Cómo elegir un módem de banda ancha para un vehículo aéreo no tripulado (UAV) o robótica

La tarea de transferir una gran cantidad de datos desde un vehículo aéreo no tripulado (UAV) o la robótica terrestre no es infrecuente en las aplicaciones modernas. Este artículo analiza los criterios para elegir módems de banda ancha y problemas relacionados. Este artículo está escrito para UAV y desarrolladores de robótica.

Criterio de selección

Los criterios principales para elegir un módem de banda ancha para UAV o robótica son.

1. Alcance de comunicación.
2. Velocidad máxima de datos.
3. Retraso en la transferencia de datos.
4. Masa y parámetros generales.
5. Interfaces de información compatibles.
6. Requerimientos nutricionales.
7. Control separado / canal de telemetría.

Rango de comunicación

El rango de comunicación depende no solo del módem, sino también de antenas, cables de antena, condiciones de propagación de ondas de radio, interferencia externa y otras razones. Para separar los parámetros del módem en sí de otros parámetros que afectan el rango de comunicación, consideramos la ecuación del rango [Kalinin AI, Cherenkova EL Propagación de ondas de radio y operación de enlace de radio. Comunicación Moscú 1971]

$$

$$R = \ frac {3 \ cdot 10 ^ 8} {4 \ pi F} 10 ^ {\ frac {P_ {TXdBm} + G_ {TXdB} + L_ {TXdB} + G_ {RXdB} + L_ {RXdB} + | V | _ {dB} -P_ {RXdBm}} {20}},$$

donde
$$$R$ - el alcance de comunicación deseado en metros;
$$$F$ - frecuencia en Hz;
$$$P_ {TXdBm}$ - potencia del transmisor del módem en dBm;
$$$G_ {TXdB}$ - ganancia de la antena del transmisor en dB;
$$$L_ {TXdB}$ - pérdidas en el cable del módem a la antena del transmisor en dB;
$$$G_ {RXdB}$ - ganancia de antena del receptor en dB;
$$$L_ {RXdB}$ - pérdida de cable del módem a la antena del receptor en dB;
$$$P_ {RXdBm}$ - sensibilidad del receptor del módem en dBm;
$$$| V | _ {dB}$ - factor de atenuación, teniendo en cuenta las pérdidas adicionales debido a la influencia de la superficie de la Tierra, la vegetación, la atmósfera y otros factores en dB.

De la ecuación del rango se puede ver que el rango depende solo de dos parámetros del módem: potencia del transmisor $$$P_ {TXdBm}$ y sensibilidad del receptor $$$P_ {RXdBm}$ o, mejor dicho, por su diferencia: el presupuesto de energía del módem

$$

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

Los parámetros restantes en la ecuación de rango describen las condiciones de propagación de la señal y los parámetros de los dispositivos alimentadores de antena, es decir. no tienen relación con el módem.
Entonces, para aumentar el rango de comunicación, es necesario elegir un módem con un valor grande $$$B_m$ . Click para ampliar $$$B_m$ a su vez, es posible aumentando $$$P_ {TXdBm}$ o reduciendo $$$P_ {RXdBm}$ . En la mayoría de los casos, los desarrolladores de vehículos aéreos no tripulados buscan un módem con alta potencia de transmisión y prestan poca atención a la sensibilidad del receptor, aunque debe hacer exactamente lo contrario. Un potente transmisor a bordo de un módem de banda ancha conlleva los siguientes problemas:

• alto consumo de energía;
• la necesidad de enfriamiento;
• deterioro de la compatibilidad electromagnética (EMC) con el resto del equipo a bordo del UAV;
• sigilo de baja energía.

Los dos primeros problemas están relacionados con el hecho de que los métodos modernos de transmisión de grandes cantidades de información por aire, por ejemplo OFDM, requieren un transmisor lineal . La eficiencia de los transmisores de radio lineales modernos es baja: 10-30%. Por lo tanto, el 70–90% de la energía preciosa de una fuente de alimentación UAV se convierte en calor, que debe eliminarse efectivamente del módem, porque de lo contrario fallará o su potencia de salida caerá debido al sobrecalentamiento en el momento más inoportuno. Por ejemplo, un transmisor de 2 W consumirá 6–20 W de una fuente de alimentación, de los cuales 4–18 W se convertirán en calor.

