Jak zwiększyć zasięg komunikacji z bezzałogowym statkiem powietrznym (BSP)

Zadanie zwiększenia zasięgu komunikacji z bezzałogowym statkiem powietrznym (BSP) wciąż jest aktualne. W artykule omówione zostaną metody poprawy tego parametru. Artykuł jest skierowany do deweloperów i użytkowników BSP i stanowi kontynuację cyklu artykułów dotyczących komunikacji z BSP (początek cyklu można znaleźć w [1].

Co wpływa na zasięg komunikacji

Zasięg komunikacji zależy od używanego modemu, anten, kabli antenowych, warunków propagacji fal radiowych, zakłóceń zewnętrznych i kilku innych przyczyn. Aby określić stopień wpływu poszczególnych parametrów na zasięg komunikacji, rozważmy równanie zasięgu [2]
(1)

gdzie
— szukany zasięg komunikacji [metry];
— prędkość światła w próżni [m/s];
— częstotliwość [Hz];
— moc nadajnika modemu [dBm];
— wzmocnienie anteny nadajnika [dBi];
— straty w kablu od modemu do anteny nadajnika [dB];
— wzmocnienie anteny odbiornika [dBi];
— straty w kablu od modemu do anteny odbiornika [dB];
— czułość odbiornika modemu [dBm];
— współczynnik osłabienia, uwzględniający dodatkowe straty spowodowane wpływem powierzchni Ziemi, roślinności, atmosfery i innych czynników [dB].

Z równania wynika, że zasięg określany jest przez:

• używany modem;
• częstotliwość kanału radiowego;
• zastosowane anteny;
• straty w kablach;
• wpływ powierzchni Ziemi, roślinności, atmosfery, budynków itp. na propagację fal radiowych.

Następnie parametry wpływające na zasięg będą omawiane osobno.

Używany modem

Zasięg komunikacji zależy tylko od dwóch parametrów modemu: mocy nadajnika i czułości odbiornika , a właściwie od ich różnicy — budżetu energetycznego modemu
(2)

Aby zwiększyć zasięg komunikacji, należy wybrać modem o większej wartości . Można zwiększyć z kolei poprzez zwiększenie lub poprzez zmniejszenie . Należy preferować poszukiwanie modemów o wysokiej czułości ( jak najniższej), a nie zwiększania mocy nadajnika . Kwestia ta została szczegółowo omówiona w pierwszym artykule [1].

W uzupełnieniu do materiałów [1] warto mieć na uwadze, że niektórzy producenci, na przykład Microhard [3], określają w specyfikacjach niektórych urządzeń nie średnią, a szczytową moc nadajnika, która jest wielokrotnie większa od średniej i której nie można używać do obliczania zasięgu, ponieważ prowadzi to do znacznego przekroczenia rzeczywistej wartości zasięgu. Do takich urządzeń należy na przykład popularny moduł pDDL2450 [4,5]. Fakt ten wynika bezpośrednio z wyników testowania tego urządzenia, przeprowadzonego w celu uzyskania certyfikatu FCC [6] (patrz str. 58). Wyniki testów urządzeń bezprzewodowych, które uzyskały certyfikaty FCC, można znaleźć na stronie FCC ID [7], wpisując w polu wyszukiwania odpowiedni FCC ID, który powinien znajdować się na naklejce z oznaczeniem typu urządzenia. Identyfikator FCC modułu pDDL2450 to: NS916pDDL2450.

Częstotliwość radiokanału

Z równania zasięgu (1) wyraźnie wynika, że im mniejsza częstotliwość robocza , tym większy zasięg komunikacji . Ale nie spieszmy się z wnioskami. Rzecz w tym, że inne parametry wchodzące w skład równania również zależą od częstotliwości. Na przykład współczynniki wzmocnienia anten i zależą od częstotliwości, o ile maksymalne wymiary anten są stałe, co w praktyce występuje. Współczynnik wzmocnienia anteny , wyrażony w jednostkach bezwymiarowych (względnie), można przedstawić jako fizyczną powierzchnię anteny w następujący sposób [8]
(3)

gdzie — efektywność apertury anteny, tzn. stosunek efektywnej powierzchni anteny do powierzchni fizycznej (zależy od konstrukcji anteny) [8].

