Wie man die Reichweite der Kommunikation mit einer Drohne (UAV) erhöht

Das Ziel, die Reichweite der Kommunikation mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) zu erhöhen, bleibt relevant. In diesem Artikel werden Methoden zur Verbesserung dieses Parameters betrachtet. Der Artikel richtet sich an Entwickler und Betreiber von UAV und ist eine Fortsetzung einer Artikelreihe über die Kommunikation mit UAV (Beginn der Reihe siehe in [1].

Was beeinflusst die Reichweite der Kommunikation

Die Reichweite der Kommunikation hängt vom verwendeten Modem, den Antennen, Antennenkabeln, den Bedingungen der Funkwellenverbreitung, externen Störungen und einigen anderen Gründen ab. Um den Einfluss eines bestimmten Parameters auf die Reichweite der Kommunikation zu bestimmen, betrachten wir die Reichweitenformel [2]
(1)

wo
— die gesuchte Reichweite der Kommunikation [meter];
— die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m/sec];
— die Frequenz [Hz];
— die Sendeleistung des Modems [dBm];
— die Verstärkung der Sendeantenne [dBi];
— die Verluste im Kabel vom Modem zur Sendeantenne [dB];
— die Verstärkung der Empfangsantenne [dBi];
— die Verluste im Kabel vom Modem zur Empfangsantenne [dB];
— die Empfindlichkeit des Empfangsmodems [dBm];
— der Dämpfungsfaktor, der zusätzliche Verluste durch den Einfluss der Erdoberfläche, Vegetation, Atmosphäre und anderer Faktoren berücksichtigt [dB].

Aus der Gleichung wird ersichtlich, dass die Reichweite bestimmt wird von:

• dem verwendeten Modem;
• der Frequenz des Funkkanals;
• den verwendeten Antennen;
• den Verlusten in den Kabeln;
• dem Einfluss der Erdoberfläche, Vegetation, Atmosphäre, Gebäuden usw. auf die Ausbreitung der Funkwellen.

Im Folgenden werden die beeinflussenden Parameter einzeln betrachtet.

Das verwendete Modem

Die Reichweite der Kommunikation hängt nur von zwei Parametern des Modems ab: der Sendeleistung und der Empfindlichkeit des Empfangsmodems , genauer gesagt von deren Differenz — dem Energiebudget des Modems
(2)

Um die Reichweite der Kommunikation zu erhöhen, muss ein Modem mit einem höheren Wert ausgewählt werden . Erhöhen kann wiederum durch Erhöhung oder durch Verringerung erreicht werden. Die Priorität sollte auf der Suche nach Modems mit hoher Empfindlichkeit liegen ( so niedrig wie möglich), und nicht auf der Erhöhung der Sendeleistung . Diese Frage wird ausführlich im ersten Artikel behandelt [1].

Zusätzlich zu den Materialien [1] sollte man beachten, dass einige Hersteller, wie beispielsweise Microhard [3], in den Spezifikationen bestimmter Geräte wird nicht die durchschnittliche, sondern die Spitzenleistung des Senders angegeben, die um ein Vielfaches höher ist als die durchschnittliche und die nicht zur Berechnung der Reichweite verwendet werden kann, da dies zu einer erheblichen Überschreitung der berechneten Reichweitem of the true value führen würde. Zu solchen Geräten gehört beispielsweise das beliebte Modul pDDL2450 [4,5]. Diese Tatsache ergibt sich direkt aus den Testergebnissen dieses Geräts, die für den Erhalt des FCC-Zertifikats durchgeführt wurden [6] (siehe S. 58). Die Testergebnisse von drahtlosen Geräten mit FCC-Zertifizierungen können auf der FCC-ID-Website eingesehen werden, [7], indem die entsprechende FCC-ID in die Suchzeile eingegeben wird, die auf dem Typenschild des Geräts angegeben sein sollte. Die FCC-ID des Moduls pDDL2450 lautet: NS916pDDL2450.

