Файл: Исследование характеристик радиоканала связи.pdf

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2
98
Mottl
Vadim
Vyacheslavovich,
doctor
of
technical
science,
professor,
vmottl@yandex.ru, Russia, Moscow, Computing Center of the Russian Academy of Sciences,
Razin Nikolay Alexeevich, PhD student,
nrmanutd@gmail.com
, Russia, Moscow,
Moscow Institute of Physics and Technology (State University),
Chernousova Elena Olegovna, PhD student,
lena-ezhova@rambler.ru
, Russia, Mos-
cow, Moscow Institute of Physics and Technology (State University)
УДК 621.391.6:621.396.13
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОКАНАЛА СВЯЗИ
С БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ
А.В. Полынкин, Х.Т. Ле
В настоящее время наблюдается большой интерес к комплексам воздушного
наблюдения и мониторинга природной среды и технических объектов с использованием
малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эффективность их
применения в значительной мере зависит от характеристик устройств радиосвязи
БПЛА и наземного пункта управления (НПУ). Поэтому актуальной задачей является
оптимизация радиолиний управления и передачи данных, т. к. она способствует увели-
чению дальности связи и повышению качества передачи информации. Для решения
данной задачи необходимо исследование характеристик радиоканала связи с БПЛА.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, наземный пункт управ-
ления, целевое оборудование, многолучевость, замирание сигнала.
1. Основные требования к системам связи с БПЛА
Линия радиосвязи летательного аппарата (ЛА) и наземного пункта управления обеспечивает в общем случае двухсторонний обмен информа- цией между бортовой и наземной аппаратурой. Основными задачами, ре- шаемыми указанной линией связи, являются: в направлении НПУ-ЛА – передача командной информации для осуществления управления полетом ЛА и работой целевого бортового оборудования; в направлении ЛА-НПУ – передача телеметрической информации, передача информации, полученной с помощью целевого оборудования
(фотоснимки, ТВ изображения и др.).
Радиолинии НПУ-ЛА и ЛА-НПУ существенно различаются по про- пускной способности:
Радиолиния НПУ-ЛА представляет собой узкополосный канал свя-

Управление, вычислительная техника и информационные технологии
99 зи, т.к. объем передаваемой информации, даже за полное время полета ЛА и работы его оборудования, невелик. Необходимая скорость передачи ин- формации в этом канале в любом случае не превышает нескольких десят- ков Кбит/сек.
Радиолиния ЛА-НПУ должна иметь, как правило, значительно большую пропускную способность. Конкретное значение требуемой ско- рости передачи в значительной мере определяется назначением конкретно- го аппарата и показателями установленного на нем целевого оборудова- ния.
Некоторые требования к системам связи с БПЛА сведены в таблице
[1, 2].
Требования к системам связи с БПЛА
Тип канала связи
Передача командно- телеметрических данных
Передача данных полез- ной нагрузки
Вероятность бито- вой ошибки (BER)
Не более 10
-6
Не более 10
-3
Скорость передачи данных
Не более 56 Кбит/с
1-20 Мбит/с (зависит от назначения аппарата и ти- па полезной нагрузки)
Направление пере- дачи данных
Борт-Земля
Земля-Борт
Борт-Земля
В системах связи с БПЛА командные и телеметрические данные с высоким приоритетом, а данные полезной нагрузки (видеокамеры, фото- камеры) доставляются на наземную станцию для дальнейшей обработки и использования, поэтому с низким приоритетом. Передача команд управле- ния ведется с наземного пункта управления, а передача телеметрических данных со стороны БПЛА. Требования к передаче командно- телеметрических данных на большие расстояния диктуются необходимо- стью постоянного контроля ЛА и необходимостью корректировать пара- метры полета в процессе выполнения летного задания.
2. Анализ канала связи с БПЛА
Канал радиосвязи между БПЛА и наземным пунктом управления относится к авиационному каналу, который описывается многолучевой моделью с явлениями переотражения, рассеивания и дифракции [3].
Отражение имеет место, когда электромагнитная волна сталкивает- ся с препятствием, размеры которого значительно превышают длину вол- ны.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2
100
Дифракция происходит, когда трасса распространения между пере- датчиком и приемником перекрыта плотным препятствием с размерами, которые являются большими по отношению к длине волны сигнала, что приводит к формированию позади препятствия вторичных волн.
Рассеивание происходит, когда распространяющийся сигнал натал- кивается на объект, размеры которого порядка длины волны сигнала или менее, что приводит к переизлучению энергии сигнала по всем направле- ниям.
Эти три эффекта распространения вместе образуют общую картину замираний в канале, достаточно полно представляемую как замираниями крупного масштаба и мелкомасштабными замираниями.
В большинстве случаев БПЛА гражданского назначения работают в пределах прямой видимости наземного пункта управления. При наличии преобладающего по амплитуде прямого луча распределение мгновенных значений огибающей сигнала описывается законом Райса [5]:
2 0
2 2
( )
exp exp(
)
2 2
x
x
x
x
x
x
p x
K
I
K
σ
σ
σ




