Die Herausforderung, große Datenmengen von einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) oder Bodenrobotik zu übertragen, ist in modernen Anwendungen keine Seltenheit. In diesem Artikel werden die Auswahlkriterien für Breitbandmodems und damit verbundene Probleme erläutert. Der Artikel wurde für UAV- und Robotikentwickler geschrieben.
Auswahlkriterien
Die Hauptkriterien für die Auswahl eines Breitbandmodems für UAVs oder Robotik sind:
- Kommunikationsreichweite.
- Maximale Datenübertragungsrate.
- Verzögerung bei der Datenübertragung.
- Gewichts- und Abmessungenparameter.
- Unterstützte Informationsschnittstellen.
- Nährstoffbedarf.
- Separater Steuer-/Telemetriekanal.
Kommunikationsreichweite
Die Kommunikationsreichweite hängt nicht nur vom Modem ab, sondern auch von Antennen, Antennenkabeln, Funkwellenausbreitungsbedingungen, externen Störungen und anderen Gründen. Um die Parameter des Modems selbst von anderen Parametern zu trennen, die die Kommunikationsreichweite beeinflussen, betrachten Sie die Reichweitengleichung [Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Ausbreitung von Funkwellen und Betrieb von Funkverbindungen. Verbindung. Moskau. 1971]
$$display$$ R=frac{3 cdot 10^8}{4 pi F}10^{frac{P_{TXdBm}+G_{TXdB}+L_{TXdB}+G_{RXdB}+L_{RXdB}+ |V|_{dB}-P_{RXdBm}}{20}},$$display$$
wo
$inline$R$inline$ – erforderliche Kommunikationsreichweite in Metern;
$inline$F$inline$ – Frequenz in Hz;
$inline$P_{TXdBm}$inline$ – Modemsenderleistung in dBm;
$inline$G_{TXdB}$inline$ – Senderantennengewinn in dB;
$inline$L_{TXdB}$inline$ – Verluste im Kabel vom Modem zur Senderantenne in dB;
$inline$G_{RXdB}$inline$ – Empfängerantennengewinn in dB;
$inline$L_{RXdB}$inline$ – Verluste im Kabel vom Modem zur Empfängerantenne in dB;
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — Empfindlichkeit des Modemempfängers in dBm;
$inline$|V|_{dB}$inline$ ist ein Dämpfungsfaktor, der zusätzliche Verluste aufgrund des Einflusses der Erdoberfläche, der Vegetation, der Atmosphäre und anderer Faktoren in dB berücksichtigt.
Aus der Reichweitengleichung geht hervor, dass die Reichweite nur von zwei Parametern des Modems abhängt: der Senderleistung $inline$P_{TXdBm}$inline$ und der Empfängerempfindlichkeit $inline$P_{RXdBm}$inline$, bzw. von deren Differenz - das Energiebudget des Modems
$$display$$B_m=P_{TXdBm}-P_{RXdBm}.$$display$$
Die übrigen Parameter in der Reichweitengleichung beschreiben die Signalausbreitungsbedingungen und die Parameter der Antennenspeisegeräte, d. h. hat nichts mit dem Modem zu tun.
Um die Kommunikationsreichweite zu erhöhen, müssen Sie also ein Modem mit einem großen $inline$B_m$inline$-Wert wählen. $inline$B_m$inline$ wiederum kann durch Erhöhen von $inline$P_{TXdBm}$inline$ oder durch Verringern von $inline$P_{RXdBm}$inline$ erhöht werden. In den meisten Fällen suchen UAV-Entwickler nach einem Modem mit hoher Sendeleistung und legen wenig Wert auf die Empfindlichkeit des Empfängers, obwohl sie genau das Gegenteil tun müssen. Ein leistungsstarker Bordsender eines Breitbandmodems bringt folgende Probleme mit sich:
- hoher Stromverbrauch;
- Kühlbedarf;
- Verschlechterung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit anderen Bordgeräten des UAV;
- Low-Energy-Geheimhaltung.
Die ersten beiden Probleme hängen damit zusammen, dass moderne Methoden zur Übertragung großer Informationsmengen über einen Funkkanal, beispielsweise OFDM, dies erfordern linear Sender. Der Wirkungsgrad moderner linearer Funksender ist gering: 10–30 %. Somit werden 70-90 % der kostbaren Energie der UAV-Stromversorgung in Wärme umgewandelt, die effizient aus dem Modem entfernt werden muss, da es sonst im ungünstigsten Moment ausfällt oder seine Ausgangsleistung aufgrund von Überhitzung sinkt. Beispielsweise bezieht ein 2-W-Sender 6–20 W aus der Stromversorgung, wovon 4–18 W in Wärme umgewandelt werden.