Frequenz des Radiosenders

Aus der Gleichung der Reichweite (1) lässt sich eindeutig ableiten, dass je niedriger die Betriebsfrequenz , desto größer die Kommunikationsreichweite . Aber eilen wir nicht zu Schlussfolgerungen. Das Problem ist, dass auch andere Parameter, die in die Gleichung eingehen, von der Frequenz abhängen. Zum Beispiel hängen die Antennengewinne und von der Frequenz ab, wenn die maximalen Abmessungen der Antennen fixiert sind, was in der Praxis der Fall ist. Der Gewinn der Antenne , ausgedrückt in dimensionslosen Einheiten (Verhältnis), lässt sich durch die physikalische Fläche der Antenne wie folgt darstellen [8]
(3)

wo — die Effizienz der Apertur der Antenne, d. h. das Verhältnis der effektiven Fläche der Antenne zur physischen (hängt von der Konstruktion der Antenne ab), [8].

Aus (3) ist sofort ersichtlich, dass bei fester Fläche der Antenne der Gewinn proportional zum Quadrat der Frequenz steigt. Lassen Sie uns einsetzen (3) in (1), nachdem wir zuvor umgeschrieben haben (1) unter Verwendung dimensionsloser Einheiten für die Antennengewinne , , Kabelverluste , und den Dämpfungsfaktor , sowie unter Verwendung von Watt für und anstatt dBm. Dann
(4)

wobei der Koeffizient eine Konstante bei festen Abmessungen der Antenne ist. Somit ist in diesem Fall die Kommunikationsreichweite direkt proportional zur Frequenz, d. h. je höher die Frequenz, desto größer die Reichweite. Schlussfolgerung. Bei festen Abmessungen der Antennen führt eine Erhöhung der Frequenz der Funkverbindung zu einer größeren Reichweite durch verbesserte gerichtete Eigenschaften der Antennen. Es ist jedoch zu beachten, dass mit steigender Frequenz auch die Dämpfung der Radiowellen in der Atmosphäre aufgrund von Gasen, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken zunimmt. [2]Außerdem steigt mit der Länge der Verbindung auch die Dämpfung in der Atmosphäre. Aus diesem Grund gibt es für jede Verbindungslänge und die durchschnittlichen Wetterbedingungen ein maximales Trägersignal, das durch den zulässigen Dämpfungsgrad des Signals in der Atmosphäre begrenzt ist. Lass uns die endgültige Entscheidung über den Einfluss der Frequenz des Funkkanals auf die Reichweite bis zum Abschnitt verschieben, in dem der Einfluss der Erdoberfläche und der Atmosphäre auf die Ausbreitung von Radiowellen untersucht wird.

