Oppgaven med å øke kommunikasjonsrekkevidden med et ubemannet luftfartøy (UAV) er fortsatt relevant. Denne artikkelen diskuterer metoder for å forbedre denne parameteren. Artikkelen er skrevet for UAV-utviklere og -operatører og er en fortsettelse av en serie artikler om kommunikasjon med UAV-er (for begynnelsen av serien, se
Hva påvirker kommunikasjonsområdet
Kommunikasjonsrekkevidden avhenger av modemet som brukes, antenner, antennekabler, radiobølgeutbredelsesforhold, ekstern interferens og noen andre årsaker. For å bestemme graden av påvirkning av en bestemt parameter på kommunikasjonsområdet, bør du vurdere rekkeviddeligningen
der
— nødvendig kommunikasjonsrekkevidde [metere];
— lysets hastighet i vakuum [m/sek];
— frekvens [Hz];
— modemsendereffekt [dBm];
— senderantenneforsterkning [dBi];
— tap i kabelen fra modemet til senderantennen [dB];
— mottakerantenneforsterkning [dBi];
— tap i kabelen fra modemet til mottakerantennen [dB];
— følsomheten til modemmottakeren [dBm];
— dempningsmultiplikator, som tar hensyn til ytterligere tap på grunn av påvirkningen fra jordoverflaten, vegetasjonen, atmosfæren og andre faktorer [dB].
Fra ligningen kan det sees at området bestemmes av:
- modemet som brukes;
- frekvensen til radiokanalen;
- antenner som brukes;
- tap i kabler;
- påvirkning på utbredelsen av radiobølger fra jordoverflaten, vegetasjon, atmosfære, bygninger mv.
Deretter vurderes parametrene som påvirker området separat.
Modem brukt
Kommunikasjonsrekkevidden avhenger bare av to parametere for modemet: sendereffekt og mottakerfølsomhet , eller rettere sagt, fra deres forskjell - energibudsjettet til modemet
For å øke kommunikasjonsområdet er det nødvendig å velge et modem med stor verdi . Øke i sin tur er det mulig ved å øke eller ved å redusere . Preferanse bør gis til å søke etter modemer med høy følsomhet ( så lavt som mulig), i stedet for å øke sendereffekten . Dette problemet diskuteres i detalj i den første artikkelen.
I tillegg til materialer
Radiokanals frekvens
Fra rekkeviddeligningen
der — antenneåpningseffektivitet, dvs. forholdet mellom det effektive antennearealet og det fysiske (avhengig av antennedesignet)
Av
hvor er koeffisienten er en konstant for faste antennedimensjoner. I denne situasjonen er således kommunikasjonsområdet direkte proporsjonalt med frekvensen, dvs. jo høyere frekvensen er, jo større rekkevidden. Utgang. Med faste dimensjoner på antennene fører økning av frekvensen til radiolinken til en økning i kommunikasjonsrekkevidden ved å forbedre retningsegenskapene til antennene. Man må imidlertid huske på at når frekvensen øker, øker også dempingen av radiobølger i atmosfæren, forårsaket av gasser, regn, hagl, snø, tåke og skyer.
Antenner
Kommunikasjonsområdet bestemmes av en slik antenneparameter som forsterkningen (gevinst i engelsk terminologi), målt i dBi. Forsterkning er en viktig sammensatt parameter fordi den tar hensyn til: (1) antennens evne til å fokusere energien til senderen mot mottakeren sammenlignet med en isotrop emitter (isotropisk, derav indeksen i i dBi); (2) tap i selve antennen [
Kabler
For å maksimere kommunikasjonsrekkevidden må du bruke kabler med lavest mulig lineær demping (kabeldempning eller kabeltap) på jobber frekvensen til NS-UAV-radiolinken. Den lineære dempningen i en kabel er definert som forholdet mellom signalet ved utgangen av et 1 m kabelsegment (i det metriske systemet) og signalet ved inngangen til et kabelsegment, uttrykt i dB. Kabeltap inkludert i rekkeviddeligningen
Påvirkning av jordoverflaten
I dette avsnittet skal vi se på forplantningen av radiobølger over en slette eller havoverflate. Denne situasjonen oppstår ofte i praksisen med å bruke UAV-er. UAV-overvåking av rørledninger, kraftledninger, landbruksavlinger, mange militære og spesielle operasjoner - alt dette er godt beskrevet av denne modellen. Menneskelig erfaring maler oss et bilde der kommunikasjon mellom objekter er mulig hvis de er i feltet med direkte optisk synlighet av hverandre, ellers er kommunikasjon umulig. Radiobølger hører imidlertid ikke til det optiske området, så situasjonen med dem er noe annerledes. I denne forbindelse er det nyttig for UAV-utvikleren og -operatøren å huske følgende to fakta.
