Jak wybrać modem szerokopasmowy do bezzałogowego statku powietrznego (UAV) lub robotyki

Wyzwanie związane z przesyłaniem dużych ilości danych z bezzałogowego statku powietrznego (UAV) lub robotyki naziemnej nie jest rzadkością w nowoczesnych zastosowaniach. W artykule omówiono kryteria wyboru modemów szerokopasmowych i związane z nimi problemy. Artykuł został napisany dla twórców UAV i robotyki.

Kryteria wyboru

Główne kryteria wyboru modemu szerokopasmowego dla UAV lub robotyki to:

1. Zasięg komunikacji.
2. Maksymalna szybkość przesyłania danych.
3. Opóźnienie w transmisji danych.
4. Parametry masy i wymiarów.
5. Obsługiwane interfejsy informacyjne.
6. Wymagania żywieniowe.
7. Oddzielny kanał sterowania/telemetrii.

Zasięg komunikacji

Zasięg komunikacji zależy nie tylko od modemu, ale także od anten, kabli antenowych, warunków propagacji fal radiowych, zakłóceń zewnętrznych i innych przyczyn. Aby oddzielić parametry samego modemu od innych parametrów wpływających na zasięg komunikacji, należy rozważyć równanie zasięgu [Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Propagacja fal radiowych i działanie łączy radiowych. Połączenie. Moskwa. 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}},$$wyświetlacz$$

gdzie
$inline$R$inline$ — wymagany zasięg komunikacji w metrach;
$inline$F$inline$ — częstotliwość w Hz;
$inline$P_{TXdBm}$inline$ — moc nadajnika modemu w dBm;
$inline$G_{TXdB}$inline$ — zysk anteny nadajnika w dB;
$inline$L_{TXdB}$inline$ — straty w kablu od modemu do anteny nadajnika w dB;
$inline$G_{RXdB}$inline$ — zysk anteny odbiornika w dB;
$inline$L_{RXdB}$inline$ — straty w kablu od modemu do anteny odbiornika w dB;
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — czułość odbiornika modemu w dBm;
$inline$|V|_{dB}$inline$ to współczynnik tłumienia, który uwzględnia dodatkowe straty spowodowane wpływem powierzchni Ziemi, roślinności, atmosfery i innych czynników w dB.

Z równania zasięgu wynika, że ​​zasięg zależy tylko od dwóch parametrów modemu: mocy nadajnika $inline$P_{TXdBm}$inline$ i czułości odbiornika $inline$P_{RXdBm}$inline$, a raczej od ich różnicy - budżet energetyczny modemu

$$wyświetlacz$$B_m=P_{TXdBm}-P_{RXdBm}.$$wyświetlacz$$

Pozostałe parametry równania zasięgu opisują warunki propagacji sygnału oraz parametry urządzeń antenowo-zasilających, tj. nie mają nic wspólnego z modemem.
Aby więc zwiększyć zasięg komunikacji należy wybrać modem o dużej wartości $inline$B_m$inline$. Z kolei $inline$B_m$inline$ można zwiększyć zwiększając $inline$P_{TXdBm}$inline$ lub zmniejszając $inline$P_{RXdBm}$inline$. W większości przypadków twórcy UAV szukają modemu o dużej mocy nadajnika i nie zwracają uwagi na czułość odbiornika, chociaż muszą zrobić dokładnie odwrotnie. Potężny pokładowy nadajnik modemu szerokopasmowego pociąga za sobą następujące problemy:

• wysokie zużycie energii;
• potrzeba chłodzenia;
• pogorszenie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) z innym wyposażeniem pokładowym UAV;
• niska tajemnica energetyczna.

Pierwsze dwa problemy wiążą się z faktem, że współczesne metody przesyłania dużych ilości informacji kanałem radiowym, np. OFDM, wymagają liniowy nadajnik. Sprawność nowoczesnych liniowych nadajników radiowych jest niska: 10–30%. W ten sposób 70-90% cennej energii zasilacza UAV zamienia się w ciepło, które należy skutecznie usunąć z modemu, w przeciwnym razie ulegnie on awarii lub jego moc wyjściowa spadnie z powodu przegrzania w najbardziej nieodpowiednim momencie. Na przykład nadajnik o mocy 2 W pobierze z zasilacza 6–20 W, z czego 4–18 W zostanie zamienione na ciepło.

