Kako izračunati proračun RF povezave za podatkovne povezave UAV

Podatkovna povezava UAV je lahko videti zanesljiva med kratkim preskusom na tleh in še vedno odpove, ko letalo doseže največji doseg, se nagne, vzpenja ali prenaša video tok visoke hitrosti. Težava ni le v izbiri zadostne oddajne moči; vsak dobiček antene, izguba strojne opreme, izguba pri širjenju, prag sprejemnika in stanje delovanja je treba ovrednotiti skupaj.

Praktična Proračun podatkovne povezave UAV spremeni te spremenljivke v oceno prejete moči in uporabne rezerve. Izračun se začne s primerom misije, sledi RF poti od oddajnika do sprejemnika, doda izgube, povezane z letom, in razkrije, ali povezave za nadzor in tovor ohranjajo dovolj rezerve.

 

Začnite s poslanstvom, ne s formulo

Ločite zahteve za navzgornjo povezavo, telemetrijo in obremenitev

Podatkov o ukazih, telemetriji in tovoru ne bi smeli obravnavati kot en sam generični tok prometa. Ukazna navzgornja povezava lahko prenaša malo podatkov, vendar zahteva nizko zakasnitev in zelo visoko kontinuiteto. Telemetrija morda dopušča nižjo hitrost, medtem ko lahko povezava HD video navzdol porabi večino razpoložljive zmogljivosti in zahteva močnejši signal za izbrano modulacijo.

Zabeležite najmanjšo pretočnost koristnega tovora, največjo sprejemljivo zakasnitev, toleranco izgube paketov in zahtevano razpoložljivost za vsako storitev. Uporabite prepustnost aplikacije namesto najvišje hitrosti fizičnega sloja radia, ker obremenitev protokola, ponovni prenosi, nadzorni promet in spreminjanje modulacije zmanjšujejo zmogljivost, ki je na voljo koristnemu tovoru. Proračun podatkovne povezave UAV je zato treba preveriti glede na vsaj dva praga: enega za vzdrževanje poveljevanja in nadzora ter drugega za vzdrževanje zahtevanega video ali senzorskega toka.

Izberite najslabšo točko v ovojnici leta

Razdalja mora predstavljati najšibkejšo realno točko na poti, ne le oglaševani polmer naloge. Za letalo na drugačni višini od zemeljske postaje uporabite nagnjeno območje:

Razpon naklona = √(vodoravna razdalja⊃2; + višinska razlika⊃2;)

Sama geometrija ne prepozna najslabše točke. Nagnjeni zavoji, spremembe naklona, ​​strmi koti višine, povratne smeri in postavitev tovora lahko postavijo zemeljsko postajo v šibkejši del vzorca antene v zraku. Pravilen vnos misije je položaj in položaj letala, ki ustvarita najšibkejšo verodostojno povezavo, tudi če je druga točka nekoliko dlje.

 

Vsak dobiček in izgubo združite v en izračun

Zgradite vhodni list iz ene dejanske radijske konfiguracije

Začnite z enim popolnim načinom delovanja. Ne kombinirajte najvišje oddajne moči, ozkopasovne občutljivosti, najširšega kanala in največje hitrosti prenosa podatkov, če teh specifikacij ni mogoče doseči hkrati.

Enote imajo različne vloge. dBm izraža absolutno raven moči, dBi opisuje ojačenje antene glede na izotropni radiator, dB pa izraža razmerje ojačenja ali izgube. Ker je enačba logaritemska, se dobički seštejejo, izgube pa neposredno odštejejo.

Specifikacije izdelkov je treba obravnavati kot povezane pogoje delovanja. Letalska serija WDS DDLmesh podpira izbirne širine širokopasovnih in ozkopasovnih kanalov, prilagodljivo modulacijo BPSK prek 64QAM, nastavljive možnosti RF izhoda, funkcije 2×2 MIMO in občutljivost sprejemnika −103 dBm pri 5 MHz ali −117 dBm pri 250 kHz. Te vrednosti ponazarjajo, zakaj mora delovni list najprej izbrati pasovno širino in stopnjo storitve: ozkopasovne občutljivosti ni mogoče uporabiti za dokaz, da bo širokopasovni video tok deloval.