1. Kommunikasjon i radiorekkevidden er mulig selv i fravær av direkte synlighet mellom NS og UAV.
2. Påvirkningen fra den underliggende overflaten på kommunikasjonen med UAV vil merkes selv når det ikke er noen objekter på den optiske NS-UAV-linjen.
For å forstå spesifikasjonene til radiobølgeutbredelse nær jordoverflaten, er det nyttig å gjøre deg kjent med konseptet med et betydelig område med radiobølgeutbredelse
Ris. 1. Betydelig område med radiobølgeutbredelse
Radiusen til ellipsoiden i dens "tykkeste" del bestemmes av uttrykket
Av
La oss nå vurdere det ugjennomsiktige objektet avbildet av den grå trekanten i fig. 1. Det vil påvirke forplantningen av radiobølger med en frekvens , fordi den ligger i en betydelig forplantningssone og vil praktisk talt ikke ha noen effekt på forplantningen av radiobølger med en frekvens . For radiobølger i det optiske området (lys), verdien er liten, så påvirkningen av jordoverflaten på lysets utbredelse merkes ikke i praksis. Med tanke på at jordens overflate er en kule, er det lett å forstå det med økende avstand , vil den underliggende overflaten i økende grad bevege seg inn i den betydelige forplantningssonen, og dermed blokkere strømmen av energi fra punkt A til punkt B - slutten av historien, kommunikasjonen med UAV blir avbrutt. Andre objekter på traseen, som ujevnt terreng, bygninger, skog etc., vil tilsvarende påvirke kommunikasjonen.
La oss nå se på fig. 2 der et ugjennomsiktig objekt fullstendig dekker et betydelig område for forplantning av en radiobølge med en frekvens , noe som gjør kommunikasjon på denne frekvensen umulig. Samtidig kommunikasjon på frekvensen er også mulig fordi en del av energien "hopper" over den ugjennomsiktige gjenstanden. Jo lavere frekvensen er, jo lenger utenfor den optiske horisonten kan radiobølgen forplante seg, og opprettholde stabil kommunikasjon med UAV.
Ris. 2. Dekker et betydelig område med radiobølgeutbredelse
Graden av påvirkning av jordoverflaten på kommunikasjon avhenger også av høyden på antennene и . Jo større høyden på antennene er, desto større avstand kan punktene A og B flyttes fra hverandre uten å la gjenstander eller den underliggende overflaten falle inn i et betydelig område.
Når objektet eller den underliggende overflaten beveger seg inn i et betydelig område, vil feltstyrken ved punkt B svinge
Formler for beregning av dempningsfaktoren Når radiobølger forplanter seg over jordens glatte overflate, er de ganske komplekse, spesielt for avstander , overskrider området til den optiske horisonten
1. Monteringshøyde på NS-antenne: 5 m.
2. UAV flyhøyde: 1000 m.
3. Radiolinkfrekvens: 2.45 GHz.
4. NS-antenneforsterkning: 17 dB.
5. UAV-antenneforsterkning: 3 dB.
6. Sendereffekt: +25 dBm (300 mW).
7. Videokanalhastighet: 4 Mbit/sek.
8. Mottakerfølsomhet i videokanalen: −100.4 dBm (for frekvensbåndet okkupert av et 12 MHz-signal).
9. Underlag: tørr jord.
10. Polarisering: vertikal.
Sikkerhetsavstanden for disse første dataene vil være 128.8 km. Beregningsresultatene i form av signaleffekt ved inngangen til modemmottakeren i dBm er presentert i fig. 3.