Die energetische Tarnung einer Funkverbindung ist für spezielle und militärische Anwendungen wichtig. Low Stealth bedeutet, dass das Modemsignal mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit vom Aufklärungsempfänger der Störstation erkannt wird. Dementsprechend hoch ist auch die Wahrscheinlichkeit, eine Funkverbindung mit Low-Energy-Stealth zu unterdrücken.
Die Empfindlichkeit eines Modemempfängers charakterisiert seine Fähigkeit, aus empfangenen Signalen Informationen mit einem bestimmten Qualitätsniveau zu extrahieren. Qualitätskriterien können variieren. Bei digitalen Kommunikationssystemen wird am häufigsten die Wahrscheinlichkeit eines Bitfehlers (Bitfehlerrate – BER) oder die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in einem Informationspaket (Framefehlerrate – FER) verwendet. Tatsächlich ist die Empfindlichkeit der Pegel des Signals, aus dem Informationen extrahiert werden müssen. Beispielsweise bedeutet eine Empfindlichkeit von −98 dBm mit BER = 10−6, dass Informationen mit einer solchen BER aus einem Signal mit einem Pegel von −98 dBm oder höher extrahiert werden können, Informationen mit einem Pegel von beispielsweise −99 dBm jedoch schon aus einem Signal mit einem Pegel von beispielsweise −1 dBm nicht mehr extrahiert werden. Natürlich nimmt die Qualität mit abnehmendem Signalpegel allmählich ab, aber es ist zu bedenken, dass die meisten modernen Modems über das sogenannte verfügen. Schwellenwerteffekt, bei dem es sehr schnell zu einer Qualitätsminderung kommt, wenn der Signalpegel unter die Empfindlichkeit fällt. Es reicht aus, das Signal um 2–10 dB unter die Empfindlichkeit zu reduzieren, damit die BER auf 1–XNUMX ansteigt, was bedeutet, dass Sie kein Video vom UAV mehr sehen werden. Der Schwellenwerteffekt ist eine direkte Folge des Shannon-Theorems für einen verrauschten Kanal; er kann nicht beseitigt werden. Die Zerstörung von Informationen, wenn der Signalpegel unter die Empfindlichkeit sinkt, ist auf den Einfluss von Rauschen zurückzuführen, das im Empfänger selbst entsteht. Das interne Rauschen eines Empfängers kann nicht vollständig eliminiert werden, aber es ist möglich, seinen Pegel zu reduzieren oder zu lernen, effizient Informationen aus einem verrauschten Signal zu extrahieren. Modemhersteller nutzen beide Ansätze, indem sie die HF-Blöcke des Empfängers verbessern und die Algorithmen für die digitale Signalverarbeitung verbessern. Eine Verbesserung der Empfindlichkeit des Modemempfängers führt nicht zu einem so dramatischen Anstieg des Stromverbrauchs und der Wärmeableitung wie eine Erhöhung der Senderleistung. Natürlich gibt es einen Anstieg des Energieverbrauchs und der Wärmeerzeugung, aber dieser ist recht bescheiden.
Im Hinblick auf die Erreichung der erforderlichen Kommunikationsreichweite wird der folgende Modemauswahlalgorithmus empfohlen.
- Entscheiden Sie sich für die Datenübertragungsrate.
- Wählen Sie ein Modem mit der besten Empfindlichkeit für die erforderliche Geschwindigkeit.
- Bestimmen Sie die Kommunikationsreichweite durch Berechnung oder Experiment.
- Wenn sich herausstellt, dass die Kommunikationsreichweite geringer als nötig ist, versuchen Sie, die folgenden Maßnahmen zu ergreifen (in der Reihenfolge absteigender Priorität):
- Reduzieren Sie Verluste in Antennenkabeln $inline$L_{TXdB}$inline$, $inline$L_{RXdB}$inline$, indem Sie ein Kabel mit geringerer linearer Dämpfung bei der Betriebsfrequenz verwenden und/oder die Länge der Kabel reduzieren;
- Antennengewinn erhöhen $inline$G_{TXdB}$inline$, $inline$G_{RXdB}$inline$;
- Erhöhen Sie die Sendeleistung des Modems.