Antennen

Die Reichweite der Kommunikation wird durch einen Parameter der Antenne, den Gewinn, bestimmt ((gain in englischer Terminologie), gemessen in dBi. Der Gewinn ist ein wichtiger zusammengesetzter Parameter, da er Folgendes berücksichtigt: (1) die Fähigkeit der Antenne, die Energie des Senders in Richtung des Empfängers im Vergleich zu einem isotropen Strahler zu fokussieren (isotrop, daher der Index i in dBi); (2) die Verluste in der Antenne selbst [8,9]. Um die Reichweite zu erhöhen, sollten Antennen mit dem maximal möglichen Gewinn ausgewählt werden, solange sie den Anforderungen an Masse und Abmessungen sowie den Fähigkeiten des Leitungssystems entsprechen. Die Fähigkeit der Antenne, Energie zu fokussieren, wird nicht umsonst erreicht, sondern erfordert eine Vergrößerung der Abmessungen (Apertur) der Antenne. Beispielsweise gilt: Je größer die Empfangsantenne ist, desto größer ist die Fläche, von der sie Energie für den Eingang des Empfängers sammeln kann, und je mehr Energie vorhanden ist, desto stärker ist das empfangene Signal, d.h. die Reichweite erhöht sich. Daher sollte man sich zunächst über die maximalen Abmessungen der Antennen im Klaren sein, die für die gestellte Aufgabe angemessen sind, und den Suchbereich auf diesem Parameter beschränken, bevor man ein konkretes Antennenmodell auf der Grundlage des maximalen Gewinns sucht. Ein zweiter für die Praxis wichtiger Parameter der Antenne ist der Strahlungsbreitengrad (Beamwidth) [8,10], gemessen in Winkelgraden. Im Allgemeinen wird die Breite der Antennenstrahlrichtung als der Winkel zwischen zwei räumlichen Richtungen vom Zentrum der Antenne definiert, bei dem die Verstärkung der Antenne um 3 dB vom Maximum für diese Antenne abnimmt. Die Breite der Antennenstrahlrichtung kann in Azimut und Elevation stark variieren. Dieses Parameter hängt eng mit der Größe der Antenne zusammen, nach der Regel: je größer die Abmessungen, desto geringer die Breite der Antennenstrahlrichtung. Dieses Parameter wird nicht direkt in die Reichweitenformel einbezogen, bestimmt jedoch die Anforderungen an das Antennensystem der Bodenstation (GS) für die Führung auf die UAV, da bei GS in der Regel hochgerichtete Antennen verwendet werden, insbesondere in den Fällen, in denen die Maximierung der Reichweite der Kommunikation mit dem UAV Priorität hat. Tatsächlich: Solange das Verfolgungssystem der GS eine Winkelgenauigkeit bei der Ausrichtung der Antenne auf das UAV von der Hälfte der Breite der Antenne oder weniger gewährleistet, wird das Niveau des empfangenen/ausgestrahlten Signals nicht unter 3 dB vom Maximum fallen. Die Hälfte der Breite der gewählten Antenne darf unter keinen Umständen kleiner sein als der Winkelfehler des Antennenführungssystems der GS in Azimut oder Elevation.

Kabel

Um die Reichweite der Kommunikation zu maximieren, müssen Kabel mit möglichst geringem Durchgangsdämpfung (cable attenuation oder cable loss) an der Arbeitsfrequenz des Radio-links zwischen GS und UAV verwendet werden. Der Durchgangsdämpfung in einem Kabel wird als Verhältnis des Signals am Ausgang eines Kabelabschnitts mit einer Länge von 1 m (im metrischen System) zum Signal am Eingang des Kabelabschnitts in dB definiert. Die Verluste in den Kabeln , die in die Reichweitenformel eingehen, , werden durch Multiplikation des Durchgangsdämpfungs mit der Kabellänge bestimmt. Daher sollten zur Erzielung der maximal möglichen Kommunikationsreichweite Kabel mit minimalem Durchgangsdämpfung verwendet und die Länge dieser Kabel minimiert werden. Modems sollten direkt am Mast in der Nähe der Antennen montiert werden. Im Gehäuse des UAV sollte das Modem so nah wie möglich an den Antennen positioniert werden. Es ist auch wichtig, den Impedanz des gewählten Kabels zu kontrollieren. Dieses Parameter wird in Ohm gemessen und beträgt in der Regel 50 oder 75 Ohm. Der Impedanz des Kabels, des Antennensteckers des Modems und des Steckers an der Antenne selbst müssen übereinstimmen. (1)Der Einfluss der Erdoberfläche

Einfluss der Erdoberfläche

In diesem Abschnitt werden wir die Ausbreitung von Radiowellen über einer Ebene oder einer Meeresoberfläche betrachten. Eine solche Situation tritt häufig in der Praxis des Einsatzes von UAVs auf. Die Überwachung von Pipelines, Hochspannungsleitungen, landwirtschaftlichen Kulturen sowie viele militärische und spezielle Operationen lassen sich gut durch dieses Modell beschreiben. Menschliche Erfahrung zeigt uns ein Bild, in dem die Kommunikation zwischen Objekten möglich ist, wenn sie sich im Bereich der direkten optischen Sicht zueinander befinden; andernfalls ist eine Verbindung nicht möglich. Allerdings gehören Radiowellen nicht zum optischen Spektrum, daher verhält es sich mit ihnen etwas anders. In diesem Zusammenhang ist es für den Entwickler und Betreiber von UAVs nützlich, sich die folgenden zwei Fakten einzuprägen.