Ukrycie energii łącza radiowego jest ważne w zastosowaniach specjalnych i wojskowych. Niska stealth oznacza, że ​​sygnał modemu jest wykrywany ze stosunkowo dużym prawdopodobieństwem przez odbiornik rozpoznawczy stacji zagłuszającej. W związku z tym prawdopodobieństwo stłumienia łącza radiowego w wyniku ukrycia o niskiej energii jest również wysokie.

Czułość odbiornika modemowego charakteryzuje jego zdolność do wydobywania informacji z odbieranych sygnałów o danym poziomie jakości. Kryteria jakości mogą się różnić. W przypadku systemów komunikacji cyfrowej najczęściej wykorzystuje się prawdopodobieństwo błędu bitowego (BER) lub prawdopodobieństwo błędu w pakiecie informacyjnym (Frame Error Rate - FER). W rzeczywistości czułość to poziom samego sygnału, z którego należy wydobyć informacje. Na przykład czułość -98 dBm przy BER = 10-6 wskazuje, że informację o takim BER można wydobyć z sygnału o poziomie -98 dBm lub wyższym, ale informację o poziomie, powiedzmy -99 dBm można nie będzie już wyodrębniany z sygnału o poziomie, powiedzmy, -1 dBm. Oczywiście spadek jakości wraz ze spadkiem poziomu sygnału następuje stopniowo, jednak warto mieć na uwadze, że większość nowoczesnych modemów posiada tzw. efekt progowy, w którym spadek jakości przy spadku poziomu sygnału poniżej czułości następuje bardzo szybko. Wystarczy zmniejszyć sygnał o 2-10 dB poniżej czułości, aby BER wzrósł do 1-XNUMX, co oznacza, że ​​nie będzie już widać obrazu z UAV. Efekt progowy jest bezpośrednią konsekwencją twierdzenia Shannona dla kanału zaszumionego i nie można go wyeliminować. Zniszczenie informacji, gdy poziom sygnału spadnie poniżej czułości, następuje na skutek wpływu szumu powstającego wewnątrz samego odbiornika. Szumu wewnętrznego odbiornika nie da się całkowicie wyeliminować, ale można zmniejszyć jego poziom lub nauczyć się sprawnie wydobywać informację z zaszumionego sygnału. Producenci modemów stosują oba te podejścia, ulepszając bloki RF odbiornika i ulepszając algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnału. Poprawa czułości odbiornika modemu nie prowadzi do tak drastycznego wzrostu zużycia energii i wydzielania ciepła, jak zwiększenie mocy nadajnika. Następuje oczywiście wzrost zużycia energii i wytwarzania ciepła, ale jest on dość umiarkowany.

W celu osiągnięcia wymaganego zasięgu komunikacji zaleca się następujący algorytm doboru modemu.

1. Zdecyduj o szybkości przesyłania danych.
2. Wybierz modem o najlepszej czułości dla wymaganej prędkości.
3. Określ zasięg komunikacji za pomocą obliczeń lub eksperymentu.
4. Jeśli zasięg komunikacji okaże się mniejszy niż to konieczne, spróbuj zastosować następujące środki (ułożone w kolejności malejącego priorytetu):

• zmniejszyć straty w kablach antenowych $inline$L_{TXdB}$inline$, $inline$L_{RXdB}$inline$ stosując kabel o niższym tłumieniu liniowym przy częstotliwości roboczej i/lub zmniejszając długość kabli;
• zwiększyć zysk anteny $inline$G_{TXdB}$inline$, $inline$G_{RXdB}$inline$;
• zwiększyć moc nadajnika modemu.

Wartości czułości zależą od szybkości przesyłania danych zgodnie z zasadą: większa prędkość - gorsza czułość. Na przykład czułość -98 dBm dla 8 Mb/s jest lepsza niż czułość -95 dBm dla 12 Mb/s. Modemy można porównywać pod względem czułości tylko dla tej samej prędkości przesyłu danych.