Empfindlichkeitswerte hängen von der Datenübertragungsrate ab nach der Regel: höhere Geschwindigkeit – schlechtere Empfindlichkeit. Beispielsweise ist eine Empfindlichkeit von –98 dBm für 8 Mbit/s besser als eine Empfindlichkeit von –95 dBm für 12 Mbit/s. Sie können Modems hinsichtlich der Empfindlichkeit nur bei gleicher Datenübertragungsgeschwindigkeit vergleichen.
Daten zur Senderleistung sind in den Modemspezifikationen fast immer verfügbar, Daten zur Empfängerempfindlichkeit sind jedoch nicht immer verfügbar oder unzureichend. Zumindest ist dies ein Grund zur Vorsicht, da es kaum sinnvoll ist, schöne Zahlen zu verbergen. Darüber hinaus nimmt der Hersteller durch die Nichtveröffentlichung von Sensitivitätsdaten dem Verbraucher die Möglichkeit, die Kommunikationsreichweite rechnerisch abzuschätzen. auf Modem-Käufe.
Maximale Datenübertragungsrate
Die Auswahl eines Modems anhand dieses Parameters ist relativ einfach, wenn die Geschwindigkeitsanforderungen klar definiert sind. Aber es gibt einige Nuancen.
Wenn das zu lösende Problem die Gewährleistung der größtmöglichen Kommunikationsreichweite erfordert und gleichzeitig die Zuweisung eines ausreichend breiten Frequenzbandes für eine Funkverbindung möglich ist, ist es besser, ein Modem zu wählen, das ein breites Frequenzband (Bandbreite) unterstützt. Tatsache ist, dass die erforderliche Informationsgeschwindigkeit in einem relativ schmalen Frequenzband durch den Einsatz dichter Modulationsarten (16QAM, 64QAM, 256QAM usw.) oder in einem breiten Frequenzband durch den Einsatz von Modulation niedriger Dichte (BPSK, QPSK) erreicht werden kann ). Der Einsatz einer Modulation mit niedriger Dichte ist für solche Aufgaben aufgrund der höheren Störfestigkeit vorzuziehen. Dadurch ist die Empfindlichkeit des Empfängers besser, entsprechend erhöht sich der Energiehaushalt des Modems und damit auch die Kommunikationsreichweite.
Manchmal legen UAV-Hersteller die Informationsgeschwindigkeit der Funkverbindung viel höher als die Geschwindigkeit der Quelle fest, buchstäblich um das Zweifache oder mehr, und argumentieren, dass Quellen wie Video-Codecs eine variable Bitrate haben und die Modemgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des Maximalwerts ausgewählt werden sollte der Bitratenemissionen. In diesem Fall verringert sich natürlich die Kommunikationsreichweite. Sie sollten diesen Ansatz nur verwenden, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Die meisten modernen Modems verfügen über einen großen Puffer im Sender, der Bitratenspitzen ohne Paketverlust ausgleichen kann. Daher ist eine Geschwindigkeitsreserve von mehr als 2 % nicht erforderlich. Besteht Grund zu der Annahme, dass die Pufferkapazität des gekauften Modems nicht ausreicht und eine deutlich stärkere Geschwindigkeitssteigerung erforderlich ist, ist es besser, den Kauf eines solchen Modems abzulehnen.
Verzögerung der Datenübertragung
Bei der Bewertung dieses Parameters ist es wichtig, die mit der Datenübertragung über die Funkverbindung verbundene Verzögerung von der Verzögerung zu trennen, die durch das Kodierungs-/Dekodierungsgerät der Informationsquelle, beispielsweise einen Videocodec, verursacht wird. Die Verzögerung in der Funkverbindung besteht aus 3 Werten.
- Verzögerung aufgrund der Signalverarbeitung im Sender und Empfänger.
- Verzögerung aufgrund der Signalausbreitung vom Sender zum Empfänger.
- Verzögerung aufgrund der Datenpufferung im Sender bei Zeitduplex-Modems (TDD).