Z (3) od razu widać, że przy stałej powierzchni anteny współczynnik wzmocnienia rośnie proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości. Podstawmy (3) do (1), uprzednio przepisując (1) z użyciem jednostek bezwymiarowych dla współczynników wzmocnienia anten , , strat w kablach , i współczynnika tłumienia , a także z użyciem watów dla i zamiast dBm. Wtedy
(4)

gdzie współczynnik jest stałą przy stałych wymiarach anteny. W ten sposób w tej sytuacji zasięg komunikacji jest proporcjonalny do częstotliwości, tzn. im wyższa częstotliwość, tym większy zasięg. Wnioski. Przy stałych wymiarach anten zwiększenie częstotliwości radiolinii prowadzi do zwiększenia zasięgu komunikacji dzięki poprawie kierunkowych właściwości anten. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie także tłumienie fal radiowych w atmosferze, spowodowane gazami, deszczem, gradem, śniegiem, mgłą i chmurami. [2]. Wraz z wydłużeniem trasy tłumienie w atmosferze również wzrasta. Z tego powodu dla każdej długości trasy i średnich warunków pogodowych istnieje maksymalna wartość częstotliwości nośnej, ograniczona dopuszczalnym poziomem tłumienia sygnału w atmosferze. Ostateczne rozwiązanie kwestii wpływu częstotliwości kanału radiowego na zasięg komunikacji zostawimy na rozdział, w którym będzie omawiane wpływ powierzchni Ziemi i atmosfery na propagację fal radiowych.

Antenny

Zasięg komunikacji określany jest takim parametrem anteny jak współczynnik wzmocnienia (wzmacnienie w terminologii angielskiej), mierzone w dBi. Współczynnik wzmocnienia jest ważnym parametrem złożonym, ponieważ uwzględnia: (1) zdolność anteny do ogniskowania energii nadajnika w kierunku odbiornika w porównaniu do izotropowego źródła promieniowania (izotropowe, stąd indeks i w dBi); (2) straty w samej antenie [8,9]. Aby zwiększyć zasięg komunikacji, należy wybierać anteny z maksymalnie możliwą wartością współczynnika wzmocnienia spośród tych, które odpowiadają wymaganiom masowo-wymiarowym i możliwościom systemu nawigacji. Zdolność anteny do ogniskowania energii nie jest darmowa, a jedynie za pomocą zwiększenia wymiarów (apertury) anteny. Na przykład, im większa jest antena odbiorcza, tym większą powierzchnię może zebrać energii do podania do wejścia odbiornika, a im większa energia, tym silniejszy jest sygnał odbierany, tzn. zasięg komunikacji wzrasta. W związku z tym najpierw należy określić maksymalne wymiary anten, które są adekwatne do rozwiązywanej problematyki oraz ograniczyć zakres poszukiwań tym parametrem, a następnie prowadzić poszukiwania konkretnego modelu anteny, kierując się maksymalnym współczynnikiem wzmocnienia. Drugim ważnym parametrem anteny dla praktyki jest szerokość diagramu kierunkowości (D.N.) (beamwidth) [8,10], mierzony w kątach. Zazwyczaj szerokość kąta promieniowania (Długość) definiuje się jako kąt między dwoma kierunkami od centrum anteny, przy których wzmocnienie anteny zmniejsza się o 3 dB względem maksimum dla tej anteny. Szerokość Długości w azymucie i kącie elewacji może się znacznie różnić. Parametr ten jest ściśle związany z rozmiarami anteny według zasady: im większa antena, tym mniejsza szerokość Długości. Bezpośrednio nie wchodzi w równanie zasięgu, ale definiuje wymagania dotyczące systemu naprowadzania anteny stacji naziemnej (NS) na BSP, ponieważ w NS zazwyczaj stosuje się anteny silnie kierunkowe, przynajmniej w przypadkach, gdy maksymalizacja zasięgu komunikacji z BSP jest priorytetem. Rzeczywiście, gdy system śledzenia NS zapewnia kątową precyzję naprowadzania anteny na BSP, równą połowie szerokości Długości lub mniejszej, poziom sygnału odbieranego/wysyłanego nie spadnie poniżej 3 dB od maksimum. Połowa szerokości Długości wybranej anteny w żadnych warunkach nie powinna być mniejsza niż kątowa dokładność systemu naprowadzania anteny NS w azymucie lub kącie elewacji.

