無人航空機（UAV）またはロボット用のブロードバンドモデムを選択する方法

無人航空機（UAV）または地上ロボットから大量のデータを転送するタスクは、現代のアプリケーションでは珍しいことではありません。 この記事では、ブロードバンドモデムの選択基準と関連する問題について説明します。 この記事は、UAVおよびロボット工学の開発者向けに書かれています。

選択基準

UAVまたはロボット用のブロードバンドモデムを選択する主な基準は次のとおりです。

1. 通信範囲。
2. 最大データ転送速度。
3. データ転送の遅延。
4. 質量および全体的なパラメーター。
5. サポートされている情報インターフェイス。
6. 栄養要件。
7. 個別の制御/テレメトリチャネル。

通信範囲

通信範囲は、モデムだけでなく、アンテナ、アンテナケーブル、電波伝搬条件、外部干渉などの理由にも依存します。 モデム自体のパラメーターを通信範囲に影響する他のパラメーターから分離するために、範囲方程式[Kalinin AI、Cherenkova EL 電波の伝播と無線リンクの動作。 コミュニケーション モスクワ 1971]

$$

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

どこで

$$$R$ -希望する通信範囲（メートル）;

$$$F$ -Hz単位の周波数。

$$$P_ {TXdBm}$ -dBm単位のモデム送信機電力。

$$$G_ {TXdB}$ -dB単位の送信機アンテナゲイン。

$$$L_ {TXdB}$ -モデムから送信機アンテナへのケーブルの損失（dB）;

$$$G_ {RXdB}$ -dB単位の受信機アンテナゲイン。

$$$L_ {RXdB}$ -モデムから受信機アンテナへのケーブルの損失（dB）;

$$$P_ {RXdBm}$ -dBm単位のモデムレシーバーの感度。

$$$| V | _ {dB}$ -減衰係数。地表、植生、大気、その他のdB単位の影響による追加の損失を考慮に入れます。



範囲の式から、範囲はモデムの2つのパラメーターのみに依存することがわかります。 $$$P_ {TXdBm}$ および受信機の感度 $$$P_ {RXdBm}$ むしろ、違いから-モデムのエネルギー収支

$$

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

範囲方程式の残りのパラメーターは、信号の伝搬条件とアンテナフィーダーデバイスのパラメーターを表します。 モデムとは関係ありません。

そのため、通信範囲を拡大するには、大きな値を持つモデムを選択する必要があります $$$B_m$ 。 クリックして拡大 $$$B_m$ 順番に、それは増加することによって可能です $$$P_ {TXdBm}$ または減らすことにより $$$P_ {RXdBm}$ 。 ほとんどの場合、UAV開発者は送信機の出力が高いモデムを探しており、受信機の感度にはほとんど注意を払っていませんが、まったく逆のことが必要です。 強力なオンボードブロードバンドモデムトランスミッターには、次の問題が伴います。

• 高電力消費;
• 冷却の必要性;
• UAVのその他の搭載機器との電磁適合性（EMC）の劣化。
• 低エネルギーステルス。

最初の2つの問題は、OFDMなどの大量の情報を無線で送信する最新の方法では、 リニア送信機が必要であるという事実に関連しています。 最新のリニア無線送信機の効率は低く、10〜30％です。 したがって、UAV電源の貴重なエネルギーの70〜90％が熱に変換されます。熱はモデムから効果的に除去する必要があります。そうしないと、故障したり、不適切な瞬間の過熱により出力が低下したりするためです。 たとえば、2 Wトランスミッタは電源から6〜20 Wを消費し、そのうち4〜18 Wは熱に変換されます。



無線リンクのエネルギー機密性は、特殊な用途および軍事用途に重要です。 ステルスが低いということは、モデム信号が妨害局の偵察受信機によって比較的検出される可能性が高いことを意味します。 したがって、低エネルギーのステルスで無線リンクを抑制する可能性も大きくなります。



