Jak obliczyć budżet łącza RF dla łączy danych UAV

Łącze danych UAV może wyglądać na niezawodne podczas krótkiego testu naziemnego i nadal nie działać, gdy statek powietrzny osiągnie maksymalny zasięg, przechyla się, wznosi się lub przesyła strumień wideo o dużej szybkości. Trudność nie polega po prostu na wyborze wystarczającej mocy nadawania; każdy zysk anteny, strata sprzętu, strata propagacji, próg odbiornika i warunki pracy muszą być oceniane łącznie.

Praktyczny Budżet łącza danych UAV przekształca te zmienne w szacunkową wielkość odbieranej mocy i użyteczny margines. Obliczenia rozpoczynają się od przypadku misji, śledzą ścieżkę RF od nadajnika do odbiornika, dodają straty związane z lotem i ujawniają, czy łącza sterujące i ładunkowe zachowują wystarczającą rezerwę.

 

Zacznij od misji, a nie od formuły

Oddziel wymagania dotyczące łącza nadrzędnego, danych telemetrycznych i ładunku

Dane poleceń, telemetrii i ładunku nie powinny być traktowane jako jeden ogólny strumień ruchu. Łącze wysyłające polecenia może przenosić niewiele danych, ale wymaga małego opóźnienia i bardzo wysokiej ciągłości. Telemetria może tolerować niższą szybkość, podczas gdy łącze pobierające wideo HD może zużywać większość dostępnej przepustowości i wymagać silniejszego sygnału dla wybranej modulacji.

Rejestruj minimalną przepustowość ładunku, maksymalne akceptowalne opóźnienie, tolerancję na utratę pakietów i wymaganą dostępność każdej usługi. Używaj przepustowości aplikacji, a nie szczytowej szybkości warstwy fizycznej radia, ponieważ obciążenie protokołu, retransmisje, ruch kontrolny i zmieniająca się modulacja zmniejszają pojemność dostępną dla ładunku. Dlatego budżet łącza danych UAV należy sprawdzić pod kątem co najmniej dwóch progów: jednego na utrzymanie dowodzenia i kontroli, a drugiego na utrzymanie wymaganego strumienia wideo lub czujników.

Wybierz najgorszy punkt w obwiedni lotu

Odległość powinna reprezentować najsłabszy realistyczny punkt na trasie, a nie tylko reklamowany promień misji. W przypadku statku powietrznego znajdującego się na innej wysokości od stacji naziemnej użyj zasięgu nachylenia:

Zasięg nachylenia = √(odległość pozioma⊃2; + różnica wysokości⊃2;)

Sama geometria nie pozwala określić najgorszego punktu. Zakręty, zmiany nachylenia, strome kąty elewacji, kursy powrotne i rozmieszczenie ładunku mogą umieścić stację naziemną w słabszej części układu anteny pokładowej. Prawidłowe dane wejściowe misji to pozycja i położenie statku powietrznego, które tworzą najsłabsze wiarygodne połączenie, nawet jeśli inny punkt jest nieco dalej.

 

Umieść wszystkie zyski i straty w jednym rachunku

Utwórz arkusz wejściowy na podstawie jednej rzeczywistej konfiguracji radia

Zacznij od jednego pełnego trybu pracy. Nie łącz najwyższej mocy nadawania, czułości wąskopasmowej, najszerszego kanału i maksymalnej szybkości transmisji danych, jeśli te specyfikacje nie mogą wystąpić jednocześnie.

Jednostki pełnią różne role. dBm wyraża bezwzględny poziom mocy, dBi opisuje zysk anteny w stosunku do promiennika izotropowego, a dB wyraża współczynnik wzmocnienia lub strat. Ponieważ równanie jest logarytmiczne, zyski są dodawane, a straty bezpośrednio odejmowane.

Specyfikacje produktu należy traktować jako powiązane warunki operacyjne. Seria powietrzna WDS DDLmesh obsługuje wybierane szerokości kanałów szerokopasmowych i wąskopasmowych, adaptacyjną modulację BPSK do 64QAM, regulowane opcje wyjścia RF, funkcje 2×2 MIMO i czułość odbiornika wynoszącą -103 dBm przy 5 MHz lub -117 dBm przy 250 kHz. Wartości te ilustrują, dlaczego arkusz musi najpierw wybrać przepustowość i szybkość usługi: czułość wąskopasmowa nie może zostać wykorzystana do sprawdzenia, czy szerokopasmowy strumień wideo będzie działać.