El secreto energético del enlace de radio es importante para aplicaciones especiales y militares. Bajo sigilo significa que la señal del módem es relativamente probable que sea detectada por el receptor de reconocimiento de la estación de interferencia. En consecuencia, la probabilidad de suprimir un enlace de radio con sigilo de baja energía también es grande.

La sensibilidad del receptor del módem caracteriza su capacidad para extraer información de las señales recibidas con un nivel de calidad dado. Los criterios de calidad pueden variar. Para los sistemas de comunicación digital, con mayor frecuencia utilizan la probabilidad de error por bit (tasa de error de bit - BER) o la probabilidad de error en el paquete de información (tasa de error de trama - FER). En realidad, esta sensibilidad es el nivel de la señal misma de la que se extraerá la información. Por ejemplo, una sensibilidad de −98 dBm en BER = 10 ⁻⁶ indica que la información con tal BER se puede extraer de una señal con un nivel de −98 dBm y que, por ejemplo, −99 dBm ya no proviene de una señal con un nivel. Por supuesto, una disminución en la calidad con una disminución en el nivel de señal ocurre gradualmente, pero debe tenerse en cuenta que la mayoría de los módems modernos son inherentes a los llamados. Un efecto de umbral en el cual una disminución en la calidad con una disminución en el nivel de señal por debajo de la sensibilidad ocurre muy rápidamente. Es suficiente reducir la señal en 1–2 dB por debajo de la sensibilidad, de modo que la BER aumente a 10 ⁻¹ , lo que significa que ya no verá video desde el UAV. El efecto umbral es una consecuencia directa del teorema de Shannon para un canal con ruido; no se puede eliminar. La destrucción de la información cuando el nivel de la señal disminuye por debajo de la sensibilidad se debe a la influencia del ruido que se genera dentro del propio receptor. El ruido interno del receptor no puede eliminarse por completo, pero es posible reducir su nivel o aprender a extraer información de manera eficiente de una señal ruidosa. Los fabricantes de módems utilizan ambos enfoques, mejorando las unidades de RF del receptor y mejorando los algoritmos de procesamiento de señal digital. Mejorar la sensibilidad del receptor del módem no conduce a un aumento tan dramático en el consumo de energía y disipación de calor como un aumento en la potencia del transmisor. Hay, por supuesto, un aumento en el consumo de energía y la generación de calor, pero es bastante modesto.

Se recomienda el siguiente algoritmo de selección de módem en términos de lograr el rango de comunicación deseado.

1. Decida el valor de la velocidad de transferencia de datos.
2. Elija el módem con la mejor sensibilidad para la velocidad requerida.
3. Determine el rango de comunicación por cálculo o durante el experimento.
4. Si el rango de comunicación es inferior al necesario, intente utilizar las siguientes medidas (organizadas en orden de prioridad decreciente):

• reducir pérdidas en cables de antena $$$L_ {TXdB}$ , $$$L_ {RXdB}$ aplicando un cable con menor atenuación lineal a la frecuencia de operación y / o reduciendo la longitud de los cables;
• aumentar la ganancia de antena $$$G_ {TXdB}$ , $$$G_ {RXdB}$ ;
• Aumentar la potencia del módem transmisor.

Los valores de sensibilidad dependen de la velocidad de transferencia de datos según la regla: mayor velocidad - peor sensibilidad. Por ejemplo, una sensibilidad de −98 dBm para una velocidad de 8 Mbps es mejor que una sensibilidad de −95 dBm para una velocidad de 12 Mbps. Puede comparar módems por sensibilidad solo para la misma velocidad de datos.

Los datos sobre la potencia del transmisor casi siempre están disponibles en las especificaciones de los módems, pero los datos sobre la sensibilidad del receptor están lejos de ser siempre o en un volumen insuficiente. Por lo menos, esta es una razón para ser cauteloso, porque los números hermosos apenas tienen sentido para esconderse. Además, sin publicar datos de sensibilidad, el fabricante priva al consumidor de la oportunidad de estimar el rango de comunicación mediante el cálculo antes de comprar un módem.

