Como escolher um modem de banda larga para um veículo aéreo não tripulado (UAV) ou robótica

A tarefa de transferir uma grande quantidade de dados de um veículo aéreo não tripulado (UAV) ou robótica em terra não é incomum em aplicações modernas. Este artigo discute os critérios para escolher modems de banda larga e problemas relacionados. Este artigo foi escrito para desenvolvedores de UAV e robótica.

Critérios de seleção

Os principais critérios para a escolha de um modem de banda larga para UAVs ou robótica são.

1. Alcance de comunicação.
2. Taxa máxima de dados.
3. Atraso na transferência de dados.
4. Massa e parâmetros gerais.
5. Interfaces de informações suportadas.
6. Exigências nutricionais.
7. Canal de controle / telemetria separado.

Alcance de comunicação

O alcance da comunicação depende não apenas do modem, mas também de antenas, cabos de antena, condições de propagação de ondas de rádio, interferência externa e outros motivos. Para separar os parâmetros do próprio modem de outros parâmetros que afetam o alcance da comunicação, consideramos a equação do alcance [Kalinin AI, Cherenkova EL Propagação de ondas de rádio e operação de link de rádio. Comunicação Moscovo 1971]

$$

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

onde
$$$R$ - o alcance de comunicação desejado em metros;
$$$F$ - frequência em Hz;
$$$P_ {TXdBm}$ - potência do transmissor do modem em dBm;
$$$G_ {TXdB}$ - ganho da antena do transmissor em dB;
$$$L_ {TXdB}$ - perdas no cabo do modem para a antena do transmissor em dB;
$$$G_ {RXdB}$ - ganho da antena do receptor em dB;
$$$L_ {RXdB}$ - perda de cabo do modem para a antena do receptor em dB;
$$$P_ {RXdBm}$ - sensibilidade do receptor do modem em dBm;
$$$| V | _ {dB}$ - fator de atenuação, levando em consideração perdas adicionais devido à influência da superfície da Terra, vegetação, atmosfera e outros fatores em dB.

A partir da equação do alcance, pode ser visto que o alcance depende apenas de dois parâmetros do modem: potência do transmissor $$$P_ {TXdBm}$ e sensibilidade do receptor $$$P_ {RXdBm}$ , ou melhor, pela diferença - o orçamento de energia do modem

$$

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

Os parâmetros restantes na equação da faixa descrevem as condições de propagação do sinal e os parâmetros dos dispositivos alimentadores de antena, ou seja, não tem relação com o modem.
Portanto, para aumentar o alcance da comunicação, é necessário escolher um modem de grande valor $$$B_m$ . Clique para ampliar $$$B_m$ por sua vez, é possível aumentando $$$P_ {TXdBm}$ ou reduzindo $$$P_ {RXdBm}$ . Na maioria dos casos, os desenvolvedores de UAV procuram um modem com alta potência de transmissor e prestam pouca atenção à sensibilidade do receptor, embora você precise fazer exatamente o oposto. Um poderoso transmissor integrado de um modem de banda larga envolve os seguintes problemas:

• alto consumo de energia;
• a necessidade de refrigeração;
• deterioração da compatibilidade eletromagnética (EMC) com o restante do equipamento de bordo do UAV;
• discrição de baixa energia.

Os dois primeiros problemas estão relacionados ao fato de que métodos modernos de transmissão de grandes quantidades de informações pelo ar, por exemplo OFDM, requerem um transmissor linear . A eficiência dos transmissores de rádio lineares modernos é baixa: 10-30%. Assim, 70-90% da energia preciosa de uma fonte de alimentação de UAV é convertida em calor, que deve ser efetivamente removida do modem, porque, caso contrário, ela falhará ou sua potência de saída cairá devido ao superaquecimento no momento mais inoportuno. Por exemplo, um transmissor de 2 W consumirá 6 a 20 W de uma fonte de energia, dos quais 4 a 18 W serão convertidos em calor.

