UAV データ リンクは、短い地上テストでは信頼性があるように見えても、航空機が最大航続距離に達したり、バンクしたり、上昇したり、高速ビデオ ストリームを伝送したりすると、依然として失敗することがあります。難しいのは、単に十分な送信電力を選択することだけではありません。すべてのアンテナ ゲイン、ハードウェア損失、伝播損失、受信機のしきい値、および動作条件を一緒に評価する必要があります。
実用的な UAV データ リンク バジェットは、 これらの変数を受信電力と使用可能なマージンの推定値に変換します。計算はミッションケースから始まり、送信機から受信機までのRFパスを追跡し、飛行関連の損失を追加して、制御リンクとペイロードリンクが十分な予備を保持しているかどうかを明らかにします。
コマンド、テレメトリ、およびペイロード データを 1 つの一般的なトラフィック ストリームとして扱うべきではありません。コマンド アップリンクは伝送するデータが少ない場合がありますが、低遅延と非常に高い連続性が必要です。テレメトリは低いレートを許容する可能性がありますが、HD ビデオ ダウンリンクは利用可能な容量のほとんどを消費し、選択された変調に対してより強力な信号を要求する可能性があります。
各サービスの最小ペイロード スループット、最大許容遅延、パケット損失許容度、および必要な可用性を記録します。プロトコルのオーバーヘッド、再送信、制御トラフィック、および変調の変更によってペイロードに利用できる容量が減少するため、無線のピーク物理層レートではなくアプリケーション スループットを使用します。したがって、UAV データ リンク バジェットは、少なくとも 2 つのしきい値と照らし合わせてチェックする必要があります。1 つはコマンド アンド コントロールを維持するため、もう 1 つは必要なビデオまたはセンサー ストリームを維持するためです。
距離は、単に宣伝されたミッション半径ではなく、ルート内の現実的な最も弱いポイントを表す必要があります。地上局から異なる高さにある航空機の場合は、傾斜範囲を使用します。
傾斜範囲 = √(水平距離⊃2; + 高低差⊃2;)
形状だけでは最悪の点を特定できません。バンクターン、ピッチ変更、急な仰角、帰還機首、ペイロードの配置により、地上局が空中アンテナ パターンの弱い部分に配置される可能性があります。正しいミッション入力は、別の点がわずかに離れている場合でも、信頼できる最も弱いリンクを生成する位置と航空機の姿勢です。
1 つの完全な動作モードから始めます。これらの仕様を同時に実現できない場合は、最高の送信電力、狭帯域感度、最大幅のチャネル、および最大データ レートを組み合わせないでください。
入力 |
ユニット |
出典または根拠 |
送信機出力電力 |
dBm |
構成されたRF設定 |
送信アンテナ利得 |
dBi |
実際のリンク角度でのゲイン |
伝送ケーブルとコネクタの損失 |
dB |
採寸または設置の見積り |
動作周波数 |
MHz |
選択したチャンネル |
チャネル帯域幅 |
MHz |
選択された動作モード |
受信アンテナゲイン |
dBi |
実際の仰角と方位角でのゲイン |
受信側のハードウェア損失 |
dB |
フィードライン、コネクタ、アダプタの損失 |
受信感度 |
dBm |
同じ帯域幅と変調が評価されている |
追加の損失 |
dB |
配向、分極、遮断、およびトラッキング |
ユニットにはさまざまな役割があります。 dBm は絶対電力レベルを表し、dBi は等方性放射体に対するアンテナの利得を表し、dB は利得または損失の比を表します。方程式は対数であるため、ゲインが加算され、損失が直接減算されます。
製品仕様は、リンクされた動作条件として扱う必要があります。 WDS DDLmesh Airborne シリーズは、選択可能な広帯域および狭帯域チャネル幅、64QAM 変調による適応型 BPSK、調整可能な RF 出力オプション、2×2 MIMO 機能、および 5 MHz で -103 dBm または 250 kHz で -117 dBm の受信感度をサポートします。これらの値は、ワークシートで最初に帯域幅とサービス レートを選択する必要がある理由を示しています。狭帯域の感度は、ブロードバンド ビデオ ストリームが機能することを証明するために使用することはできません。
障害物のないポイントツーポイント パスの場合、周波数 (MHz) と距離 (キロメートル) を使用して自由空間パス損失を計算します。
FSPL (dB) = 32.4 + 20 log10(fMHz) + 20 log10(dkm)
自由空間パス損失は、木の葉、地形の回折、機体の障害物、干渉、またはアンテナの位置ずれではなく、基準状態を表します。これらの効果には、別個の許容値またはより詳細な伝播モデルが必要です。
2.4 GHz で 10.01 km の場合、計算は次のようになります。
FSPL = 32.4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10.01)
