学术讨论 无人机通信链路的几个常识问题

  昨天收到一个朋友发来的“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿(下面统称“意见稿”),拜读以后发现一些常识性错误。虽然通过一些渠道反馈了过去,后来想想,还是写一点关于“无人机无线数据链”的常识性介绍文章,也许对于无人机行业应用的技术人员有所裨益。

  首先,我们顺着“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿进行展开,先讨论一下无线数据链接收灵敏度的常识。下图是征求意见稿的截图:

  可能大家觉得,这个灵敏度指标很高,说明参与制定标准的厂家已经达到了这么高的灵敏度,值得敬佩。其实不然,仔细归算一下就发现,这么高的灵敏度,超常规了,全世界谁也达不到这个指标。

  关于无线系统的最高接收灵敏度极限,可以首先按照系统的热噪声来估算。如果想把微弱的无线信号接收下来,信号的幅度必须大于系统的热噪声幅度,否则有用的信号就全面湮灭在噪声里面了。热噪声的幅度是多少呢?其实很简单,公式如下:

  N=KTB

  其中,N是白噪声功率,K是玻尔兹曼常数,T是环境温度,B是射频带宽。K=1.38×10¯²³,T=290°K(假设是温室是17℃)。剩下的我们只要知道射频信道的带宽就可以了。根据“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿第13页的带宽划分,假设B=5MHz,根据以上公式计算如下:

  N(dBm)=10×Lg(1.38×10¯²³×5×10⁶×290×1000)=-107(dBm)

  就是说,在射频信道是5MHz时,白噪声的功率幅度是-107dBm。那么,如果我们要解调一个频谱带宽为5MHz的信号,这个信号的幅度必须大于-107dBm!否则,信号就全部淹没在噪声里面了,根本无法解调。对于早期的无线信道解调技术,一般是预留10dB的信号冗余,就是说-97dBm才是一个5MHz带宽的信道的实际借解调灵敏度。随着技术的不断发展,人们发现,纠错算法可以大大提高接收机的信道灵敏度。当人们将各种先进的纠错算法(如OFDM交织、LDPC纠错、TURBO纠错等等)引入到调制解调系统以后,接收灵敏度可以大大提高,在接近白噪声功率1-2dB的水平上进行解调,就是说灵敏度可以达到-105dBm。但是考虑到接收机的滤波和放大器的噪声引入,实际可实现的接收灵敏度应该在-102dBm,这才是一个比较合理的灵敏度设置标准。

  当然,同样的方法,可以推断出当射频带宽为1.4MHz时,系统接收灵敏度可以建议为-107.5dBm。所以,意见稿中的-110dBm也是不合理的。

  第二个要讨论的,还是跟灵敏度相关联的指标。我们既然推算出合理的系统灵敏度指标,那么,很容易就推算出无人机在飞行过程中的数据链传输距离问题。实际上,无人机数据链的真实传输距离才是无人机行业工程师们真正关心的,俗话说是骡子是马牵出来遛一遛,性能好坏要看疗效!根据意见稿的设定,要求无人机的图像数据传输距离如下:

  既然要求5MHZ带宽情况下,信道接收灵敏度为-102dBm,规定的等效全向发射功率为39dBm,见下图的意见稿截图:

  那么根据要求的这个发射功率和接收灵敏度,怎样才能计算出实际传输距离呢?公式如下:

  Pᵣ(dBm)=10×Log{Pᵼ×Gᵼ×Gᵣ×(λ/4πR)²}

  以上公式就是著名的传输距离公式。其中,Pᵣ是接收机的输入信号,Pᵼ是无人机机载发射机的发射功率,Gᵼ是机载发射机的天线增益,Gᵣ是地面接收端的天线增益,λ是无线信号的波长,R就是无人机和地面的传输距离。现在,已知Pᵣ=-102dBm,Pᵼ×Gᵼ=39dBm,假设地面接收天线灵敏度是3dB,波长λ=21Cm,我们可以计算出传输距离为:

  R=103Km

  理论上,按照意见稿的标准,无人机的数据链的极限传输距离可以达到103Km。当然,这是个理想数据,实际的数据还要考虑到各种馈线损耗、大气衰减等等。这样我们反推一下,说明这个标准极端不合理!无人机的机载等效全向辐射功率往往不可能做到39dBm,这数据意味着,当机载发射天线增益是3dB时,无人机机载无线发射机的功率为40W,---这是很荒唐的!因为警用无人机多数是微小功率发射机,一般是500-2000mW足够了,也就是27dBm-33dBm

  之间,这样,极限传输功率可以达到30Km-51Km左右。即使考虑到其他各种不利因素(比如,为了提高传输的数据带宽而加大调制的密度,会使得系统灵敏度降低),我们用500mW的发射功率,传输10-15Km肯定是可以的!显然,意见稿里面,设定传输距离为5Km距离@5MHz带宽的指标,也是很不合理的。建议更改为10-15Km比较合理。

  今天讨论的第三个无线传输的常识问题,就是视距或者非视距传输的问题。上面的讨论,实际上都是基于视距传输(pne of sight,或LOS),也叫直线传输。什么环境下是视距传输的呢?大家知道,地球是圆形的,在海平面上是个标准的球面。我们按照海平面的标准球面计算,利用平面几何原理,可以得出很准确的视距传输公式如下:

  L(Km)=3.57×(

)


  其中,L(Km)是视距的距离,H1(单位是米)是无人机的高度,H2(单位是米)是地面接收天线的架设高度。也可以根据下图的推导进行计算:

  通过以上示例,可以看出,无人机在海平面理想状态下的视距距离,取决于无人机的飞行高度。在陆地的情况可能复杂一些,但是基本原理不变。

  在很多无人机的招标PK现场,有的无人机传输图像距离很远,有的无人机则图像卡顿,有时候根本不是无限数据链的质量好坏,其实高度设定是根本原因。笔者所在单位曾经遇到过这个问题,有一个友商购买了我公司的图传,结果现场PK的时候,该公司的技术人员发现,他们的图传不如我公司的距离远,于是怀疑是不是我们公司将质量好的图传留给自己用,将不好的图传卖给同行了!真的是多虑了,传输效果不好的原因有:飞行高度问题,天线增益问题,射频接口是不是链接得好,有没有干扰等等。一般来说,咱们中国厂家为了提高销售量,往往将好的产品销售给客户,自己反而会用差一点的或者过时的,比如,外贸行业的服装出口转内销就是一个例子,有点瑕疵的都自己工厂内部当做福利发给自己员工了。

  本文借“警用无人驾驶航空器无线通信技术要求”征求意见稿作为话题引子,主要是这样更容易引起读者关注,不当之处,敬请谅解。

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