Oblicz tłumienie ścieżki w wolnej przestrzeni na podstawie częstotliwości i zakresu nachylenia

Aby uzyskać niezakłóconą ścieżkę od punktu do punktu, oblicz tłumienie ścieżki w wolnej przestrzeni z częstotliwością w MHz i odległością w kilometrach:

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

Utrata ścieżki w wolnej przestrzeni stanowi stan odniesienia, a nie listowie, dyfrakcję terenu, blokadę płatowca, zakłócenia lub niewspółosiowość anteny. Efekty te wymagają oddzielnych uwzględnień lub bardziej szczegółowego modelu propagacji.

Przy 2,4 GHz na dystansie 10,01 km obliczenia są następujące:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Częstotliwość wprowadzona w GHz zamiast w MHz powodowałaby w tej wersji równania błąd wynoszący 60 dB. Dlatego jednostki powinny być pokazywane obok każdej komórki wejściowej, a nie pozostawiane w pamięci.

Oblicz EIRP i przewidywaną moc odbieraną

Równoważna moc wypromieniowana izotropowo łączy warunki po stronie transmisji:

EIRP = Ptx + Gtx – Ltx

Jeśli nadajnik wytwarza 30 dBm, antena zapewnia 2 dBi w odpowiednim kierunku, a ścieżka kablowa traci 1 dB, EIRP wynosi 31 dBm. Wartość tę należy sprawdzić z zasadami obowiązującymi dla wybranej częstotliwości i miejsca pracy.

Przewidywana moc odbiornika wynosi zatem:

Prx = Ptx + Gtx – Ltx – FSPL – Laddycjalny + Grx – Lrx

Utrzymuj widoczne dodatkowe straty. Pojedynczy niewyjaśniony „czynnik bezpieczeństwa” utrudnia określenie, czy model zawiera niedopasowanie polaryzacji, cieniowanie płatowca, błąd śledzenia, tolerancję złączy, czy też środowisko o podwyższonym poziomie hałasu. Oddzielne wpisy ułatwiają także porównanie późniejszych danych z testów w locie z pierwotnym budżetem łącza danych UAV.

Na koniec oblicz ścieżki powietrze-ziemia i ziemia-powietrze w oddzielnych kolumnach. Mogą dzielić tę samą odległość i straty wolnej przestrzeni, ale różne moce nadawania, instalacje antenowe, przebiegi kabli, szerokości pasma i progi czułości mogą powodować znacząco różne marginesy.

 

Zdecyduj, czy łącze nadal działa w locie

Porównaj otrzymaną moc z odpowiednią wartością czułości

Czułość odbiornika nie jest stałą cechą radia. Zwykle zmienia się w zależności od szerokości pasma, modulacji, kodowania, docelowej wydajności błędów, a czasami liczby aktywnych łańcuchów RF. Wartość czułości powinna być wprowadzana do budżetu łącza danych UAV tylko wtedy, gdy odpowiada trybowi pracy wymaganemu przez aplikację.

Oblicz początkowy margines łącza jako:

Margines łącza = Przewidywana moc odbierana − Czułość odbiornika

Jeśli przewidywany sygnał wynosi -78 dBm, a stosowana czułość wynosi -103 dBm, początkowy margines wynosi 25 dB. Wynik ten mówi, że modelowany sygnał jest o 25 dB wyższy od progu wybranego odbiornika, zgodnie z założeniami wprowadzonymi do arkusza kalkulacyjnego.

Margines rezerwowy na zmieniające się warunki polowe

Margines zaniku to użyteczna rezerwa pomiędzy oczekiwanym sygnałem operacyjnym a minimalnym poziomem wymaganym dla wybranej usługi. Absorbuje straty, które zmieniają się w czasie lub których nie można dokładnie przewidzieć podczas planowania biurowego. Wymagana rezerwa zależy od krytyczności misji, akceptowalnego czasu przerwy, środowiska ścieżki, częstotliwości, zachowania anteny i wiarygodności danych wejściowych.

