Ako vypočítať rozpočet spojenia RF pre dátové spojenia UAV

Dátové spojenie UAV môže vyzerať spoľahlivo počas krátkeho pozemného testu a stále zlyhá, keď lietadlo dosiahne maximálny dosah, nakláňa sa, stúpa alebo prenáša vysokorýchlostný tok videa. Problém nespočíva len vo výbere dostatočného vysielacieho výkonu; každý zisk antény, strata hardvéru, strata šírenia, prah prijímača a prevádzkové podmienky musia byť vyhodnotené spoločne.

Praktické Rozpočet dátového spojenia UAV premení tieto premenné na odhad prijatého výkonu a použiteľnej marže. Výpočet začína prípadom misie, sleduje RF cestu od vysielača k prijímaču, pridáva straty súvisiace s letom a odhaľuje, či si riadiace a užitočné prepojenia zachovávajú dostatočnú rezervu.

 

Začnite s misiou, nie so vzorcom

Oddeľte požiadavky na uplink, telemetriu a užitočné zaťaženie

Údaje príkazov, telemetrie a užitočného zaťaženia by sa nemali považovať za jeden všeobecný tok prevádzky. Príkazový uplink môže prenášať málo údajov, ale vyžaduje nízku latenciu a veľmi vysokú kontinuitu. Telemetria môže tolerovať nižšiu rýchlosť, zatiaľ čo HD video downlink môže spotrebovať väčšinu dostupnej kapacity a vyžadovať silnejší signál pre svoju zvolenú moduláciu.

Zaznamenajte minimálnu priepustnosť užitočného zaťaženia, maximálnu prijateľnú latenciu, toleranciu straty paketov a požadovanú dostupnosť pre každú službu. Použite priepustnosť aplikácií namiesto maximálnej rýchlosti fyzickej vrstvy rádia, pretože réžia protokolu, opakované prenosy, riadenie prevádzky a meniaca sa modulácia znižujú kapacitu dostupnú pre užitočné zaťaženie. Rozpočet dátového spojenia UAV by sa preto mal kontrolovať aspoň v porovnaní s dvoma prahovými hodnotami: jednou pre udržanie príkazu a riadenia a druhou pre udržanie požadovaného toku videa alebo senzorov.

Vyberte najhorší bod v letovej obálke

Vzdialenosť by mala predstavovať najslabšie realistické miesto na trase, nie iba inzerovaný polomer misie. Pre lietadlo v inej výške od pozemnej stanice použite rozsah sklonu:

Rozsah sklonu = √(horizontálna vzdialenosť⊃2; + výškový rozdiel⊃2;)

Samotná geometria neidentifikuje najhorší bod. Náklonové otáčky, zmeny sklonu, strmé výškové uhly, smer návratu a umiestnenie užitočného zaťaženia môžu umiestniť pozemnú stanicu do slabšej časti vzoru vzdušnej antény. Správny vstup do misie je poloha a poloha lietadla, ktoré vytvárajú najslabší dôveryhodný článok, aj keď je iný bod o niečo ďalej.

 

Dajte každý zisk a stratu do jedného výpočtu

Zostavte vstupný list z jednej skutočnej konfigurácie rádia

Začnite s jedným úplným prevádzkovým režimom. Nekombinujte najvyšší vysielací výkon, úzkopásmovú citlivosť, najširší kanál a maximálnu dátovú rýchlosť, ak tieto špecifikácie nemôžu nastať súčasne.

Jednotky majú rôzne úlohy. dBm vyjadruje absolútnu úroveň výkonu, dBi popisuje zisk antény vzhľadom na izotropný žiarič a dB vyjadruje pomer zisku alebo straty. Pretože rovnica je logaritmická, zisky sa pripočítavajú a straty priamo odpočítavajú.

Špecifikácie produktu sa musia považovať za súvisiace prevádzkové podmienky. Vzdušná séria WDS DDLmesh podporuje voliteľné širokopásmové a úzkopásmové šírky kanálov, adaptívnu moduláciu BPSK až 64QAM, nastaviteľné možnosti RF výstupu, 2×2 MIMO funkcie a citlivosť prijímača -103 dBm pri 5 MHz alebo -117 dBm pri 250 kHz. Tieto hodnoty ilustrujú, prečo musí pracovný hárok najskôr vybrať šírku pásma a rýchlosť služby: úzkopásmovú citlivosť nemožno použiť na preukázanie toho, že širokopásmový tok videa bude fungovať.