Ris. 3. Signalstyrke ved inngangen til 3D Link-modemmottakeren
Den blå kurven i fig. 3 er signaleffekten ved inngangen til NS-mottakeren, den røde rette linjen indikerer følsomheten til denne mottakeren. X-aksen viser rekkevidden i km, og Y-aksen viser kraften i dBm. På de avstandspunktene der den blå kurven ligger over den røde, er direkte videomottak fra UAV mulig, ellers vil det ikke være noen kommunikasjon. Grafen viser at på grunn av svingninger vil kommunikasjonstap oppstå i området 35.5–35.9 km og videre i området 55.3–58.6 km. I dette tilfellet vil den endelige frakoblingen skje mye lenger - etter 110.8 km flytur.
Som nevnt ovenfor oppstår fall i feltstyrke på grunn av tillegg i antifase ved plasseringen av NS-antennen til det direkte signalet og signalet som reflekteres fra jordoverflaten. Du kan bli kvitt kommunikasjonstapet på NS på grunn av feil ved å oppfylle 2 betingelser.
1. Bruk et modem på NS med minst to mottakskanaler (RX diversity), for eksempel 3D Link
2. Plasser mottaksantennene på NS-masten på annerledes høyde.
Avstanden mellom høydene til mottakerantennene må gjøres slik at fall i feltstyrken ved plasseringen av den ene antennen kompenseres med nivåer høyere enn mottakerens følsomhet ved plasseringen av den andre antennen. I fig. Figur 4 viser resultatet av denne tilnærmingen for tilfellet hvor den ene NS-antennen er plassert i en høyde på 5 m (blå helkurve), og den andre i en høyde på 4 m (blå stiplet kurve).
Ris. 4. Signaleffekt ved inngangene til to 3D Link-modemmottakere fra antenner plassert i forskjellige høyder
Fra fig. Figur 4 viser tydelig fruktbarheten til denne metoden. Faktisk, gjennom hele flyavstanden til UAV, opp til en rekkevidde på 110.8 km, overskrider signalet ved inngangen til minst én NS-mottaker følsomhetsnivået, det vil si at videoen fra brettet ikke vil bli avbrutt gjennom hele flyturen avstand.
Den foreslåtte metoden bidrar imidlertid til å øke påliteligheten til kun UAV→NS-radiolinken, siden muligheten til å installere antenner i forskjellige høyder kun er tilgjengelig på NS. Det er ikke mulig å sikre en høydeseparasjon av antenner på 1 m på en UAV. For å øke påliteligheten til NS→UAV-radiolinken, kan følgende tilnærminger brukes.
1. Mat NS-sendersignalet til antennen som mottar et kraftigere signal fra UAV.
2. Bruk rom-tid-koder, for eksempel Alamouti-koden
3. Bruk antennestråleformende teknologi med muligheten til å kontrollere signaleffekten som sendes til hver antenne.
Den første metoden er nær optimal i problemet med kommunikasjon med en UAV. Det er enkelt og i den blir all senderenergi rettet i riktig retning - til en optimalt plassert antenne. For eksempel, ved en rekkevidde på 50 km (se fig. 4), mates sendersignalet til en antenne som er suspendert på 5 meter, og med en rekkevidde på 60 km - til en antenne som er suspendert på 4 meter. Dette er metoden som brukes i 3D Link-modemet
La oss videre vurdere spørsmålet om påvirkning av radiobølgefrekvens på kommunikasjonsrekkevidden med UAV, under hensyntagen til påvirkningen fra den underliggende overflaten. Det ble vist ovenfor at det er fordelaktig å øke frekvensen, fordi med faste dimensjoner på antennene fører dette til en økning i kommunikasjonsområdet. Men spørsmålet om avhengighet frekvens ble ikke vurdert. Fra
For 2450 MHz; Vi får 915 MHz 7.2 (8.5 dB). Dette er omtrent det som skjer i praksis. La oss sammenligne for eksempel parametrene til følgende antenner fra Wireless Instruments:
- WiBOX PA 0809-8V [13] (frekvens: 0.83–0.96 GHz; strålebredde: 70°/70°; forsterkning: 8 dBi);
- WiBOX PA 24-15 [14] (frekvens: 2.3–2.5 GHz; strålebredde: 30°/30°; forsterkning: 15 dBi).