1. Die Kommunikation im Radiowellenbereich ist auch bei fehlender direkter Sicht zwischen dem NS und dem UAV möglich.
2. Der Einfluss der unterliegenden Oberfläche auf die Kommunikation mit dem UAV wird auch dann spürbar sein, wenn keine Objekte in der optischen Verbindungslinie NS-UAV vorhanden sind.

Um das spezifische Verhalten von Radiowellen in der Nähe der Erdoberfläche zu verstehen, ist es nützlich, sich mit dem Konzept der wesentlichen Ausbreitungszone von Radiowellen vertraut zu machen. [2]In Abwesenheit von Objekten in der wesentlichen Zone der Radiowellenverbreitung kann die Reichweite anhand der Formeln für den freien Raum berechnet werden, d. h. in (1) kann als gleich 0 angenommen werden. Wenn sich jedoch Objekte in der wesentlichen Zone befinden, ist dies nicht zulässig. In Abb. 1 ist an Punkt A ein Punktstrahler dargestellt, der in einer Höhe über der Erdoberfläche verläuft und elektromagnetische Energie gleichmäßig in alle Richtungen ausstrahlt. Punkt B befindet sich in einer Höhe von und beherbergt einen Empfänger zur Messung der Feldstärke. In diesem Modell stellt die wesentliche Ausbreitungszone von Radiowellen einen Ellipsoid mit Foki in den Punkten A und B dar.

Abb. 1. Wesentliche Ausbreitungszone von Radiowellen

Der Radius des Ellipsoids in seinem „dicksten“ Teil wird durch den Ausdruck bestimmt [2]
(5)

Aus (5) daraus ist ersichtlich, dass von der Frequenz abhängt umgekehrt proportional ist, je kleiner , desto „dicker“ ist der Ellipsoid ( in Abb. 1). Darüber hinaus nimmt die „Dicke“ des Ellipsoids mit zunehmendem Abstand zwischen den Kommunikationsobjekten zu. Für Radiowellen kann sie ziemlich erheblich sein, so bei 10 km, 2,45 GHz erhalten wir 50–60 m.

Betrachten wir nun ein undurchsichtiges Objekt, das im grauen Dreieck in Abb. 1 dargestellt ist. Es wird Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz haben , da es sich in einer wesentlichen Ausbreitungszone befindet, und wird praktisch keinen Einfluss auf die Ausbreitung von Radiowellen mit einer Frequenz haben . Für Radiowellen im optischen Spektrum (Licht) ist die Größe gering, sodass der Einfluss der Erdoberfläche auf die Lichtausbreitung in der Praxis nicht spürbar ist. Wenn man bedenkt, dass die Erdoberfläche eine Kugel darstellt, ist es nicht schwer zu verstehen, dass bei zunehmendem Abstand , die unterliegende Oberfläche immer mehr in die wesentliche Ausbreitungszone eindringen wird, wodurch die Energieübertragung von Punkt A zu Punkt B unterbrochen wird – das Ende der Geschichte, die Verbindung zum UAV wird unterbrochen. Ähnliche Auswirkungen auf die Verbindung werden auch andere Objekte entlang der Strecke haben, wie Unebenheiten im Gelände, Gebäude, Wald usw.

Betrachten wir nun Abb. 2, in der ein undurchsichtiges Objekt die wesentliche Ausbreitungszone der Radiowelle mit einer Frequenz vollständig überdeckt , wodurch eine Verbindung auf dieser Frequenz unmöglich wird. Gleichzeitig ist die Verbindung auf der Frequenz noch möglich, da ein Teil der Energie "über" das undurchsichtige Objekt springt. Je niedriger die Frequenz, desto weiter kann sich die Radiowelle hinter den optischen Horizont ausbreiten und eine stabile Verbindung mit dem UAV aufrechterhalten.

Abb. 2. Überdeckung der wesentlichen Ausbreitungszone von Radiowellen

Das Ausmaß des Einflusses der Erdoberfläche auf die Verbindung hängt auch von der Höhe der Antennen ab und . Je höher die Antennen stehen, desto weiter können die Punkte A und B auseinandergezogen werden, ohne dass Objekte oder die unterliegende Oberfläche in die wesentliche Zone eindringen.