=
⋅
−
⋅
− ⋅








, где
I
0
(z)
– модифицированная функция
Бесселя первого рода нулевого по
- рядка
;
K
– параметр
, определяемый как отношение мощности зеркального компонента к
мощности многолучевого сигнала
;
x
– компонент мелкомас
- штабного замирания
;
2
x
σ
– средняя мощность многолучевого сигнала до детектирования
Потери при распространении сигнала. Крупномасштабные зами
- рания представляют собой среднее ослабление мощности сигнала или по
- тери на трассе при прохождении трасс большой протяженности
Потери на трассе и
затенение
– вот два основных механизма
, которые приводят к
эф
- фектам замираний крупного масштаба
Средние потери радиосигнала на трассе определяются по формуле
0 10 0
( )[
]
(
)[
] 10 log ( /
)
L d дБ
L d
дБ
d d
X
σ
γ
=
+
+
,
(1) где
L(d
0
) – средние потери на трассе прямой видимости при эталонном рас
- стоянии
d
0
в свободном пространстве
; d – это расстояние между передат
- чиком и
приемником
;
γ
– экспонента потери на трассе
, которая зависит от окружающей среды
; X
σ
– логарифмически нормальное замирание вслед
- ствие затенения
В
беспилотных летательных системах эталонное расстояние
d
0
вы
- бирается равным рабочей высоте
БПЛА
Средние потери
L(d
0
) при распространении в
свободном простран
- стве рассчитываются по формуле
2 0
0
(
)[
] 10log(4
/ )
L d
дБ
d
π
λ
=
,
(2) где
λ
– длина волны сигнала
Если расстояние
d
0
и частота
f (
/
f
c
λ
=
, c – скорость света
) изме
-

Управление, вычислительная техника и информационные технологии
101 ряются в километрах и мегагерцах соответственно, то из уравнений (1) и
(2), получаем следующее (при
0
X
σ
=
)
( )
0
( )[
] 10 log
(20 10 ) log(
)
20log( )
32, 45
L d дБ
d
d
f
γ
γ
=
+
−
+
+
. (3)
Рассчитаем потери на трассе в
зависимости от расстояния между
БПЛА
и
НКУ
для разных частот
(0,9
ГГц
; 2,4
ГГц
; 5,8
ГГц
).
Рис
. 1. Затухание сигнала на трассе в зависимости от расстояния
между
БПЛА и НКУ для трех разных частот
Из рис
. 1 видно
, что при расстоянии между
БПЛА
и
НПУ
30 км за
- тухания сигнала в
свободном пространстве в
диапазонах
0,9
ГГц
; 2,4
ГГц и
5,8
ГГц равны
121 дБ
, 130 дБ
и
136 дБ
соответственно
В
худщих условиях распространения
(
3
γ
=
) затухание сигнала сильно увеличивается. Для компенсации такого ослабления сигнала можно использовать различные способы, в том числе повышение коэффициента усиления антенн (главным образом, наземной), использование энергетически выгодных видов моду- ляции, повышение выходной мощности передачиков (до максимально раз- решенной).
Анализ бюджета канала связи с БПЛА. Для цифровой связи вероятность ошибки зависит от отношения энергии бита (
b
E
) к спектраль- ной плотности мощности шума (
0
N
)
в приемнике, определяемого выраже- нием [5]:
0
W
b
R
E
P
N
N
R