モデムレシーバーの感度は、所定の品質レベルで受信信号から情報を抽出する能力を特徴づけます。 品質基準は異なる場合があります。 デジタル通信システムでは、ほとんどの場合、ビットあたりのエラーの確率（ビットエラーレート-BER）または情報パケットのエラーの確率（フレームエラーレート-FER）を使用します。 実際、この感度は、情報が抽出される信号そのもののレベルです。 たとえば、BER = 10 ^-6での感度が-98 dBmの場合、そのようなBERの情報は-98 dBmのレベルの信号から抽出できますが、-99 dBmのレベルの信号からは抽出できなくなります。 もちろん、信号レベルの低下に伴う品質の低下は徐々に起こりますが、現代のモデムの大半はいわゆるモデムに固有のものであることに留意する必要があります。 感度を下回る信号レベルの低下を伴う品質の低下が非常に迅速に発生するしきい値効果。 感度を1〜2 dB下げると、BERが10 ^-1に増加し、UAVからのビデオが表示されなくなります。 しきい値効果は、ノイズのあるチャネルに対するシャノンの定理の直接的な結果であり、排除することはできません。 信号レベルが感度を下回った場合の情報の破壊は、受信機自体の内部で生成されるノイズの影響によるものです。 受信機の内部ノイズを完全に除去することはできませんが、そのレベルを下げるか、ノイズの多い信号から情報を効率的に抽出する方法を学ぶことは可能です。 モデムメーカーはこれらの両方のアプローチを使用して、受信機のRFユニットを改善し、デジタル信号処理アルゴリズムを改善しています。 モデムレシーバーの感度を改善しても、トランスミッタの電力が増加するほど消費電力と熱放散が劇的に増加することはありません。 もちろん、エネルギー消費と発熱の増加がありますが、かなり控えめです。



目的の通信範囲を実現するために、次のモデム選択アルゴリズムをお勧めします。

1. データ転送速度の値を決定します。
2. 必要な速度に対して最高の感度を持つモデムを選択します。
3. 計算または実験中に通信範囲を決定します。
4. 通信範囲が必要未満である場合は、次の手段を使用してみてください（優先度の高い順に並べられます）。

• アンテナケーブルの損失を減らす $$$L_ {TXdB}$ 、 $$$L_ {RXdB}$ 動作周波数で線形減衰が低いケーブルを適用する、および/またはケーブルの長さを短くする
• アンテナゲインを上げる $$$G_ {TXdB}$ 、 $$$G_ {RXdB}$ ;
• モデム送信機の電力を増やします。

感度の値は、ルールに従ってデータ転送速度に依存します：より高い速度-より低い感度。 たとえば、8 Mbit / sの速度での-98 dBmの感度は、12 Mbit / sの速度での-95 dBmの感度よりも優れています。 同じデータレートの感度のみでモデムを比較できます。



送信機の電力に関するデータは、ほとんどの場合モデムの仕様で入手できますが、受信機の感度に関するデータは常に遠い、または不十分な量です。 少なくとも、これは警戒すべき機会です。なぜなら、美しい人物は隠す意味がほとんどないからです。 さらに、製造業者は、機密データを公開せずに、モデムを購入する前に計算によって通信範囲を推定する機会を消費者から奪います。

最大データレート

速度の要件が明確に定義されていれば、このパラメーターにモデムを選択することは比較的簡単です。 しかし、いくつかのニュアンスがあります。



問題を解決するために、可能な最大通信範囲を確保する必要があると同時に、無線リンクに十分に広い周波数帯域を選択できる場合は、広い周波数帯域（帯域幅）をサポートするモデムを選択することをお勧めします。 事実、必要な情報速度は、高密度変調タイプ（16QAM、64QAM、256QAMなど）の使用による周波数帯域の比較的狭い帯域、または低密度変調（BPSK、QPSKの使用による広い周波数帯域）で提供できるということです。 ） ノイズ耐性が高いため、このようなタスクには低密度変調を使用することをお勧めします。 したがって、受信機の感度はそれぞれ優れており、モデムのエネルギー収支が増加し、その結果、通信範囲が拡大します。



UAV製造業者は、無線リンクの情報速度をソースの速度よりもはるかに多く、文字通り2回以上設定し、ビデオコーデックなどのソースは可変ビットレートであり、最大ビットレートエミッションを考慮してモデム速度を選択する必要があると主張することがあります。 もちろん、この場合の通信範囲は狭くなります。 どうしても必要な場合を除き、このアプローチは使用しないでください。 最新のモデムのほとんどは、送信機に容量の大きいバッファを備えており、パケット損失なしでビットレートの放出をスムーズにできます。 したがって、25％を超える速度のマージンは必要ありません。 購入したモデムのバッファ容量が不十分であり、大幅に高速化が必要であると信じる理由がある場合は、そのようなモデムの購入を拒否することをお勧めします。

データ遅延

このパラメータを評価する場合、無線リンクを介したデータ送信に関連する遅延と、情報ソースのエンコード/デコーディングデバイス（ビデオコーデックなど）によって作成された遅延を分離することが重要です。 無線リンクの遅延は3つの値で構成されています。

