UAV 데이터 링크에 대한 RF 링크 예산을 계산하는 방법

UAV 데이터 링크는 짧은 지상 테스트 동안 안정적으로 보일 수 있지만 항공기가 최대 범위에 도달하거나 뱅크, 상승 또는 고속 비디오 스트림을 전송하는 경우 여전히 실패할 수 있습니다. 어려움은 단순히 충분한 전송 전력을 선택하는 것이 아닙니다. 모든 안테나 이득, 하드웨어 손실, 전파 손실, 수신기 임계값 및 작동 조건을 함께 평가해야 합니다.

실용적인 UAV 데이터 링크 예산은 이러한 변수를 수신 전력 및 사용 가능한 마진의 추정치로 변환합니다. 계산은 임무 사례에서 시작하여 송신기에서 수신기까지의 RF 경로를 따라 비행 관련 손실을 추가하고 제어 및 페이로드 링크가 충분한 예비력을 보유하는지 여부를 나타냅니다.

 

공식이 아닌 사명으로 시작하세요

업링크, 원격 측정, 페이로드 요구 사항 분리

명령, 원격 측정 및 페이로드 데이터는 하나의 일반 트래픽 스트림으로 취급되어서는 안 됩니다. 명령 업링크는 데이터를 거의 전달할 수 없지만 짧은 대기 시간과 매우 높은 연속성을 요구합니다. 원격 측정은 더 낮은 속도를 허용할 수 있는 반면, HD 비디오 다운링크는 사용 가능한 용량의 대부분을 소비하고 선택한 변조에 대해 더 강한 신호를 요구할 수 있습니다.

최소 페이로드 처리량, 최대 허용 대기 시간, 패킷 손실 허용 범위 및 각 서비스에 필요한 가용성을 기록합니다. 프로토콜 오버헤드, 재전송, 트래픽 제어 및 변조 변경으로 인해 페이로드에 사용 가능한 용량이 감소하므로 무선의 최대 물리 계층 속도보다는 애플리케이션 처리량을 사용하십시오. 따라서 UAV 데이터 링크 예산은 명령 및 제어 유지를 위한 임계값과 필요한 비디오 또는 센서 스트림 유지를 위한 임계값 등 최소 두 가지 임계값을 기준으로 확인해야 합니다.

비행 봉투에서 최악의 지점을 선택하십시오

거리는 단순히 광고된 임무 반경이 아니라 경로에서 가장 취약한 현실적인 지점을 나타내야 합니다. 지상국과 다른 높이에 있는 항공기의 경우 경사 범위를 사용합니다.

경사 범위 = √(수평 거리⊃2; + 높이차⊃2;)

기하학만으로는 최악의 점을 식별할 수 없습니다. 경사 회전, 피치 변경, 가파른 앙각, 복귀 방향 및 페이로드 배치로 인해 지상국이 공중 안테나 패턴의 약한 부분에 놓일 수 있습니다. 올바른 임무 입력은 다른 지점이 약간 더 멀리 떨어져 있는 경우에도 가장 약한 신뢰할 수 있는 링크를 생성하는 위치와 항공기 자세입니다.

 

모든 이익과 손실을 하나의 계산에 담으세요

하나의 실제 라디오 구성에서 입력 시트 작성

하나의 완전한 작동 모드로 시작하십시오. 최고 전송 전력, 협대역 감도, 가장 넓은 채널 및 최대 데이터 속도 등의 사양이 동시에 발생할 수 없는 경우 결합하지 마십시오.

유닛의 역할은 다양합니다. dBm은 절대 전력 레벨을 나타내고, dBi는 등방성 방사기에 상대적인 안테나 이득을 나타내며, dB는 이득 또는 손실 비율을 나타냅니다. 방정식은 대수식이므로 이득은 더해지고 손실은 직접 뺍니다.

제품 사양은 연결된 작동 조건으로 취급되어야 합니다. WDS DDLmesh Airborne 시리즈는 선택 가능한 광대역 및 협대역 채널 폭, 64QAM 변조를 통한 적응형 BPSK, 조정 가능한 RF 출력 옵션, 2×2 MIMO 기능, 5MHz에서 −103dBm 또는 250kHz에서 −117dBm의 수신기 감도를 지원합니다. 이러한 값은 워크시트에서 대역폭과 서비스 속도를 먼저 선택해야 하는 이유를 보여줍니다. 협대역 감도는 광대역 비디오 스트림이 작동하는지 증명하는 데 사용할 수 없습니다.