O sigilo energético do link de rádio é importante para aplicações militares e especiais. Discrição baixa significa que o sinal do modem é relativamente provável de ser detectado pelo receptor de reconhecimento da estação de interferência. Consequentemente, a probabilidade de suprimir um link de rádio com discrição de baixa energia também é grande.

A sensibilidade do receptor do modem caracteriza sua capacidade de extrair informações dos sinais recebidos com um determinado nível de qualidade. Os critérios de qualidade podem variar. Para sistemas de comunicação digital, eles costumam usar a probabilidade de erro por bit (taxa de erro de bits - BER) ou a probabilidade de erro no pacote de informações (taxa de erro de quadro - FER). Na verdade, essa sensibilidade é o nível do próprio sinal do qual a informação deve ser extraída. Por exemplo, uma sensibilidade de -98 dBm em BER = 10 ^-6 indica que informações com esse BER podem ser extraídas de um sinal com nível de -98 dBm e que, por exemplo, -99 dBm não é mais de um sinal com nível. Obviamente, uma diminuição na qualidade com uma diminuição no nível do sinal ocorre gradualmente, mas deve-se ter em mente que a maioria dos modems modernos são inerentes aos chamados. um efeito limiar no qual uma diminuição na qualidade com uma diminuição no nível do sinal abaixo da sensibilidade ocorre muito rapidamente. É suficiente reduzir o sinal em 1-2 dB abaixo da sensibilidade, para que o BER aumente para ^10-1 , o que significa que você não verá mais o vídeo do UAV. O efeito limiar é uma conseqüência direta do teorema de Shannon para um canal com ruído e não pode ser eliminado. A destruição de informações quando o nível do sinal diminui abaixo da sensibilidade é devida à influência do ruído gerado dentro do próprio receptor. O ruído interno do receptor não pode ser completamente eliminado, mas é possível reduzir seu nível ou aprender a extrair informações com eficiência de um sinal barulhento. Os fabricantes de modem usam essas duas abordagens, aprimorando as unidades de RF do receptor e aprimorando os algoritmos de processamento de sinal digital. Melhorar a sensibilidade do receptor de modem não leva a um aumento tão dramático no consumo de energia e na dissipação de calor como um aumento na potência do transmissor. Obviamente, há um aumento no consumo de energia e na geração de calor, mas é bastante modesto.

O seguinte algoritmo de seleção de modem é recomendado em termos de alcance do alcance de comunicação desejado.

1. Decida o valor da taxa de transferência de dados.
2. Escolha o modem com a melhor sensibilidade para a velocidade necessária.
3. Determine o alcance da comunicação por cálculo ou durante o experimento.
4. Se o alcance da comunicação for menor que o necessário, tente usar as seguintes medidas (organizadas em ordem decrescente de prioridade):

• reduzir perdas em cabos de antena $$$L_ {TXdB}$ , $$$L_ {RXdB}$ aplicando um cabo com menor atenuação linear na frequência de operação e / ou reduzindo o comprimento dos cabos;
• aumentar o ganho da antena $$$G_ {TXdB}$ , $$$G_ {RXdB}$ ;
• aumentar a potência do transmissor do modem.

Os valores de sensibilidade dependem da taxa de transferência de dados de acordo com a regra: velocidade mais alta - pior sensibilidade. Por exemplo, uma sensibilidade de -98 dBm para uma velocidade de 8 Mbps é melhor que uma sensibilidade de -95 dBm para uma velocidade de 12 Mbps. Você pode comparar modems por sensibilidade apenas para a mesma taxa de dados.

Os dados sobre a potência do transmissor estão quase sempre disponíveis nas especificações dos modems, mas os dados sobre a sensibilidade do receptor estão longe de ser sempre ou em volume insuficiente. No mínimo, essa é uma razão para ser cauteloso, porque números bonitos dificilmente fazem sentido se esconder. Além disso, sem publicar dados confidenciais, o fabricante priva o consumidor da oportunidade de estimar o alcance da comunicação por cálculo antes de comprar um modem.

Taxa máxima de dados

A escolha de um modem para esse parâmetro é relativamente simples se os requisitos de velocidade estiverem claramente definidos. Mas existem algumas nuances.