Vypočítajte stratu dráhy vo voľnom priestore z rozsahu frekvencie a sklonu

Pre nerušenú cestu z bodu do bodu vypočítajte stratu cesty vo voľnom priestore s frekvenciou v MHz a vzdialenosťou v kilometroch:

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

Strata dráhy vo voľnom priestore predstavuje skôr referenčný stav ako lístie, difrakciu terénu, blokovanie draku lietadla, rušenie alebo nesprávne nastavenie antény. Tieto účinky si vyžadujú samostatné prirážky alebo podrobnejší model šírenia.

Pri 2,4 GHz na 10,01 km je výpočet:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Frekvencia zadaná v GHz namiesto MHz by pri tejto verzii rovnice spôsobila chybu 60 dB. Jednotky by sa preto mali zobrazovať vedľa každej vstupnej bunky namiesto toho, aby boli ponechané v pamäti.

Vypočítajte EIRP a predpokladaný prijatý výkon

Ekvivalentný izotropne vyžarovaný výkon kombinuje pojmy na strane vysielania:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Ak vysielač produkuje 30 dBm, anténa poskytuje 2 dBi v príslušnom smere a káblová trasa stráca 1 dB, EIRP je 31 dBm. Túto hodnotu je potrebné skontrolovať podľa pravidiel, ktoré platia pre zvolenú frekvenciu a prevádzkové miesto.

Predpokladaný výkon prijímača je potom:

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

Udržujte viditeľné ďalšie straty. Jediný nevysvetlený 'bezpečnostný faktor' sťažuje určenie, či model zahŕňa nesúlad polarizácie, tieňovanie draku lietadla, chybu sledovania, toleranciu konektora alebo prostredie so zvýšeným šumom. Samostatné položky tiež uľahčujú porovnanie údajov z neskoršej letovej skúšky s pôvodným rozpočtom dátového spojenia UAV.

Nakoniec vypočítajte cesty vzduch-zem a zem-vzduch v samostatných stĺpcoch. Môžu zdieľať rovnakú vzdialenosť a stratu voľného priestoru, ale rôzne vysielacie výkony, inštalácie antén, káblové trasy, šírky pásma a prahy citlivosti môžu vytvárať výrazne odlišné rozpätia.

 

Rozhodnite, či odkaz stále funguje počas letu

Porovnajte prijímaný výkon so správnou hodnotou citlivosti

Citlivosť prijímača nie je jednou trvalou charakteristikou rádia. Normálne sa mení so šírkou pásma, moduláciou, kódovaním, chybou cieľa a niekedy počtom aktívnych RF reťazcov. Hodnota citlivosti by mala vstúpiť do rozpočtu dátového spojenia UAV len vtedy, keď zodpovedá prevádzkovému režimu požadovanému aplikáciou.

Vypočítajte počiatočný okraj odkazu ako:

Okraj spoja = Predpovedaný prijímaný výkon − Citlivosť prijímača

Ak je predpokladaný signál -78 dBm a použiteľná citlivosť je -103 dBm, počiatočná rezerva je 25 dB. Tento výsledok hovorí, že modelovaný signál je 25 dB nad vybraným prahom prijímača podľa predpokladov zadaných do pracovného listu.

Rezervná rezerva pre meniace sa podmienky na poli

Rozpätie zoslabenia je použiteľná rezerva medzi očakávaným prevádzkovým signálom a minimálnou úrovňou vyžadovanou pre zvolenú službu. Absorbuje straty, ktoré sa menia v čase alebo sa nedajú presne predpovedať počas plánovania na pracovisku. Požadovaná rezerva závisí od kritickosti misie, prijateľného času prerušenia, prostredia cesty, frekvencie, správania antény a spoľahlivosti vstupných údajov.