Kable

Aby maksymalizować zasięg komunikacji, należy użyć kabli o możliwie najmniejszym tłumieniu (cable attenuation lub cable loss) na częstotliwość radiolinii NS – BSP. Tłumienie w kablu definiuje się jako stosunek sygnału na wyjściu odcinka kabla o długości 1 m (w systemie metrycznym) do sygnału na wejściu tego odcinka, wyrażone w dB. Straty w kablach , wchodzące w równanie zasięgu (1), określane są przez pomnożenie tłumienia jednostkowego przez długość kabla. W związku z tym, aby uzyskać maksymalny możliwy zasięg komunikacji, należy stosować kable o minimalnym możliwym tłumieniu i minimalizować długość tych kabli. W NS bloki modemowe powinny być instalowane bezpośrednio na maszcie obok anten. W korpusie BSP modem powinien być umieszczony jak najbliżej anten. Osobno należy kontrolować impedancję wybranego kabla. Parametr ten jest mierzony w omach i zazwyczaj wynosi 50 lub 75 omów. Impedancja kabla, złącza antenowego modemu i złącza na samej antenie powinny być równe.

Wpływ powierzchni Ziemi

W tej sekcji omówimy rozprzestrzenianie się fal radiowych nad powierzchnią równiny lub morza. Taka sytuacja często występuje w praktyce wykorzystania BSP. Monitorowanie rurociągów, linii energetycznych, upraw rolnych, wiele operacji wojskowych i specjalnych — wszystko to można dobrze opisać tą modelą. Ludzkie doświadczenie maluje nam obraz, w którym komunikacja między obiektami jest możliwa, gdy znajdują się one w obrębie bezpośredniej widoczności optycznej, w przeciwnym razie komunikacja staje się niemożliwa. Jednak fale radiowe nie należą do zakresu optycznego, więc ich sytuacja jest nieco inna. W tym kontekście projektantowi i operatorowi BSP przydatne jest zapamiętanie następujących dwóch faktów.

1. Komunikacja w zakresie radiowym jest możliwa nawet przy braku bezpośredniej widoczności między NS a BSP.
2. Wpływ podłoża na komunikację z BSP będzie odczuwalny nawet wtedy, gdy na optycznej linii NS-BSP nie ma żadnych obiektów.

Aby zrozumieć specyfikę rozprzestrzeniania się fal radiowych w pobliżu powierzchni Ziemi, przydatne jest zapoznanie się z koncepcją istotnej strefy rozprzestrzeniania się fal radiowych. [2]W przypadku braku jakichkolwiek obiektów w istotnej strefie rozprzestrzeniania się fal radiowych, obliczenia zasięgu można przeprowadzać za pomocą wzorów dla swobodnej przestrzeni, t. j. do (1) można przyjąć jako równo 0. Jeśli jednak w istotnej strefie znajdują się obiekty, to nie można tak postępować. Na rys. 1 w punkcie A przedstawiony jest punktowy emiter, usytuowany na wysokości nad powierzchnią Ziemi, który emituje energię elektromagnetyczną we wszystkich kierunkach z równą intensywnością. W punkcie B na wysokości znajduje się odbiornik do pomiaru intensywności pola. W tej modelu istotna strefa rozprzestrzeniania się fal radiowych stanowi elipsoida z ogniskami w punktach A i B.

Rys. 1. Istotna strefa rozprzestrzeniania się fal radiowych

Promień elipsoidy w jej "najgrubszej" części określany jest wyrażeniem [2]
(5)

Z (5) widać, że zależy od częstotliwości jest odwrotnie proporcjonalny, im mniejsze , tym "grubsza" elipsoida ( na rys. 1). Ponadto, "grubość" elipsoidy wzrasta wraz ze wzrostem odległości między obiektami komunikacyjnymi. Dla fal radiowych może mieć dość imponującą wartość, tak przy 10 km, 2.45 GHz uzyskamy 50÷60 m.