Se o problema que está sendo resolvido exigir a garantia da faixa de comunicação máxima possível e, ao mesmo tempo, for possível selecionar uma banda de frequência suficientemente ampla para o link de rádio, é melhor escolher um modem que suporte uma banda de frequência ampla (largura de banda). O fato é que a velocidade da informação necessária pode ser fornecida em uma faixa relativamente estreita da banda de frequência devido ao uso de tipos de modulação densa (16QAM, 64QAM, 256QAM, etc.) ou em uma ampla faixa de frequência devido ao uso de modulação de baixa densidade (BPSK, QPSK ) O uso de modulação de baixa densidade para essas tarefas é preferível devido à maior imunidade ao ruído. Portanto, a sensibilidade do receptor é melhor, respectivamente, aumenta o orçamento de energia do modem e, como resultado, o alcance da comunicação.

Às vezes, os fabricantes de UAV definem a velocidade da informação do link de rádio muito mais do que a velocidade da fonte, literalmente 2 ou mais vezes, argumentando que fontes como codecs de vídeo têm uma taxa de bits variável e a velocidade do modem deve ser selecionada levando em consideração as emissões máximas de taxa de bits. O alcance da comunicação nesse caso, é claro, diminui. Você não deve usar essa abordagem, a menos que seja absolutamente necessário. A maioria dos modems modernos possui um buffer amplo no transmissor que pode suavizar as emissões de taxa de bits sem perda de pacotes. Portanto, não é necessária uma margem de velocidade superior a 25%. Se houver motivos para acreditar que a capacidade do buffer no modem adquirido é insuficiente e é necessário um aumento de velocidade significativamente maior, é melhor recusar a compra desse modem.

Atraso nos dados

Ao avaliar esse parâmetro, é importante separar o atraso relacionado à transmissão de dados através do link de rádio do atraso criado pelo dispositivo de codificação / decodificação da fonte de informação, por exemplo, um codec de vídeo. O atraso no link de rádio é composto por 3 valores.

1. Atraso devido ao processamento do sinal no transmissor e no receptor.
2. Atraso devido à propagação do sinal do transmissor para o receptor.
3. Atraso devido ao buffer de dados no transmissor em time division duplex (TDD).

O atraso do tipo 1, de acordo com a experiência do autor, varia de dezenas de microssegundos a um milissegundo. O atraso do tipo 2 depende do alcance da comunicação, por exemplo, para um enlace de 100 km é igual a 333 μs. O atraso do tipo 3 depende do comprimento do quadro TDD e da razão entre a duração do ciclo de transmissão e a duração total do quadro e pode variar de 0 à duração do quadro, ou seja, é uma variável aleatória. Se o pacote de informações transmitidas estava na entrada do transmissor quando o modem estava no ciclo de transmissão, o pacote será transmitido com um atraso zero do tipo 3. Se o pacote estiver um pouco atrasado e o ciclo de recepção já tiver iniciado, ele será atrasado no buffer do transmissor durante o ciclo de recepção. . Os comprimentos típicos de quadros TDD são de 2 a 20 ms, respectivamente, o atraso do tipo 3, na pior das hipóteses, não excederá 20 ms. Assim, o atraso total no link de rádio será de 3-21 ms.

A melhor maneira de conhecer a latência em um link de rádio é um experimento em larga escala usando utilitários para avaliar o desempenho da rede. Não é recomendável medir o atraso pelo método de solicitação-resposta, pois o atraso nas direções de avanço e reversão pode não ser o mesmo para os modems TDD.

Massa e parâmetros gerais

A escolha da unidade de modem a bordo por esse critério não requer comentários especiais: quanto menor e mais leve, melhor. Não se esqueça da necessidade de esfriar a unidade transportada por via aérea, podem ser necessários radiadores adicionais, respectivamente, o peso e as dimensões também podem aumentar. Aqui, deve-se dar preferência a blocos pequenos e leves, com baixo consumo de energia.