=




,
(4) где P
R
– мощность принятого сигнала, N – мощность шума, W – ширина полосы пропускания, R – скорость передачи бита.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2
102
Одним из важнейших показателей качества канала является зави- симость вероятности появления ошибочного бита P
b
от
0
/
b
E
N .
Разность между реальным
(
принятым
) и
требуемым отношениями
0
/
b
E
N дает энергетический резерв линии связи
(
или бюджет канала связи
).
( )
( )
( )
прин треб дБ
(
/
)
дБ
(
/
)
дБ
b
o
b
o
M
E
N
E
N
=
−
(5)
Мощность, принятая приемной антенной определяется выражением
[5]:
0
( )(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
R
T
R
T
s
P d дБ
P дБ
G дБ
G дБ
L дБ
L дБ
=
+
+
−
−
,
(6) где G
R
и G
T
– коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, P
T
– переданная мощность, L
0
– коэффициент потерь системы, не связанных с распространением (потери в фидере и разъемах НКУ и БПЛА, поляризаци- онное рассогласование антенн).
Из уравнений (4), (5) и (6), получаем следующее
( )
0
дБ
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
T
R
T
s
S
M
P дБм
G дБ
G дБ
L дБ
L дБ
P дБм
=
+
+
−
−
−
, (7) где P
S
– чувствительность приемника, дБм.
При работе БПЛА в пределях прямой видимости с НКУ диапазон изменений уровня сигнала из-за замираний может достигать 15 дБ [3].
Энергетический запас M используется для компенсании этих замираний.
Рассмотрим случай, когда беспилотная летательная система исполь- зует диапазон частот 2,4 ГГц для передачи данных, наземную антенну с большим коэффициентом усиления 24 дБи, всенаправленную антенну на борту с коэффициентом усиления 5 дБи, передатчик БПЛА с выходной мощностью 30 дБм (1 Вт), приемник НКУ с чувствительностью -90 дБм, бюжет канала связи 15 дБ. Полагаем, что
γ
= 2 (распространение в сво- бодном пространстве), d
0
= 1 км, L
0
= 6 дБ (потери в фидере и разъемах
НКУ равны 1,5 дБ, потери в бортовом фидере и разъемах – 1,5 дБ, поляри- зационное рассогласование антенн – 3 дБ). В этом случае максимальная дальность связи канала передачи данных с БПЛА на НКУ составляет 12,5 км. При уменьшении значения энергетического запаса на замирания до 10 дБ дальность связи канала передачи данных будет равна 22,2 км.
При применении остронаправленной антенны с большим коэффи- циентом усиления (более 20 дБ) в НКУ ширина диаграммы направленно- сти мала (менее 10°), что накладывает ограничения на применение их в ус- ловиях близкого полета БПЛА. Возможно использование двух типов ан- тенн НКУ для различных дальностей полета БПЛА: всенаправленной ан- тенны с усилением 5-8 дБи для условий ближнего полета и направленной антенны с усилением более 20 дБи для условий дальнего полета. Однако в этом случае необходимо использование опорно-поворотного устройства и системы слежения за БПЛА. Так как к наземному оборудованию не предъ- является жестких требований по массово-габаритным характеристикам, использование в качестве антенны НКУ сканирующей цифровой антенной