Die Latenz vom Typ 1 liegt nach Erfahrung des Autors im Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden bis zu einer Millisekunde. Die Verzögerung vom Typ 2 hängt von der Kommunikationsreichweite ab. Bei einer 100-km-Verbindung beträgt sie beispielsweise 333 μs. Die Verzögerung vom Typ 3 hängt von der Länge des TDD-Rahmens und vom Verhältnis der Übertragungszyklusdauer zur Gesamtrahmendauer ab und kann von 0 bis zur Rahmendauer variieren, d. h. sie ist eine Zufallsvariable. Befindet sich das übertragene Informationspaket am Eingang des Senders, während sich das Modem im Übertragungszyklus befindet, wird das Paket ohne Verzögerung Typ 3 über die Luft übertragen. Wenn das Paket etwas verspätet ist und der Empfangszyklus bereits begonnen hat, dann Es wird für die Dauer des Empfangszyklus im Senderpuffer verzögert. Typische TDD-Rahmenlängen liegen zwischen 2 und 20 ms, sodass die Verzögerung vom Typ 3 im ungünstigsten Fall 20 ms nicht überschreitet. Somit liegt die Gesamtverzögerung der Funkverbindung im Bereich von 3–21 ms.
Der beste Weg, die Verzögerung in einer Funkverbindung herauszufinden, ist ein umfassendes Experiment, bei dem Versorgungsunternehmen zur Bewertung der Netzwerkeigenschaften eingesetzt werden. Es wird nicht empfohlen, die Verzögerung mithilfe der Anforderungs-Antwort-Methode zu messen, da die Verzögerung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bei TDD-Modems möglicherweise nicht gleich ist.
Gewichts- und Abmessungenparameter
Die Auswahl einer On-Board-Modemeinheit nach diesem Kriterium bedarf keiner besonderen Bemerkungen: Je kleiner und leichter, desto besser. Vergessen Sie auch nicht die Notwendigkeit, das Bordgerät zu kühlen, da möglicherweise zusätzliche Kühler erforderlich sind und sich dementsprechend auch Gewicht und Abmessungen erhöhen können. Dabei sollten leichte, kleine Geräte mit geringem Stromverbrauch bevorzugt werden.
Für eine bodengestützte Einheit sind die massendimensionalen Parameter nicht so kritisch. Benutzerfreundlichkeit und Installation stehen im Vordergrund. Die Bodeneinheit sollte ein Gerät sein, das zuverlässig vor äußeren Einflüssen geschützt ist und über ein praktisches Montagesystem an einem Mast oder Stativ verfügt. Eine gute Option ist, wenn die Bodeneinheit im selben Gehäuse wie die Antenne integriert ist. Idealerweise sollte die Bodeneinheit über einen praktischen Anschluss mit dem Steuerungssystem verbunden werden. Dies erspart Ihnen scharfe Worte, wenn Sie Einsatzarbeiten bei einer Temperatur von −20 Grad durchführen müssen.
Ernährungsanforderungen
Bordgeräte werden in der Regel mit Unterstützung für einen breiten Versorgungsspannungsbereich hergestellt, beispielsweise 7–30 V, was die meisten Spannungsoptionen im UAV-Stromnetz abdeckt. Wenn Sie die Möglichkeit haben, zwischen mehreren Versorgungsspannungen zu wählen, dann geben Sie dem niedrigsten Wert der Versorgungsspannung den Vorzug. Modems werden in der Regel intern über sekundäre Netzteile mit Spannungen von 3.3 und 5.0 V versorgt. Der Wirkungsgrad dieser sekundären Netzteile ist umso höher, je kleiner die Differenz zwischen Eingangs- und interner Spannung des Modems ist. Erhöhte Effizienz bedeutet geringeren Energieverbrauch und geringere Wärmeerzeugung.
Bodengeräte hingegen müssen Strom aus einer relativ hohen Spannungsquelle unterstützen. Dies ermöglicht die Verwendung eines Stromkabels mit kleinem Querschnitt, was das Gewicht reduziert und die Installation vereinfacht. Wenn alle anderen Bedingungen gleich sind, bevorzugen Sie bodengestützte Geräte mit PoE-Unterstützung (Power over Ethernet). In diesem Fall ist nur ein Ethernet-Kabel erforderlich, um die Bodeneinheit mit der Kontrollstation zu verbinden.
Separater Steuer-/Telemetriekanal
Eine wichtige Funktion in Fällen, in denen auf dem UAV kein Platz mehr für die Installation eines separaten Befehlstelemetriemodems vorhanden ist. Wenn Platz vorhanden ist, kann ein separater Steuer-/Telemetriekanal des Breitbandmodems als Backup verwendet werden. Achten Sie bei der Auswahl eines Modems mit dieser Option darauf, dass das Modem das gewünschte Protokoll für die Kommunikation mit dem UAV (MAVLink oder proprietär) und die Fähigkeit unterstützt, Steuerkanal-/Telemetriedaten in eine praktische Schnittstelle an der Bodenstation (GS) zu multiplexen ). Beispielsweise ist die On-Board-Einheit eines Breitbandmodems über eine Schnittstelle wie RS232, UART oder CAN mit dem Autopiloten verbunden, und die Bodeneinheit ist über eine Ethernet-Schnittstelle mit dem Steuercomputer verbunden, über die ein Befehlsaustausch erforderlich ist , Telemetrie und Videoinformationen. In diesem Fall muss das Modem in der Lage sein, den Befehls- und Telemetriestrom zwischen den RS232-, UART- oder CAN-Schnittstellen der On-Board-Unit und der Ethernet-Schnittstelle der Bodeneinheit zu multiplexen.