Mit dem Eindringen eines Objekts oder der unterliegenden Oberfläche in die wesentliche Zone wird die Feldstärke am Punkt B oszillieren. [2], d.h. sie wird mal größer, mal kleiner als die durchschnittliche Feldstärke sein. Dies geschieht durch die Reflexion von Energie von einem Objekt. Die reflektierte Energie kann am Punkt B mit der grundlegenden Energie in Phase kombinieren — dann entsteht ein Anstieg der Feldstärke, oder in Gegenphase — dann entsteht ein Rückgang der Feldstärke (und zwar ziemlich tief). Es ist wichtig, diesen Effekt für das Verständnis der spezifischen Verbindung mit der UAV zu beachten. Der Verlust der Verbindung zur UAV in einer bestimmten Reichweite kann durch einen lokalen Rückgang der Feldstärke aufgrund von Oszillationen verursacht werden, d.h. wenn man noch eine gewisse Strecke fliegt, kann die Verbindung wiederhergestellt werden. Der endgültige Verlust der Verbindung tritt erst nach vollständiger Überdeckung einer wesentlichen Zone durch Objekte oder die unterliegende Oberfläche ein. Im Folgenden werden Methoden zur Bekämpfung der Folgen der Oszillationen der Feldstärke vorgeschlagen.

Formeln zur Berechnung des Stärkungsmultiplikators bei der Ausbreitung von Radiowellen über eine glatte Erdoberfläche sind ziemlich komplex, insbesondere für Entfernungen , die die Reichweite des optischen Horizonts überschreiten [2]. Daher werden wir im weiteren Verlauf der Problematik auf mathematische Modellierung mit dem Softwarepaket des Autors zurückgreifen. Wir betrachten die typische Aufgabe der Videoübertragung von einem UAV zu einem NS mittels eines 3D Link Modems [11] von GeoScan. Die Ausgangsdaten sind wie folgt.

1. Höhe der Antenne des NS: 5 m.
2. Flughöhe der UAV: 1000 m.
3. Frequenz der Funkverbindung: 2,45 GHz.
4. Gewinnfaktor der Antenne des NS: 17 dB.
5. Gewinnfaktor der Antenne der UAV: 3 dB.
6. Sendeleistung: +25 dBm (300 mW).
7. Geschwindigkeit im Videokanal: 4 Mbit/s.
8. Empfindlichkeit des Empfängers im Videokanal: −100,4 dBm (für das Frequenzband, das das Signal bei 12 MHz belegt).
9. Unterliegende Oberfläche: trockener Boden.
10. Polarisation: vertikal.

Die Distanz der direkten optischen Sichtbarkeit für diese Ausgangsdaten beträgt 128,8 km. Die Berechnungsergebnisse in Form der Signalstärke am Eingang des Modems in dBm sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Signalstärke am Eingang des Modems 3D Link [11]

Die blaue Kurve in Abb. 3 zeigt die Signalstärke am Eingang des NS-Empfängers, die rote Linie steht für die Empfindlichkeit dieses Empfängers. Auf der X-Achse ist die Reichweite in km aufgetragen, auf der Y-Achse die Leistung in dBm. In den Bereichen, wo die blaue Kurve über der roten Linie liegt, ist ein Videoempfang vom UAV möglich, andernfalls wird die Verbindung unterbrochen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass wegen der Oszillationen der Verbindungsabbruch im Reichweitenbereich von 35,5–35,9 km und weiter im Bereich von 55,3–58,6 km auftreten wird. Der endgültige Verbindungsabbruch wird jedoch viel weiter auftreten – nach 110,8 km Flug.

Wie bereits oben erwähnt, entstehen die Ausfälle in der Feldstärke aufgrund der Gegenüberlagerung des direkten und des von der Erdoberfläche reflektierten Signals am Standort der NS-Antenne. Um die Ausfälle an der NS zu vermeiden, können zwei Bedingungen erfüllt werden.

1. Am NS-Modem mindestens ein Modem mit zwei Empfangskanälen (RX-Diversity) verwenden, z.B. 3D Link. [11].
2. Die Empfangsantennen am Mast der NS in unterschiedlichen Höhen anbringen.

