Как выбрать широкополосный модем для беспилотного летательного аппарата (БЛА) или робототехники

Задача передачи большого объема данных с борта беспилотного летательного аппарата (БЛА) или наземной робототехники не редкость в современных приложениях. В данной статье рассматриваются критерии выбора широкополосных модемов и сопутствующие проблемы. Статья написана для разработчиков БЛА и робототехники.

Критерии выбора

Основными критериями выбора широкополосного модема для БЛА или робототехники являются.

1. Дальность связи.
2. Максимальная скорость передачи данных.
3. Задержка в передаче данных.
4. Массо-габаритные параметры.
5. Поддерживаемые информационные интерфейсы.
6. Требования по питанию.
7. Отдельный канал управления/телеметрии.

Дальность связи

Дальность связи зависит не только от модема, но и от антенн, антенных кабелей, условий распространения радиоволн, внешних помех и других причин. Для того чтобы отделить параметры собственно модема от других параметров, влияющих на дальность связи, рассмотрим уравнение дальности [Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. Связь. Москва. 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}},$$display$$

где
$inline$R$inline$ — искомая дальность связи в метрах;
$inline$F$inline$ — частота в Гц;
$inline$P_{TXdBm}$inline$ — мощность передатчика модема в дБм;
$inline$G_{TXdB}$inline$ — усиление антенны передатчика в дБ;
$inline$L_{TXdB}$inline$ — потери в кабеле от модема к антенне передатчика в дБ;
$inline$G_{RXdB}$inline$ — усиление антенны приемника в дБ;
$inline$L_{RXdB}$inline$ — потери в кабеле от модема к антенне приемника в дБ;
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — чувствительность приемника модема в дБм;
$inline$|V|_{dB}$inline$ — множитель ослабления, учитывающий дополнительные потери за счет влияния поверхности Земли, растительности, атмосферы и других факторов в дБ.

Из уравнения дальности видно, что дальность зависит только от двух параметров модема: мощности передатчика $inline$P_{TXdBm}$inline$ и чувствительности приемника $inline$P_{RXdBm}$inline$, вернее от их разности — энергетического бюджета модема

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

Остальные параметры в уравнении дальности описывают условия распространения сигнала и параметры антенно-фидерных устройств, т.е. к модему отношения не имеют.
Итак, для того, чтобы увеличить дальность связи необходимо выбирать модем с большим значением $inline$B_m$inline$. Увеличить $inline$B_m$inline$ в свою очередь можно за счет увеличения $inline$P_{TXdBm}$inline$ или за счет уменьшения $inline$P_{RXdBm}$inline$. В большинстве случаев разработчики БЛА ищут модем с большой мощностью передатчика и обращают мало внимания на чувствительность приемника, хотя поступать нужно с точностью до наоборот. Мощный бортовой передатчик широкополосного модема влечет за собой возникновение следующих проблем:

• высокое энергопотребление;
• необходимость охлаждения;
• ухудшение электромагнитной совместимости (ЭМС) с остальным бортовым оборудованием БЛА;
• низкая энергетическая скрытность.

Первые две проблемы связаны с тем, что современные методы передачи больших объемов информации по радиоканалу, например OFDM, требуют линейного передатчика. КПД современных линейных радиопередатчиков невысок: 10–30%. Таким образом, 70–90% драгоценной энергии источника питания БЛА преобразуется в тепло, которое нужно эффективно отводить от модема, т. к. в противном случае он выйдет из строя или его выходная мощность упадет из-за перегрева в самый неподходящий момент. Например, передатчик с мощностью 2 Вт будет потреблять 6–20 Вт от источника питания, из которых 4–18 Вт будут преобразованы в тепло.

Энергетическая скрытность радиолинка важна для специальных и военных применений. Низкая скрытность означает то, что сигнал модема с относительно большой вероятностью обнаруживается разведприемником станции постановки помех. Соответственно, вероятность подавления радиолинка с низкой энергетической скрытностью также большая.