Izračunajte izgubo poti prostega prostora iz frekvence in območja naklona

Za neovirano pot od točke do točke izračunajte izgubo poti v prostem prostoru s frekvenco v MHz in razdaljo v kilometrih:

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

Izguba poti v prostem prostoru predstavlja referenčno stanje in ne listje, uklon terena, blokado letala, motnje ali neporavnanost antene. Ti učinki zahtevajo ločene dodatke ali podrobnejši model razmnoževanja.

Pri 2,4 GHz na 10,01 km je izračun:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Frekvenca, vnesena v GHz namesto v MHz, bi pri tej različici enačbe povzročila napako 60 dB. Enote bi zato morale biti prikazane poleg vsake vnosne celice, namesto da bi bile prepuščene pomnilniku.

Izračunajte EIRP in predvideno prejeto moč

Ekvivalentna izotropno sevana moč združuje izraze na oddajni strani:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Če oddajnik proizvede 30 dBm, antena zagotovi 2 dBi v ustrezni smeri in kabelska pot izgubi 1 dB, je EIRP 31 dBm. To vrednost je treba preveriti glede na pravila, ki veljajo za izbrano frekvenco in lokacijo delovanja.

Predvidena moč sprejemnika je potem:

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

Naj bodo dodatne izgube vidne. En sam nepojasnjen 'varnostni faktor' otežuje določitev, ali model vključuje neusklajenost polarizacije, senčenje letala, napako pri sledenju, toleranco konektorja ali okolje z visokim šumom. Ločeni vnosi prav tako olajšajo primerjavo kasnejših podatkov testnega leta z izvirnim proračunom podatkovne povezave UAV.

Na koncu izračunajte poti zrak-zemlja in zemlja-zrak v ločenih stolpcih. Lahko si delita enako razdaljo in izgubo prostega prostora, vendar lahko različne oddajne moči, antenske namestitve, kabli, pasovne širine in pragovi občutljivosti ustvarijo precej različne robove.

 

Odločite se, ali povezava med letom še vedno deluje

Primerjajte prejeto moč s pravo vrednostjo občutljivosti

Občutljivost sprejemnika ni stalna lastnost radia. Običajno se spreminja s pasovno širino, modulacijo, kodiranjem, zmogljivostjo ciljnih napak in včasih s številom aktivnih RF verig. Vrednost občutljivosti naj vstopi v proračun podatkovne povezave UAV le, če ustreza načinu delovanja, ki ga zahteva aplikacija.

Izračunajte začetno maržo povezave kot:

Marža povezave = Predvidena prejeta moč − Občutljivost sprejemnika

Če je napovedani signal −78 dBm in veljavna občutljivost −103 dBm, je začetna meja 25 dB. Ta rezultat pravi, da je modelirani signal 25 dB nad izbranim pragom sprejemnika pod predpostavkami, vnesenimi v delovni list.

Rezervirajte rezervo za spreminjajoče se pogoje na terenu

Fade margin je uporabna rezerva med pričakovanim delovnim signalom in minimalno zahtevano ravnjo za izbrano storitev. Absorbira izgube, ki se spreminjajo s časom ali jih med pisalnim načrtovanjem ni mogoče natančno predvideti. Zahtevana rezerva je odvisna od kritičnosti misije, sprejemljivega časa prekinitve, okolja poti, frekvence, obnašanja antene in zanesljivosti vhodnih podatkov.