Velocidad de datos máxima

Elegir un módem para este parámetro es relativamente simple si los requisitos de velocidad están claramente definidos. Pero hay algunos matices.

Si el problema que se está resolviendo requiere garantizar el máximo rango de comunicación posible y al mismo tiempo es posible seleccionar una banda de frecuencia suficientemente amplia para el enlace de radio, entonces es mejor elegir un módem que admita una banda de frecuencia amplia (ancho de banda). El hecho es que la velocidad de información requerida se puede proporcionar en una banda relativamente estrecha de la banda de frecuencia debido al uso de tipos de modulación densos (16QAM, 64QAM, 256QAM, etc.), o en una banda de frecuencia amplia debido al uso de modulación de baja densidad (BPSK, QPSK ) El uso de modulación de baja densidad para tales tareas es preferible debido a la mayor inmunidad al ruido. Por lo tanto, la sensibilidad del receptor es mejor, respectivamente, aumenta el presupuesto de energía del módem y, como resultado, el rango de comunicación.

A veces, los fabricantes de UAV establecen la velocidad de información del enlace de radio mucho más que la velocidad de la fuente, literalmente 2 o más veces, argumentando que las fuentes como los códecs de video tienen una velocidad de bits variable y la velocidad del módem debe seleccionarse teniendo en cuenta las emisiones de velocidad de bits máxima. El rango de comunicación se reduce naturalmente. No debe usar este enfoque a menos que sea absolutamente necesario. La mayoría de los módems modernos tienen un búfer de gran capacidad en el transmisor que puede suavizar las emisiones de velocidad de bits sin pérdida de paquetes. Por lo tanto, no se requiere un margen de velocidad superior al 25%. Si hay razones para creer que la capacidad del búfer en el módem comprado es insuficiente y se requiere un aumento de velocidad significativamente mayor, entonces es mejor negarse a comprar dicho módem.

Retraso de datos

Al evaluar este parámetro, es importante separar el retraso relacionado con la transmisión de datos a través del enlace de radio del retraso creado por el dispositivo de codificación / decodificación de la fuente de información, por ejemplo, un códec de video. El retraso en el enlace de radio se compone de 3 valores.

1. Retraso debido al procesamiento de la señal en el transmisor y el receptor.
2. Retraso debido a la propagación de la señal del transmisor al receptor.
3. Retardo debido al almacenamiento en búfer de datos en el transmisor en dúplex por división de tiempo (TDD).

El retraso de tipo 1, según la experiencia del autor, varía de decenas de microsegundos a un milisegundo. El retraso del tipo 2 depende del rango de comunicación, por ejemplo, para un enlace de 100 km es igual a 333 μs. El retraso de tipo 3 depende de la longitud de la trama TDD y de la relación entre la duración del ciclo de transmisión y la duración total de la trama y puede variar de 0 a la duración de la trama, es decir, es una variable aleatoria. Si el paquete de información transmitida estaba en la entrada del transmisor cuando el módem estaba en el ciclo de transmisión, el paquete se transmitirá con un retraso cero de tipo 3. Si el paquete llega un poco tarde y el ciclo de recepción ya ha comenzado, se retrasará en el búfer del transmisor durante el ciclo de recepción. . Las longitudes de trama TDD típicas son de 2 a 20 ms, respectivamente, el retraso de tipo 3 en el peor de los casos no excederá de 20 ms. Por lo tanto, el retraso total en el enlace de radio estará dentro de 3-21 ms.

La mejor manera de conocer la latencia en un enlace de radio es un experimento a gran escala utilizando utilidades para evaluar el rendimiento de la red. No se recomienda medir la demora por el método de solicitud-respuesta, ya que la demora en las direcciones directa e inversa puede no ser la misma para los módems TDD.

Masa y parámetros generales

La elección de la unidad de módem a bordo según este criterio no requiere comentarios especiales: cuanto más pequeña y ligera sea la mejor. No se olvide de la necesidad de enfriar la unidad en el aire, se pueden requerir radiadores adicionales, respectivamente, el peso y las dimensiones también pueden aumentar. Aquí, se debe dar preferencia a bloques ligeros de pequeño tamaño con bajo consumo de energía.