Weitere Parameter, auf die Sie achten sollten
Verfügbarkeit des Duplexmodus. Breitbandmodems für UAVs unterstützen entweder Simplex- oder Duplex-Betriebsmodi. Im Simplex-Modus ist die Datenübertragung nur in Richtung vom UAV zum NS und im Duplex-Modus in beide Richtungen zulässig. Simplex-Modems verfügen in der Regel über einen integrierten Video-Codec und sind für den Betrieb mit Videokameras ohne Video-Codec ausgelegt. Ein Simplex-Modem eignet sich nicht für den Anschluss an eine IP-Kamera oder andere Geräte, die eine IP-Verbindung benötigen. Im Gegenteil, ein Duplex-Modem ist in der Regel dafür ausgelegt, das Bord-IP-Netzwerk des UAV mit dem IP-Netzwerk des NS zu verbinden, d. h. es unterstützt IP-Kameras und andere IP-Geräte, verfügt jedoch möglicherweise nicht über ein eingebautes im Video-Codec, da IP-Videokameras normalerweise über Ihren Video-Codec verfügen. Die Unterstützung der Ethernet-Schnittstelle ist nur in Vollduplex-Modems möglich.
Diversity-Empfang (RX Diversity). Das Vorhandensein dieser Fähigkeit ist zwingend erforderlich, um eine kontinuierliche Kommunikation über die gesamte Flugstrecke sicherzustellen. Bei der Ausbreitung über die Erdoberfläche erreichen Radiowellen den Empfangspunkt in zwei Strahlen: auf direktem Weg und mit Reflexion von der Oberfläche. Erfolgt die Addition der Wellen zweier Strahlen gleichphasig, wird das Feld am Empfangspunkt verstärkt, bei Gegenphase wird es abgeschwächt. Die Schwächung kann durchaus erheblich sein – bis hin zum völligen Kommunikationsverlust. Das Vorhandensein von zwei Antennen auf dem NS, die sich in unterschiedlichen Höhen befinden, hilft, dieses Problem zu lösen, denn wenn am Standort einer Antenne die Strahlen gegenphasig hinzugefügt werden, ist dies am Standort der anderen nicht der Fall. Dadurch erreichen Sie über die gesamte Distanz eine stabile Verbindung.
Unterstützte Netzwerktopologien. Es empfiehlt sich, ein Modem zu wählen, das nicht nur Punkt-zu-Punkt-Topologien (PTP), sondern auch Punkt-zu-Multipunkt-Topologien (PMP) und Relais-Topologien (Repeater) unterstützt. Durch die Verwendung von Relais über ein zusätzliches UAV können Sie den Abdeckungsbereich des Haupt-UAV erheblich erweitern. Mit der PMP-Unterstützung können Sie gleichzeitig Informationen von mehreren UAVs auf einem NS empfangen. Bitte beachten Sie auch, dass die Unterstützung von PMP und Relay im Vergleich zur Kommunikation mit einem einzelnen UAV eine Erhöhung der Modembandbreite erfordert. Daher wird für diese Modi empfohlen, ein Modem zu wählen, das ein breites Frequenzband (mindestens 15-20 MHz) unterstützt.