Чувствительность приемника модема характеризует его способность извлекать информацию из принимаемых сигналов с заданным уровнем качества. Критерии качества могут быть различны. Для цифровых систем связи чаще всего используют вероятность ошибки на бит (bit error rate — BER) или вероятность ошибки в информационном пакете (frame error rate — FER). Собственно, чувствительность это и есть уровень того самого сигнала из которого надлежит извлечь информацию. Например, чувствительность −98 дБм при BER=10⁻⁶ говорит о том, что из сигнала с уровнем −98 дБм или выше можно извлечь информацию с таким BER, а из сигнала с уровнем, допустим, −99 дБм уже нет. Разумеется, снижение качества при понижении уровня сигнала происходит постепенно, но стоит иметь в виду, что большинству современных модемов присущ т. н. пороговый эффект при котором снижение качества при уменьшении уровня сигнала ниже чувствительности происходит очень быстро. Достаточно снизить сигнал на 1−2 дБ ниже чувствительности, чтобы BER увеличился до 10⁻¹, а это означает, что видео с борта БЛА вы уже не увидите. Пороговый эффект является прямым следствием теоремы Шеннона для канала с шумами, его невозможно устранить. Разрушение информации при снижении уровня сигнала ниже чувствительности происходит из-за влияния шума, который формируется внутри самого приемника. Внутренний шум приемника невозможно полностью устранить, но возможно снизить его уровень или научиться эффективно извлекать информацию из зашумленного сигнала. Производители модемов используют оба этих подхода, производя улучшения в ВЧ блоках приемника и совершенствуя алгоритмы цифровой обработки сигналов. Улучшение чувствительности приемника модема не приводит к столь драматичному увеличению энергопотребления и тепловыделения, как увеличение мощности передатчика. Рост энергопотребления и тепловыделения, конечно, имеется, но он довольно скромный.

Рекомендуется следующий алгоритм выбора модема с точки зрения достижения требуемой дальности связи.

1. Определиться с величиной скорости передачи данных.
2. Выбрать модем с наилучшей чувствительностью для требуемой скорости.
3. Определить дальность связи расчетным путем или в ходе эксперимента.
4. Если дальность связи оказывается меньше необходимой, то попытаться использовать следующие меры (расположены в порядке уменьшения приоритета):

• уменьшить потери в антенных кабелях $inline$L_{TXdB}$inline$, $inline$L_{RXdB}$inline$, применив кабель с меньшим погонным затуханием на рабочей частоте и/или уменьшив длину кабелей;
• увеличить усиление антенн $inline$G_{TXdB}$inline$, $inline$G_{RXdB}$inline$;
• увеличить мощность передатчика модема.

Значения чувствительности зависят от скорости передачи данных по правилу: выше скорость — хуже чувствительность. Например, чувствительность −98 дБм для скорости 8 Мбит/сек лучше, чем чувствительность −95 дБм для скорости 12 Мбит/сек. Сравнивать модемы по чувствительности можно только для одинаковой скорости передачи данных.

Данные по мощности передатчика почти всегда имеются в спецификациях модемов, а вот данные по чувствительности приемника далеко не всегда или в недостаточном объеме. Как минимум это повод насторожиться, т. к. красивые цифры едва ли есть смысл скрывать. Кроме того, не публикуя данные о чувствительности, производитель лишает потребителя возможности оценить дальность связи расчетным путем до покупки модема.

Максимальная скорость передачи данных

Выбор модема по этому параметру относительно прост, если требования по скорости четко определены. Но существуют и некоторые нюансы.

Если решаемая задача требует обеспечения максимально возможной дальности связи и при этом есть возможность выделить достаточно широкую полосу частот для радиолинка, то лучше выбирать модем, поддерживающий широкую полосу частот (bandwidth). Дело в том, что требуемую информационную скорость можно обеспечить в относительно узкой полосе полосе частот за счет использования плотных видов модуляции (16QAM, 64QAM, 256QAM и т. д.), либо в широкой полосе частот за счет использования модуляции низкой плотности (BPSK, QPSK). Использование модуляции низкой плотности для таких задач предпочтительнее из-за более высокой помехоустойчивости. Поэтому чувствительность приемника получается лучше, соответственно, увеличивается энергетический бюджет модема и, как следствие, дальность связи.