Rozważmy teraz nieprzezroczysty obiekt, przedstawiony szarym trójkątem na rys. 1. Będzie on wpływać na propagację fal radiowych o częstotliwości , ponieważ znajduje się w istotnej strefie propagacji, i praktycznie nie wpłynie na propagację fal radiowych o częstotliwości . Dla fal radiowych optycznego zakresu (światła) wielkość jest mała, dlatego wpływ powierzchni Ziemi na propagację światła w praktyce nie jest odczuwalny. Biorąc pod uwagę, że powierzchnia Ziemi ma kształt kuli, łatwo zrozumieć, że wraz ze zwiększeniem odległości , powierzchnia podłoża będzie coraz bardziej wchodzić w istotną strefę propagacji, blokując w ten sposób przepływ energii z punktu A do punktu B — koniec historii, łączność z BSP zostaje przerwana. Podobnie na łączność wpłyną inne obiekty na trasie, takie jak nierówności terenu, budynki, las itp.

Rozważmy teraz rys. 2, na którym nieprzezroczysty obiekt całkowicie zasłania istotną strefę propagacji fal radiowych o częstotliwości , uniemożliwiając komunikację na tej częstotliwości. W tym samym czasie komunikacja na częstotliwości jest jeszcze możliwa, ponieważ część energii 'przeskakuje' nad nieprzezroczystym obiektem. Im niższa częstotliwość, tym dalej za optyczny horyzont może rozprzestrzenić się fala radiowa, utrzymując stabilną łączność z BSP.

Rys. 2. Zasłanianie istotnej strefy propagacji fal radiowych

Stopień wpływu powierzchni Ziemi na łączność zależy również od wysokości umiejscowienia anten i . Im wyższe anteny, tym większą odległość można rozciągnąć między punktami A i B, nie pozwalając na wpadanie obiektów ani powierzchni podłoża do istotnej strefy.

W miarę wciągania obiektu lub powierzchni podłoża do istotnej strefy, natężenie pola w punkcie B będzie oscylować. [2], t. e. będzie to na przemian więcej lub mniej od średniej intensywności pola. Dzieje się tak z powodu odbicia energii od obiektu. Odbita energia może sumować się w punkcie B z podstawową energią w fazie — wtedy w intensywności pola występuje wzrost, lub w przeciwfazie — wtedy w intensywności pola występuje spadek (i to dość znaczny). Ważne jest, aby pamiętać o tym efekcie w kontekście zrozumienia specyfiki komunikacji z UAV. Utrata łączności z UAV na określonym zasięgu może być spowodowana lokalnym spadkiem intensywności pola z powodu oscylacji, t. e. jeśli poleci się jeszcze trochę dalej, łączność może się odnowić. Ostateczna utrata łączności nastąpi tylko po całkowitym zakryciu istotnej strefy przez obiekty lub powierzchnię gruntową. W dalszej części zaproponowane zostaną metody radzenia sobie z konsekwencjami oscylacji intensywności pola.

Wzory do obliczania współczynnika tłumienia przy propagacji fal radiowych nad gładką powierzchnią Ziemi są dość skomplikowane, szczególnie dla odległości , przekraczających zasięg optycznej horyzontu [2]. Dlatego w dalszej analizie problemu skorzystamy z modelowania matematycznego za pomocą zestawu programów komputerowych autora. Rozważmy typowe zadanie przesyłania wideo z pokładu UAV na NS za pomocą modemu 3D Link [11] od firmy Geoskan. Dane wyjściowe są następujące.

1. Wysokość zawieszenia anteny NS: 5 m.
2. Wysokość lotu UAV: 1000 m.
3. Częstotliwość radiolinii: 2.45 GHz.
4. Współczynnik wzmocnienia anteny NS: 17 dB.
5. Współczynnik wzmocnienia anteny UAV: 3 dB.
6. Moc nadajnika: +25 dBm (300 mW).
7. Prędkość w kanale wideo: 4 Mbit/s.
8. Czułość odbiornika w kanale wideo: −100.4 dBm (dla pasma częstotliwości zajmowanego przez sygnał 12 MHz).
9. Powierzchnia podłożowa: sucha gleba.
10. Polaryzacja: pionowa.