Para o bloco de aterramento, os parâmetros dimensionais da massa não são tão críticos. A facilidade de uso e instalação vem à tona. A unidade de aterramento deve ser um dispositivo protegido de maneira confiável contra influências externas, com um sistema de montagem conveniente no mastro ou no tripé. Uma boa opção quando a unidade de terra é integrada em um compartimento com uma antena. Idealmente, a unidade de terra deve ser conectada ao sistema de controle através de um conector conveniente. Isso evitará palavras difíceis quando você precisar executar o trabalho de implantação a uma temperatura de -20 graus.

Exigências nutricionais

Normalmente, as unidades de bordo são produzidas com suporte para uma ampla faixa de tensões de alimentação, por exemplo, 7 a 30 V, que cobre a maioria das opções de tensão na rede de energia do UAV. Se você tiver várias opções de tensão de alimentação, dê preferência ao valor mais baixo da tensão de alimentação. Como regra, a fonte de alimentação interna dos modems é produzida a partir das tensões 3,3 e 5,0 V através de fontes de energia secundárias. A eficiência dessas fontes de energia secundárias é maior, menor a diferença entre a entrada e a tensão interna do modem. Maior eficiência significa menor consumo de energia e dissipação de calor.

As unidades terrestres, ao contrário, devem suportar energia de uma fonte de tensão relativamente alta. Isso possibilita o uso de um cabo de alimentação com uma pequena seção transversal, o que reduz o peso e simplifica a instalação. Em outras situações, dê preferência às unidades de terra com suporte a PoE (Power over Ethernet). Nesse caso, apenas um cabo Ethernet é necessário para conectar a unidade de terra à estação de controle.

Canal de controle / telemetria separado

Uma oportunidade importante nos casos em que não há espaço no UAV para instalar um modem de telemetria de comando separado. Se houver espaço, um canal de controle / telemetria separado do modem de banda larga pode ser usado como backup. Ao escolher um modem com esta opção, preste atenção ao modem que suporta o protocolo necessário para comunicação com o UAV (MAVLink ou proprietário) e a possibilidade de multiplexar os dados do canal de controle / telemetria em uma interface conveniente na estação terrestre (NS). Por exemplo, a unidade de bordo de um modem de banda larga é conectada ao piloto automático através de uma interface como RS232, UART ou CAN, e a unidade de terra é conectada ao computador de controle através de uma interface Ethernet através da qual é necessário trocar informações de vídeo e telemetria de comando. Nesse caso, o modem deve poder multiplexar o fluxo de telemetria de comando entre as interfaces RS232, UART ou CAN da unidade transportada por via aérea e a interface Ethernet da unidade de aterramento.

Outros parâmetros para prestar atenção

A presença do modo duplex. Modems de banda larga para UAVs suportam modos de operação simplex ou duplex. No modo simplex, os dados podem ser transmitidos apenas na direção do UAV para o NS e em frente e verso - nas duas direções. Normalmente, os modems simplex têm um codec de vídeo embutido e são projetados para funcionar com câmeras que não possuem um codec de vídeo. Um modem simples não é adequado para conectar-se a uma câmera IP ou a qualquer outro dispositivo que exija uma conexão IP. Pelo contrário, um modem duplex é geralmente projetado para conectar a rede IP integrada do UAV à rede IP NS, ou seja, suporta câmeras IP e outros dispositivos IP, mas pode não ter um codec de vídeo embutido, pois as câmeras IP geralmente possuem seu codec de vídeo. O suporte a Ethernet está disponível apenas em modems duplex.

Recepção de diversidade (diversidade RX). A presença desse recurso é necessária para garantir a comunicação contínua em toda a distância do voo. Quando se propagam acima da superfície da Terra, as ondas de rádio chegam ao ponto de recepção em dois raios: ao longo de um caminho direto e com reflexão da superfície. Se a adição de ondas de dois raios ocorre em fase, o campo no ponto de recebimento é amplificado e, na antifase, é enfraquecido. O enfraquecimento pode ser muito significativo - até a completa perda de comunicação. A presença de duas antenas em alturas diferentes no NS ajuda a resolver esse problema, porque se no local de uma antena os raios são adicionados na fase antifásica, e no local da outra, não. Como resultado, você pode obter uma conexão estável a toda a distância.