Zahrňte tolerancie pre polarizačnú chybu, tolerancie konektorov, smerovanie pozemnej antény, zablokovanie draku lietadla, čiastočnú prekážku, viaccestnú a neistotu inštalácie. S interferenciou by sa malo zaobchádzať opatrne, pretože nie vždy znižuje výkon prijímaného signálu; namiesto toho môže zvýšiť efektívnu úroveň šumu a zvýšiť úroveň signálu potrebnú pre danú rýchlosť prenosu dát. V jednoduchom plánovacom hárku môže byť tento efekt znázornený ako konzervatívna penalizácia citlivosti za predpokladu, že je jasne označená.

Fresnelova vzdialenosť si zaslúži krátku kontrolu trasy pre cesty v nízkej nadmorskej výške v blízkosti terénu, vegetácie, budov alebo zeme. Vizuálna línia viditeľnosti nezaručuje nerušenú oblasť šírenia. Tam, kde je otázna výška, je vhodnejšia štúdia šírenia s ohľadom na terén, ako spoliehať sa len na stratu voľného priestoru.

Zohľadnite polohu lietadla a vzor antény

Hodnota antény pri výpočte spojenia UAV by mala byť ziskom voči druhému rádiu, nie iba maximálnym číslom vytlačeným na údajovom liste. Všesmerová anténa v azimute môže mať stále nulové hodnoty v hĺbke, zatiaľ čo inštalácia v blízkosti uhlíkových vlákien, batérií, motorov, káblov, kamier alebo iných antén môže zmeniť jej efektívny vzor.

Rolovanie, stúpanie a vybočovanie preto patria do preskúmania dizajnu. Naklonená zákruta môže otočiť polarizáciu alebo nasmerovať nulu smerom k stanici, zatiaľ čo prechod nad hlavou môže umiestniť pozemnú anténu mimo oblasť s najsilnejšou nadmorskou výškou. Najviac udobrý rozpočet dátového spojenia UAV obsahuje samostatné scenáre pre vodorovný let, maximálny náklon, stúpanie, prejazd nad hlavou a smer návratu.

MIMO a diverzita príjmu môžu zlepšiť odolnosť, ale prínos by mal nasledovať po zdokumentovanom rádiovom režime a inštalovanom oddelení antény. Priestorové multiplexovanie sa primárne používa na zvýšenie kapacity, zatiaľ čo diverzita je určená na zlepšenie odolnosti proti vyblednutiu. Pridanie ľubovoľného 'MIMO zisku' k prijatému výkonu môže nadhodnotiť výkon.

Skontrolujte obidva smery prepojenia a oba prahové hodnoty výkonu

Obojsmerné spojenie je obmedzené jeho slabším smerom. Downlink môže mať vyšší vzdušný vysielací výkon a prenášať hustú video prevádzku, zatiaľ čo príkaz uplink môže používať inú pozemnú anténu, nastavenie kanála alebo požiadavku na citlivosť. Reciprocita šírenia nerobí kompletné reťazce zariadení identickými.

Dosah misie by mal byť založený na tom, ktorá hranica sa dosiahne skôr. UAV môže zostať ovládateľný po tom, čo sa video stream stane nepoužiteľným, ale to neznamená, že bola splnená pôvodná požiadavka na dátové spojenie.

 

Spustite spracovaný príklad a potom vyzvite výsledok

Dokončite jeden realistický výpočet dátového spojenia UAV

Zoberme si názorné 2,4 GHz spojenie vzduch-zem s horizontálnym dosahom 10 km a výškovým rozdielom 500 m. Vybraná rádiová konfigurácia využíva 1 W na RF reťazec, čo zodpovedá 30 dBm na reťazec, a 5 MHz kanál s citlivosťou -103 dBm. Príklad je skôr výpočtovým cvičením než nárokom na garantovaný rozsah.

Rozsah sklonu je √(10⊃2; + 0,5⊃2;), alebo približne 10,01 km. Strata vo voľnom priestore je asi 120 dB, zatiaľ čo EIRP je 30 + 2 − 1 alebo 31 dBm. Prijatý výkon je 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Pri porovnaní −78 dBm s −103 dBm zostáva nominálna rezerva 25 dB. Na papieri to vyzerá funkčne, ale predpokladá to jasnú viditeľnosť, presné zisky antény, žiadne nemodelované straty pri inštalácii a citlivosť prijímača zodpovedajúcu požadovanej službe. Výpočet opačného smeru musí byť ešte dokončený s vlastnými hodnotami vysielača, antény a prijímača.

