Cách tính ngân sách liên kết RF cho liên kết dữ liệu UAV

Liên kết dữ liệu UAV có thể trông đáng tin cậy trong quá trình thử nghiệm trên mặt đất ngắn và vẫn thất bại khi máy bay đạt phạm vi tối đa, nghiêng, leo dốc hoặc truyền luồng video tốc độ cao. Khó khăn không chỉ đơn giản là chọn đủ công suất phát; mọi mức tăng ăng-ten, suy giảm phần cứng, suy giảm lan truyền, ngưỡng máy thu và điều kiện hoạt động phải được đánh giá cùng nhau.

Một thực tế Ngân sách liên kết dữ liệu UAV biến các biến đó thành ước tính công suất nhận được và biên khả dụng có thể sử dụng. Việc tính toán bắt đầu với trường hợp nhiệm vụ, đi theo đường dẫn RF từ máy phát đến máy thu, cộng tổn thất liên quan đến chuyến bay và cho biết liệu các liên kết điều khiển và tải trọng có giữ đủ dự trữ hay không.

 

Bắt đầu với sứ mệnh, không phải công thức

Tách biệt các yêu cầu về đường lên, đo từ xa và tải trọng

Dữ liệu lệnh, đo từ xa và tải trọng không được coi là một luồng lưu lượng chung. Đường lên lệnh có thể mang ít dữ liệu nhưng yêu cầu độ trễ thấp và tính liên tục rất cao. Phép đo từ xa có thể chấp nhận tốc độ thấp hơn, trong khi đường xuống video HD có thể tiêu thụ phần lớn dung lượng sẵn có và yêu cầu tín hiệu mạnh hơn cho cách điều chế đã chọn của nó.

Ghi lại thông lượng tải trọng tối thiểu, độ trễ tối đa có thể chấp nhận được, khả năng chịu mất gói và tính khả dụng cần thiết cho mỗi dịch vụ. Sử dụng thông lượng ứng dụng thay vì tốc độ lớp vật lý cao nhất của radio, vì chi phí giao thức, truyền lại, điều khiển lưu lượng và thay đổi điều chế sẽ làm giảm dung lượng khả dụng cho tải trọng. Do đó, ngân sách liên kết dữ liệu UAV phải được kiểm tra theo ít nhất hai ngưỡng: một để duy trì lệnh và kiểm soát và một ngưỡng khác để duy trì luồng video hoặc cảm biến cần thiết.

Chọn điểm tồi tệ nhất trong phong bì chuyến bay

Khoảng cách phải thể hiện điểm thực tế yếu nhất trên tuyến đường chứ không chỉ đơn thuần là bán kính nhiệm vụ được quảng cáo. Đối với máy bay ở độ cao khác với trạm mặt đất, hãy sử dụng phạm vi nghiêng:

Phạm vi nghiêng = √(khoảng cách ngang⊃2; + chênh lệch độ cao⊃2;)

Hình học một mình không xác định được điểm tồi tệ nhất. Các góc quay, thay đổi cao độ, góc cao dốc, hướng quay trở lại và vị trí tải trọng có thể khiến trạm mặt đất rơi vào tình trạng yếu hơn trong mẫu ăng-ten trên không. Thông tin đầu vào chính xác của nhiệm vụ là vị trí và thái độ của máy bay tạo ra mối liên kết đáng tin cậy yếu nhất, ngay cả khi một điểm khác ở xa hơn một chút.

 

Đưa mọi khoản lãi và lỗ vào một phép tính

Xây dựng bảng đầu vào từ một cấu hình radio thực tế

Bắt đầu với một chế độ vận hành hoàn chỉnh. Không kết hợp công suất phát cao nhất, độ nhạy băng hẹp, kênh rộng nhất và tốc độ dữ liệu tối đa khi các thông số kỹ thuật đó không thể xảy ra đồng thời.

Các đơn vị có vai trò khác nhau. dBm biểu thị mức công suất tuyệt đối, dBi mô tả mức tăng ăng-ten so với bộ bức xạ đẳng hướng và dB biểu thị tỷ lệ tăng hoặc giảm. Vì phương trình này là logarit nên lãi được cộng và lỗ được trừ trực tiếp.

Thông số kỹ thuật của sản phẩm phải được coi là điều kiện hoạt động liên kết. Dòng sản phẩm trên không WDS DDLmesh hỗ trợ độ rộng kênh băng thông rộng và băng thông hẹp có thể lựa chọn, BPSK thích ứng thông qua điều chế 64QAM, tùy chọn đầu ra RF có thể điều chỉnh, chức năng 2×2 MIMO và độ nhạy máy thu −103 dBm ở 5 MHz hoặc −117 dBm ở 250 kHz. Các giá trị này minh họa lý do tại sao bảng tính phải chọn băng thông và tốc độ dịch vụ trước tiên: độ nhạy băng thông hẹp không thể được sử dụng để chứng minh rằng luồng video băng thông rộng sẽ hoạt động.