FSPL ≈ 120.0dB
周波数を MHz ではなく GHz で入力すると、このバージョンの方程式では 60 dB の誤差が生じます。したがって、単位はメモリに残すのではなく、すべての入力セルの隣に表示する必要があります。
等価等方放射電力は、送信側の項を組み合わせたものです。
EIRP = Ptx + Gtx − Ltx
送信機が 30 dBm を生成し、アンテナが関連する方向に 2 dBi を提供し、ケーブル パスが 1 dB 損失する場合、EIRP は 31 dBm になります。この値は、選択した周波数と動作場所に適用されるルールに照らしてチェックする必要があります。
予測される受信電力は次のようになります。
Prx = Ptx + Gtx − Ltx − FSPL − LAdditional + Grx − Lrx
追加の損失を可視化しておきます。説明のつかない「安全率」が 1 つあると、モデルに偏波の不一致、機体の影、トラッキング エラー、コネクタの許容誤差、または高ノイズ環境が含まれているかどうかを判断することが困難になります。また、個別のエントリにより、後の飛行テスト データを元の UAV データ リンク バジェットと比較しやすくなります。
最後に、空から地への経路と地から空への経路を別の列で計算します。同じ距離と自由空間損失を共有する場合がありますが、送信電力、アンテナ設置、ケーブル配線、帯域幅、感度のしきい値が異なると、マージンが大きく異なる可能性があります。
受信感度は、無線機の永続的な特性ではありません。通常、帯域幅、変調、コーディング、ターゲット エラーのパフォーマンス、および場合によってはアクティブな RF チェーンの数によって変化します。感度値は、アプリケーションが必要とする動作モードに対応する場合にのみ、UAV データ リンク バジェットに入力する必要があります。
初期リンク マージンは次のように計算します。
リンクマージン = 予測受信電力 − 受信感度
予測信号が -78 dBm で、適用可能な感度が -103 dBm の場合、初期マージンは 25 dB です。この結果は、ワークシートに入力された仮定の下で、モデル化された信号が選択された受信機のしきい値を 25 dB 上回っていることを示しています。
フェード マージンは、予想される動作信号と、選択したサービスに必要な最小レベルの間の使用可能な余裕です。時間の経過とともに変化する損失や、机上の計画では正確に予測できない損失を吸収します。必要な予備量は、ミッション クリティカル性、許容可能な中断時間、経路環境、周波数、アンテナの動作、および入力データの信頼度によって異なります。
偏波誤差、コネクタの許容差、地上アンテナの向き、機体の障害、部分的な障害物、マルチパス、および設置の不確実性に対する許容値を含めます。干渉は必ずしも受信信号の電力を低下させるわけではないため、干渉には慎重に対処する必要があります。代わりに、実効ノイズ フロアを上げ、特定のデータ レートに必要な信号レベルを高めることができます。単純な計画シートでは、その効果が明確にラベル付けされていれば、保守的な感度ペナルティとして表すことができます。
フレネル クリアランスは、地形、植生、建物、または地面の近くの低高度の経路の簡単なルート チェックに値します。視覚的な見通し線は、伝播領域が妨げられないことを保証するものではありません。クリアランスに疑問がある場合は、自由空間の損失のみに依存するよりも、地形を考慮した伝播研究の方が適切です。
UAV リンク計算におけるアンテナ値は、データシートに印刷されている単なる最大値ではなく、他の無線に対するゲインである必要があります。方位角の全方向性アンテナは依然として深い仰角ヌルを持つ可能性がありますが、カーボンファイバー、バッテリー、モーター、配線、カメラ、またはその他のアンテナの近くに設置すると、その効果的なパターンが再形成される可能性があります。
したがって、ロール、ピッチ、ヨーは設計レビューの対象となります。バンクターンは偏波を回転させたり、ヌルをステーションに向けたりすることができますが、オーバーヘッドパスでは地上アンテナが最も強い高度領域の外側に配置される可能性があります。一番あなたは重要な UAV データ リンク バジェット には、水平飛行、最大バンク、上昇、頭上通過、帰還機首の個別のシナリオが含まれています。
MIMO と受信ダイバーシティは復元力を向上させることができますが、その利点は文書化された無線モードと設置されたアンテナの分離に従う必要があります。空間多重化は主に容量を増やすために使用されますが、ダイバーシティはフェージングに対する堅牢性を向上させることを目的としています。受信電力に任意の「MIMO ゲイン」を追加すると、パフォーマンスが過大になる可能性があります。
