkan antena bumi di luar wilayah elevasi terkuat. Yang paling kamuAnggaran tautan data UAV seful berisi skenario terpisah untuk penerbangan tingkat, bank maksimum, pendakian, transit di atas kepala, dan arah kembali.

MIMO dan keragaman penerimaan dapat meningkatkan ketahanan, namun manfaatnya harus mengikuti mode radio yang terdokumentasi dan pemisahan antena yang dipasang. Multiplexing spasial terutama digunakan untuk meningkatkan kapasitas, sedangkan keragaman dimaksudkan untuk meningkatkan ketahanan terhadap pemudaran. Menambahkan 'penguatan MIMO' secara sewenang-wenang ke daya yang diterima dapat melebih-lebihkan kinerja.

Periksa arah tautan dan ambang batas kinerja

Koneksi dua arah dibatasi oleh arahnya yang lebih lemah. Tautan bawah mungkin memiliki daya pancar udara yang lebih tinggi dan membawa lalu lintas video yang padat, sedangkan tautan atas perintah mungkin menggunakan antena darat, pengaturan saluran, atau persyaratan sensitivitas yang berbeda. Timbal balik propagasi tidak membuat rantai peralatan lengkap menjadi identik.

Rentang misi harus didasarkan pada ambang batas mana yang dicapai terlebih dahulu. UAV mungkin tetap dapat dikontrol setelah aliran video tidak dapat digunakan, namun itu tidak berarti persyaratan tautan data asli telah terpenuhi.

 

Jalankan Contoh yang Berhasil, Lalu Tantang Hasilnya

Selesaikan satu penghitungan tautan data UAV yang realistis

Pertimbangkan ilustrasi hubungan udara-ke-darat 2,4 GHz dengan jangkauan horizontal 10 km dan perbedaan ketinggian 500 m. Konfigurasi radio yang dipilih menggunakan 1 W per rantai RF, setara dengan 30 dBm per rantai, dan saluran 5 MHz dengan sensitivitas −103 dBm. Contohnya adalah latihan perhitungan dan bukan klaim kisaran jaminan.

Kisaran kemiringannya adalah √(10⊃2; + 0,5⊃2;), atau kurang lebih 10,01 km. Kehilangan ruang bebas sekitar 120 dB, sedangkan EIRP adalah 30 + 2 − 1, atau 31 dBm. Daya yang diterima menjadi 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Membandingkan −78 dBm dengan −103 dBm menyisakan margin nominal 25 dB. Hal ini tampak dapat dilakukan di atas kertas, namun mengasumsikan garis pandang yang jelas, penguatan antena yang akurat, tidak ada kehilangan instalasi yang tidak dimodelkan, dan sensitivitas receiver yang sesuai dengan layanan yang diperlukan. Perhitungan arah berlawanan tetap harus diselesaikan dengan nilai pemancar, antena, dan penerimanya sendiri.

Uji tekanan anggaran sebelum menyetujui desain

Hasil nominal sekarang harus ditentang daripada diterima. Misalkan belokan membelok dan penempatan badan pesawat menyebabkan hilangnya pola antena sebesar 6 dB. Jika interferensi dan ketidakpastian penerapan dikenakan penalti tambahan sebesar 4 dB, margin yang tersedia turun dari 25 dB menjadi sekitar 15 dB.

Meningkatkan daya pemancar tidak selalu merupakan respons pertama yang terbaik. Output RF yang lebih tinggi dapat meningkatkan beban listrik, pembuangan panas, bobot sistem, interferensi, dan paparan peraturan, sementara penempatan antena yang lebih baik dapat memulihkan beberapa desibel tanpa penalti tersebut.

Pengujian penerbangan harus berkembang dari jalur pendek dan berisiko rendah hingga menyeluruh. Rekam kekuatan sinyal yang diterima, SNR, modulasi, throughput, kehilangan paket, dan latensi selama penerbangan keluar level, belokan, tanjakan, lintasan di atas kepala, dan arah kembali. Membandingkan pengukuran tersebut dengan perhitungan skenario akan mengubah lembar kerja asli menjadi model yang dikalibrasi untuk misi masa depan.

 

Kesimpulan

Anggaran data link UAV yang andal harus mencerminkan misi yang lengkap, bukan perhitungan garis pandang yang ideal. Memeriksa kedua arah tautan, mencocokkan sensitivitas penerima dengan kecepatan data yang diperlukan, dan memungkinkan orientasi antena, interferensi, dan kerugian pemasangan menciptakan dasar yang lebih realistis untuk desain dan pengujian penerbangan.

Produk tautan data udara DDLmesh dari Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. dapat dinilai dalam proses yang sama, membantu tim membandingkan konfigurasi pengoperasian dan memilih pengaturan daya, bandwidth, dan modulasi yang sesuai. Hasilnya adalah jalur yang lebih jelas dari perencanaan RF awal hingga komunikasi komando, telemetri, dan muatan yang dapat diandalkan.

 

Pertanyaan Umum

T: Apa yang dimaksud dengan anggaran data link UAV?

J: Anggaran tautan data UAV menambah daya pemancar dan penguatan antena, mengurangi kerugian jalur dan perangkat keras, lalu membandingkan prediksi daya yang diterima dengan ambang batas penerima.

T: Apa rumus dasar link budget RF?

J: Perkiraan daya terima sama dengan daya pemancar ditambah penguatan antena pengirim dan penerima, dikurangi kabel, konektor, propagasi, polarisasi, penyumbatan, dan kerugian implementasi lainnya.

T: Berapa margin tautan yang dibutuhkan sistem komunikasi UAV?

J: Tidak ada target universal. Margin yang diperlukan bergantung pada kekritisan misi, frekuensi, interferensi, pergerakan pesawat, pemadaman yang dapat diterima, dan keyakinan terhadap asumsi propagasi.

T: Mengapa rentang miring harus digunakan untuk penghitungan tautan UAV?

J: Rentang miring mencerminkan jarak tiga dimensi sebenarnya antara pesawat dan stasiun bumi, yang memperhitungkan pemisahan horizontal dan perbedaan ketinggian.

T: Apakah anggaran uplink dan downlink UAV harus dihitung secara terpisah?

J: Ya. Setiap arah mungkin menggunakan daya pancar, antena, kehilangan kabel, bandwidth, modulasi, dan sensitivitas penerima yang berbeda, sehingga menghasilkan margin operasi yang berbeda.

T: Apakah peningkatan daya pancar selalu meningkatkan keandalan tautan UAV?

J: Lebih banyak daya dapat meningkatkan kekuatan sinyal yang diterima, namun penempatan antena, kehilangan feeder, bandwidth saluran, interferensi, batasan peraturan, panas, dan konsumsi energi mungkin lebih penting.