Hoe u een RF-linkbudget voor UAV-datalinks kunt berekenen

Een UAV-dataverbinding kan er tijdens een korte grondtest betrouwbaar uitzien en toch mislukken wanneer het vliegtuig het maximale bereik bereikt, overhelt, klimt of een videostream met hoge snelheid uitzendt. De moeilijkheid is niet simpelweg het kiezen van voldoende zendvermogen; elke antenneversterking, hardwareverlies, voortplantingsverlies, ontvangerdrempel en bedrijfstoestand moeten samen worden geëvalueerd.

Een praktisch Het UAV-datalinkbudget zet deze variabelen om in een schatting van het ontvangen vermogen en de bruikbare marge. De berekening begint met het missiegeval, volgt het RF-pad van zender naar ontvanger, telt vluchtgerelateerde verliezen op en laat zien of de controle- en payloadverbindingen voldoende reserve behouden.

 

Begin met de missie, niet met de formule

Scheid de vereisten voor uplink, telemetrie en payload

Commando-, telemetrie- en payloadgegevens mogen niet als één algemene verkeersstroom worden behandeld. Een commando-uplink kan weinig gegevens bevatten, maar vereist een lage latentie en een zeer hoge continuïteit. Telemetrie kan een lagere snelheid tolereren, terwijl een HD-video-downlink het grootste deel van de beschikbare capaciteit kan verbruiken en een sterker signaal kan vereisen voor de geselecteerde modulatie.

Registreer de minimale payload-doorvoer, de maximaal acceptabele latentie, de tolerantie voor pakketverlies en de vereiste beschikbaarheid voor elke service. Gebruik de doorvoer van applicaties in plaats van de maximale snelheid van de fysieke laag van de radio, omdat protocoloverhead, hertransmissies, controleverkeer en veranderende modulatie de beschikbare capaciteit voor de payload verminderen. Het UAV-datalinkbudget moet daarom worden gecontroleerd aan de hand van ten minste twee drempels: één voor het behouden van commando en controle, en een andere voor het in stand houden van de vereiste video- of sensorstream.

Kies het slechtste punt in de vluchtenvelop

De afstand moet het zwakste realistische punt op de route vertegenwoordigen, en niet alleen de geadverteerde missieradius. Voor een vliegtuig op een andere hoogte dan het grondstation gebruikt u het schuine bereik:

Hellingsbereik = √(horizontale afstand⊃2; + hoogteverschil⊃2;)

Geometrie alleen identificeert niet het slechtste punt. Bankingbochten, toonhoogteveranderingen, steile elevatiehoeken, retourkoersen en plaatsing van de lading kunnen het grondstation in een zwakker deel van het antennepatroon in de lucht plaatsen. De juiste missie-invoer is de positie en de vliegtuighouding die de zwakste geloofwaardige schakel opleveren, zelfs als een ander punt iets verder weg is.

 

Zet elke winst en verlies in één berekening

Bouw een invoerblad op basis van één daadwerkelijke radioconfiguratie

Begin met één volledige bedrijfsmodus. Combineer niet het hoogste zendvermogen, de smalbandgevoeligheid, het breedste kanaal en de maximale datasnelheid als deze specificaties niet tegelijkertijd kunnen voorkomen.

De eenheden hebben verschillende rollen. dBm drukt een absoluut vermogensniveau uit, dBi beschrijft de antenneversterking ten opzichte van een isotrope straler, en dB drukt een winst- of verliesverhouding uit. Omdat de vergelijking logaritmisch is, worden winsten opgeteld en verliezen direct afgetrokken.

Productspecificaties moeten worden behandeld als gekoppelde bedrijfsomstandigheden. De WDS DDLmesh Airborne-serie ondersteunt selecteerbare breedband- en smalbandkanaalbreedtes, adaptieve BPSK tot en met 64QAM-modulatie, instelbare RF-uitvoeropties, 2x2 MIMO-functies en ontvangergevoeligheid van −103 dBm bij 5 MHz of −117 dBm bij 250 kHz. Deze waarden illustreren waarom het werkblad eerst een bandbreedte en servicesnelheid moet selecteren: de smalbandgevoeligheid kan niet worden gebruikt om te bewijzen dat een breedbandvideostream zal werken.