주파수 및 경사 범위에서 자유 공간 경로 손실을 계산합니다.

방해받지 않는 지점 간 경로의 경우 주파수(MHz)와 거리(km)를 사용하여 자유 공간 경로 손실을 계산합니다.

FSPL(dB) = 32.4 + 20 log10(fMHz) + 20 log10(dkm)

자유 공간 경로 손실은 나뭇잎, 지형 회절, 기체 막힘, 간섭 또는 안테나 정렬 불량이 아닌 참조 조건을 나타냅니다. 이러한 효과에는 별도의 허용치 또는 보다 상세한 전파 모델이 필요합니다.

10.01km에 걸쳐 2.4GHz에서 계산은 다음과 같습니다.

FSPL = 32.4 + 20 log10(2400) + 20 log10(10.01)

FSPL ≒ 120.0dB

이 버전의 방정식에서는 MHz가 아닌 GHz로 주파수를 입력하면 60dB 오류가 발생합니다. 따라서 단위는 메모리에 남겨두는 대신 모든 입력 셀 옆에 표시되어야 합니다.

EIRP 및 예상 수신 전력 계산

등방성 복사 전력은 송신 측 용어를 결합합니다.

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

송신기가 30dBm을 생성하고 안테나가 관련 방향으로 2dBi를 제공하며 케이블 경로가 1dB를 손실하면 EIRP는 31dBm이 됩니다. 이 값은 선택한 주파수 및 작동 위치에 적용되는 규칙과 비교하여 확인되어야 합니다.

그러면 예상되는 수신기 전력은 다음과 같습니다.

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

추가 손실을 눈에 띄게 유지하세요. 설명할 수 없는 단일 '안전 계수'로 인해 모델에 편파 불일치, 기체 그림자, 추적 오류, 커넥터 허용 오차 또는 증가된 소음 환경이 포함되어 있는지 판단하기가 어렵습니다. 별도의 항목을 사용하면 나중에 비행 테스트 데이터를 원래 UAV 데이터 링크 예산과 더 쉽게 비교할 수 있습니다.

마지막으로, 별도의 열에서 공대지 경로와 지상 대공 경로를 계산합니다. 거리와 자유 공간 손실은 동일할 수 있지만 전송 전력, 안테나 설치, 케이블 길이, 대역폭, 감도 임계값이 다르면 마진이 크게 달라질 수 있습니다.

 

링크가 비행 중에도 작동하는지 확인

수신 전력을 올바른 감도 값과 비교

수신기 감도는 라디오의 영구적인 특성이 아닙니다. 일반적으로 대역폭, 변조, 코딩, 대상 오류 성능 및 때로는 활성 RF 체인 수에 따라 변경됩니다. 민감도 값은 애플리케이션에서 요구하는 작동 모드에 해당하는 경우에만 UAV 데이터 링크 예산에 입력되어야 합니다.

초기 링크 마진을 다음과 같이 계산합니다.

링크 마진 = 예상 수신 전력 - 수신기 감도

예측된 신호가 -78dBm이고 적용 가능한 감도가 -103dBm인 경우 초기 마진은 25dB입니다. 그 결과는 워크시트에 입력된 가정에 따라 모델링된 신호가 선택된 수신기 임계값보다 25dB 높다는 것을 나타냅니다.

현장 조건 변경을 위한 예비 마진

페이드 마진은 예상되는 작동 신호와 선택한 서비스에 필요한 최소 레벨 사이에서 사용할 수 있는 여유분입니다. 시간에 따라 달라지거나 데스크 기반 계획 중에 정확하게 예측할 수 없는 손실을 흡수합니다. 필요한 예비비는 임무의 중요도, 허용 가능한 중단 시간, 경로 환경, 주파수, 안테나 동작 및 입력 데이터의 신뢰도에 따라 달라집니다.