Pred schválením návrhu si otestujte rozpočet

Nominálny výsledok by teraz mal byť skôr napadnutý ako akceptovaný. Predpokladajme, že naklonené otočenie a umiestnenie draku spôsobí stratu antény o 6 dB. Ak rušenie a neistota implementácie spôsobí dodatočnú ekvivalentnú pokutu 4 dB, dostupná rezerva klesne z 25 dB na približne 15 dB.

Zvýšenie výkonu vysielača nie je vždy najlepšou prvou reakciou. Vyšší RF výstup môže zvýšiť elektrickú záťaž, rozptyl tepla, hmotnosť systému, rušenie a regulačné vystavenie, zatiaľ čo lepšie umiestnenie antény môže obnoviť niekoľko decibelov bez týchto pokút.

Letové testovanie by malo prejsť od krátkych trás s nízkym rizikom až po celú obálku. Zaznamenajte silu prijatého signálu, SNR, moduláciu, priepustnosť, stratu paketov a latenciu počas vodorovného odletového letu, zatáčky, stúpania, prelety nad hlavou a smer návratu. Porovnanie týchto meraní s výpočtami scenára prevedie pôvodný pracovný hárok na kalibrovaný model pre budúce misie.

 

Záver

Spoľahlivý rozpočet dátového spojenia UAV by mal odzrkadľovať skôr kompletné poslanie ako ideálny výpočet priamej viditeľnosti. Kontrola oboch smerov spojenia, prispôsobenie citlivosti prijímača požadovanej rýchlosti prenosu dát a umožnenie orientácie antény, rušenia a strát pri inštalácii vytvára realistickejší základ pre návrh a letové testovanie.

V rámci tohto istého procesu možno hodnotiť produkty DDLmesh Airborne Data-Link spoločnosti Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd., ktoré pomáhajú tímom porovnávať prevádzkové konfigurácie a vyberať vhodné nastavenia výkonu, šírky pásma a modulácie. Výsledkom je jasnejšia cesta od počiatočného RF plánovania k spoľahlivému príkazu, telemetrii a komunikácii užitočného zaťaženia.

 

FAQ

Otázka: Čo je rozpočet na dátové spojenie UAV?

Odpoveď: Rozpočet dátového spojenia UAV pridáva výkon vysielača a zisky antény, odpočítava straty na trase a hardvéri a potom porovnáva predpokladaný prijatý výkon s prahom prijímača.

Otázka: Aký je základný vzorec rozpočtu pre RF prepojenie?

Odpoveď: Predpokladaný prijímaný výkon sa rovná výkonu vysielača plus zisky vysielacej a prijímacej antény, mínus kábel, konektor, šírenie, polarizácia, blokovanie a iné implementačné straty.

Otázka: Akú rezervu spojenia potrebuje komunikačný systém UAV?

Odpoveď: Neexistuje žiadny univerzálny cieľ. Požadovaná rezerva závisí od kritickosti misie, frekvencie, rušenia, pohybu lietadla, prijateľných výpadkov a dôvery v predpoklady šírenia.

Otázka: Prečo by sa na výpočty spojenia UAV mal použiť rozsah sklonu?

Odpoveď: Šikmý dosah odráža skutočnú trojrozmernú vzdialenosť medzi lietadlom a pozemnou stanicou, pričom sa zohľadňuje horizontálny rozstup aj výškový rozdiel.

Otázka: Mali by sa uplinkové a downlinkové rozpočty UAV počítať oddelene?

A: Áno. Každý smer môže využívať iný vysielací výkon, antény, straty v kábli, šírku pásma, moduláciu a citlivosť prijímača, čo vytvára rôzne prevádzkové rezervy.

Otázka: Zvyšuje zvýšenie vysielacieho výkonu vždy spoľahlivosť spojenia UAV?

Odpoveď: Viac energie môže zvýšiť intenzitu prijímaného signálu, ale dôležitejšie môže byť umiestnenie antény, strata napájača, šírka pásma kanála, rušenie, regulačné limity, teplo a spotreba energie.