Bereken het padverlies in de vrije ruimte op basis van het frequentie- en schuine bereik

Voor een onbelemmerd punt-naar-punt-pad berekent u het padverlies in de vrije ruimte met de frequentie in MHz en de afstand in kilometers:

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

Padverlies in de vrije ruimte vertegenwoordigt eerder een referentieomstandigheid dan gebladerte, terreindiffractie, blokkade van het casco, interferentie of verkeerde uitlijning van de antenne. Deze effecten vereisen afzonderlijke emissierechten of een gedetailleerder propagatiemodel.

Bij 2,4 GHz over 10,01 km is de berekening:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Een frequentie ingevoerd in GHz in plaats van MHz zou met deze versie van de vergelijking een fout van 60 dB opleveren. Eenheden moeten daarom naast elke invoercel worden weergegeven in plaats van in het geheugen te worden overgelaten.

Bereken EIRP en voorspeld ontvangen vermogen

Equivalent isotropisch uitgestraald vermogen combineert de termen aan de zendzijde:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Als de zender 30 dBm produceert, de antenne 2 dBi in de betreffende richting levert en het kabelpad 1 dB verliest, is de EIRP 31 dBm. Deze waarde moet worden getoetst aan de regels die gelden voor de gekozen frequentie en bedieningslocatie.

Het voorspelde ontvangervermogen is dan:

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

Houd extra verliezen zichtbaar. Eén enkele onverklaarde 'veiligheidsfactor' maakt het moeilijk om te bepalen of het model polarisatie-mismatch, casco-schaduwing, tracking error, connectortolerantie of een verhoogde ruisomgeving omvat. Afzonderlijke invoer maakt het ook gemakkelijker om latere testvluchtgegevens te vergelijken met het oorspronkelijke UAV-datalinkbudget.

Bereken ten slotte de lucht-grond- en grond-luchtpaden in afzonderlijke kolommen. Ze kunnen dezelfde afstand en verlies aan vrije ruimte delen, maar verschillende zendvermogens, antenne-installaties, kabeltrajecten, bandbreedtes en gevoeligheidsdrempels kunnen aanzienlijk verschillende marges creëren.

 

Bepaal of de link nog steeds werkt tijdens de vlucht

Vergelijk het ontvangen vermogen met de juiste gevoeligheidswaarde

De gevoeligheid van de ontvanger is geen permanent kenmerk van een radio. Normaal gesproken verandert dit met de bandbreedte, modulatie, codering, doelfoutprestaties en soms het aantal actieve RF-ketens. Een gevoeligheidswaarde mag alleen in het UAV-datalinkbudget worden ingevoerd als deze overeenkomt met de bedrijfsmodus die door de toepassing wordt vereist.

Bereken de initiële linkmarge als:

Linkmarge = Voorspeld ontvangen vermogen − Ontvangergevoeligheid

Als het voorspelde signaal −78 dBm is en de toepasselijke gevoeligheid −103 dBm is, is de initiële marge 25 dB. Dat resultaat zegt dat het gemodelleerde signaal 25 dB boven de geselecteerde ontvangerdrempel ligt onder de aannames die in het werkblad zijn ingevoerd.

Reservemarge voor veranderende veldomstandigheden

Fademarge is de bruikbare reserve tussen het verwachte bedrijfssignaal en het minimaal vereiste niveau voor de geselecteerde dienst. Het absorbeert verliezen die in de loop van de tijd variëren of die niet precies kunnen worden voorspeld tijdens bureaugebaseerde planning. De vereiste reserve is afhankelijk van de missiekriticiteit, aanvaardbare onderbrekingstijd, padomgeving, frequentie, antennegedrag en de betrouwbaarheid van de invoergegevens.