Det er praktisk å sammenligne disse antennene, fordi de er laget i de samme 27x27 cm husene, det vil si at de har samme areal. Merk at antenneforsterkningen avviker med 15−8=7 dB, som er nær den beregnede verdien på 8.5 dB. Fra egenskapene til antennene er det også klart at bredden på antennemønsteret for området 2.3–2.5 GHz (30°/30°) er mer enn dobbelt så smal som bredden på antennemønsteret for området 0.83–0.96 GHz (70°/70°), det vil si at forsterkningen til antenner med samme dimensjoner øker faktisk på grunn av forbedringen av retningsegenskapene. Tatt i betraktning det faktum at 2 antenner brukes i kommunikasjonslinjen, forholdet vil være 2∙8.5=17 dB. Dermed, med de samme antennedimensjonene, energibudsjettet til en radiolink med en frekvens 2450 MHz vil være 17 dB mer enn linjebudsjettet med frekvens 915 MHz. I beregningen tar vi også hensyn til at UAV-er som regel bruker piskeantenner der dimensjonene ikke er like kritiske som for de betraktede NS-panelantennene. Derfor aksepterer vi UAV-antenneforsterkningene for frekvenser и lik. De. forskjellen i energibudsjettene til linjene vil være 8.5 dB, ikke 17 dB. Resultatene av beregningen utført for disse innledende dataene og 5 m høyden til NS-antennen er vist i fig. 5.
Ris. 5. Signaleffekt ved mottakerinngangen for radiolinker som opererer på frekvensene 915 og 2450 MHz
Fra fig. 5 viser tydelig at kommunikasjonsrekkevidden med en økning i driftsfrekvensen og samme område av NS-antennen øker fra 96.3 km for en radioforbindelse med en frekvens på 915 MHz til 110.8 km for en forbindelse med en frekvens på 2450 MHz . Linjen på 915 MHz har imidlertid en lavere oscillasjonsfrekvens. Færre oscillasjoner betyr færre fall i feltstyrke, dvs. mindre sannsynlighet for å avbryte kommunikasjonen med UAV over hele flydistansen. Kanskje er det dette faktum som bestemmer populariteten til sub-gigahertz radiobølgeområdet for kommando- og telemetrikommunikasjonslinjer med UAV-er som de mest pålitelige. På samme tid, når du utfører settet med handlinger beskrevet ovenfor for å beskytte mot feltstyrkesvingninger, gir radiolinker i gigahertz-området et større kommunikasjonsrekkevidde ved å forbedre retningsegenskapene til antenner.
Fra betraktning av fig. 5 kan vi også konkludere med at i skyggesonen (etter 128.8 km-merket) er det fornuftig å senke driftsfrekvensen til kommunikasjonslinjen. Faktisk, ved et punkt på omtrent −120 dBm, kurver effektkurvene for frekvenser и krysse. De. Ved bruk av mottakere med en følsomhet bedre enn −120 dBm vil en radiolink med en frekvens på 915 MHz gi lengre kommunikasjonsrekkevidde. I dette tilfellet må imidlertid den nødvendige koblingsbåndbredden tas i betraktning, siden for en så høy sensitivitetsverdi vil informasjonshastigheten være svært lav. For eksempel 3D Link-modem
Når du velger en radiolinkfrekvens, må du også ta hensyn til dempningen av signalet når det forplanter seg gjennom jordens atmosfære. For NS-UAV kommunikasjonsforbindelser er dempning i atmosfæren forårsaket av gasser, regn, hagl, snø, tåke og skyer
Tabell 1. Lineær dempning av radiobølger [dB/km] i regn med ulik intensitet avhengig av frekvens
Frekvens [GHz]
3 mm/time (svak)
12 mm/time (moderat)
30 mm/time (sterk)
70 mm/time (regn)
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
Fra bordet 1 følger det at for eksempel ved en frekvens på 3 GHz vil dempningen i en dusj være ca. 0.0087 dB/km, som på en 100 km bane vil gi 0.87 dB total demping. Ettersom driftsfrekvensen til radioforbindelsen øker, øker dempingen i regn kraftig. For en frekvens på 4 GHz vil dempningen i en dusj på samme bane allerede være 9.1 dB, og ved frekvenser på 5 og 6 GHz - henholdsvis 28 og 57 dB. I dette tilfellet antas det imidlertid at det kommer regn med en gitt intensitet langs hele ruten, noe som sjelden skjer i praksis. Men når du bruker UAV-er i områder der det ofte regner med høy intensitet, anbefales det å velge en driftsfrekvens for radiolinken under 3 GHz.
Litteratur
Kilde: www.habr.com