Zasięg bezpośredniej widoczności optycznej dla tych danych wyjściowych wyniesie 128.8 km. Wyniki obliczeń w postaci mocy sygnału na wejściu odbiornika modemu w dBm przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Moc sygnału na wejściu odbiornika modemu 3D Link [11]

Niebieska krzywa na rys. 3 pokazuje moc sygnału na wejściu odbiornika NS, a czerwona linia oznacza czułość tego odbiornika. Na osi X przedstawiona jest odległość w km, a na osi Y — moc w dBm. W tych punktach odległości, w których niebieska krzywa znajduje się powyżej czerwonej linii, odbiór wideo z pokładu BLA jest możliwy, w przeciwnym razie połączenie nie będzie działać. Z wykresu wynika, że z powodu oscylacji zanik połączenia nastąpi w zakresie odległości 35.5–35.9 km oraz później w zakresie odległości 55.3–58.6 km. Ostateczne przerwanie połączenia nastąpi znacznie dalej — po 110.8 km lotu.

Jak już wspomniano wcześniej, spadki w intensywności pola występują z powodu interferencji w miejscu, w którym znajduje się antena NS, sygnału bezpośredniego z sygnałem odbitym od powierzchni ziemi. Można uniknąć zaniku połączenia na NS spowodowanego awariami, spełniając 2 warunki.

1. Używać w NS modemu przynajmniej z dwoma kanałami odbioru (RX diversity), na przykład 3D Link. [11].
2. Umieścić anteny odbiorcze na maszcie NS na różnych wysokościach.

Różnica wysokości anten odbiorczych powinna być wykonana w taki sposób, aby spadki w intensywności pola w miejscu umiejscowienia jednej anteny były kompensowane poziomami powyżej czułości odbiornika w miejscu umiejscowienia drugiej anteny. Na rys. 4 przedstawiono wyniki takiego podejścia dla przypadku, gdy jedna antena NS znajduje się na wysokości 5 m (niebieska linia ciągła), a druga — na wysokości 4 m (niebieska linia przerywana).

Rys. 4. Moc sygnału na wejściach dwóch odbiorników modemu 3D Link z anten, umieszczonych na różnej wysokości.

Na rys. 4 wyraźnie widać efektywność tej metody. Rzeczywiście, na całej długości trasy lotu BLA, aż do odległości 110.8 km, sygnał na wejściu przynajmniej jednego odbiornika NS przekracza poziom czułości, tj. wideo z pokładu nie będzie przerywane na całej długości lotu.

Proponowana metoda, jednak, pomaga zwiększyć niezawodność wyłącznie radiolinii BLA→NS, ponieważ możliwość umieszczenia anten na różnych wysokościach istnieje tylko w NS. Zapewnienie różnicy wysokości anten o 1 m na BLA nie wydaje się możliwe. Aby zwiększyć niezawodność radiolinii NS→BLA, można zastosować następujące podejścia.

1. Przesyłać sygnał z nadajnika NS do tej anteny, która odbiera mocniejszy sygnał od BLA.
2. Użyj kodów przestrzenno-czasowych, takich jak kod Alamouti. [12].
3. Zastosuj technologię zarządzania anteną w formie beamformingu, z możliwością kontrolowania mocy sygnału wysyłanego do każdej z anten.

Pierwsza metoda jest bliska optymalnego rozwiązania dla komunikacji z BSP. Jest prosta, a cała energia nadajnika kierowana jest w odpowiednim kierunku — do najlepiej umiejscowionej anteny. Na przykład na odległości 50 km (patrz rys. 4) sygnał nadajnika kierowany jest do anteny zawieszonej na 5 metrach, a na odległości 60 km — do anteny zawieszonej na 4 metrach. Tę metodę wykorzystuje modem 3D Link. [11]Druga metoda nie wykorzystuje a priori danych o stanie łącza BSP→NS (poziomy odbieranych sygnałów na wyjściach anten), dlatego dzieli energię nadajnika na równo pomiędzy dwie anteny, co nieuchronnie prowadzi do strat energii, ponieważ jedna z anten może znajdować się w obszarze o niskiej intensywności pola. Trzecia metoda pod względem jakości sygnału jest równoważna pierwszej, ale jest znacznie bardziej skomplikowana w realizacji.