Tính toán suy hao đường truyền trong không gian tự do từ tần số và dải nghiêng

Đối với đường dẫn điểm-điểm không bị cản trở, hãy tính suy hao đường dẫn trong không gian trống với tần số tính bằng MHz và khoảng cách tính bằng km:

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

Mất đường truyền trong không gian tự do thể hiện điều kiện tham chiếu chứ không phải là tán lá, nhiễu xạ địa hình, tắc nghẽn khung máy bay, nhiễu hoặc lệch ăng-ten. Những hiệu ứng đó đòi hỏi sự cho phép riêng biệt hoặc một mô hình lan truyền chi tiết hơn.

Ở tần số 2,4 GHz trên 10,01 km, phép tính là:

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

FSPL ≈ 120,0 dB

Tần số được nhập bằng GHz thay vì MHz sẽ tạo ra sai số 60 dB với phiên bản phương trình này. Do đó, các đơn vị phải được hiển thị bên cạnh mỗi ô đầu vào thay vì để lại trong bộ nhớ.

Tính toán EIRP và dự đoán công suất nhận được

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương kết hợp các thuật ngữ phía truyền:

EIRP = Ptx + Gtx − Ltx

Nếu máy phát tạo ra 30 dBm, ăng-ten cung cấp 2 dBi theo hướng liên quan và đường cáp mất 1 dB thì EIRP là 31 dBm. Giá trị này phải được kiểm tra theo các quy tắc áp dụng cho tần số và vị trí vận hành đã chọn.

Công suất máy thu dự đoán khi đó là:

Prx = Ptx + Gtx − Ltx − FSPL − L bổ sung + Grx − Lrx

Giữ những tổn thất bổ sung có thể nhìn thấy được. Một 'yếu tố an toàn' không giải thích được gây khó khăn cho việc xác định xem mô hình có bao gồm sự không khớp phân cực, bóng khung máy bay, lỗi theo dõi, dung sai đầu nối hay môi trường có độ ồn cao hay không. Các mục riêng biệt cũng giúp so sánh dữ liệu chuyến bay thử nghiệm sau này dễ dàng hơn với ngân sách liên kết dữ liệu UAV ban đầu.

Cuối cùng, tính toán các đường dẫn không đối đất và mặt đất đối không trong các cột riêng biệt. Chúng có thể chia sẻ cùng một khoảng cách và tổn thất không gian trống, nhưng công suất phát, cách lắp đặt ăng-ten, đường cáp, băng thông và ngưỡng độ nhạy khác nhau có thể tạo ra các biên độ khác nhau đáng kể.

 

Quyết định xem liên kết có còn hoạt động trong chuyến bay hay không

So sánh công suất nhận được với giá trị độ nhạy phù hợp

Độ nhạy của máy thu không phải là một đặc tính cố định của radio. Nó thường thay đổi theo băng thông, điều chế, mã hóa, hiệu suất lỗi mục tiêu và đôi khi là số lượng chuỗi RF hoạt động. Giá trị độ nhạy chỉ nên nhập ngân sách liên kết dữ liệu UAV khi nó tương ứng với chế độ hoạt động mà ứng dụng yêu cầu.

Tính lề liên kết ban đầu như sau:

Biên độ liên kết = Công suất nhận được dự đoán - Độ nhạy của máy thu

Nếu tín hiệu dự đoán là −78 dBm và độ nhạy áp dụng là −103 dBm thì biên độ ban đầu là 25 dB. Kết quả đó cho biết tín hiệu được mô hình hóa cao hơn 25 dB so với ngưỡng máy thu đã chọn theo các giả định được nhập vào bảng tính.

Dự trữ ký quỹ để thay đổi điều kiện hiện trường

Biên độ mờ dần là mức dự trữ có thể sử dụng được giữa tín hiệu hoạt động dự kiến ​​và mức tối thiểu cần thiết cho dịch vụ đã chọn. Nó hấp thụ những tổn thất thay đổi theo thời gian hoặc không thể dự đoán chính xác trong quá trình lập kế hoạch dựa trên bàn làm việc. Dự trữ bắt buộc phụ thuộc vào mức độ quan trọng của nhiệm vụ, thời gian gián đoạn có thể chấp nhận được, môi trường đường dẫn, tần số, hoạt động của ăng-ten và độ tin cậy của dữ liệu đầu vào.