Uwzględnij błędy polaryzacji, tolerancje złączy, ustawienie anteny na ziemię, blokadę płatowca, częściową przeszkodę, wielodrożność i niepewność instalacji. Z zakłóceniami należy postępować ostrożnie, ponieważ nie zawsze zmniejszają one moc odbieranego sygnału; zamiast tego może podnieść efektywny poziom szumów i zwiększyć poziom sygnału wymagany dla danej szybkości transmisji danych. Na prostym arkuszu planowania efekt ten można przedstawić jako konserwatywną karę za wrażliwość, pod warunkiem, że jest ona wyraźnie oznaczona.

Prześwit Fresnela wymaga krótkiego sprawdzenia trasy pod kątem ścieżek położonych na małych wysokościach w pobliżu terenu, roślinności, budynków lub gruntu. Wizualna linia wzroku nie gwarantuje niezakłóconego obszaru propagacji. Tam, gdzie prześwit jest wątpliwy, bardziej odpowiednie jest badanie propagacji uwzględniające ukształtowanie terenu, niż poleganie wyłącznie na utracie wolnej przestrzeni.

Uwzględnij położenie statku powietrznego i wzór anteny

Wartość anteny w obliczeniach łącza UAV powinna być wzmocnieniem w stosunku do drugiego radia, a nie tylko maksymalną liczbą wydrukowaną w arkuszu danych. Antena dookólna ustawiona w azymucie może nadal mieć zera na dużych wysokościach, natomiast instalacja w pobliżu włókna węglowego, akumulatorów, silników, przewodów, kamer lub innych anten może zmienić jej efektywny wzór.

Dlatego też przechylenie, nachylenie i odchylenie podlegają przeglądowi projektu. Przechylony zakręt może zmienić polaryzację lub skierować zero w stronę stacji, podczas gdy przelot nad głową może umieścić antenę naziemną poza obszarem o największej wysokości. Najbardziej tySolidny budżet łącza danych UAV zawiera oddzielne scenariusze dla lotu poziomego, maksymalnego przechylenia, wznoszenia, przelotu nad głową i kursu powrotnego.

MIMO i różnorodność odbioru mogą poprawić odporność, ale korzyści powinny wynikać z udokumentowanego trybu radiowego i zainstalowanej separacji anten. Multipleksowanie przestrzenne służy przede wszystkim do zwiększenia pojemności, natomiast różnorodność ma na celu poprawę odporności na blaknięcie. Dodanie dowolnego „wzmocnienia MIMO” do odbieranej mocy może zawyżać wydajność.

Sprawdź oba kierunki łącza i oba progi wydajności

Połączenie dwukierunkowe jest ograniczone przez jego słabszy kierunek. Łącze pobierające może mieć wyższą moc nadawczą w powietrzu i przenosić duży ruch wideo, podczas gdy łącze sterujące w górę może wykorzystywać inną antenę naziemną, ustawienie kanału lub wymagania dotyczące czułości. Wzajemność propagacji nie powoduje, że całe łańcuchy wyposażenia są identyczne.

Zasięg misji powinien opierać się na tym, który próg zostanie osiągnięty jako pierwszy. UAV może pozostać sterowalny, gdy strumień wideo stanie się bezużyteczny, ale nie oznacza to, że pierwotne wymagania dotyczące łącza danych zostały spełnione.

 

Uruchom sprawdzony przykład, a następnie podważ wynik

Wykonaj jedno realistyczne obliczenie łącza danych UAV

Rozważmy przykładowe łącze powietrze-ziemia 2,4 GHz o zasięgu poziomym 10 km i różnicy wysokości 500 m. Wybrana konfiguracja radiowa wykorzystuje 1 W na łańcuch RF, co odpowiada 30 dBm na łańcuch, oraz kanał 5 MHz z czułością -103 dBm. Przykładem są obliczenia, a nie deklaracja zakresu gwarantowanego.

Zasięg nachylenia wynosi √ (10⊃2; + 0,5⊃2;), czyli około 10,01 km. Strata w wolnej przestrzeni wynosi około 120 dB, podczas gdy EIRP wynosi 30 + 2 - 1, czyli 31 dBm. Odbierana moc wynosi 30 + 2 - 1 - 120 + 12 - 1 = -78 dBm.

Porównanie -78 dBm z -103 dBm pozostawia 25 dB marginesu nominalnego. Na papierze wygląda to wykonalnie, ale zakłada dobrą widoczność, dokładne zyski anteny, brak niemodelowanych strat w instalacji i czułość odbiornika odpowiednią do wymaganej usługi. Obliczenia kierunku przeciwnego muszą być nadal wykonane przy użyciu własnych wartości nadajnika, anteny i odbiornika.