Иногда производители БЛА устанавливают информационную скорость радиолинка намного больше скорости источника, буквально в 2 и более раз, аргументируя это тем, что источники типа видеокодеков имеют переменный битрейт и скорость модема должна выбираться с учетом максимальной величины выбросов битрейта. Дальность связи при этом, естественно, уменьшается. Не стоит пользоваться таким подходом без крайней необходимости. Большинство современных модемов имеют вместительный буфер в передатчике, способный сгладить выбросы битрейта без потерь пакетов. Поэтому запас в скорости больше 25% не требуется. Если же имеются основания полагать, что в приобретаемом модеме емкость буфера недостаточна и требуется существенно большее увеличение скорости, то от покупки такого модема лучше отказаться.

Задержка в передаче данных

При оценке этого параметра важно разделять задержку, относящуюся к передаче данных через радиолинк от задержки, создаваемой устройством кодирования/декодирования источника информации, например видеокодека. Задержка в радиолинке складывается из 3-х величин.

1. Задержка за счет обработки сигнала в передатчике и приемнике.
2. Задержка за счет распространения сигнала от передатчика к приемнику.
3. Задержка за счет буферизации данных в передатчике в дуплексных модемах с временным разделением (TDD — time division duplex).

Задержка типа 1 по опыту автора находится в диапазоне от десятков микросекунд до одной миллисекунды. Задержка типа 2 зависит от дальности связи, например, для 100 км линка она равна 333 мкс. Задержка типа 3 зависит от длины TDD фрейма и от отношения длительности цикла передачи к общей длительности фрейма и может меняться в пределах от 0 до длительности фрейма, т. е. представляет собой случайную величину. Если передаваемый информационный пакет оказался на входе передатчика в момент нахождения модема в цикле передачи, то пакет будет передан в эфир с нулевой задержкой типа 3. Если же пакет чуть запоздал и уже начался цикл приема, то он будет задержан в буфере передатчика на длительность цикла приема. Типичные значения длин TDD фрейма составляют от 2 до 20 мс, соответственно, задержка типа 3 в наихудшем случае не превысит 20 мс. Таким образом, суммарная задержка в радиолинке будет находится в пределах 3−21 мс.

Наилучший способ узнать задержку в радиолинке это натурный эксперимент с использованием утилит для оценки характеристик сети. Измерять задержку методом запрос−ответ не рекомендуется, т. к. задержка в прямом и обратном направлениях может быть неодинакова для TDD модемов.

Массо-габаритные параметры

Выбор бортового блока модема по этому критерию не требует особых комментариев: чем меньше и легче — тем лучше. Не забывайте также о необходимости охлаждения бортового блока, могут потребоваться дополнительные радиаторы, соответственно, вес и габариты также могут увеличится. Предпочтение тут нужно отдавать легким, малогабаритным блокам с малым энергопотреблением.

Для наземного блока массо-габаритные параметры не столь критичны. На первый план выходит удобство использования и установки. Наземный блок должен представлять собой надежно защищенное от внешних воздействий устройство с удобной системой крепления к мачте или штативу. Хороший вариант когда наземный блок интегрирован в одном корпусе с антенной. В идеале наземный блок должен соединяться с управляющей системой через один удобный разъем. Это убережет вас от крепких слов когда потребуется проводить работы по развертыванию при температуре −20 град.

Требования по питанию

Бортовые блоки, как правило, выпускают с поддержкой широкого диапазона питающих напряжений, например 7−30 В, что перекрывает большую часть вариантов напряжения в энергетической сети БЛА. Если у вас есть возможность выбора из нескольких питающих напряжений, то отдавайте предпочтение наименьшему значению питающего напряжения. Как правило, внутреннее питание модемов производится от напряжений 3.3 и 5.0 В через вторичные источники питания. Эффективность этих вторичных источников питания тем выше, чем меньше разность входного и внутреннего напряжения модема. Повышенная эффективность означает уменьшение энергопотребления и тепловыделения.