Para el bloque de tierra, los parámetros dimensionales de masa no son tan críticos. La facilidad de uso y la instalación se destacan. La unidad de tierra debe ser un dispositivo que esté protegido de manera confiable contra influencias externas con un conveniente sistema de montaje en el mástil o trípode. Una buena opción cuando la unidad de tierra está integrada en una carcasa con una antena. Idealmente, la unidad de tierra debe conectarse al sistema de control a través de un conector conveniente. Esto lo salvará de palabras difíciles cuando necesite llevar a cabo el trabajo de implementación a una temperatura de −20 grados.

Requerimientos nutricionales

Las unidades a bordo, por regla general, se producen con soporte para una amplia gama de voltajes de suministro, por ejemplo, 7–30 V, que cubre la mayoría de las opciones de voltaje en la red de alimentación del UAV. Si tiene la opción de varios voltajes de suministro, dé preferencia al valor más bajo del voltaje de suministro. Como regla general, la fuente de alimentación interna de los módems se produce a partir de voltajes de 3.3 y 5.0 V a través de fuentes de alimentación secundarias. La eficiencia de estas fuentes de energía secundarias es mayor, cuanto menor es la diferencia entre la entrada y el voltaje interno del módem. Una mayor eficiencia significa un menor consumo de energía y disipación de calor.

Las unidades terrestres, en contraste, deben soportar energía de una fuente de voltaje relativamente alto. Esto permite utilizar un cable de alimentación con una sección transversal pequeña, lo que reduce el peso y simplifica la instalación. En igualdad de condiciones, dé preferencia a las unidades de tierra con soporte PoE (Power over Ethernet). En este caso, solo se necesita un cable Ethernet para conectar la unidad de tierra a la estación de control.

Control separado / canal de telemetría

Una oportunidad importante en los casos en que no queda espacio en el UAV para instalar un módem de telemetría de comando por separado. Si hay espacio, se puede usar un canal de control / telemetría separado del módem de banda ancha como respaldo. Al elegir un módem con esta opción, preste atención al módem que admite el protocolo requerido para la comunicación con el UAV (MAVLink o propietario) y la posibilidad de multiplexar los datos del canal de control / telemetría en una interfaz conveniente en la estación terrestre (NS). Por ejemplo, la unidad a bordo de un módem de banda ancha está conectada al piloto automático a través de una interfaz como RS232, UART o CAN, y la unidad de tierra está conectada a la computadora de control a través de una interfaz Ethernet a través de la cual es necesario intercambiar información telemétrica de comando y video. En este caso, el módem debe poder multiplexar el flujo de telemetría de comando entre las interfaces RS232, UART o CAN de la unidad aérea y la interfaz Ethernet de la unidad terrestre.

Otros parámetros a los que prestar atención

La presencia del modo dúplex. Los módems de banda ancha para UAV admiten modos de operación simplex o dúplex. En el modo simplex, los datos se pueden transmitir solo en la dirección del UAV al NS, y en dúplex, en ambas direcciones. Por lo general, los módems simplex tienen un códec de video incorporado y están diseñados para funcionar con cámaras que no tienen un códec de video. Un módem simplex no es adecuado para conectarse a una cámara IP ni a ningún otro dispositivo que requiera una conexión IP. Por el contrario, un módem dúplex generalmente está diseñado para conectar la red IP incorporada del UAV a la red IP NS, es decir, admite cámaras IP y otros dispositivos IP, pero puede que no tenga un códec de video incorporado, ya que las cámaras IP generalmente tienen tu códec de video. La compatibilidad con Ethernet solo está disponible en módems dúplex.

Recepción de diversidad (diversidad RX). La presencia de esta función es necesaria para garantizar una comunicación continua durante toda la distancia de vuelo. Al propagarse por encima de la superficie de la Tierra, las ondas de radio llegan al punto de recepción en dos rayos: a lo largo de un camino directo y con reflexión desde la superficie. Si la adición de ondas de dos rayos ocurre en fase, entonces el campo en el punto de recepción se amplifica, y si está en antifase, se debilita. El debilitamiento puede ser muy significativo, hasta la pérdida completa de comunicación. La presencia de dos antenas a diferentes alturas en el NS ayuda a resolver este problema, porque si en la ubicación de una antena los rayos se agregan en antifase, entonces en la ubicación de la otra, no. Como resultado, puede lograr una conexión estable en toda la distancia.