Topologias de rede suportadas. É recomendável escolher um modem que ofereça suporte não apenas para topologias ponto a ponto (PTP), mas também para topologias ponto a multiponto (PMP) e topologias de relé (relé, repetidor). O uso do relé através de um UAV adicional pode expandir significativamente a área de cobertura do UAV principal. O suporte ao PMP permitirá receber informações simultaneamente de vários UAVs em um NS. Observe também que o suporte ao PMP e ao relé exigirá maior largura de banda do modem em comparação com o caso de comunicação com um UAV. Portanto, é recomendável que você selecione um modem com suporte para uma ampla faixa de frequência (pelo menos 15–20 MHz) para esses modos.

Disponibilidade de melhoradores de imunidade ao ruído. Uma opção útil, dada a situação de interferência tensa nos locais onde o UAV é usado. Por imunidade a ruídos, entendemos a capacidade de um sistema de comunicação desempenhar sua função quando há interferência de origem artificial ou natural no canal de comunicação. Existem duas abordagens para lidar com interferências. Abordagem 1: projete o receptor do modem para que ele possa receber informações com segurança, mesmo se houver interferência na banda do canal de comunicação, ao custo de alguma redução na taxa de transferência de informações. Abordagem 2: Suprimir ou reduzir a interferência na entrada do receptor. Exemplos da implementação da primeira abordagem são sistemas de expansão de espectro, a saber: salto de frequência (FH), expansão de espectro com uma sequência pseudo-aleatória (DSSS) ou um híbrido do mesmo. A tecnologia FH tornou-se difundida nos canais de controle de UAV devido ao pequeno tamanho da taxa de dados necessária em um canal de comunicação. Por exemplo, para uma velocidade de 16 kbit / s na banda de 20 MHz, podem ser organizadas cerca de 500 posições de frequência, o que permite que você se proteja de maneira confiável contra interferências de banda estreita.O uso de FH para um canal de banda larga é problemático devido à resultante banda de frequência muito grande. Por exemplo, para obter 500 posições de frequência ao trabalhar com um sinal com largura de banda de 4 MHz, você precisa de 2 GHz de banda livre! Demais para ser uma realidade. O uso do DSSS para um canal de comunicação de banda larga com um UAV é mais relevante. Nesta tecnologia, cada bit de informação é duplicado simultaneamente em várias (ou mesmo todas) frequências na banda do sinal e, na presença de interferência em banda estreita, pode ser extraído de partes do espectro não afetadas pela interferência. O uso do DSSS, assim como do FH, implica que, se ocorrer interferência no canal, será necessária uma diminuição na taxa de transferência de dados. No entanto, é óbvio que é melhor receber vídeo do UAV em resolução mais baixa do que nada. A abordagem 2 usa o fatoque a interferência, ao contrário do ruído interno do receptor, entra no link do rádio a partir do exterior e, se houver certos meios no modem, pode ser suprimida. A supressão de interferências é possível se estiver localizada nas regiões espectral, temporal ou espacial. Por exemplo, uma interferência de banda estreita é localizada na região espectral e pode ser "cortada" do espectro usando um filtro especial. Da mesma forma, o ruído de impulso é localizado no domínio do tempo. Para suprimi-lo, a área afetada é removida do sinal de entrada do receptor. Se a interferência não for de banda estreita ou pulsada, é possível usar um supressor espacial para suprimi-lo, porque a interferência entra na antena receptora da fonte a partir de uma determinada direção. Se, na direção da fonte de interferência, coloque o padrão de radiação zero da antena receptora,então a interferência será suprimida. Esses sistemas são chamados de sistemas de formação de feixe adaptáveis ​​e sistemas de nulificação de feixe. Esses sistemas não são usados ​​nos modems de banda larga conhecidos pelo autor para os UAVs, embora nada os impeça de aparecer no futuro.