Наземные блоки, напротив, должны поддерживать питание от источника с относительно высоким напряжением. Это позволяет применить питающий кабель с небольшим сечением, что уменьшает массу и упрощает установку. При прочих равных условиях отдавайте предпочтение наземным блокам с поддержкой PoE (Power over Ethernet). В этом случае для соединения наземного блока с управляющей станцией потребуется всего один Ethernet кабель.

Отдельный канал управления/телеметрии

Важная возможность в тех случаях когда на БЛА не остается места для установки отдельного командно-телеметрического модема. Если же место есть, то отдельный канал управления/телеметрии широкополосного модема можно использовать в качестве резервного. При выборе модема с этой опцией обратите внимание на то, чтобы модем поддерживал нужный протокол для связи с БЛА (MAVLink или проприетарный) и на возможность мультиплексирования данных канала управления/телеметрии в удобный интерфейс на наземной станции (НС). Например, бортовой блок широкополосного модема подключается к автопилоту через интерфейс типа RS232, UART или CAN, а наземный блок подключается к управляющему компьютеру через интерфейс Ethernet по которому необходимо обеспечить обмен командно-телеметрической и видео информацией. В этом случае модем должен уметь мультиплексировать командно-телеметрический поток между интерфейсами RS232, UART или CAN бортового блока и интерфейсом Ethernet наземного блока.

Другие параметры на которые нужно обратить внимание

Наличие дуплексного режима. Широкополосные модемы для БЛА поддерживают либо симплексный, либо дуплексный режимы работы. В симплексном режиме допускается передача данных только в направлении от БЛА к НС, а в дуплексном — в обеих направлениях. Как правило, симплексные модемы имеют встроенный видеокодек и предназначены для работы с видеокамерами, не имеющими видеокодека. Для подключения к IP камере или к любым другим устройствам, требующим IP соединения, симплексный модем не пригоден. Напротив, дуплексный модем, как правило, предназначен для соединения бортовой IP сети БЛА с IP сетью НС, т. е. поддерживает IP камеры и другие IP устройства, но может не иметь встроенного видеокодека, т. к. IP видеокамеры, как правило, имеют свой видеокодек. Поддержка интерфейса Ethernet возможна только в дуплексных модемах.

Разнесенный прием (RX diversity). Наличие данной возможности обязательно для обеспечения непрерывной связи на всей дистанции полета. При распространении над поверхностью Земли радиоволны приходят в точку приема двумя лучами: по прямому пути и с отражением от поверхности. Если сложение волн двух лучей происходит в фазе, то поле в точке приема усиливается, а если в противофазе, то ослабляется. Ослабление может быть весьма существенным — вплоть до полного пропадания связи. Наличие на НС двух антенн, расположенных на разной высоте, помогает решить эту проблему, т. к. если в месте расположения одной антенны лучи складываются в противофазе, то в месте расположения другой — нет. В результате можно добиться устойчивой связи на протяжении всей дистанции.
Поддерживаемые сетевые топологии. Желательно выбирать модем, обеспечивающий поддержку не только топологии точка-точка (point-to-point — PTP), но и топологий точка-много точек (point-to-multipoint — PMP) и ретрансляция (relay, repeater). Использование ретрансляции через дополнительный БЛА позволяет существенно расширить зону действия основного БЛА. Поддержка PMP позволит получать информацию одновременно от нескольких БЛА на одну НС. Обратите также внимание, что поддержка PMP и ретрансляции потребует увеличения пропускной способности модема по сравнению со случаем связи с одним БЛА. Поэтому для этих режимов рекомендуется выбирать модем с поддержкой широкой полосы частот (не менее 15−20 МГц).