Dane dotyczące mocy nadajnika są prawie zawsze dostępne w specyfikacjach modemu, ale dane dotyczące czułości odbiornika są dalekie od zawsze lub niewystarczające. Jest to przynajmniej powód do ostrożności, ponieważ ukrywanie pięknych liczb nie ma większego sensu. Dodatkowo producent nie publikując danych dotyczących czułości pozbawia konsumenta możliwości oszacowania zasięgu komunikacji w drodze obliczeń. do zakupy modemów.

Maksymalna szybkość przesyłania danych

Wybór modemu na podstawie tego parametru jest stosunkowo prosty, jeśli wymagania dotyczące prędkości są jasno określone. Ale są pewne niuanse.

Jeśli rozwiązywany problem wymaga zapewnienia maksymalnego możliwego zasięgu komunikacji, a jednocześnie możliwe jest wydzielenie wystarczająco szerokiego pasma częstotliwości dla łącza radiowego, wówczas lepiej jest wybrać modem obsługujący szerokie pasmo częstotliwości (przepustowość). Faktem jest, że wymaganą prędkość informacji można osiągnąć w stosunkowo wąskim paśmie częstotliwości stosując gęste typy modulacji (16QAM, 64QAM, 256QAM itp.) lub w szerokim paśmie częstotliwości stosując modulację o małej gęstości (BPSK, QPSK ). Do takich zadań preferowane jest stosowanie modulacji o małej gęstości ze względu na jej wyższą odporność na zakłócenia. Dlatego czułość odbiornika jest lepsza, odpowiednio zwiększa się budżet energetyczny modemu, a co za tym idzie, zasięg komunikacji.

Czasami producenci UAV ustawiają prędkość informacyjną łącza radiowego znacznie wyższą niż prędkość źródła, dosłownie 2 lub więcej razy, argumentując, że źródła takie jak kodeki wideo mają zmienną przepływność i prędkość modemu należy dobierać z uwzględnieniem wartości maksymalnej emisji bitrate. W takim przypadku zasięg komunikacji naturalnie maleje. Nie należy stosować tego podejścia, jeśli nie jest to absolutnie konieczne. Większość nowoczesnych modemów ma duży bufor w nadajniku, który może wygładzić skoki przepływności bez utraty pakietów. Dlatego rezerwa prędkości większa niż 25% nie jest wymagana. Jeżeli istnieją podstawy, aby sądzić, że pojemność buforowa kupowanego modemu jest niewystarczająca i wymagane jest znacznie większe zwiększenie prędkości, wówczas lepiej odmówić zakupu takiego modemu.

Opóźnienie przesyłania danych

Oceniając ten parametr, ważne jest oddzielenie opóźnienia związanego z transmisją danych łączem radiowym od opóźnienia generowanego przez urządzenie kodujące/dekodujące źródło informacji, takie jak kodek wideo. Opóźnienie w łączu radiowym składa się z 3 wartości.

1. Opóźnienie spowodowane przetwarzaniem sygnału w nadajniku i odbiorniku.
2. Opóźnienie spowodowane propagacją sygnału z nadajnika do odbiornika.
3. Opóźnienie spowodowane buforowaniem danych w nadajniku w modemach z dupleksem z podziałem czasu (TDD).

Z doświadczenia autora wynika, że ​​opóźnienie typu 1 waha się od kilkudziesięciu mikrosekund do jednej milisekundy. Opóźnienie typu 2 jest zależne od zasięgu komunikacji, np. dla łącza o długości 100 km wynosi 333 μs. Opóźnienie typu 3 zależy od długości ramki TDD oraz od stosunku czasu trwania cyklu transmisji do całkowitego czasu trwania ramki i może zmieniać się od 0 do czasu trwania ramki, czyli jest zmienną losową. Jeżeli przesyłany pakiet informacji znajduje się na wejściu nadajnika w czasie, gdy modem znajduje się w cyklu transmisji, wówczas pakiet zostanie przesłany drogą radiową z zerowym opóźnieniem typu 3. Jeżeli pakiet jest nieco spóźniony i cykl odbioru już się rozpoczął, to zostanie ono opóźnione w buforze nadajnika na czas trwania cyklu odbioru. Typowe długości ramek TDD mieszczą się w zakresie od 2 do 20 ms, więc w najgorszym przypadku opóźnienie typu 3 nie przekroczy 20 ms. Tym samym całkowite opóźnienie łącza radiowego będzie wynosić 3−21 ms.