O protocolo de rádio usado. Os fabricantes de modem podem usar um protocolo de rádio padrão (WiFi, DVB-T) ou proprietário. Este parâmetro raramente é indicado nas especificações. O uso do DVB-T é indiretamente indicado pelas bandas de frequência suportadas 2/4/6/7/8, às vezes 10 MHz, e a menção no texto da especificação da tecnologia COFDM (OFDM codificada) na qual OFDM é usado em conjunto com a codificação de correção de erros. Ao longo do caminho, observamos que o COFDM é um slogan puramente publicitário e não tem nenhuma vantagem sobre o OFDM, porque o OFDM nunca é aplicado na prática sem codificação resistente ao ruído. Equalize entre COFDM e OFDM quando vir essas abreviações nas especificações dos modems de rádio.

Modems que usam o protocolo padrão geralmente são construídos com base em um chip especializado (WiFi, DVB-T) que funciona em conjunto com um microprocessador. O uso de um chip especializado remove muita dor de cabeça do fabricante do modem associado ao desenvolvimento, modelagem, implementação e teste de seu próprio protocolo de rádio. O microprocessador é usado para fornecer ao modem a funcionalidade necessária. Esses modems têm as seguintes vantagens.

1. Preço baixo
2. Boas dimensões gerais.
3. Baixo consumo de energia.

Desvantagens também estão disponíveis.

1. Incapacidade de alterar as características da interface de rádio alterando o firmware.
2. Baixa estabilidade de fornecimento a longo prazo.
3. Capacidade limitada de fornecer suporte técnico qualificado na resolução de tarefas fora do padrão.

A baixa estabilidade do suprimento se deve ao fato de os fabricantes de chips serem orientados principalmente para os mercados de massa (televisores, computadores etc.). Os fabricantes de modem UAV não são uma prioridade para eles e não podem de forma alguma influenciar a decisão do fabricante de chips de interromper a produção sem a substituição adequada de outro produto. Esse recurso é reforçado pela tendência de empacotar interfaces de rádio em microcircuitos especializados do tipo “Sistema em um Chip” (System on Chip - SoC), em conexão com o qual os chips de interface de rádio individuais estão sendo gradualmente removidos do mercado de semicondutores.

As oportunidades limitadas no fornecimento de suporte técnico devem-se ao fato de que as equipes de desenvolvimento de modems baseados em um protocolo de rádio padrão estão bem equipadas com especialistas principalmente em eletrônica e tecnologia de microondas. Os especialistas em rádio podem não estar presentes, pois não há problemas para eles que precisem ser abordados. Portanto, os fabricantes de UAV que procuram soluções para tarefas não triviais de radiocomunicação podem ficar desapontados em termos de consulta e assistência técnica.

Modems usando um protocolo de rádio proprietário são construídos com base em chips de processamento de sinal analógico e digital universal. A estabilidade de fornecimento desses chips é muito alta. É verdade que o preço também é alto. Esses modems têm as seguintes vantagens.

1. Amplas possibilidades de adaptar o modem às necessidades do cliente, incluindo a adaptação da interface de rádio, alterando o firmware.
2. Recursos adicionais da interface de rádio, interessantes para uso em UAVs e ausentes em modems criados com base em protocolos de rádio padrão.
3. Alta estabilidade de fornecimento, incl. a longo prazo.
4. Alto nível de suporte técnico, incluindo tarefas fora do padrão.

Desvantagens.

1. O preço alto.
2. Os parâmetros de massa e dimensionais podem ser piores que os dos modems nos protocolos de rádio padrão.
3. Maior consumo de energia da unidade de processamento de sinal digital.

Dados técnicos de alguns modems para UAVs

A tabela mostra os parâmetros técnicos de alguns modems para UAVs disponíveis no mercado.

Observe que, embora o modem 3D Link tenha a menor potência do transmissor em comparação com os modems Picoradio OEM e J11 (25 dBm versus 27-30 dBm), o orçamento de energia do 3D Link é maior que o desses modems devido à alta sensibilidade do receptor (em a mesma taxa de transferência de dados para os modems comparados). Assim, o alcance da comunicação ao usar o 3D Link será maior com melhor discrição de energia.

Tabela Dados técnicos de alguns modems de banda larga para UAVs e robótica

* n / a - sem dados.