1. 送信機と受信機での信号処理による遅延。
2. 送信機から受信機への信号伝搬による遅延。
3. 時分割複信（TDD）の送信機でのデータバッファリングによる遅延。

著者の経験によると、タイプ1の遅延は数十マイクロ秒から1ミリ秒の範囲です。 タイプ2の遅延は通信範囲に依存します。たとえば、100 kmリンクの場合、333μsに等しくなります。 タイプ3の遅延は、TDDフレームの長さと、全フレーム継続時間に対する送信サイクル継続時間の比率に依存し、0からフレーム継続時間まで変化する可能性があります。つまり、ランダム変数です。 送信された情報パケットがモデムが送信サイクルにあったときに送信機の入力にあった場合、パケットはタイプ3のゼロ遅延でブロードキャストされます。パケットが少し遅れて受信サイクルがすでに始まっている場合、受信サイクルの間送信機バッファで遅延します。 一般的なTDDフレームの長さはそれぞれ2〜20ミリ秒で、最悪の場合のタイプ3の遅延は20ミリ秒を超えません。 したがって、無線リンクの合計遅延は3〜21ミリ秒以内になります。



無線リンクの遅延を知る最良の方法は、ユーティリティを使用したフィールド実験を使用してネットワークパフォーマンスを評価することです。 TDDモデムでは順方向と逆方向の遅延が同じではない可能性があるため、要求と応答の方法で遅延を測定することはお勧めしません。

質量および全体的なパラメーター

この基準によるオンボードモデムユニットの選択には、特別なコメントは必要ありません。小型で軽量であるほど良いです。 空中ユニットを冷却する必要があることを忘れないでください。追加のラジエーターがそれぞれ必要になる場合があり、重量と寸法も増加する可能性があります。 ここでは、低消費電力の軽量で小型のブロックを優先する必要があります。



グラウンドブロックの場合、質量次元パラメーターはそれほど重要ではありません。 使いやすさとインストールが前面に出てきます。 地上ユニットは、マストまたは三脚への便利な取り付けシステムを使用して、外部の影響から確実に保護されるデバイスでなければなりません。 地上ユニットがアンテナ付きの1つのハウジングに統合されている場合に適したオプションです。 理想的には、地上ユニットは1つの便利なコネクタを介して制御システムに接続する必要があります。 これにより、-20度の温度で展開作業を実行する必要があるときに、難しい言葉を省くことができます。

栄養要件

オンボードユニットは、原則として、UAV電力ネットワークのほとんどの電圧オプションをカバーする7〜30 Vなどの幅広い供給電圧をサポートして製造されます。 複数の供給電圧を選択できる場合は、供給電圧の最低値を優先してください。 原則として、モデムの内部電源は、二次電源を介して3.3および5.0 Vの電圧から生成されます。 これらの二次電源の効率は、モデムの入力電圧と内部電圧の差が小さいほど高くなります。 効率の向上は、エネルギーと熱の削減を意味します。



対照的に、地上ユニットは、比較的高い電圧源からの電力をサポートする必要があります。 これにより、断面積の小さい電源ケーブルを使用できるようになり、重量が軽減され、設置が簡単になります。 他の条件が同じであれば、PoE（Power over Ethernet）をサポートする地上ユニットを優先してください。 この場合、地上ユニットをコントロールステーションに接続するのに必要なイーサネットケーブルは1本だけです。

個別の制御/遠隔測定チャネル

別のコマンドテレメトリーモデムをインストールするためのUAVにスペースが残っていない場合の重要な機会。 スペースがある場合は、ブロードバンドモデムの個別の制御/テレメトリチャネルをバックアップとして使用できます。 このオプションでモデムを選択するときは、UAV（MAVLinkまたは独自仕様）との通信に必要なプロトコルをサポートするモデムと、制御/テレメトリチャネルのデータを地上局（NS）の便利なインターフェイスに多重化する可能性に注意してください。 たとえば、ブロードバンドモデムのオンボードユニットは、RS232、UART、CANなどのインターフェイスを介してオートパイロットに接続され、地上ユニットは、コマンドテレメトリとビデオ情報を交換する必要があるイーサネットインターフェイスを介して制御コンピューターに接続されます。 この場合、モデムは、空中ユニットのRS232、UART、またはCANインターフェイスと地上ユニットのイーサネットインターフェイス間でコマンドテレメトリーストリームを多重化できる必要があります。