Najlepszym sposobem sprawdzenia opóźnienia łącza radiowego jest eksperyment na pełną skalę z wykorzystaniem narzędzi do oceny charakterystyki sieci. Nie zaleca się pomiaru opóźnienia metodą żądanie-odpowiedź, ponieważ opóźnienie w kierunku do przodu i do tyłu może nie być takie samo w przypadku modemów TDD.

Parametry masy i wymiarów

Wybór modemu pokładowego według tego kryterium nie wymaga specjalnych komentarzy: im mniejszy i lżejszy, tym lepiej. Nie zapomnij także o konieczności chłodzenia jednostki pokładowej, mogą być wymagane dodatkowe grzejniki, w związku z czym może również wzrosnąć waga i wymiary. Preferowane powinny być tutaj lekkie, małe jednostki o niskim zużyciu energii.

W przypadku jednostki naziemnej parametry masowo-wymiarowe nie są tak krytyczne. Na pierwszy plan wysuwa się łatwość obsługi i instalacji. Jednostka naziemna powinna być urządzeniem niezawodnie chronionym przed wpływami zewnętrznymi, wyposażonym w wygodny system mocowania do masztu lub statywu. Dobrym rozwiązaniem jest zintegrowanie jednostki naziemnej w tej samej obudowie z anteną. Idealnie byłoby, gdyby jednostka uziemiająca była połączona z systemem sterowania za pomocą jednego wygodnego złącza. Uchroni Cię to od mocnych słów, gdy będziesz musiał wykonywać prace rozmieszczania w temperaturze -20 stopni.

Wymagania dietetyczne

Jednostki pokładowe z reguły produkowane są z obsługą szerokiego zakresu napięć zasilania, na przykład 7-30 V, co obejmuje większość opcji napięć w sieci energetycznej UAV. Jeśli masz możliwość wyboru spośród kilku napięć zasilania, preferuj najniższą wartość napięcia zasilania. Z reguły modemy zasilane są wewnętrznie z napięć 3.3 i 5.0 V poprzez zasilacze wtórne. Sprawność tych dodatkowych zasilaczy jest tym większa, im mniejsza jest różnica pomiędzy napięciem wejściowym i wewnętrznym modemu. Większa wydajność oznacza mniejsze zużycie energii i wytwarzanie ciepła.

Z kolei jednostki naziemne muszą obsługiwać zasilanie ze źródła o stosunkowo wysokim napięciu. Pozwala to na zastosowanie kabla zasilającego o małym przekroju, co zmniejsza wagę i ułatwia montaż. Przy założeniu, że wszystkie inne czynniki są równe, preferuj jednostki naziemne z obsługą PoE (Power over Ethernet). W takim przypadku do połączenia jednostki naziemnej ze stacją sterującą potrzebny jest tylko jeden kabel Ethernet.

Oddzielny kanał sterowania/telemetrii

Ważna funkcja w przypadkach, gdy na UAV nie ma już miejsca na zainstalowanie osobnego modemu dowodzenia-telemetrycznego. Jeśli jest miejsce, wówczas jako rezerwowy można wykorzystać oddzielny kanał sterowniczo-telemetryczny modemu szerokopasmowego. Wybierając modem z tą opcją należy zwrócić uwagę na fakt, że modem obsługuje wymagany protokół komunikacji z UAV (MAVLink lub autorski) oraz możliwość multipleksowania kanału sterującego/danych telemetrycznych do wygodnego interfejsu na stacji naziemnej (GS ). Przykładowo jednostka pokładowa modemu szerokopasmowego jest połączona z autopilotem poprzez interfejs taki jak RS232, UART lub CAN, a jednostka naziemna jest połączona z komputerem sterującym poprzez interfejs Ethernet, przez który konieczna jest wymiana poleceń , dane telemetryczne i wideo. W takim przypadku modem musi mieć możliwość multipleksowania strumienia poleceń i telemetrii pomiędzy interfejsami RS232, UART lub CAN jednostki pokładowej a interfejsem Ethernet jednostki naziemnej.