Houd rekening met polarisatiefouten, connectortoleranties, het richten van de grondantenne, blokkering van het casco, gedeeltelijke obstructie, meerpaden en onzekerheid bij de installatie. Er moet voorzichtig worden omgegaan met interferentie, omdat dit niet altijd het ontvangen signaalvermogen vermindert; in plaats daarvan kan het de effectieve ruisvloer verhogen en het signaalniveau verhogen dat nodig is voor een bepaalde datasnelheid. In een eenvoudig planningsblad kan dat effect worden weergegeven als een conservatieve gevoeligheidsstraf, op voorwaarde dat het duidelijk wordt geëtiketteerd.

Fresnel-klaring verdient een korte routecontrole voor paden op lage hoogte in de buurt van terrein, vegetatie, gebouwen of de grond. Een visuele zichtlijn garandeert geen ongestoord voortplantingsgebied. Waar de opruiming twijfelachtig is, is een terreinbewuste voortplantingsstudie geschikter dan alleen te vertrouwen op het verlies van vrije ruimte.

Houd rekening met de stand van het vliegtuig en het antennepatroon

De antennewaarde in een UAV-verbindingsberekening moet de versterking ten opzichte van de andere radio zijn, en niet alleen het maximale aantal dat op een datasheet staat afgedrukt. Een omnidirectionele antenne in azimut kan nog steeds diepe nulpunten hebben, terwijl installatie in de buurt van koolstofvezel, batterijen, motoren, bedrading, camera's of andere antennes het effectieve patroon ervan kan veranderen.

Rollen, stampen en gieren horen daarom thuis in de ontwerprecensie. Een schuine bocht kan de polarisatie roteren of een nul naar het station richten, terwijl een bovengrondse doorgang de grondantenne buiten het sterkste elevatiegebied kan plaatsen. De meest uHet zorgvuldige UAV-datalinkbudget bevat afzonderlijke scenario's voor horizontale vlucht, maximale helling, klim, overheadtransit en retourvlucht.

MIMO en ontvangstdiversiteit kunnen de veerkracht verbeteren, maar het voordeel zou de gedocumenteerde radiomodus en geïnstalleerde antennescheiding moeten volgen. Ruimtelijke multiplexing wordt voornamelijk gebruikt om de capaciteit te vergroten, terwijl diversiteit bedoeld is om de robuustheid tegen vervaging te verbeteren. Het toevoegen van een willekeurige 'MIMO-versterking' aan het ontvangen vermogen kan de prestaties overschatten.

Controleer beide linkrichtingen en beide prestatiedrempels

Een tweerichtingsverbinding wordt beperkt door de zwakkere richting. De downlink kan een hoger zendvermogen in de lucht hebben en zwaar videoverkeer vervoeren, terwijl de commando-uplink een andere grondantenne, kanaalinstelling of gevoeligheidsvereiste kan gebruiken. Wederkerigheid van voortplanting maakt de volledige uitrustingsketens niet identiek.

Het missiebereik moet gebaseerd zijn op de drempel die het eerst wordt bereikt. Een UAV kan bestuurbaar blijven nadat de videostream onbruikbaar is geworden, maar dat betekent niet dat aan de oorspronkelijke datalinkvereiste is voldaan.

 

Voer een uitgewerkt voorbeeld uit en daag vervolgens het resultaat uit

Voer één realistische UAV-datalinkberekening uit

Beschouw een illustratieve 2,4 GHz lucht-grondverbinding met een horizontaal bereik van 10 km en een hoogteverschil van 500 m. De geselecteerde radioconfiguratie gebruikt 1 W per RF-keten, wat overeenkomt met 30 dBm per keten, en een 5 MHz-kanaal met een gevoeligheid van −103 dBm. Het voorbeeld is eerder een rekenoefening dan een garantieclaim.

Het hellingsbereik is √(10⊃2; + 0,5⊃2;), of ongeveer 10,01 km. Het verlies aan vrije ruimte is ongeveer 120 dB, terwijl EIRP 30 + 2 − 1 is, of 31 dBm. Het ontvangen vermogen wordt 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Als je −78 dBm vergelijkt met −103 dBm, blijft er een nominale marge van 25 dB over. Dat lijkt op papier werkbaar, maar het veronderstelt een duidelijke zichtlijn, nauwkeurige antenneversterking, geen ongemodelleerd installatieverlies en een ontvangergevoeligheid die geschikt is voor de vereiste service. De berekening in tegengestelde richting moet nog steeds worden voltooid met de eigen zender-, antenne- en ontvangerwaarden.