Наличие средств повышения помехозащищенности. Полезная опция, учитывая напряженную помеховую обстановку в местах использования БЛА. Под помехозащищенностью понимают способность системы связи выполнять свою функцию при наличии в канале связи помех искусственного или естественного происхождения. Для борьбы с помехами существует два подхода. Подход 1: спроектировать приемник модема так, чтобы он мог уверенно принимать информацию даже при наличии помехи в полосе канала связи ценой некоторого уменьшения скорости передачи информации. Подход 2: подавить или ослабить помеху на входе приемника. Примерами реализации первого подхода являются системы расширения спектра, а именно: скачки по частоте (frequency hopping — FH), расширение спектра псевдослучайной последовательностью (direct sequence spread spectrum — DSSS) или их гибрид. Технология FH получила широкое распространение в каналах управления БЛА из-за небольшой величины требуемой скорости передачи данных в таком канале связи. Например, для скорости 16 кбит/сек в полосе 20 МГц можно организовать около 500 частотных позиций, что позволяет надежно защититься от узкополосных помех. Применение FH для широкополосного канала связи проблематично из-за получающейся слишком большой полосы частот. К примеру, для получения 500 частотных позиций при работе с сигналом с шириной полосы 4 МГц потребуется 2 ГГц свободной полосы! Слишком много, чтобы быть реальностью. Использование DSSS для широкополосного канала связи с БЛА более актуально. В этой технологии каждый информационный бит дублируется одновременно на нескольких (или даже на всех) частотах в полосе сигнала и при наличии узкополосной помехи может быть выделен из участков спектра не пораженных помехой. Использование DSSS, как, впрочем, и FH, подразумевает, что при появлении помехи в канале потребуется снижение скорости передачи данных. Тем не менее очевидно, что лучше получать с борта БЛА видео в меньшем разрешении, чем вообще ничего. В подходе 2 используется тот факт, что помеха, в отличие от внутреннего шума приемника, поступает в радиолинк извне и, при наличии в составе модема определенных средств, может быть подавлена. Подавление помехи возможно если она локализована в спектральной, временной или пространственной областях. Например, узкополосная помеха локализована в спектральной области и ее можно «вырезать» из спектра при помощи специального фильтра. Аналогично, импульсная помеха локализована во временной области, для ее подавления удаляют пораженный участок из входного сигнала приемника. Если помеха не является узкополосной или импульсной, то для ее подавления можно использовать пространственный подавитель, т. к. в приемную антенну помеха попадает от источника с определенного направления. Если в направлении на источник помех расположить нуль диаграммы направленности приемной антенны, то помеха будет подавлена. Такие системы называют системами адаптивного управления диаграммой направленности (adaptive beamforming & beam nulling). В известных автору широкополосных модемах для БЛА такие системы не применяются, хотя ничто не препятствует их появлению в будущем.

Используемый радиопротокол. Производители модемов могут использовать стандартный (WiFi, DVB-T), либо проприетарный радиопротокол. Этот параметр редко указывают в спецификациях. На использование DVB-T косвенно указывают поддерживаемые полосы частот 2/4/6/7/8, иногда 10 МГц и упоминание в тексте спецификации технологии COFDM (coded OFDM) в которой OFDM используется совместно с помехоустойчивым кодированием. Попутно заметим, что COFDM является чисто рекламным слоганом и не обладает какими-либо преимуществами перед OFDM, т. к. OFDM без помехоустойчивого кодирования на практике никогда не применяется. Ставьте знак равенства между COFDM и OFDM когда видите эти аббревиатуры в спецификациях радиомодемов.

Модемы, использующие стандартный протокол, как правило, построены на базе специализированного чипа (WiFi, DVB-T), работающего в связке с микропроцессором. Применение специализированного чипа снимает с производителя модема много головной боли, связанной с разработкой, моделированием, реализацией и тестированием собственного радиопротокола. Микропроцессор используется для придания модему необходимого функционала. Такие модемы обладают следующими достоинствами.

1. Низкая цена.
2. Хорошие массо-габаритные параметры.
3. Низкое энергопотребление.

Недостатки также имеются.

1. Невозможность изменить характеристики радиоинтерфейса путем смены прошивки.
2. Невысокая стабильность поставок в долгосрочной перспективе.
3. Ограниченные возможности в предоставлении квалифицированной технической поддержки при решении нестандартных задач.