Inne parametry, na które warto zwrócić uwagę

Dostępność trybu dupleksowego. Modemy szerokopasmowe dla UAV obsługują tryby pracy simplex lub duplex. W trybie simplex transmisja danych dozwolona jest tylko w kierunku od UAV do NS, a w trybie duplex - w obu kierunkach. Z reguły modemy simpleksowe mają wbudowany kodek wideo i są przeznaczone do współpracy z kamerami wideo, które nie mają kodeka wideo. Modem simpleksowy nie nadaje się do podłączenia do kamery IP ani innych urządzeń wymagających połączenia IP. Natomiast modem dupleksowy z reguły przeznaczony jest do łączenia pokładowej sieci IP UAV z siecią IP NS, czyli obsługuje kamery IP i inne urządzenia IP, ale może nie mieć wbudowanego w kodeku wideo, ponieważ kamery wideo IP zwykle mają Twój kodek wideo. Obsługa interfejsu Ethernet jest możliwa tylko w modemach full-duplex.

Odbiór różnorodności (różnorodność RX). Obecność tej możliwości jest obowiązkowa, aby zapewnić ciągłą komunikację na całej długości lotu. Fale radiowe rozchodzące się nad powierzchnią Ziemi docierają do punktu odbioru w dwóch wiązkach: po prostej drodze i po odbiciu od powierzchni. Jeśli dodanie fal dwóch promieni nastąpi w fazie, wówczas pole w punkcie odbioru zostanie wzmocnione, a jeśli w przeciwfazie, to zostanie osłabione. Osłabienie może być dość znaczne - aż do całkowitej utraty komunikacji. Obecność na NS dwóch anten znajdujących się na różnych wysokościach pomaga rozwiązać ten problem, ponieważ jeśli w miejscu jednej anteny promienie są dodawane w przeciwfazie, to w miejscu drugiej nie są. Dzięki temu można uzyskać stabilne połączenie na całym dystansie.
Obsługiwane topologie sieci. Wskazane jest wybranie modemu obsługującego nie tylko topologię punkt-punkt (PTP), ale także topologię punkt-wielopunkt (PMP) i przekaźnik (repeater). Zastosowanie przekaźnika poprzez dodatkowy UAV pozwala znacznie rozszerzyć obszar zasięgu głównego UAV. Obsługa PMP umożliwi jednoczesne otrzymywanie informacji z kilku UAV na jednym NS. Należy również pamiętać, że obsługa PMP i przekaźnika będzie wymagała zwiększenia przepustowości modemu w porównaniu do przypadku komunikacji z pojedynczym UAV. Dlatego dla tych trybów zaleca się wybrać modem obsługujący szerokie pasmo częstotliwości (co najmniej 15-20 MHz).