Topologías de red compatibles. Es aconsejable elegir un módem que brinde soporte no solo para topologías punto a punto (PTP), sino también para topologías punto a multipunto (PMP) y topologías de relé (relé, repetidor). El uso del relé a través de un UAV adicional puede expandir significativamente el área de cobertura del UAV principal. El soporte de PMP permitirá recibir información simultáneamente de varios UAV en un NS. Tenga en cuenta también que la compatibilidad con PMP y retransmisión requerirá un mayor ancho de banda del módem en comparación con el caso de comunicación con un UAV. Por lo tanto, se recomienda que seleccione un módem con soporte para una banda de frecuencia amplia (al menos 15–20 MHz) para estos modos.

Disponibilidad de potenciadores de la inmunidad al ruido. Una opción útil, dada la situación de interferencia tensa en los lugares donde se utiliza el UAV. Por inmunidad al ruido entendemos la capacidad de un sistema de comunicación para realizar su función cuando hay interferencia de origen artificial o natural en el canal de comunicación. Hay dos enfoques para lidiar con la interferencia. Enfoque 1: diseñe el receptor de módem para que pueda recibir información con confianza incluso si hay interferencia en la banda del canal de comunicación a costa de una reducción en la velocidad de transferencia de información. Enfoque 2: suprima o reduzca la interferencia en la entrada del receptor. Ejemplos de la implementación del primer enfoque son los sistemas de expansión del espectro, a saber: salto de frecuencia (FH), expansión del espectro con una secuencia pseudoaleatoria (DSSS) o un híbrido de los mismos. La tecnología FH se ha generalizado en los canales de control de UAV debido al pequeño tamaño de la velocidad de datos requerida en dicho canal de comunicación. Por ejemplo, para una velocidad de 16 kbit / s en la banda de 20 MHz, se pueden organizar alrededor de 500 posiciones de frecuencia, lo que le permite protegerse de manera confiable de la interferencia de banda estrecha.El uso de FH para un canal de banda ancha es problemático debido a la banda de frecuencia demasiado grande resultante. Por ejemplo, para obtener 500 posiciones de frecuencia cuando trabaja con una señal con un ancho de banda de 4 MHz, ¡necesita 2 GHz de banda libre! Demasiado para ser una realidad. Usar DSSS para un canal de comunicación de banda ancha con un UAV es más relevante. En esta tecnología, cada bit de información se duplica simultáneamente en varias (o incluso todas) frecuencias en la banda de señal y, en presencia de interferencia de banda estrecha, se puede extraer de partes del espectro no afectadas por la interferencia. El uso de DSSS, así como FH, implica que si se produce interferencia en el canal, se requerirá una disminución en la velocidad de transferencia de datos. Sin embargo, es obvio que es mejor recibir video del UAV en una resolución más baja que nada. Enfoque 2 utiliza el hechoque la interferencia, a diferencia del ruido interno del receptor, ingresa al enlace de radio desde el exterior y, si hay ciertos medios en el módem, puede suprimirse. La supresión de interferencia es posible si se localiza en las regiones espectrales, temporales o espaciales. Por ejemplo, una interferencia de banda estrecha se localiza en la región espectral y se puede "cortar" del espectro utilizando un filtro especial. Del mismo modo, el ruido de impulso se localiza en el dominio del tiempo, para suprimirlo, el área afectada se elimina de la señal de entrada del receptor. Si la interferencia no es de banda estrecha o pulsada, entonces es posible usar un supresor espacial para suprimirla, porque la interferencia ingresa a la antena receptora desde la fuente desde cierta dirección. Si, en dirección a la fuente de interferencia, coloque el patrón de radiación cero de la antena receptora,entonces la interferencia será suprimida. Dichos sistemas se denominan sistemas adaptativos de haz y anulación de haz. Dichos sistemas no se utilizan en los módems de banda ancha conocidos por el autor para los UAV, aunque nada les impide aparecer en el futuro.