Przed zatwierdzeniem projektu przeprowadź test warunków skrajnych dla budżetu

Nominalny wynik należy teraz raczej zakwestionować niż zaakceptować. Załóżmy, że przechylony zakręt i ustawienie płatowca powodują 6 dB tłumienia sygnału antenowego. Jeżeli zakłócenia i niepewność wykonania nakładają dodatkową karę w wysokości 4 dB, dostępny margines spada z 25 dB do około 15 dB.

Zwiększenie mocy nadajnika nie zawsze jest najlepszą pierwszą reakcją. Wyższa moc wyjściowa RF może zwiększyć obciążenie elektryczne, rozpraszanie ciepła, wagę systemu, zakłócenia i narażenie na ryzyko wynikające z przepisów, podczas gdy lepsze umiejscowienie anteny może pozwolić na odzyskanie kilku decybeli bez tych kar.

Testy w locie powinny przebiegać od krótkich ścieżek o niskim ryzyku do pełnej obwiedni. Rejestruj siłę odebranego sygnału, współczynnik SNR, modulację, przepustowość, utratę pakietów i opóźnienia podczas poziomego lotu wychodzącego, zakrętów, wzniesień, przelotów nad głową i kursu powrotnego. Porównanie tych pomiarów z obliczeniami scenariusza przekształca oryginalny arkusz w skalibrowany model na potrzeby przyszłych misji.

 

Wniosek

Niezawodny budżet łącza danych UAV powinien odzwierciedlać całą misję, a nie idealne obliczenia linii wzroku. Sprawdzenie obu kierunków łącza, dopasowanie czułości odbiornika do wymaganej szybkości transmisji danych oraz uwzględnienie orientacji anteny, zakłóceń i strat instalacyjnych tworzy bardziej realistyczną podstawę do projektowania i testów w locie.

Produkty Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. do powietrznego łącza danych DDLmesh można ocenić w ramach tego samego procesu, pomagając zespołom porównać konfiguracje operacyjne i wybrać odpowiednie ustawienia mocy, przepustowości i modulacji. Rezultatem jest jaśniejsza droga od wstępnego planowania RF do niezawodnej komunikacji w zakresie poleceń, telemetrii i ładunku.

 

Często zadawane pytania

P: Jaki jest budżet łącza danych UAV?

O: Budżet łącza danych UAV dodaje moc nadajnika i zyski anteny, odejmuje straty na ścieżce i sprzęcie, a następnie porównuje przewidywaną moc odbieraną z progiem odbiornika.

P: Jaka jest podstawowa formuła budżetu łącza RF?

Odp.: Przewidywana moc odbierana równa się mocy nadajnika plus zyski anteny nadawczej i odbiorczej, minus kabel, złącze, propagacja, polaryzacja, blokowanie i inne straty wdrożeniowe.

P: Jakiego marginesu łącza potrzebuje system komunikacji UAV?

O: Nie ma uniwersalnego celu. Wymagany margines zależy od krytyczności misji, częstotliwości, zakłóceń, ruchu statku powietrznego, akceptowalnych przestojów i pewności co do założeń dotyczących propagacji.

P: Dlaczego do obliczeń łącza UAV należy używać zasięgu nachylenia?

Odp.: Zasięg nachylenia odzwierciedla rzeczywistą trójwymiarową odległość pomiędzy statkiem powietrznym a stacją naziemną, uwzględniając zarówno separację poziomą, jak i różnicę wysokości.

P: Czy budżety na łącza w górę i w dół UAV powinny być obliczane oddzielnie?

O: Tak. Każdy kierunek może wykorzystywać inną moc nadawania, anteny, straty w kablu, szerokość pasma, modulację i czułość odbiornika, tworząc różne marginesy operacyjne.

P: Czy zwiększenie mocy nadawania zawsze poprawia niezawodność łącza UAV?

Odp.: Większa moc może zwiększyć siłę odbieranego sygnału, ale ważniejsze mogą być rozmieszczenie anteny, straty w kanale zasilającym, szerokość pasma kanału, zakłócenia, ograniczenia regulacyjne, ciepło i zużycie energii.