Dostępność środków zwiększających odporność na hałas. Przydatna opcja, biorąc pod uwagę napięte środowisko zakłócające w miejscach, w których używane są UAV. Odporność na zakłócenia rozumiana jest jako zdolność systemu komunikacyjnego do wykonywania swojej funkcji w obecności zakłóceń pochodzenia sztucznego lub naturalnego w kanale komunikacyjnym. Istnieją dwa podejścia do zwalczania zakłóceń. Podejście 1: zaprojektuj odbiornik modemu tak, aby mógł niezawodnie odbierać informacje nawet w obecności zakłóceń w paśmie kanału komunikacyjnego, kosztem pewnego zmniejszenia prędkości transmisji informacji. Podejście 2: Tłumienie lub tłumienie zakłóceń na wejściu odbiornika. Przykładami realizacji pierwszego podejścia są systemy z rozproszeniem widma, czyli: przeskok częstotliwości (FH), widmo z rozproszoną sekwencją pseudolosową (DSSS) lub hybryda obu. Technologia FH stała się powszechna w kanałach sterowania UAV ze względu na niską wymaganą prędkość przesyłania danych w takim kanale komunikacyjnym. Przykładowo dla prędkości 16 kbit/s w paśmie 20 MHz można zorganizować około 500 pozycji częstotliwości, co pozwala na niezawodną ochronę przed zakłóceniami wąskopasmowymi. Zastosowanie FH w szerokopasmowym kanale komunikacyjnym jest problematyczne, ponieważ powstałe pasmo częstotliwości jest zbyt duże. Przykładowo, aby uzyskać 500 pozycji częstotliwości podczas pracy z sygnałem o szerokości pasma 4 MHz, potrzebne będzie 2 GHz wolnego pasma! Za dużo, żeby było prawdziwe. Bardziej istotne jest wykorzystanie DSSS w szerokopasmowym kanale komunikacji z UAV. W tej technologii każdy bit informacji jest powielany jednocześnie na kilku (lub nawet wszystkich) częstotliwościach w paśmie sygnału i w obecności zakłóceń wąskopasmowych może zostać oddzielony od części widma nieobjętych zakłóceniami. Zastosowanie DSSS, a także FH, oznacza, że ​​​​gdy w kanale pojawią się zakłócenia, konieczne będzie zmniejszenie szybkości transmisji danych. Niemniej jednak oczywistym jest, że lepiej odbierać wideo z UAV w niższej rozdzielczości, niż wcale. Podejście 2 wykorzystuje fakt, że zakłócenia, w przeciwieństwie do szumu wewnętrznego odbiornika, dostają się do łącza radiowego z zewnątrz i, jeśli w modemie znajdują się pewne środki, mogą zostać stłumione. Tłumienie zakłóceń jest możliwe, jeśli są one zlokalizowane w domenie widmowej, czasowej lub przestrzennej. Na przykład zakłócenia wąskopasmowe zlokalizowane są w obszarze widmowym i można je „wyciąć” z widma za pomocą specjalnego filtra. Podobnie szum pulsacyjny jest lokalizowany w dziedzinie czasu i aby go stłumić, dotknięty obszar jest usuwany z sygnału wejściowego odbiornika. Jeśli zakłócenia nie mają charakteru wąskopasmowego ani impulsowego, wówczas można zastosować tłumik przestrzenny, aby je stłumić zakłócenia dostają się do anteny odbiorczej ze źródła z określonego kierunku. Jeśli zero charakterystyki promieniowania anteny odbiorczej zostanie ustawione w kierunku źródła zakłóceń, zakłócenia zostaną stłumione. Takie systemy nazywane są adaptacyjnymi systemami kształtowania i zerowania wiązki.

Używany protokół radiowy. Producenci modemów mogą zastosować standardowy (WiFi, DVB-T) lub własny protokół radiowy. Parametr ten rzadko jest wskazany w specyfikacjach. Na wykorzystanie DVB-T pośrednio wskazują obsługiwane pasma częstotliwości 2/4/6/7/8, czasem 10 MHz oraz wzmianka w tekście specyfikacji technologii COFDM (kodowany OFDM), w której OFDM jest wykorzystywany w połączeniu z kodowaniem odpornym na zakłócenia. Na marginesie zauważamy, że COFDM jest wyłącznie sloganem reklamowym i nie ma żadnej przewagi nad OFDM, ponieważ OFDM bez kodowania odpornego na zakłócenia nigdy nie jest stosowany w praktyce. Zrównaj wartości COFDM i OFDM, gdy zobaczysz te skróty w specyfikacji modemu radiowego.

Modemy korzystające ze standardowego protokołu budowane są najczęściej w oparciu o specjalizowany chip (WiFi, DVB-T) współpracujący z mikroprocesorem. Użycie niestandardowego chipa uwalnia producenta modemu od wielu problemów związanych z projektowaniem, modelowaniem, wdrażaniem i testowaniem własnego protokołu radiowego. Mikroprocesor zapewnia modemowi niezbędną funkcjonalność. Takie modemy mają następujące zalety.

1. Niska cena.
2. Dobre parametry wagowe i wymiarowe.
3. Niskie zużycie energii.

Są też wady.