Die Trennung der Höhen der Empfangsantennen muss so erfolgen, dass die Ausfälle in der Feldstärke an einem Antennenstandort durch Pegel über der Empfindlichkeit des Empfängers an einem anderen Standort kompensiert werden. In Abb. 4 wird das Ergebnis eines solchen Ansatzes für den Fall gezeigt, dass eine NS-Antenne in 5 m Höhe (blaue durchgehende Linie) und eine andere in 4 m Höhe (blaue gestrichelte Linie) positioniert ist.

Abb. 4. Signalstärke an den Eingängen zweier Empfänger des Modems 3D Link von Antennen, die in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.

Aus Abb. 4 ist die Effektivität dieser Methode deutlich zu erkennen. Tatsächlich übersteigt während des gesamten Flugdistanz des UAVs, bis zu einer Reichweite von 110,8 km, das Signal an mindestens einem NS-Eingang das Empfindlichkeitsniveau, d.h. das Video von Bord wird während des gesamten Fluges nicht unterbrochen.

Die vorgeschlagene Methode verbessert jedoch nur die Zuverlässigkeit der Funkverbindung UAV→NS, da die Möglichkeit, Antennen in unterschiedlichen Höhen anzubringen, nur an der NS gegeben ist. Eine Trennung der Antennen um 1 m in der Höhe an einem UAV erscheint unmöglich. Um die Zuverlässigkeit der Funkverbindung NS→UAV zu erhöhen, können folgende Ansätze verwendet werden.

1. Das Signal des Senderns NS an die Antenne senden, die ein stärkeres Signal vom UAV empfängt.
2. Räumlich-zeitliche Codes verwenden, zum Beispiel den Alamouti-Code. [12].
3. Die Technologie zur Steuerung von Antennen mit DN (Beamforming) verwenden, die die Möglichkeit bietet, die Signalleistung zu steuern, die an jede der Antennen gesendet wird.

Der erste Ansatz ist dem optimalen Ansatz in der Kommunikation mit UAVs nahe. Er ist einfach, da die gesamte Energie des Transmitters in die richtige Richtung — zur optimal positionierten Antenne — geleitet wird. Zum Beispiel wird bei einer Reichweite von 50 km (siehe Abb. 4) das Signal des Transmitters an eine in 5 Metern Höhe aufgehängte Antenne gesendet, und bei einer Reichweite von 60 km an eine in 4 Metern Höhe aufgehängte Antenne. Genau diese Methode wird im 3D Link Modem verwendet. [11]Der zweite Ansatz verwendet keine a priori Daten über den Zustand des Kommunikationskanals zwischen UAV und Bodenstation (Signalpegel an den Ausgängen der Antennen) und teilt daher die Energie des Transmitters gleichmäßig zwischen zwei Antennen auf, was unvermeidlich zu Energieverlusten führt, da eine der Antennen möglicherweise in einem Bereich mit schwacher Feldstärke positioniert ist. Der dritte Ansatz bietet eine Kommunikationsqualität, die dem ersten gleichwertig ist, ist jedoch viel komplizierter in der Umsetzung.

Betrachten wir nun die Frage, wie die Frequenz der Radiowellen die Reichweite der Kommunikation mit UAVs beeinflusst, unter Berücksichtigung der Einflüsse der Unterlage. Es wurde bereits gezeigt, dass eine Erhöhung der Frequenz vorteilhaft ist, da dies bei fixen Abmessungen der Antennen zur Erhöhung der Reichweite führt. Allerdings wurde die Frage nach der Abhängigkeit von der Frequenz nicht behandelt. Aus (3) geht hervor, dass das Verhältnis der Verstärkungsfaktoren von Antennen, die in der Fläche gleich sind und für den Betrieb bei Frequenzen und , gleich
(6)

Für 2450 MHz; 915 MHz ergibt 7,2 (8,5 dB). So etwa passiert es auch in der Praxis. Vergleichen wir zum Beispiel die Parameter der folgenden Antennen des Herstellers Wireless Instruments:

• WiBOX PA 0809-8V [13] (Frequenz: 0,83–0,96 GHz; Strahlbreite: 70°/70°; Gewinn: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (Frequenz: 2,3–2,5 GHz; Strahlbreite: 30°/30°; Gewinn: 15 dBi).