注意すべきその他のパラメーター

二重モードの存在。 UAV用のブロードバンドモデムは、シンプレックスモードまたはデュプレックスモードのいずれかの動作モードをサポートしています。 シンプレックスモードでは、データはUAVからNSへの方向、および双方向-双方向でのみ送信できます。 通常、シンプレックスモデムにはビデオコーデックが組み込まれており、ビデオコーデックを持たないカメラで動作するように設計されています。 シンプレックスモデムは、IPカメラまたはIP接続を必要とする他のデバイスへの接続には適していません。 それどころか、通常、デュプレックスモデムはUAVのオンボードIPネットワークをNS IPネットワークに接続するように設計されています。つまり、IPカメラやその他のIPデバイスをサポートしますが、IPカメラは一般にビデオコーデックを備えていない場合がありますビデオコーデック。 イーサネットサポートは、二重モデムでのみ可能です。



ダイバーシティレセプション（RXダイバーシティ）。 この機能の存在は、飛行距離全体にわたって継続的な通信を確保するために必要です。 地球の表面上を伝搬するとき、電波は2つのビームで受信ポイントに到達します。直接経路に沿って、表面からの反射があります。 2つの光線の波の加算が同相で発生する場合、受信ポイントでの電界は増幅され、逆相である場合は弱められます。 弱体化は非常に重大な場合があります-通信が完全に失われるまで。 NSの異なる高さに2つのアンテナが存在すると、この問題の解決に役立ちます。なぜなら、1つのアンテナの位置で光線が逆位相で追加された場合、もう一方のアンテナの場所で、いいえ。 その結果、距離全体にわたって安定した接続を実現できます。



サポートされているネットワークトポロジ。 ポイントツーポイント（PTP）トポロジーだけでなく、ポイントツーマルチポイント（PMP）トポロジーとリレー（リレー、リピーター）トポロジーもサポートするモデムを選択することをお勧めします。 追加のUAVを介したリレーの使用により、メインUAVのカバレッジエリアを大幅に拡大できます。 PMPサポートにより、1つのNS上の複数のUAVから同時に情報を受信できます。 また、PMPおよびリレーのサポートには、1つのUAVとの通信の場合と比較して、モデム帯域幅を増やす必要があることに注意してください。 したがって、これらのモードでは、広い周波数帯域（少なくとも15〜20 MHz）をサポートするモデムを選択することをお勧めします。



ノイズ耐性エンハンサーの可用性。 UAVが使用される場所の緊迫した干渉状況を考えると、便利なオプションです。 ノイズ耐性により、通信チャネルに人工または自然起源の干渉がある場合に、通信システムがその機能を実行する能力を理解します。 干渉に対処するには、2つのアプローチがあります。 方法1：通信チャネルの帯域に干渉がある場合でも、情報転送速度が多少低下しても、自信を持って情報を受信できるようにモデムレシーバーを設計します。 アプローチ2：レシーバー入力での干渉を抑制または低減します。 第１のアプローチの実施例は、スペクトル拡張システム、すなわち：周波数ホッピング（ＦＨ）、擬似ランダムシーケンスによるスペクトル拡張（ＤＳＳＳ）、またはそれらのハイブリッドである。 FHテクノロジーは、そのような通信チャネルで必要なデータレートが小さいため、UAV制御チャネルで広く普及しています。 たとえば、20 MHz帯域で16 kbit / sの速度の場合、約500の周波数位置を整理できます。これにより、狭帯域干渉から確実に保護できます。 ブロードバンドチャネルにFHを使用することは、結果の周波数帯域が大きすぎるため問題があります。 たとえば、帯域幅が4 MHzの信号を操作するときに500の周波数位置を取得するには、2 GHzの空き帯域が必要です！ 現実になりすぎる。 UAVを使用したブロードバンド通信チャネルにDSSSを使用するほうがより適切です。 この技術では、各情報ビットは信号帯域内のいくつかの（またはまったく）周波数で同時に複製され、狭帯域干渉が存在する場合、干渉の影響を受けないスペクトルの部分から抽出できます。 FSSと同様にDSSSの使用は、チャネルに干渉がある場合、データ転送速度の低下が必要であることを意味します。 それでも、UAVからビデオを受信する方が、何もしないよりも低い解像度で受信した方が良いことは明らかです。 アプローチ2は、受信機の内部ノイズとは異なり、外部から無線リンクに干渉が入り、モデムに特定の手段がある場合は干渉を抑制することができるという事実を使用します。 スペクトル、時間、または空間領域に局在化されている場合、干渉抑制が可能です。 たとえば、狭帯域干渉はスペクトル領域に局所化され、特別なフィルターを使用してスペクトルから「切り取る」ことができます。 同様に、インパルスノイズは時間領域にローカライズされ、それを抑制するために、影響を受ける領域は受信機の入力信号から除去されます。 干渉が狭帯域またはパルスではない場合、干渉は特定の方向からソースから受信アンテナに入るため、空間サプレッサーを使用してそれを抑制することができます。 干渉源の方向に受信アンテナのゼロ放射パターンを配置すると、干渉が抑制されます。 このようなシステムは、適応ビームフォーミングおよびビームヌルシステムと呼ばれます。 このようなシステムは、UAVの作者に知られているブロードバンドモデムでは使用されませんが、将来登場することを妨げるものはありません。