1. Brak możliwości zmiany charakterystyki interfejsu radiowego poprzez zmianę oprogramowania.
2. Niska stabilność dostaw w długim okresie.
3. Ograniczone możliwości zapewnienia wykwalifikowanego wsparcia technicznego przy rozwiązywaniu niestandardowych problemów.

Niska stabilność dostaw wynika z faktu, że producenci chipów skupiają się przede wszystkim na rynkach masowych (telewizory, komputery itp.). Producenci modemów do UAV nie są dla nich priorytetem i nie mogą w żaden sposób wpłynąć na decyzję producenta chipa o zaprzestaniu produkcji bez odpowiedniej wymiany na inny produkt. Cechę tę wzmacnia trend pakowania interfejsów radiowych w specjalizowane mikroukłady typu „system on chip” (System on Chip - SoC), w związku z czym pojedyncze chipy interfejsu radiowego są stopniowo wypierane z rynku półprzewodników.

Ograniczone możliwości w zapewnieniu wsparcia technicznego wynikają z faktu, że zespoły rozwojowe modemów opartych na standardowym protokole radiowym są obsadzone specjalistami, przede wszystkim z zakresu elektroniki i technologii mikrofalowej. Może tam w ogóle nie być specjalistów od radiokomunikacji, bo nie ma dla nich problemów do rozwiązania. Dlatego producenci UAV poszukujący rozwiązań nietrywialnych problemów związanych z komunikacją radiową mogą się rozczarować w zakresie konsultacji i pomocy technicznej.

Modemy wykorzystujące autorski protokół radiowy budowane są w oparciu o uniwersalne układy przetwarzania sygnału analogowego i cyfrowego. Stabilność dostaw takich chipów jest bardzo wysoka. To prawda, że ​​​​cena jest również wysoka. Takie modemy mają następujące zalety.

1. Szerokie możliwości dostosowania modemu do potrzeb klienta, w tym dostosowanie interfejsu radiowego poprzez zmianę oprogramowania.
2. Dodatkowe możliwości interfejsu radiowego, które są interesujące do zastosowania w UAV, a których nie ma w modemach budowanych w oparciu o standardowe protokoły radiowe.
3. Wysoka stabilność dostaw m.in. w dłuższej perspektywie.
4. Wysoki poziom wsparcia technicznego, w tym rozwiązywanie problemów niestandardowych.

Wady.

1. Wysoka cena.
2. Parametry wagowe i gabarytowe mogą być gorsze od modemów korzystających ze standardowych protokołów radiowych.
3. Zwiększony pobór mocy przez jednostkę przetwarzania sygnału cyfrowego.

Dane techniczne niektórych modemów do UAV

W tabeli przedstawiono parametry techniczne niektórych modemów do UAV dostępnych na rynku.

Należy pamiętać, że chociaż modem 3D Link ma najniższą moc nadawania w porównaniu z modemami Picoradio OEM i J11 (25 dBm w porównaniu z tą samą szybkością przesyłania danych dla porównywanych modemów). Zatem zasięg komunikacji podczas korzystania z łącza 27D będzie dłuższy przy lepszym ukryciu energii.

Tabela. Dane techniczne niektórych modemów szerokopasmowych dla UAV i robotyki

Parametr
Łącze 3D
Skyhopper PRO
OEM Picoradio (wykonywane na module pDDL2450 od Microharda)
SOLO7
(Zobacz też Odbiornik SOLO7)
J11

Producent, kraj
Geoscan, RF
Mobilicom, Izrael
Innowacje powietrzne, Kanada
DTC, Wielka Brytania
Redes, Chiny

Zasięg komunikacyjny [km] 20−60
5
nie dotyczy*
nie dotyczy*
10-20

Prędkość [Mbit/s] 0.023-64.9
1.6-6
0.78-28
0.144-31.668
1.5-6

Opóźnienie transmisji danych [ms] 1−20
25
nie dotyczy*
15-100
15-30

Wymiary jednostki pokładowej DxSxW [mm] 77x45x25
74h54h26
40x40x10 (bez obudowy)
67h68h22
76h48h20

Masa jednostki pokładowej [gram] 89
105
17.6 (bez obudowy)
135
88

Interfejsy informacyjne
Ethernet, RS232, CAN, USB
Ethernet, RS232, USB (opcjonalnie)
Ethernet, RS232/UART
HDMI, AV, RS232, USB
HDMI, Ethernet, UART