Bao gồm các khoản phụ cấp đối với lỗi phân cực, dung sai đầu nối, hướng ăng-ten mặt đất, tắc nghẽn khung máy bay, tắc nghẽn một phần, đa đường và độ không đảm bảo khi lắp đặt. Cần xử lý nhiễu một cách cẩn thận vì nó không phải lúc nào cũng làm giảm công suất tín hiệu thu được; thay vào đó, nó có thể tăng mức nhiễu sàn hiệu quả và tăng mức tín hiệu cần thiết cho một tốc độ dữ liệu nhất định. Trong một bảng kế hoạch đơn giản, hiệu ứng đó có thể được thể hiện dưới dạng một hình phạt nhạy cảm thận trọng, miễn là nó được dán nhãn rõ ràng.

Giải phóng mặt bằng Fresnel xứng đáng được kiểm tra tuyến đường ngắn gọn để tìm những con đường ở độ cao thấp gần địa hình, thảm thực vật, tòa nhà hoặc mặt đất. Đường ngắm trực quan không đảm bảo vùng truyền sóng không bị xáo trộn. Khi có nghi vấn về khoảng trống, nghiên cứu lan truyền nhận biết địa hình sẽ phù hợp hơn là chỉ dựa vào sự mất không gian trống.

Tính đến thái độ của máy bay và kiểu ăng-ten

Giá trị ăng-ten trong tính toán liên kết UAV phải là mức tăng đối với đài khác chứ không chỉ đơn thuần là số lượng tối đa được in trên biểu dữ liệu. Ăng-ten đa hướng ở góc phương vị vẫn có thể có giá trị bằng 0 về độ cao, trong khi việc lắp đặt gần sợi carbon, pin, động cơ, hệ thống dây điện, máy ảnh hoặc ăng-ten khác có thể định hình lại mô hình hiệu quả của nó.

Do đó, cuộn, ném và ngáp thuộc về phần đánh giá thiết kế. Một vòng rẽ có thể xoay phân cực hoặc hướng một điểm vô hướng về phía trạm, trong khi một đường vòng trên cao có thể đặt ăng-ten mặt đất bên ngoài vùng độ cao mạnh nhất. nhất bạnNgân sách liên kết dữ liệu UAV đáng kể chứa các kịch bản riêng biệt cho chuyến bay ngang bằng, ngân hàng tối đa, leo dốc, di chuyển trên cao và hướng quay trở lại.

MIMO và phân tập thu có thể cải thiện khả năng phục hồi, nhưng lợi ích phải tuân theo chế độ vô tuyến đã được ghi lại và khả năng phân tách ăng-ten được lắp đặt. Ghép kênh không gian chủ yếu được sử dụng để tăng dung lượng, trong khi phân tập nhằm mục đích cải thiện khả năng chống lại pha đinh. Việc thêm 'MIMO Gain' tùy ý vào nguồn điện nhận được có thể phóng đại hiệu suất.

Kiểm tra cả hướng liên kết và cả ngưỡng hiệu suất

Kết nối hai chiều bị hạn chế bởi hướng yếu hơn. Đường xuống có thể có công suất phát trên không cao hơn và mang lưu lượng video lớn, trong khi đường lên lệnh có thể sử dụng ăng-ten mặt đất, cài đặt kênh hoặc yêu cầu độ nhạy khác. Sự truyền bá qua lại không làm cho chuỗi thiết bị hoàn chỉnh trở nên giống hệt nhau.

Phạm vi nhiệm vụ phải dựa trên bất kỳ ngưỡng nào đạt được trước tiên. UAV có thể vẫn có thể điều khiển được sau khi luồng video không còn sử dụng được nhưng điều đó không có nghĩa là yêu cầu liên kết dữ liệu ban đầu đã được đáp ứng.

 

Chạy một ví dụ đã làm việc, sau đó thách thức kết quả

Hoàn thành một phép tính liên kết dữ liệu UAV thực tế

Hãy xem xét một đường truyền không đối đất tần số 2,4 GHz minh họa với phạm vi ngang 10 km và chênh lệch độ cao 500 m. Cấu hình vô tuyến đã chọn sử dụng 1 W trên mỗi chuỗi RF, tương đương với 30 dBm trên mỗi chuỗi và kênh 5 MHz có độ nhạy −103 dBm. Ví dụ này là một bài tập tính toán chứ không phải là một yêu cầu về phạm vi được đảm bảo.

Phạm vi nghiêng là √(10⊃2; + 0,5⊃2;), hoặc khoảng 10,01 km. Suy hao không gian tự do là khoảng 120 dB, trong khi EIRP là 30 + 2 − 1 hoặc 31 dBm. Công suất thu được trở thành 30 + 2 − 1 − 120 + 12 − 1 = −78 dBm.

So sánh −78 dBm với −103 dBm sẽ có biên độ danh nghĩa là 25 dB. Điều đó có vẻ khả thi trên giấy tờ, nhưng nó đòi hỏi đường ngắm rõ ràng, mức tăng ăng-ten chính xác, không bị mất cài đặt không được mô hình hóa và độ nhạy của máy thu phù hợp với dịch vụ được yêu cầu. Việc tính toán hướng ngược lại vẫn phải được hoàn thành với các giá trị máy phát, ăng ten và máy thu riêng.