Verfügbarkeit von Mitteln zur Erhöhung der Störfestigkeit. Eine nützliche Option angesichts der starken Interferenzumgebung in Bereichen, in denen UAVs eingesetzt werden. Unter Störfestigkeit versteht man die Fähigkeit eines Kommunikationssystems, seine Funktion auch bei Störungen künstlichen oder natürlichen Ursprungs im Kommunikationskanal zu erfüllen. Es gibt zwei Ansätze zur Bekämpfung von Störungen. Ansatz 1: Entwerfen Sie den Modemempfänger so, dass er Informationen auch bei Störungen im Kommunikationskanalband zuverlässig empfangen kann, allerdings auf Kosten einer gewissen Reduzierung der Informationsübertragungsgeschwindigkeit. Ansatz 2: Störungen am Empfängereingang unterdrücken oder dämpfen. Beispiele für die Umsetzung des ersten Ansatzes sind Spektrumspreizsysteme, nämlich: Frequency Hopping (FH), Pseudo-Random Sequence Spread Spectrum (DSSS) oder eine Mischung aus beiden. Aufgrund der geringen erforderlichen Datenübertragungsrate in einem solchen Kommunikationskanal hat sich die FH-Technologie in UAV-Steuerungskanälen weit verbreitet. Beispielsweise können bei einer Geschwindigkeit von 16 kbit/s im 20-MHz-Band etwa 500 Frequenzpositionen organisiert werden, was einen zuverlässigen Schutz vor schmalbandigen Störungen ermöglicht. Der Einsatz von FH für einen breitbandigen Kommunikationskanal ist problematisch, da das resultierende Frequenzband zu groß ist. Um beispielsweise 500 Frequenzpositionen zu erhalten, wenn Sie mit einem Signal mit einer Bandbreite von 4 MHz arbeiten, benötigen Sie 2 GHz freie Bandbreite! Zu viel, um wahr zu sein. Relevanter ist der Einsatz von DSSS für einen Breitband-Kommunikationskanal mit UAVs. Bei dieser Technologie wird jedes Informationsbit gleichzeitig auf mehreren (oder sogar allen) Frequenzen im Signalband dupliziert und kann bei Vorliegen schmalbandiger Störungen von Teilen des Spektrums getrennt werden, die nicht von Störungen betroffen sind. Die Verwendung von DSSS sowie FH bedeutet, dass bei Auftreten von Störungen im Kanal eine Reduzierung der Datenübertragungsrate erforderlich ist. Dennoch ist es offensichtlich, dass es besser ist, Videos von einem UAV in einer niedrigeren Auflösung zu empfangen, als gar nichts. Ansatz 2 nutzt die Tatsache, dass Störungen, anders als das interne Rauschen des Empfängers, von außen in die Funkverbindung gelangen und, wenn bestimmte Mittel im Modem vorhanden sind, unterdrückt werden können. Eine Unterdrückung von Störungen ist möglich, wenn diese im spektralen, zeitlichen oder räumlichen Bereich lokalisiert sind. Beispielsweise werden schmalbandige Störungen im Spektralbereich lokalisiert und können mit einem speziellen Filter aus dem Spektrum „herausgeschnitten“ werden. Ebenso wird gepulstes Rauschen im Zeitbereich lokalisiert; um es zu unterdrücken, wird der betroffene Bereich aus dem Eingangssignal des Empfängers entfernt. Wenn die Störung nicht schmalbandig oder gepulst ist, kann zur Unterdrückung ein räumlicher Suppressor eingesetzt werden Störungen dringen von einer Quelle aus einer bestimmten Richtung in die Empfangsantenne ein. Wenn der Nullpunkt des Strahlungsdiagramms der Empfangsantenne in Richtung der Störquelle liegt, werden die Störungen unterdrückt. Solche Systeme werden adaptive Beamforming- und Beam-Nulling-Systeme genannt.
Verwendetes Funkprotokoll. Modemhersteller können ein Standard- (WiFi, DVB-T) oder proprietäres Funkprotokoll verwenden. Dieser Parameter wird in Spezifikationen selten angegeben. Auf die Nutzung von DVB-T wird indirekt durch die unterstützten Frequenzbänder 2/4/6/7/8, teilweise 10 MHz und die Erwähnung der Spezifikation der COFDM-Technologie (codiertes OFDM) im Text hingewiesen, in der OFDM in Verbindung verwendet wird mit störsicherer Kodierung. Nebenbei stellen wir fest, dass COFDM ein reiner Werbeslogan ist und keine Vorteile gegenüber OFDM hat, da OFDM ohne rauschresistente Codierung in der Praxis nie zum Einsatz kommt. Gleichen Sie COFDM und OFDM aus, wenn Sie diese Abkürzungen in den Spezifikationen von Funkmodems sehen.
Modems, die ein Standardprotokoll verwenden, basieren normalerweise auf einem speziellen Chip (WiFi, DVB-T), der in Verbindung mit einem Mikroprozessor arbeitet. Die Verwendung eines benutzerdefinierten Chips erspart dem Modemhersteller viele Probleme, die mit dem Entwerfen, Modellieren, Implementieren und Testen seines eigenen Funkprotokolls verbunden sind. Der Mikroprozessor wird verwendet, um dem Modem die erforderliche Funktionalität zu verleihen. Solche Modems haben die folgenden Vorteile.