Vključite dodatke za polarizacijsko napako, tolerance konektorja, usmerjenost zemeljske antene, blokado letalskega ogrodja, delno oviro, večpotje in negotovost namestitve. Z motnjami je treba ravnati previdno, ker ne zmanjšajo vedno moči prejetega signala; namesto tega lahko zviša efektivno šumno dno in poveča raven signala, ki je potrebna za določeno hitrost prenosa podatkov. V preprostem načrtovalnem listu je ta učinek lahko predstavljen kot konzervativna kazen občutljivosti, če je jasno označen.

Fresnelovo dovoljenje si zasluži kratek pregled poti za poti na nizki nadmorski višini v bližini terena, vegetacije, zgradb ali tal. Vidna linija ne zagotavlja nemotenega območja širjenja. Kadar je oddaljenost vprašljiva, je študija o širjenju, ki upošteva teren, primernejša kot zanašanje samo na izgubo prostega prostora.

Upoštevajte položaj letala in vzorec antene

Vrednost antene v izračunu povezave UAV mora biti dobiček proti drugemu radiu, ne le največje število, natisnjeno na podatkovnem listu. Vsesmerna antena v azimutu ima lahko še vedno globoke ničelne višine, medtem ko lahko namestitev v bližini ogljikovih vlaken, baterij, motorjev, napeljave, kamer ali drugih anten preoblikuje njen učinkovit vzorec.

Nagibanje, nagib in odklon torej sodijo v pregled zasnove. Nagnjen zavoj lahko zavrti polarizacijo ali usmeri ničlo proti postaji, medtem ko lahko prehod nad glavo postavi zemeljsko anteno izven območja z najvišjo višino. Najbolj uSekundarni proračun podatkovne povezave UAV vsebuje ločene scenarije za vodoravni let, največji naklon, vzpenjanje, tranzit nad glavo in smer povratka.

MIMO in sprejemna raznolikost lahko izboljšata odpornost, vendar bi morala prednost slediti dokumentiranemu radijskemu načinu in nameščenemu ločevanju anten. Prostorsko multipleksiranje se uporablja predvsem za povečanje zmogljivosti, medtem ko je raznolikost namenjena izboljšanju robustnosti proti bledenju. Dodajanje poljubnega 'ojačanja MIMO' prejeti moči lahko preceni zmogljivost.

Preverite obe smeri povezave in oba praga zmogljivosti

Dvosmerno povezavo omejuje njena šibkejša smer. Povezava navzdol ima lahko večjo moč prenosa v zraku in prenaša velik video promet, medtem ko lahko povezava navzgor uporablja drugačno zemeljsko anteno, nastavitev kanala ali zahtevo glede občutljivosti. Vzajemnost širjenja ne pomeni, da so celotne verige opreme enake.

Doseg nalog mora temeljiti na pragu, ki je prvi dosežen. UAV lahko ostane nadzorovan, potem ko video tok postane neuporaben, vendar to ne pomeni, da je bila prvotna zahteva podatkovne povezave izpolnjena.

 

Zaženite delujoč primer in nato izzovite rezultat

Dokončajte en realističen izračun podatkovne povezave UAV

Razmislite o ilustrativni 2,4 GHz povezavi zrak-zemlja z vodoravnim dosegom 10 km in 500 m višinske razlike. Izbrana radijska konfiguracija uporablja 1 W na verigo RF, kar ustreza 30 dBm na verigo, in kanal 5 MHz z občutljivostjo −103 dBm. Primer je izračun in ne trditev o zajamčenem obsegu.

Naklonsko območje je √(10⊃2; + 0,5⊃2;) ali približno 10,01 km. Izguba prostega prostora je približno 120 dB, medtem ko je EIRP 30 + 2 − 1 ali 31 dBm. Prejeta moč postane 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

Primerjava −78 dBm z −103 dBm pusti 25 dB nominalne rezerve. Na papirju je to videti izvedljivo, vendar predpostavlja jasno vidno linijo, natančne ojačitve antene, brez nemodelirane izgube pri namestitvi in ​​občutljivost sprejemnika, ki ustreza zahtevani storitvi. Izračun nasprotne smeri je treba še vedno dokončati z lastnimi vrednostmi oddajnika, antene in sprejemnika.