Rozważmy dalej wpływ częstotliwości fal radiowych na zasięg komunikacji z BSP z uwzględnieniem wpływu podłoża. Wcześniej wykazano, że zwiększenie częstotliwości jest korzystne, ponieważ przy stałych gabarytach anten prowadzi do zwiększenia zasięgu komunikacji. Jednak kwestia zależności od częstotliwości nie była omawiana. Z tego wynika, że stosunek współczynników wzmocnienia anten, mających równą powierzchnię i zaprojektowanych do pracy na częstotliwościach (3) , wynosi i 2450 MHz;
(6)

Dla 915 MHz otrzymamy 7.2 (8.5 dB). Tak mniej więcej dzieje się w praktyce. Porównajmy na przykład parametry następujących anten producenta Wireless Instruments: WiBOX PA 0809-8V [13] (częstotliwość: 0.83–0.96 GHz; kąt promieniowania: 70°/70°; zysk: 8 dBi);

• WiBOX PA 24-15 [14] (częstotliwość: 2.3–2.5 GHz; kąt promieniowania: 30°/30°; zysk: 15 dBi).
• WiBOX PA 24-15 [14] (częstotliwość: 2.3–2.5 GHz; kąt promieniowania: 30°/30°; zysk: 15 dBi).

Dane anten można łatwo porównać, ponieważ zostały wykonane w identycznych obudowach 27x27 cm, co oznacza, że mają taką samą powierzchnię. Zauważmy, że współczynnik wzmocnienia anten różni się o 15−8=7 dB, co jest bliskie obliczonej wartości 8,5 dB. Z charakterystyk anten widać również, że szerokość głównej lobu anteny w paśmie 2,3–2,5 GHz (30°/30°) jest ponad dwa razy węższa niż szerokość głównego lobu anteny w paśmie 0,83–0,96 GHz (70°/70°), co oznacza, że wzmocnienie anten przy tych samych wymiarach rzeczywiście wzrasta dzięki poprawie właściwości kierunkowych. Biorąc pod uwagę, że w linii komunikacyjnej używane są 2 anteny, stosunek wyniesie 2∙8,5=17 dB. W ten sposób, przy tych samych wymiarach anten, budżet energetyczny linii radiowej o częstotliwości 2450 MHz będzie wyższy o 17 dB niż budżet linii o częstotliwości 915 MHz. W obliczeniach weźmy również pod uwagę fakt, że w UAV zazwyczaj stosuje się anteny szeregowe, dla których wymiary nie są tak krytyczne, jak dla omawianych anten panelowych. Dlatego przyjmiemy współczynniki wzmocnienia anteny UAV dla częstotliwości i jako równe. Tj. różnica budżetów energetycznych linii wyniesie 8,5 dB, a nie 17 dB. Wyniki obliczeń przeprowadzonych na tych danych wyjściowych i wysokości zawieszenia anteny 5 m przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Moc sygnału na wejściu odbiornika dla linii radiowych działających na częstotliwościach 915 i 2450 MHz

Z rys. 5 jasno widać, że zasięg komunikacji przy zwiększonej częstotliwości roboczej i tej samej powierzchni anteny wzrasta z 96,3 km dla linii radiowej o częstotliwości 915 MHz do 110,8 km dla linii o częstotliwości 2450 MHz. Jednak linia o częstotliwości 915 MHz ma mniejszą częstotliwość oscylacji. Mniej oscylacji — mniej spadków intensywności pola, tj. mniejsze prawdopodobieństwo przerwania komunikacji z UAV na całej długości lotu. Możliwe, że to właśnie ten fakt wpływa na popularność subgigahercowego zakresu fal radiowych dla linii komunikacyjnych z UAV jako najbardziej niezawodnego. Jednocześnie, przy wykonaniu opisanego powyżej kompleksu działań mających na celu ochronę przed oscylacjami intensywności pola, linie radiowe w zakresie gigahercowym zapewniają większy zasięg komunikacji dzięki poprawie właściwości kierunkowych anten.