Невысокая стабильность поставок обусловлена тем, что производители чипов ориентируются в первую очередь на массовые рынки сбыта (телевизоры, компьютеры и т.д.). Производители модемов для БЛА для них не являются приоритетными и они не могут никак повлиять на решение производителя чипа о прекращении выпуска без адекватной замены на другой продукт. Эту особенность усиливает тенденция упаковки радиоинтерфейсов в специализированные микросхемы типа «системы на кристалле» (System on Chip — SoC ) в связи с чем отдельные чипы радиоинтерфейсов постепенно вымываются с рынка полупроводников.

Ограниченные возможности в предоставлении технической поддержки обусловлены тем, что команды разработчиков модемов на основе стандартного радиопротокола хорошо укомплектованы специалистами прежде всего по электронике и СВЧ технике. Специалистов по радиосвязи там может не быть вовсе, т. к. для них не существует задач, требующих решения. Поэтому производители БЛА, ищущие решения нетривиальных задач радиосвязи, могут оказаться разочарованы в плане консультаций и технической помощи.

Модемы, использующие проприетарный радиопротокол, строятся на базе универсальных чипов аналоговой и цифровой обработки сигналов. Стабильность поставок таких чипов очень высока. Правда, и цена также высока. Такие модемы обладают следующими достоинствами.

1. Широкие возможности адаптации модема под нужды заказчика, включая адаптацию радиоинтерфейса путем смены прошивки.
2. Дополнительные возможности радиоинтерфейса, интересные для применения в БЛА и отсутствующие в модемах, построенных на базе стандартных радиопротоколов.
3. Высокая стабильность поставок, в т.ч. в долгосрочной перспективе.
4. Высокий уровень технической поддержки, включая решение нестандартных задач.

Недостатки.

1. Высокая цена.
2. Массо-габаритные параметры могут быть хуже, чем у модемов на стандартных радиопротоколах.
3. Повышенное энергопотребление блока цифровой обработки сигналов.

Технические данные некоторых модемов для БЛА

В Таблице приведены технические параметры некоторых модемов для БЛА, имеющихся на рынке.

Обратите внимание на то, что хотя модем 3D Link имеет наименьшую мощность передатчика по сравнению с модемами Picoradio OEM и J11 (25 дБм против 27−30 дБм), энергетический бюджет 3D Link выше, чем у этих модемов, за счет высокой чувствительности приемника (при одинаковой скорости передачи данных у сравниваемых модемов). Таким образом, дальность связи при использовании 3D Link будет больше при лучшей энергетической скрытности.

Таблица. Технические данные некоторых широкополосных модемов для БЛА и робототехники

* н/д — нет данных.

Об авторе

Александр Смородинов [a.smorodinov@geoscan.aero] является ведущим специалистом ООО «Геоскан» в области беспроводной связи. С 2011 года по настоящее время он занимается разработкой радиопротоколов и алгоритмов обработки сигналов для широкополосных радиомодемов различного назначения, а также реализацией разработанных алгоритмов на базе микросхем программируемой логики. В сферу интересов автора входит разработка алгоритмов синхронизации, оценки свойств канала, модуляции/демодуляции, помехоустойчивого кодирования, а также некоторых алгоритмов уровня доступа к среде (MAC). До присоединения к Геоскан автор работал в различных организациях, занимаясь разработкой нестандартных устройств беспроводной связи. С 2002 по 2007 год он работал в ООО «Протей» на позиции ведущего специалиста по разработке систем связи на базе стандарта IEEE802.16 (WiMAX). С 1999 по 2002 год автор занимался разработкой алгоритмов помехоустойчивого кодирования и моделированием трасс радиолиний в ФГУП ЦНИИ «Гранит». Автор получил степень кандидата технических наук от Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения в 1998 году и степень радиоинженера от того же университета в 1995 году. Александр является действующим членом IEEE и IEEE Communications Society.

Автор: AlexanderSmorodinov

Источник