Preizkusite proračun pred odobritvijo načrta

Nominalni rezultat je zdaj treba izpodbijati, namesto sprejeti. Recimo, da nagnjeni zavoj in postavitev letala povzročita 6 dB izgube vzorca antene. Če motnje in negotovost izvedbe zahtevajo dodatno kazen v višini 4 dB, razpoložljiva meja pade s 25 dB na približno 15 dB.

Povečanje moči oddajnika ni vedno najboljši prvi odziv. Večji RF izhod lahko poveča električno obremenitev, odvajanje toplote, težo sistema, motnje in zakonsko izpostavljenost, medtem ko lahko boljša postavitev antene povrne več decibelov brez teh kazni.

Testiranje letenja bi moralo napredovati od kratkih poti z nizkim tveganjem do celotnega ovoja. Beležite moč prejetega signala, SNR, modulacijo, prepustnost, izgubo paketov in zakasnitev med vodoravnim odhodnim letom, zavoji, vzponi, leti nad glavo in povratno smerjo. Primerjava teh meritev z izračuni scenarijev pretvori izvirni delovni list v umerjen model za prihodnje misije.

 

Zaključek

Zanesljiv proračun podatkovne povezave UAV bi moral odražati celotno nalogo in ne idealen izračun vidnega polja. Preverjanje obeh smeri povezave, usklajevanje občutljivosti sprejemnika z zahtevano hitrostjo prenosa podatkov in upoštevanje usmerjenosti antene, motenj in izgub v namestitvi ustvarja bolj realistično osnovo za načrtovanje in testiranje letenja.

Izdelke za zračno podatkovno povezavo DDLmesh družbe Shenzhen Sinosun Technology Co., Ltd. je mogoče oceniti znotraj istega postopka, kar ekipam pomaga primerjati konfiguracije delovanja in izbrati primerno moč, pasovno širino in nastavitve modulacije. Rezultat je jasnejša pot od začetnega RF načrtovanja do zanesljivega poveljevanja, telemetrije in komunikacije koristnega tovora.

 

pogosta vprašanja

V: Kaj je proračun podatkovne povezave UAV?

O: Proračun podatkovne povezave UAV doda moč oddajnika in ojačanje antene, odšteje izgube na poti in strojni opremi, nato pa primerja predvideno prejeto moč s pragom sprejemnika.

V: Kakšna je osnovna formula za proračun RF povezave?

O: Predvidena sprejeta moč je enaka moči oddajnika plus pridobitvi oddajne in sprejemne antene, minus kabel, priključek, širjenje, polarizacija, blokada in druge izvedbene izgube.

V: Koliko rezerve povezave potrebuje komunikacijski sistem UAV?

O: Ni univerzalnega cilja. Zahtevana rezerva je odvisna od kritičnosti misije, frekvence, motenj, gibanja zrakoplova, sprejemljivih izpadov in zaupanja v predpostavke o širjenju.

V: Zakaj bi bilo treba za izračune povezave UAV uporabiti naklonsko območje?

O: Naklonsko območje odraža dejansko tridimenzionalno razdaljo med letalom in zemeljsko postajo, pri čemer upoštevata vodoravno razdaljo in višinsko razliko.

V: Ali je treba proračune za povezavo UAV navzgor in navzdol izračunati ločeno?

O: Da. Vsaka smer lahko uporablja drugačno oddajno moč, antene, izgube v kablu, pasovno širino, modulacijo in občutljivost sprejemnika, kar ustvarja različne delovne rezerve.

V: Ali povečanje oddajne moči vedno izboljša zanesljivost povezave UAV?

O: Večja moč lahko poveča moč prejetega signala, vendar so morda bolj pomembni postavitev antene, izguba podajalnika, pasovna širina kanala, motnje, zakonske omejitve, toplota in poraba energije.