- Niedriger Preis.
- Gute Gewichts- und Größenparameter.
- Energieeffizient.
Es gibt auch Nachteile.
- Die Eigenschaften der Funkschnittstelle können durch Ändern der Firmware nicht geändert werden.
- Langfristig geringe Versorgungsstabilität.
- Begrenzte Möglichkeiten zur Bereitstellung qualifizierter technischer Unterstützung bei der Lösung nicht standardmäßiger Probleme.
Die geringe Versorgungsstabilität ist darauf zurückzuführen, dass sich die Chiphersteller vor allem auf Massenmärkte (Fernseher, Computer etc.) konzentrieren. Hersteller von Modems für UAVs haben für sie keine Priorität und sie können in keiner Weise Einfluss auf die Entscheidung des Chipherstellers nehmen, die Produktion ohne einen angemessenen Ersatz durch ein anderes Produkt einzustellen. Dieses Merkmal wird durch den Trend verstärkt, Funkschnittstellen in spezielle Mikroschaltungen wie „System on Chip“ (System on Chip – SoC) zu packen, weshalb einzelne Funkschnittstellenchips nach und nach vom Halbleitermarkt verdrängt werden.
Die begrenzten Möglichkeiten zur Bereitstellung technischer Unterstützung sind darauf zurückzuführen, dass die Entwicklungsteams von Modems, die auf dem Standardfunkprotokoll basieren, gut mit Spezialisten besetzt sind, vor allem in den Bereichen Elektronik und Mikrowellentechnologie. Möglicherweise gibt es dort überhaupt keine Funkkommunikationsspezialisten, da es für sie keine zu lösenden Probleme gibt. Daher könnten UAV-Hersteller, die nach Lösungen für nicht triviale Funkkommunikationsprobleme suchen, in Bezug auf Beratung und technische Unterstützung enttäuscht sein.
Modems, die ein proprietäres Funkprotokoll verwenden, basieren auf universellen analogen und digitalen Signalverarbeitungschips. Die Lieferstabilität solcher Chips ist sehr hoch. Stimmt, der Preis ist auch hoch. Solche Modems haben die folgenden Vorteile.
- Umfangreiche Möglichkeiten zur Anpassung des Modems an die Bedürfnisse des Kunden, einschließlich der Anpassung der Funkschnittstelle durch Änderung der Firmware.
- Zusätzliche Funkschnittstellenfunktionen, die für den Einsatz in UAVs interessant sind und in Modems, die auf Standardfunkprotokollen basieren, fehlen.
- Hohe Versorgungsstabilität, inkl. auf lange Sicht.
- Hohes Maß an technischem Support, einschließlich der Lösung nicht standardmäßiger Probleme.
Nachteile.
- Hoher Preis
- Die Gewichts- und Größenparameter können schlechter sein als bei Modems, die Standard-Funkprotokolle verwenden.
- Erhöhter Stromverbrauch der digitalen Signalverarbeitungseinheit.
Technische Daten einiger Modems für UAVs
Die Tabelle zeigt die technischen Parameter einiger auf dem Markt erhältlicher Modems für UAVs.
Beachten Sie, dass das 3D Link-Modem zwar im Vergleich zu den Picoradio OEM- und J11-Modems die niedrigste Sendeleistung aufweist (25 dBm gegenüber 27–30 dBm), das 3D Link-Leistungsbudget jedoch aufgrund der hohen Empfängerempfindlichkeit höher ist als bei diesen Modems (mit gleiche Datenübertragungsgeschwindigkeit für die verglichenen Modems). Dadurch wird die Kommunikationsreichweite bei Verwendung von 3D Link größer und die Energie-Stealth-Funktion verbessert.