Z analizy rys. 5 można również wyciągnąć wniosek, że w strefie cienia (po punkcie 128,8 km) obniżenie roboczej częstotliwości łącza ma sens. Rzeczywiście, w punkcie około −120 dBm krzywe mocy dla częstotliwości i przecinają się. Tzn. przy zastosowaniu odbiorników o czułości lepszej niż −120 dBm, radiolawia na częstotliwości 915 MHz zapewni większy zasięg łącza. W takim przypadku jednak należy wziąć pod uwagę wymaganą przepustowość łącza, ponieważ dla tak wysokiej wartości czułości prędkość przesyłania informacji będzie bardzo mała. Na przykład modem 3D Link [11] chociaż zapewnia czułość do −122 dBm, to agregatowa (w obie strony) prędkość przesyłania informacji wyniesie 23 kbit/s, co zasadniczo wystarcza do łączności KTRL z BLA, ale zdecydowanie nie wystarcza do przesyłania wideo z pokładu. Tak więc, subgigahercowy zakres rzeczywiście ma niewielką przewagę nad gigahercowym zakresem dla KTRL, ale wyraźnie przegrywa pod względem charakterystyk przy organizowaniu linii wideo.

Przy wyborze częstotliwości radiolinii należy również uwzględnić osłabienie sygnału podczas propagacji w atmosferze Ziemi. Dla łączy N-S–BLA osłabienie w atmosferze spowodowane jest gazami, deszczem, gradem, śniegiem, mgłą i chmurami [2]. Dla roboczych częstotliwości radiolinii poniżej 6 GHz osłabieniem w gazach można się nie przejmować [2]. Najsilniejsze osłabienie obserwuje się podczas deszczy, zwłaszcza o wysokiej intensywności (ulewy). W tabeli 1 przedstawione są dane [2] o tłumieniu na kilometr [dB/km] w deszczach o różnej intensywności dla częstotliwości 3–6 GHz.

Tabela 1. Straty radiowców [dB/km] w deszczach o różnej intensywności w zależności od częstotliwości

Częstotliwość [GHz]
3 mm/godz (słaby)
12 mm/godz (umiarkowany)
30 mm/godz (silny)
70 mm/godz (ulewa)

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

Z tabeli 1 wynika, że na przykład przy częstotliwości 3 GHz tłumienie w deszczu wynosi około 0,0087 dB/km, co na trasie 100 km daje 0,87 dB całkowitego tłumienia. Wraz ze wzrostem częstotliwości pracy łącza radiowego, tłumienie w deszczu gwałtownie rośnie. Dla częstotliwości 4 GHz tłumienie w deszczu na tej samej trasie wyniesie już 9,1 dB, a przy częstotliwościach 5 i 6 GHz — 28 i 57 dB odpowiednio. Zakłada się przy tym jednak, że opady deszczu o określonej intensywności występują na całym odcinku trasy, co rzadko zdarza się w praktyce. Niemniej jednak, przy użyciu BŁA w obszarach, gdzie często występują opady deszczu o dużej intensywności, zaleca się wybór częstotliwości pracy łącza radiowego poniżej 3 GHz.

Literatura

1. Smorodinow A.A. Jak wybrać szerokopasmowy modem dla bezzałogowego statku powietrznego (BŁA). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Czerienkowa E.L. Rozprzestrzenianie się fal radiowych i działanie łączy radiowych. Łączność. Moskwa. 1971.
3. Microhard.
4. Specyfikacja Pico Digital Data Link pDDL2450.
5. Specyfikacja Picoradio OEM.
6. Raport testów inżynieryjnych. Moduł cyfrowego łącza danych Pico 2.4GHz 1W.
7. ID FCC.
8. C.A. Balanis. Teoria anten. Analiza i projektowanie. Wydanie czwarte. John Wiley & Sons. 2016.
9. Zysk anteny. Artykuł w Wikipedii.
10. Szerokość wiązki. Artykuł w Wikipedii.
11. Cyfrowy duplexowy radiomodem 3D Link.
12. S.M. Alamouti. „Prosta technika różnicowa nadawania dla komunikacji bezprzewodowej”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 16 (8): 1451–1458.
13. Antenna kliencka PTP WiBOX PA 0809-8V.
14. Antenna kliencka PTP WiBOX PA 24-15.

Źródło: habr.com