Die Daten der Antennen lassen sich bequem vergleichen, da sie in identischen Gehäusen von 27x27 cm ausgeführt sind, d.h. sie haben die gleiche Fläche. Es fällt auf, dass der Verstärkungsfaktor der Antennen um 15−8=7 dB variiert, was nahe am berechneten Wert von 8,5 dB liegt. Aus den Eigenschaften der Antennen ist auch ersichtlich, dass die Breite des Richtdiagramms der Antenne im Frequenzbereich von 2,3–2,5 GHz (30°/30°) mehr als doppelt so schmal ist wie die Breite des Richtdiagramms der Antenne im Frequenzbereich von 0,83–0,96 GHz (70°/70°), was bedeutet, dass die Verstärkung der Antennen bei gleichen Abmessungen tatsächlich durch die Verbesserung der Richtwirkung steigt. Unter Berücksichtigung der Verwendung von 2 Antennen in der Kommunikationslinie ergibt sich ein Verhältnis von 2∙8,5=17 dB. Somit wird bei gleichen Abmessungen der Antennen das Energiebudget der Funkverbindung bei einer Frequenz von 2450 MHz um 17 dB höher sein als das Budget der Verbindung bei einer Frequenz von 915 MHz. Bei der Berechnung berücksichtigen wir auch die Tatsache, dass in der UAV (Unmanned Aerial Vehicle) in der Regel Stabantennen verwendet werden, für die die Abmessungen nicht so kritisch sind wie bei den behandelten Panelantennen. Daher nehmen wir die Verstärkungsfaktoren der UAV-Antenne für die Frequenzen und als gleich an. Das heißt, die Differenz der Energiebudgets der Linien beträgt 8,5 dB und nicht 17 dB. Die Berechnungsergebnisse, die für diese Ausgangsdaten und eine Montagehöhe der UAV-Antenne von 5 m durchgeführt wurden, sind in Abb. 5 dargestellt.

Abb. 5. Empfangssignalstärke am Eingang des Empfängers für Funkverbindungen, die bei Frequenzen von 915 und 2450 MHz arbeiten

Aus Abb. 5 ist deutlich zu erkennen, dass die Reichweite der Verbindung mit steigender Frequenz und gleicher Fläche der UAV-Antenne von 96,3 km für die Funkverbindung mit 915 MHz auf 110,8 km für die Verbindung mit 2450 MHz ansteigt. Die Linie bei 915 MHz hat jedoch eine niedrigere Oszillationsfrequenz. Weniger Oszillationen – weniger Einbrüche der Feldstärke, d.h. geringere Wahrscheinlichkeit einer Unterbrechung der Verbindung mit dem UAV über die gesamte Flugdistanz. Möglicherweise ist gerade dieser Faktor der Grund für die Beliebtheit des Subgigahertzbereichs der Radiowellen für Kommando- und Telemetrielinien mit UAV als die zuverlässigsten. Gleichzeitig gewährleisten Gigahertz-Funkverbindungen unter Anwendung der oben beschriebenen Maßnahmen zum Schutz vor Feldstärke-Oszillationen eine größere Reichweite durch Verbesserung der Richtwirkung der Antennen.