Управление, вычислительная техника и информационные технологии
103 решетки (АР) не всегда оправдено ввиду ее большой стоимости, за исклю- чением случая использования АР для одновременного слежения за не- сколькими БПЛА.
Максимальная дальность связи БПЛА. Рассмотрим возможные ситуации взаимного расположения БПЛА и НКУ (рис. 2). БПЛА может на- ходится в зоне видимости (БПЛА №1), или в зоне полутени (БПЛА №2), или в зоне тени (прием в этой зоне может быть осуществлен только благо- даря дифракции сигнала на земной поверхности).
Максимальная дальность радиосвязи опредяется по формуле [6]:
2 2
1 1
2 2
2 2
LOS
З
З
d
R
h
h
R
h
h
=
⋅
⋅ +
+
⋅
⋅ +
, где
h
1
– высота подъема наземной антенны
, м
;
h
2
– высота подъема борто
- вой антенны
, м
;
d
LOS
– предельная дальность прямой видимости
, км
;
З
R
– радиус
Земли
(
З
R
= 6400 км для высоких радиочастот
).
Рис
. 2. Зоны видимости, полутени и тени
На рис
. 3 показана зависимость максимальной дальности радиосвя
- зи от высоты полета
БПЛА
при некоторых заданных высотах подъема ан
- тенны
НКУ
Антенна
НКУ
является мобильной и
устанавливается на вы
- соте не более
10 м
(
типично
2–4 м
).
При высоте полета
БПЛА
1000 м
пре
- дельное расстояние прямой видимости между
БПЛА
и
НКУ
меньше
140 км
Расчёты показывают
, что для получения дальности связи
600 км
БПЛА
должны работать на высоте больше
20 000 м
Следовательно
, для большо
- го расстояния связи необходимо использование либо спутниковой связи
, либо другого
БПЛА
в качестве ретранслятора
Из рис
. 3 следует
, что зависимость предельной дальности связи от высоты подъема антенны
НКУ
(
в диапазоне
1 – 10 м
) слабая
, поэтому вы
- сота мачты для установки наземной антенны определяется необходимо
- стью снижения влияния многолучевости
, с
учетом возможных препятствий на пути распространения сигнала
(
рельеф местности
, застройка
).

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2
104
Рис
. 3: Максимальная дальность связи в зависимости от высоты
подъема
антенн БПЛА и НКУ
Выбор вида модуляции. Основным требованием при создании системы связи с БПЛА является обеспечение возможности передачи дан- ных с заданной скоростью и вероятностью ошибки при больших расстоя- ниях между ЛА и НКУ. Для сравнения энергетической эффективности, на рис. 4 показано некоторых видов модуляции по каналу с гаусовским шу- мом.
Рис
. 4. Вероятности битовой ошибки
для
различных видов модуляции

Управление, вычислительная техника и информационные технологии
105
Из рис. 4 следует, что с увеличением позиционности модуляции ве- роятность битовой ошибки увеличивается, т. е. для поддержания заданного уровня битовой ошибки необходимо увеличивать отношение сигнал/шум
(ОСШ) на входе приемника. Поэтому целесообразным является использо- вание многопозиционной модуляции только при малых расстояниях между
БПЛА и НКУ для передачи большего объема информации без изменения ширины полосы частот. Для обеспечения максимальной дальности связи необходимо использовать энергетически наиболее выгодные виды моду- ляции – такие как двоичная фазовая манипуляция (BPSK) и квадратурная фазовая манипуляция (QPSK).
Как видно из рис. 1, при изменении расстояния между ЛА и НКУ в широких пределах (500 м - 30 км) мощность сигнала с несущей 2,4 ГГц на входе приемника будет изменяться на порядке 35 дБ. Такой большой энер- гетический запас позволяет использовать различные виды модуляции для повышения скорости передачи данных с БПЛА на НКУ при поддержании вероятности битовой ошибки на заданном уровне. Реализация данного подхода требует создания алгоритмов адаптивного изменения схемы мо- дуляции и кодирования цифровой системы связи.
Борьба с частотно-селективными искажениями сигнала. Канал связи с БПЛА является частотно-селективным из-за многолучевости рас- пространения сигналов. Для борьбы с многолучевостью сигналов была разработана технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) [4], которая эффективно применяется в бес- проводных сетях Wifi и WiMax.
Основная идея OFDM заключается в том, что полоса пропускания канала разделяется на группу узких полос (субканалов), каждая со своей поднесущей. На всех поднесущих сигнал передается одновременно, что позволяет обеспечить практически сколь угодно большую общую скорость передачи информации при небольшой скорости передачи в каждом от- дельном субканале. По сути, данная технология трансформирует широко- полосный частотно-избирательный канал во множество параллельных не- избирательных по частоте узкополосных каналов. Такая схема успешно компенсирует влияние многолучевости, если временная протяженность символов на всех поднесущих превышает наибольшую задержку распро- странения сигнала.
Высокая спектральная эффективность OFDM модуляции обеспечи- вается достаточно близким расположением частот соседних поднесущих колебаний, которые генерируются совместно так, чтобы сигналы всех под- несущих были ортогональны.
Как правило, чем больше число поднесущих, тем меньше влияние замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением. Од- нако это приводит к усложнению аппаратуры и к увеличению искажений сигнала за счет доплеровского эффекта. В некоторых случаях при большом