Kiểm tra ngân sách trước khi phê duyệt thiết kế

Kết quả danh nghĩa bây giờ nên bị thách thức hơn là được chấp nhận. Giả sử việc rẽ nhánh và vị trí đặt khung máy bay gây ra suy hao mẫu ăng-ten là 6 dB. Nếu nhiễu và sự không chắc chắn khi thực hiện gây ra mức phạt tương đương bổ sung là 4 dB thì biên độ khả dụng sẽ giảm từ 25 dB xuống khoảng 15 dB.

Tăng công suất máy phát không phải lúc nào cũng là phản ứng đầu tiên tốt nhất. Đầu ra RF cao hơn có thể làm tăng tải điện, tản nhiệt, trọng lượng hệ thống, nhiễu và mức tiếp xúc với quy định, trong khi vị trí đặt ăng-ten tốt hơn có thể phục hồi vài decibel mà không bị phạt.

Thử nghiệm chuyến bay nên tiến triển từ các đường đi ngắn, ít rủi ro đến đường bao hoàn chỉnh. Ghi lại cường độ tín hiệu nhận được, SNR, điều chế, thông lượng, mất gói và độ trễ trong chuyến bay đi, rẽ, leo dốc, vượt qua trên cao và tiêu đề quay trở lại. Việc so sánh các phép đo đó với các tính toán kịch bản sẽ chuyển đổi bảng tính gốc thành mô hình hiệu chỉnh cho các nhiệm vụ trong tương lai.

 

Phần kết luận

Ngân sách liên kết dữ liệu UAV đáng tin cậy sẽ phản ánh sứ mệnh hoàn chỉnh thay vì tính toán tầm nhìn lý tưởng. Việc kiểm tra cả hai hướng liên kết, khớp độ nhạy của máy thu với tốc độ dữ liệu được yêu cầu và cho phép định hướng ăng-ten, nhiễu và tổn thất lắp đặt sẽ tạo ra cơ sở thực tế hơn cho thiết kế và thử nghiệm chuyến bay.

Các sản phẩm liên kết dữ liệu trên không DDLmesh của Công ty TNHH Công nghệ Sinosun Thâm Quyến có thể được đánh giá trong cùng quy trình này, giúp các nhóm so sánh cấu hình vận hành và chọn cài đặt công suất, băng thông và điều chế phù hợp. Kết quả là một lộ trình rõ ràng hơn từ việc lập kế hoạch RF ban đầu đến việc liên lạc bằng lệnh, đo từ xa và tải trọng đáng tin cậy.

 

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Ngân sách liên kết dữ liệu UAV là gì?

Trả lời: Ngân sách liên kết dữ liệu UAV sẽ bổ sung thêm công suất máy phát và mức tăng ăng-ten, trừ đi tổn thất đường truyền và phần cứng, sau đó so sánh công suất nhận được dự đoán với ngưỡng máy thu.

Câu hỏi: Công thức ngân sách liên kết RF cơ bản là gì?

Trả lời: Công suất nhận được dự đoán bằng công suất máy phát cộng với mức tăng ăng-ten truyền và nhận, trừ đi cáp, đầu nối, truyền sóng, phân cực, tắc nghẽn và các tổn thất triển khai khác.

Câu hỏi: Hệ thống liên lạc UAV cần bao nhiêu biên độ liên kết?

Đáp: Không có mục tiêu chung. Biên độ yêu cầu phụ thuộc vào mức độ quan trọng của nhiệm vụ, tần suất, nhiễu, chuyển động của máy bay, thời gian ngừng hoạt động có thể chấp nhận được và độ tin cậy trong các giả định lan truyền.

Câu hỏi: Tại sao nên sử dụng phạm vi nghiêng để tính toán liên kết UAV?

Trả lời: Phạm vi nghiêng phản ánh khoảng cách ba chiều thực tế giữa máy bay và trạm mặt đất, tính cả khoảng cách theo chiều ngang và chênh lệch độ cao.

Câu hỏi: Có nên tính riêng ngân sách đường lên và đường xuống UAV không?

Đ: Vâng. Mỗi hướng có thể sử dụng công suất phát, ăng-ten, suy hao cáp, băng thông, điều chế và độ nhạy máy thu khác nhau, tạo ra biên độ hoạt động khác nhau.

Câu hỏi: Việc tăng công suất phát có luôn cải thiện độ tin cậy của liên kết UAV không?

Trả lời: Công suất lớn hơn có thể tăng cường độ tín hiệu nhận được nhưng vị trí đặt ăng-ten, suy hao bộ truyền sóng, băng thông kênh, nhiễu, giới hạn quy định, nhiệt và mức tiêu thụ năng lượng có thể quan trọng hơn.