편파 오류, 커넥터 허용 오차, 지상 안테나 포인팅, 기체 막힘, 부분 방해, 다중 경로 및 설치 불확실성에 대한 허용치를 포함합니다. 간섭은 항상 수신 신호 전력을 감소시키지 않으므로 주의 깊게 처리해야 합니다. 대신, 유효 노이즈 플로어를 높이고 특정 데이터 속도에 필요한 신호 레벨을 높일 수 있습니다. 간단한 계획 시트에서는 해당 효과가 명확하게 표시되어 있는 경우 보수적인 민감도 페널티로 표시될 수 있습니다.

프레넬 클리어런스는 지형, 초목, 건물 또는 지면 근처의 저고도 경로에 대한 간단한 경로 확인이 필요합니다. 시각적 가시선은 방해받지 않는 전파 영역을 보장하지 않습니다. 공간 확보가 의심스러운 경우 지형 인식 전파 연구가 자유 공간 손실에만 의존하는 것보다 더 적절합니다.

항공기 자세 및 안테나 패턴 고려

UAV 링크 계산의 안테나 값은 단순히 데이터시트에 인쇄된 최대 개수가 아니라 다른 무선 장치에 대한 이득이어야 합니다. 방위각의 전방향 안테나는 여전히 깊은 고도 널을 가질 수 있지만 탄소 섬유, 배터리, 모터, 배선, 카메라 또는 기타 안테나 근처에 설치하면 효과적인 패턴이 바뀔 수 있습니다.

따라서 롤, 피치, 요는 설계 검토에 속합니다. 뱅크 선회는 편파를 회전시키거나 관측소를 향해 널을 가리킬 수 있는 반면, 오버헤드 패스는 가장 강한 고도 영역 외부에 지상 안테나를 배치할 수 있습니다. 가장 당신완전한 UAV 데이터 링크 예산에는 수평 비행, 최대 뱅크, 상승, 머리 위 이동 및 복귀 방향에 대한 별도의 시나리오가 포함됩니다.

MIMO 및 수신 다양성은 복원력을 향상시킬 수 있지만 그 이점은 문서화된 무선 모드 및 설치된 안테나 분리를 따라야 합니다. 공간 다중화는 주로 용량을 늘리는 데 사용되는 반면 다양성은 페이딩에 대한 견고성을 향상시키는 데 사용됩니다. 수신 전력에 임의의 'MIMO 이득'을 추가하면 성능이 과장될 수 있습니다.

링크 방향과 성능 임계값을 모두 확인하세요.

양방향 연결은 약한 방향으로 인해 제한됩니다. 다운링크는 더 높은 공중 전송 전력을 갖고 많은 비디오 트래픽을 전달할 수 있는 반면, 명령 업링크는 다른 지상 안테나, 채널 설정 또는 감도 요구 사항을 사용할 수 있습니다. 전파의 상호성이 전체 장비 체인을 동일하게 만들지는 않습니다.

임무 범위는 먼저 도달한 임계값을 기준으로 해야 합니다. 비디오 스트림을 사용할 수 없게 된 후에도 UAV는 제어 가능한 상태로 남아 있을 수 있지만 이것이 원래 데이터 링크 요구 사항이 충족되었음을 의미하지는 않습니다.

 

실제 예제를 실행한 후 결과에 도전

하나의 현실적인 UAV 데이터 링크 계산을 완료하세요.

수평 범위가 10km이고 높이 차이가 500m인 예시적인 2.4GHz 공대지 링크를 생각해 보세요. 선택한 무선 구성은 RF 체인당 1W(체인당 30dBm에 해당)와 -103dBm 감도의 5MHz 채널을 사용합니다. 이 예는 보장된 범위 주장이 아닌 계산 연습입니다.

경사 범위는 √(10⊃2; + 0.5⊃2;) 또는 약 10.01km입니다. 자유 공간 손실은 약 120dB인 반면, EIRP는 30 + 2 − 1, 즉 31dBm입니다. 수신 전력은 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78dBm이 됩니다.

-78dBm을 -103dBm과 비교하면 25dB의 공칭 마진이 남습니다. 이는 서류상으로는 실행 가능해 보이지만 명확한 가시선, 정확한 안테나 이득, 모델링되지 않은 설치 손실이 없고 필요한 서비스에 적합한 수신기 감도를 가정합니다. 반대 방향 계산은 여전히 ​​자체 송신기, 안테나 및 수신기 값을 사용하여 완료되어야 합니다.