Zasilanie jednostki pokładowej [Volt/Wat] 7-30/6.7
7−26/n/d*
5-58/4.8
5.9-17.8/4.5-7
7-18/8

Zasilanie jednostki uziemiającej [Volt/Wat] 18-75 lub PoE/7
7−26/n/d*
5-58/4.8
6-16/8
7-18/5

Moc nadajnika [dBm] 25
nie dotyczy*
27-30
20
30

Czułość odbiornika [dBm] (dla prędkości [Mbit/s])
−122(0.023) −101(4.06) −95.1(12.18) −78.6(64.96)
−101(nie dotyczy*)
−101(0.78) −96(3.00) −76(28.0)
−95(nie dotyczy*) −104(nie dotyczy*)
−97(1.5) −94(3.0) −90(6.0)

Budżet energetyczny modemu [dB] (dla prędkości [Mbit/s])
147(0.023) 126(4.06) 120.1(12.18) 103.6(64.96)
nie dotyczy*
131(0.78) 126(3.00) 103(28.0)
nie dotyczy*
127 (1.5) 124 (3.0) 120 (6.0)

Obsługiwane pasma częstotliwości [MHz] 4−20
4.5; 8.5
2; 4; 8
0.625; 1.25; 2.5; 6; 7; 8
2; 4; 8

Simpleks/dupleks
Dupleks
Dupleks
Dupleks
Simpleks
Dupleks

Wsparcie różnorodności
tak
tak
tak
tak
tak

Oddzielny kanał do sterowania/telemetrii
tak
tak
tak
nie
tak

Obsługiwane protokoły sterowania UAV w kanale sterowania/telemetrii
MAVLink, zastrzeżony
MAVLink, zastrzeżony
nie
nie
Łącze MAV

Obsługa multipleksowania w kanale sterowania/telemetrii
tak
tak
nie
nie
nie dotyczy*

Topologie sieci
PTP, PMP, przekaźnik
PTP, PMP, przekaźnik
PTP, PMP, przekaźnik
PTP
PTP, PMP, przekaźnik

Środki zwiększające odporność na zakłócenia
DSSS, wąskopasmowe i tłumiki impulsów
nie dotyczy*
nie dotyczy*
nie dotyczy*
nie dotyczy*

Protokół radiowy
prawnie zastrzeżony
nie dotyczy*
nie dotyczy*
DVB-T
nie dotyczy*

*nie dotyczy – brak danych.

O autorze

Aleksander Smorodinow [[email chroniony]] jest wiodącym specjalistą w firmie Geoscan LLC w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej. Od 2011 roku do chwili obecnej opracowuje protokoły radiowe i algorytmy przetwarzania sygnałów dla szerokopasmowych radiomodemów o różnym przeznaczeniu, a także wdraża opracowane algorytmy w oparciu o programowalne układy logiczne. Obszary zainteresowań autora obejmują rozwój algorytmów synchronizacji, estymację właściwości kanałów, modulację/demodulację, kodowanie odporne na szum, a także niektóre algorytmy warstwy dostępu do mediów (MAC). Przed dołączeniem do Geoscan autor pracował w różnych organizacjach, opracowując niestandardowe urządzenia do komunikacji bezprzewodowej. Od 2002 do 2007 roku pracował w Proteus LLC jako wiodący specjalista w dziedzinie rozwoju systemów komunikacyjnych opartych na standardzie IEEE802.16 (WiMAX). W latach 1999-2002 autor zajmował się opracowywaniem algorytmów kodowania odpornego na zakłócenia i modelowaniem tras łączy radiowych w Centralnym Instytucie Badawczym Federalnego Państwowego Przedsiębiorstwa Unitarnego „Granit”. Autor uzyskał stopień kandydata nauk technicznych na Uniwersytecie Instrumentacji Lotniczej w Petersburgu w 1998 r. oraz stopień inżyniera radiowego na tej samej uczelni w 1995 r. Alexander jest obecnym członkiem IEEE i IEEE Communications Society.

Źródło: www.habr.com