El protocolo de radio utilizado. Los fabricantes de módems pueden usar un estándar (WiFi, DVB-T) o un protocolo de radio patentado. Este parámetro rara vez se indica en las especificaciones. El uso de DVB-T está indirectamente indicado por las bandas de frecuencia admitidas 2/4/6/7/8, a veces 10 MHz, y la mención en el texto de la especificación de la tecnología COFDM (OFDM codificada) en la que OFDM se utiliza junto con la codificación de corrección de errores. En el camino, notamos que COFDM es un eslogan puramente publicitario y no tiene ninguna ventaja sobre OFDM, porque OFDM nunca se aplica en la práctica sin codificación resistente al ruido. Ecualice entre COFDM y OFDM cuando vea estas abreviaturas en las especificaciones de los módems de radio.

Los módems que usan el protocolo estándar generalmente se construyen sobre la base de un chip especializado (WiFi, DVB-T) que funciona junto con un microprocesador. El uso de un chip especializado elimina muchos dolores de cabeza del fabricante del módem asociado con el desarrollo, modelado, implementación y prueba de su propio protocolo de radio. El microprocesador se utiliza para proporcionar al módem la funcionalidad necesaria. Tales módems tienen las siguientes ventajas.

1. Precio bajo
2. Buenas dimensiones totales.
3. Bajo consumo de energía.

Las desventajas también están disponibles.

1. Incapacidad para cambiar las características de la interfaz de radio cambiando el firmware.
2. Baja estabilidad de suministro a largo plazo.
3. Capacidad limitada para proporcionar soporte técnico calificado en la resolución de tareas no estándar.

La baja estabilidad del suministro se debe al hecho de que los fabricantes de chips están orientados principalmente a los mercados masivos (televisores, computadoras, etc.). Los fabricantes de módems UAV no son una prioridad para ellos y de ninguna manera pueden influir en la decisión del fabricante de chips de detener la producción sin un reemplazo adecuado para otro producto. Esta característica se ve reforzada por la tendencia de empaquetar las interfaces de radio en microcircuitos especializados del tipo "System on a Chip" (System on Chip - SoC), en relación con los cuales los chips de interfaz de radio individuales se están eliminando gradualmente del mercado de semiconductores.

Las oportunidades limitadas en la prestación de asistencia técnica se deben al hecho de que los equipos de desarrollo de módems basados ​​en un protocolo de radio estándar están bien equipados con especialistas principalmente en electrónica y tecnología de microondas. Los especialistas en radio pueden no estar allí en absoluto, ya que no hay problemas para ellos que deban abordarse. Por lo tanto, los fabricantes de vehículos aéreos no tripulados que buscan soluciones para tareas de radiocomunicaciones no triviales pueden sentirse decepcionados en términos de consulta y asistencia técnica.

Los módems que utilizan un protocolo de radio patentado se basan en chips universales de procesamiento de señales analógicas y digitales. La estabilidad de suministro de tales chips es muy alta. Es cierto que el precio también es alto. Tales módems tienen las siguientes ventajas.

1. Amplias posibilidades de adaptar el módem a las necesidades del cliente, incluida la adaptación de la interfaz de radio cambiando el firmware.
2. Características adicionales de la interfaz de radio, interesantes para usar en UAV y ausentes en módems construidos sobre la base de protocolos de radio estándar.
3. Alta estabilidad de suministro, incl. a la larga
4. Alto nivel de soporte técnico, incluidas tareas no estándar.

Desventajas

1. El alto precio.
2. Los parámetros de masa y dimensionales pueden ser peores que los módems en protocolos de radio estándar.
3. Mayor consumo de energía de la unidad de procesamiento de señal digital.

Datos técnicos de algunos módems para UAV

La tabla muestra los parámetros técnicos de algunos módems para UAV disponibles en el mercado.

Tenga en cuenta que aunque el módem 3D Link tiene la potencia más baja del transmisor en comparación con los módems Picoradio OEM y J11 (25 dBm frente a 27-30 dBm), el presupuesto de energía del enlace 3D es más alto que el de estos módems debido a la alta sensibilidad del receptor (a la misma velocidad de transferencia de datos para los módems comparados). Por lo tanto, el rango de comunicación cuando se usa 3D Link será más largo con un mejor sigilo de energía.

Mesa. Datos técnicos de algunos módems de banda ancha para UAV y robótica.

* n / a: sin datos.