双方向接続は、弱い方向によって制限されます。ダウンリンクはより高い空中送信電力を持ち、大量のビデオ トラフィックを伝送する可能性がありますが、コマンド アップリンクは異なる地上アンテナ、チャネル設定、または感度要件を使用する可能性があります。伝播の相反性によって、完全な機器チェーンが同一になるわけではありません。
ミッション範囲は、最初に到達した閾値に基づく必要があります。ビデオ ストリームが使用できなくなった後も UAV は制御可能なままである可能性がありますが、それは元のデータリンク要件が満たされたことを意味するわけではありません。
水平範囲が 10 km、高低差が 500 m の 2.4 GHz 空対地リンクを例に考えてみましょう。選択した無線構成は、RF チェーンあたり 1 W (チェーンあたり 30 dBm に相当)、および -103 dBm 感度の 5 MHz チャネルを使用します。この例は、保証範囲の主張ではなく、計算の練習です。
予算項目 |
公称値 |
水平範囲 |
10.00km |
身長差 |
0.50km |
傾斜範囲 |
10.01km |
頻度 |
2,400MHz |
送信電力 |
+30dBm |
空中アンテナ利得 |
+2dBi |
送信ハードウェア損失 |
−1dB |
自由空間パス損失 |
−120dB |
地上アンテナ利得 |
+12dBi |
受信ハードウェアの損失 |
−1dB |
予測受信電力 |
−78dBm |
受信感度 |
−103dBm |
初期リンクマージン |
25dB |
傾斜範囲は √(10⊃2; + 0.5⊃2;)、つまり約 10.01 km です。自由空間損失は約 120 dB ですが、EIRP は 30 + 2 − 1、つまり 31 dBm です。受信電力は 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm となります。
-78 dBm と -103 dBm を比較すると、公称マージンは 25 dB 残ります。これは机上では実行可能に見えますが、見通しの良いライン、正確なアンテナ ゲイン、モデル化されていない設置損失がないこと、必要なサービスに適した受信機感度が前提となります。逆方向の計算は、独自の送信機、アンテナ、受信機の値を使用して完了する必要があります。
名目上の結果は受け入れられるのではなく、異議を唱えられるべきです。バンク旋回と機体の配置によって 6 dB のアンテナ パターン損失が発生すると仮定します。干渉と実装の不確実性によって追加の 4 dB 相当のペナルティが課される場合、利用可能なマージンは 25 dB から約 15 dB に低下します。
送信機の出力を増やすことが常に最良の初期応答であるとは限りません。 RF 出力が高くなると、電気負荷、熱放散、システム重量、干渉、規制上のリスクが増加する可能性がありますが、アンテナの配置を改善すると、これらのペナルティを受けることなく数デシベルを回復できる可能性があります。
飛行試験は、短くてリスクの低い経路から完全な範囲まで進める必要があります。水平飛行、旋回、上昇、頭上通過、および帰還の進行中の受信信号強度、SNR、変調、スループット、パケット損失、遅延を記録します。これらの測定値をシナリオ計算と比較することで、元のワークシートが将来のミッションに向けた調整されたモデルに変換されます。
信頼性の高い UAV データ リンクの予算は、理想的な見通しの計算ではなく、完全なミッションを反映する必要があります。両方のリンク方向を確認し、受信機の感度を必要なデータ レートに合わせ、アンテナの方向、干渉、設置損失を考慮することで、設計と飛行テストのより現実的な基礎が作成されます。
Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. の DDLmesh 航空データリンク製品は、これと同じプロセス内で評価でき、チームが動作構成を比較し、適切な電力、帯域幅、変調設定を選択するのに役立ちます。その結果、初期の RF 計画から信頼できるコマンド、テレメトリ、ペイロード通信までのパスがより明確になります。
A: UAV データ リンク バジェットは、送信機の電力とアンテナのゲインを加算し、パスとハードウェアの損失を差し引いて、予測された受信電力を受信機のしきい値と比較します。
A: 予測受信電力は、送信電力に送受信アンテナ ゲインを加え、ケーブル、コネクタ、伝播、分極、妨害、その他の実装損失を差し引いたものに等しくなります。
A: 普遍的な目標はありません。必要なマージンは、ミッションクリティカル度、周波数、干渉、航空機の動き、許容可能な停止、および伝播仮定の信頼度によって異なります。
A: 傾斜範囲は、水平方向の距離と高度の差の両方を考慮した、航空機と地上局の間の実際の 3 次元距離を反映しています。
A: はい。各方向は異なる送信電力、アンテナ、ケーブル損失、帯域幅、変調、および受信機感度を使用する可能性があり、異なる動作マージンが生じます。
A: 電力を増やすと受信信号強度が増加しますが、アンテナの配置、フィーダ損失、チャネル帯域幅、干渉、規制制限、熱、およびエネルギー消費がより重要になる場合があります。