Aus der Betrachtung von Abb. 5 lässt sich auch die Schlussfolgerung ziehen, dass im Schattenbereich (nach der Markierung 128,8 km) eine Senkung der Betriebsfrequenz der Kommunikationsleitung sinnvoll ist. Tatsächlich schneiden sich in einem Punkt von etwa −120 dBm die Leistungswerte für die Frequenzen und . Das heißt, bei der Verwendung von Empfängern mit einer Empfindlichkeit besser als −120 dBm wird die Radioverbindung bei 915 MHz eine größere Reichweite bieten. In diesem Fall muss jedoch die erforderliche Bandbreite der Verbindung berücksichtigt werden, da die Informationsgeschwindigkeit für einen so hohen Empfindlichkeitswert sehr gering sein wird. Zum Beispiel ermöglicht das Modem 3D Link [11] obwohl es eine Empfindlichkeit von bis zu −122 dBm bietet, beträgt die aggregierte (beidseitige) Informationsübertragungsrate 23 kbit/s, was grundsätzlich ausreichend für die KTRL-Kommunikation mit UAVs ist, aber offensichtlich unzureichend für die Übertragung von Videos von Bord. Somit hat der Subgigahertzbereich tatsächlich einen kleinen Vorteil gegenüber dem Gigahertzbereich für die KTRL, verliert jedoch deutlich an Eigenschaften bei der Organisation von Videoverbindungen.

Bei der Auswahl der Frequenz der Funkverbindung muss auch die Signalabschwächung bei der Ausbreitung in der Erdatmosphäre berücksichtigt werden. Für die Kommunikationsleitungen zwischen NS und UAV verursachen Gase, Regen, Hagel, Schnee, Nebel und Wolken die Abschwächung [2]. Für Betriebsfrequenzen von Funkverbindungen unter 6 GHz kann die Abschwächung in Gasen vernachlässigt werden [2]. Die stärkste Abschwächung tritt bei Regen auf, insbesondere bei hoher Intensität (Starkregen). In Tabelle 1 sind die Daten [2] zur spezifischen Dämpfung [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität für die Frequenzen von 3–6 GHz aufgeführt.

Tabelle 1. Spezifische Abschwächung von Radiowellen [dB/km] bei Regen unterschiedlicher Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz

Frequenz [GHz]
3 mm/h (schwach)
12 mm/h (mäßig)
30 mm/h (stark)
70 mm/h (Starkregen)

3.00
0,3∙10−3
1,4∙10−3
3,6∙10−3
8,7∙10−3

4.00
0,3∙10−2
1,4∙10−2
3,7∙10−2
9,1∙10−2

5.00
0,8∙10−2
3,7∙10−2
10,6∙10−2
28∙10−2

6.00
1,4∙10−2
7,1∙10−2
21∙10−2
57∙10−2

Aus Tabelle 1 geht hervor, dass beispielsweise bei einer Frequenz von 3 GHz die Dämpfung im Regen etwa 0,0087 dB/km beträgt, was auf einer Strecke von 100 km eine Gesamtdämpfung von 0,87 dB ergibt. Bei Erhöhung der Betriebsfrequenz der Funkverbindung steigt die Dämpfung im Regen stark an. Bei einer Frequenz von 4 GHz beträgt die Dämpfung im Regen auf derselben Strecke bereits 9,1 dB, und bei 5 und 6 GHz sind es 28 und 57 dB. Es wird jedoch angenommen, dass der Regen mit der angegebenen Intensität entlang der gesamten Strecke vorhanden ist, was in der Praxis selten der Fall ist. Dennoch wird bei der Nutzung von UAV in Gebieten, in denen häufig starke Regenfälle auftreten, empfohlen, eine Betriebsfrequenz unterhalb von 3 GHz zu wählen.

Literatur

1. Smorodinov A.A. So wählen Sie ein Breitbandmodem für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) aus. Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Tscherenkova E.L. Ausbreitung von Radiowellen und Betrieb von Funkverbindungen. Verbindung. Moskau. 1971.
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4. Pico Digital Data Link pDDL2450 Spezifikation.
5. Picoradio OEM Spezifikation.
6. Engineering Testbericht. Pico 2,4 GHz 1W Digital Data Link Modul.
7. FCC ID.
8. C.A. Balanis. Antennentheorie. Analyse und Design. Vierte Ausgabe. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antenne Gewinn. Artikel in Wikipedia.
10. Strahlbreite. Artikel in Wikipedia.
11. Digitaler Duplex-Radiomodem 3D Link.
12. S.M. Alamouti. „Eine einfache Technik zur Senderdiversität für drahtlose Kommunikation“. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. PTP-Klientenantenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP-Klientenantenne WiBOX PA 24-15.

Quelle: habr.com