Tisch. Technische Daten einiger Breitbandmodems für UAVs und Robotik
Parameter
(wird am Modul durchgeführt von Microhard)
(siehe auch )
Hersteller, Land
Geoscan, RF
Mobilicom, Israel
Airborne Innovations, Kanada
DTC, Großbritannien
Redess, China
Kommunikationsreichweite [km] 20–60
5
n / A*
n / A*
10-20
Geschwindigkeit [Mbit/s] 0.023−64.9
1.6-6
0.78-28
0.144-31.668
1.5-6
Datenübertragungsverzögerung [ms] 1−20
25
n / A*
15-100
15-30
Maße der Bordeinheit LxBxH [mm] 77x45x25
74h54h26
40x40x10 (ohne Gehäuse)
67h68h22
76h48h20
Gewicht der Bordeinheit [Gramm] 89
105
17.6 (ohne Gehäuse)
135
88
Informationsschnittstellen
Ethernet, RS232, CAN, USB
Ethernet, RS232, USB (optional)
Ethernet, RS232/UART
HDMI, AV, RS232, USB
HDMI, Ethernet, UART
Stromversorgung Bordgerät [Volt/Watt] 7−30/6.7
7–26/n/a*
5–58/4.8
5.9–17.8/4.5–7
7–18/8
Stromversorgung der Bodeneinheit [Volt/Watt] 18−75 oder PoE/7
7–26/n/a*
5–58/4.8
6–16/8
7–18/5
Sendeleistung [dBm] 25
n / A*
27-30
20
30
Empfängerempfindlichkeit [dBm] (für Geschwindigkeit [Mbit/s])
−122(0.023) −101(4.06) −95.1(12.18) −78.6(64.96)
−101(n/a*)
−101(0.78) −96(3.00) −76(28.0)
−95(n/a*) −104(n/a*)
−97(1.5) −94(3.0) −90(6.0)
Modem-Energiebudget [dB] (für Geschwindigkeit [Mbit/s])
147(0.023) 126(4.06) 120.1(12.18) 103.6(64.96)
n / A*
131(0.78) 126(3.00) 103(28.0)
n / A*
127 (1.5) 124 (3.0) 120 (6.0)
Unterstützte Frequenzbänder [MHz] 4–20
4.5; 8.5
2; 4; 8
0.625; 1.25; 2.5; 6; 7; 8
2; 4; 8
Simplex/Duplex
Duplex
Duplex
Duplex
Simplex
Duplex
Diversity-Unterstützung
ja
ja
ja
ja
ja
Separater Kanal für Steuerung/Telemetrie
ja
ja
ja
Nein
ja
Unterstützte UAV-Steuerungsprotokolle im Steuerungs-/Telemetriekanal
MAVLink, proprietär
MAVLink, proprietär
Nein
Nein
MAV-Link
Multiplexing-Unterstützung im Steuerungs-/Telemetriekanal
ja
ja
Nein
Nein
n / A*
Netzwerktopologien
PTP, PMP, Relais
PTP, PMP, Relais
PTP, PMP, Relais
PTP
PTP, PMP, Relais
Mittel zur Erhöhung der Störfestigkeit
DSSS, Schmalband- und Impulsunterdrücker
n / A*
n / A*
n / A*
n / A*
Funkprotokoll
proprietär
n / A*
n / A*
DVB-T
n / A*
* n/a – keine Daten.
Über den Autor
Alexander Smorodinov [[E-Mail geschützt] ] ist ein führender Spezialist bei Geoscan LLC im Bereich der drahtlosen Kommunikation. Von 2011 bis heute entwickelt er Funkprotokolle und Signalverarbeitungsalgorithmen für Breitbandfunkmodems für verschiedene Zwecke und implementiert die entwickelten Algorithmen auf Basis programmierbarer Logikchips. Zu den Interessengebieten des Autors gehören die Entwicklung von Synchronisationsalgorithmen, die Schätzung von Kanaleigenschaften, Modulation/Demodulation, rauschresistente Codierung sowie einige MAC-Algorithmen (Media Access Layer). Bevor er zu Geoscan kam, arbeitete der Autor in verschiedenen Organisationen und entwickelte maßgeschneiderte drahtlose Kommunikationsgeräte. Von 2002 bis 2007 arbeitete er bei Proteus LLC als führender Spezialist in der Entwicklung von Kommunikationssystemen auf Basis des Standards IEEE802.16 (WiMAX). Von 1999 bis 2002 war der Autor an der Entwicklung rauschresistenter Kodierungsalgorithmen und der Modellierung von Funkverbindungsrouten am Zentralen Forschungsinstitut „Granit“ des Bundeslandeseinheitsunternehmens beteiligt. Der Autor erhielt 1998 einen Abschluss als Kandidat der technischen Wissenschaften von der St. Petersburger Universität für Luft- und Raumfahrtinstrumentierung und 1995 einen Abschluss als Radioingenieur an derselben Universität. Alexander ist aktuelles Mitglied des IEEE und der IEEE Communications Society.
Source: habr.com