디자인을 승인하기 전에 예산에 대한 스트레스 테스트를 해보세요.

이제 명목상의 결과를 받아들이기보다는 이의를 제기해야 합니다. 경사진 선회와 기체 배치로 인해 6dB의 안테나 패턴 손실이 발생한다고 가정합니다. 간섭 및 구현 불확실성이 추가로 4dB 등가 페널티를 부과하는 경우 사용 가능한 마진은 25dB에서 약 15dB로 떨어집니다.

송신기 전력을 높이는 것이 항상 최선의 첫 번째 응답은 아닙니다. RF 출력이 높을수록 전기 부하, 열 방출, 시스템 중량, 간섭 및 규제 노출이 증가할 수 있으며, 안테나 배치가 더 좋으면 이러한 불이익 없이 몇 데시벨을 복구할 수 있습니다.

비행 테스트는 짧고 위험도가 낮은 경로부터 완전한 범위까지 진행되어야 합니다. 레벨 아웃바운드 비행, 회전, 상승, 오버헤드 통과 및 귀환 방향 중 수신된 신호 강도, SNR, 변조, 처리량, 패킷 손실 및 대기 시간을 기록합니다. 이러한 측정값을 시나리오 계산과 비교하면 원본 워크시트가 향후 임무를 위해 보정된 모델로 변환됩니다.

 

결론

신뢰할 수 있는 UAV 데이터 링크 예산은 이상적인 가시선 계산보다는 전체 임무를 반영해야 합니다. 두 링크 방향을 모두 확인하고 수신기 감도를 필요한 데이터 속도에 일치시키며 안테나 방향, 간섭 및 설치 손실을 허용하면 설계 및 비행 테스트를 위한 보다 현실적인 기반이 만들어집니다.

Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd.의 DDLmesh 항공 데이터 링크 제품은 동일한 프로세스 내에서 평가될 수 있으므로 팀이 작동 구성을 비교하고 적절한 전력, 대역폭 및 변조 설정을 선택하는 데 도움이 됩니다. 그 결과 초기 RF 계획부터 신뢰할 수 있는 명령, 원격 측정 및 페이로드 통신까지의 경로가 더욱 명확해졌습니다.

 

FAQ

Q: UAV 데이터 링크 예산은 무엇입니까?

A: UAV 데이터 링크 예산은 송신기 전력 및 안테나 이득을 추가하고 경로 및 하드웨어 손실을 뺀 다음 예상 수신 전력을 수신기 임계값과 비교합니다.

Q: 기본 RF 링크 예산 공식은 무엇입니까?

A: 예상 수신 전력은 송신기 전력에 송신 및 수신 안테나 이득을 더하고 케이블, 커넥터, 전파, 편파, 막힘 및 기타 구현 손실을 뺀 것과 같습니다.

Q: UAV 통신 시스템에는 어느 정도의 링크 마진이 필요합니까?

A: 보편적인 목표는 없습니다. 필요한 마진은 임무의 중요도, 빈도, 간섭, 항공기 이동, 허용 가능한 가동 중단 및 전파 가정에 대한 신뢰도에 따라 달라집니다.

Q: UAV 링크 계산에 경사 범위를 사용해야 하는 이유는 무엇입니까?

A: 경사 범위는 수평 분리와 고도 차이를 모두 고려하여 항공기와 지상국 사이의 실제 3차원 거리를 반영합니다.

Q: UAV 업링크 및 다운링크 예산을 별도로 계산해야 합니까?

답: 그렇습니다. 각 방향은 서로 다른 전송 전력, 안테나, 케이블 손실, 대역폭, 변조 및 수신기 감도를 사용하여 서로 다른 작동 마진을 생성할 수 있습니다.

Q: 전송 전력을 높이면 항상 UAV 링크 신뢰성이 향상됩니까?

답변: 전력이 많을수록 수신 신호 강도가 높아질 수 있지만 안테나 배치, 공급 장치 손실, 채널 대역폭, 간섭, 규제 제한, 열 및 에너지 소비가 더 중요할 수 있습니다.