Voer een stresstest uit op het budget voordat u het ontwerp goedkeurt

Het nominale resultaat moet nu worden betwist in plaats van geaccepteerd. Stel dat een schuine bocht en plaatsing van het casco 6 dB antennepatroonverlies veroorzaken. Als interferentie en implementatieonzekerheid een extra boete van 4 dB opleggen, daalt de beschikbare marge van 25 dB naar ongeveer 15 dB.

Het vergroten van het zendvermogen is niet altijd de beste eerste reactie. Een hogere RF-uitvoer kan de elektrische belasting, de warmteafvoer, het systeemgewicht, de interferentie en de blootstelling aan regelgeving vergroten, terwijl een betere plaatsing van de antenne enkele decibel kan terugwinnen zonder deze straffen.

Vliegtests moeten zich ontwikkelen van korte routes met een laag risico naar het volledige bereik. Registreer de ontvangen signaalsterkte, SNR, modulatie, doorvoer, pakketverlies en latentie tijdens een uitgaande vlucht op niveau, bochten, beklimmingen, overheadpassen en de retourvlucht. Door deze metingen te vergelijken met de scenarioberekeningen wordt het originele werkblad omgezet in een gekalibreerd model voor toekomstige missies.

 

Conclusie

Een betrouwbaar UAV-datalinkbudget moet de volledige missie weerspiegelen in plaats van een ideale gezichtslijnberekening. Het controleren van beide verbindingsrichtingen, het afstemmen van de gevoeligheid van de ontvanger op de vereiste datasnelheid en het rekening houden met antenne-oriëntatie, interferentie en installatieverliezen creëert een meer realistische basis voor ontwerp- en vliegtesten.

De DDLmesh-datalinkproducten in de lucht van Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. kunnen binnen hetzelfde proces worden beoordeeld, waardoor teams operationele configuraties kunnen vergelijken en geschikte instellingen voor vermogen, bandbreedte en modulatie kunnen selecteren. Het resultaat is een duidelijker pad van de initiële RF-planning naar betrouwbare commando-, telemetrie- en payload-communicatie.

 

Veelgestelde vragen

Vraag: Wat is een UAV-datalinkbudget?

A: Een UAV-datalinkbudget telt het zendvermogen en de antennewinst op, trekt pad- en hardwareverliezen af ​​en vergelijkt vervolgens het voorspelde ontvangen vermogen met de ontvangerdrempel.

Vraag: Wat is de basisbudgetformule voor RF-verbindingen?

A: Het voorspelde ontvangen vermogen is gelijk aan het zendvermogen plus de winst van de zend- en ontvangstantenne, minus kabel, connector, voortplanting, polarisatie, blokkering en andere implementatieverliezen.

Vraag: Hoeveel linkmarge heeft een UAV-communicatiesysteem nodig?

A: Er is geen universeel doel. De vereiste marge hangt af van de kriticiteit van de missie, de frequentie, interferentie, vliegtuigbewegingen, aanvaardbare uitval en vertrouwen in de propagatieaannames.

Vraag: Waarom moet het schuine bereik worden gebruikt voor UAV-linkberekeningen?

A: Het schuine bereik weerspiegelt de werkelijke driedimensionale afstand tussen het vliegtuig en het grondstation, waarbij rekening wordt gehouden met zowel de horizontale scheiding als het hoogteverschil.

Vraag: Moeten de UAV-uplink- en downlinkbudgetten afzonderlijk worden berekend?

EEN: Ja. Elke richting kan een ander zendvermogen, antennes, kabelverliezen, bandbreedte, modulatie en ontvangergevoeligheid gebruiken, waardoor verschillende operationele marges ontstaan.

Vraag: Verbetert het vergroten van het zendvermogen altijd de betrouwbaarheid van de UAV-verbinding?

A: Meer vermogen kan de ontvangen signaalsterkte vergroten, maar plaatsing van de antenne, feederverlies, kanaalbandbreedte, interferentie, wettelijke limieten, warmte en energieverbruik kunnen belangrijker zijn.