使用される無線プロトコル。 モデムのメーカーは、標準（WiFi、DVB-T）、または独自の無線プロトコルを使用できます。 このパラメーターは仕様でめったに示されません。 DVB-Tの使用は、サポートされている周波数帯域2/4/6/7/8、時には10 MHzによって間接的に示され、OFDMがエラー訂正コーディングと併用されるCOFDM（コーディングされたOFDM）テクノロジーの仕様の本文に記載されています。 途中で、COFDMは純粋に広告のスローガンであり、OFDMはノイズ耐性コーディングなしでは実際には適用されないため、OFDMに比べて利点はありません。 無線モデムの仕様にこれらの略語が含まれている場合は、COFDMとOFDMを均等にしてください。



通常、標準プロトコルを使用するモデムは、マイクロプロセッサと連携して動作する専用チップ（WiFi、DVB-T）に基づいて構築されます。 専用チップの使用により、独自の無線プロトコルの開発、モデリング、実装、およびテストに関連する多くの頭痛から頭痛メーカーが解放されます。 マイクロプロセッサは、モデムに必要な機能を提供するために使用されます。 このようなモデムには次の利点があります。

1. 低価格
2. 全体の寸法が良好です。
3. 低消費電力。

欠点もあります。

1. ファームウェアを変更しても無線インターフェイスの特性を変更できない。
2. 長期的には供給の安定性が低い。
3. 非標準のタスクを解決するための資格のあるテクニカルサポートを提供する能力が制限されています。

供給の安定性が低いのは、チップメーカーが主に大衆市場（テレビ、コンピューターなど）を志向しているためです。 UAVモデムメーカーはそれらにとって優先事項ではなく、他の製品との適切な交換なしに生産を停止するというチップメーカーの決定に影響を与えることはできません。 この機能は、個々の無線インターフェースチップが半導体市場から徐々に洗い流されつつあるシステムオンチップ（SoC）タイプの特殊なマイクロ回路に無線インターフェースをパッケージ化する傾向によって強化されています。



技術サポートを提供する機会が限られているのは、標準の無線プロトコルに基づいたモデムの開発チームが、主に電子機器およびマイクロ波技術の専門家を備えているためです。 ラジオの専門家は、彼らに対処する必要のある問題がないので、まったくそこにいないかもしれません。 したがって、重要な無線通信タスクのソリューションを探しているUAVメーカーは、相談と技術支援の点でがっかりする可能性があります。



独自の無線プロトコルを使用するモデムは、汎用のアナログおよびデジタル信号処理チップに基づいて構築されています。 そのようなチップの供給安定性は非常に高いです。 確かに、価格も高いです。 このようなモデムには次の利点があります。

1. ファームウェアを変更して無線インターフェースを調整するなど、モデムを顧客のニーズに合わせる幅広い可能性。
2. 無線インターフェースの追加機能。UAVでの使用は興味深いが、標準無線プロトコルに基づいて構築されたモデムにはありません。
3. 高い供給安定性、含む。 長い目で見れば。
4. 非標準タスクを含む高度な技術サポート。

欠点。

1. 高価格。
2. 質量と寸法のパラメータは、標準の無線プロトコルのモデムのパラメータよりも悪化する可能性があります。
3. デジタル信号処理ユニットの消費電力の増加。

UAV用のいくつかのモデムの技術データ

この表は、市場で入手可能なUAV用のいくつかのモデムの技術的パラメーターを示しています。



3D Linkモデムは、Picoradio OEMおよびJ11モデムと比較して最低の送信機電力を持っていますが（25 dBm対27-30 dBm）、3D Linkエネルギーバジェットは、レシーバーの高感度のためにこれらのモデムよりも高いことに注意してください比較したモデムと同じデータ転送速度）。したがって、3D Linkを使用する場合の通信範囲は長くなり、エネルギーステルスが向上します。



テーブル。UAVおよびロボット用のブロードバンドモデムの技術データ



* n / a-データなし。