Tolimojo drono vaizdo perdavimo sistema su „Wi-Fi Halow“

Įvadas

Patikimos paklausa, ilgo nuotolio, Mažos latentinės vaizdo įrašų perdavimas nepilotuojamoje oro transporto priemonėje (Uav) Programos sparčiai auga. Dronai nebenaudojami tik trumpo nuotolio vartotojų fotografijai; Jie tapo pramoninio patikrinimo įrankiais, Teisėsauga, Nelaimės atkūrimas, ir paieškos ir gelbėjimo misijos. Visoms šioms programoms reikalingi patikimi vaizdo įrašų tiekimas kartu su telemetrija ir valdymo signalais, kurie gali prasiskverbti į kliūtis, išlaikyti didelius atstumus, ir išlikti stabiliai dinamiškoje aplinkoje.

Tradiciškai, dauguma komercinių dronų pasikliauja 2.4 GHZ ir 5.8 GHZ „Wi-Fi“ technologijos arba patentuotos skaitmeninės transmisijos sistemos, skirtos perduoti vaizdo ir valdymo signalus. Tačiau, Šios dažnių juostos susiduria su tokiais iššūkiais kaip didelis trukdys, ribotas skverbtis per sienas, ir trumpesni regėjimo linijos diapazonai, palyginti su sub-GHz dažniais.

Tai paskatino vis didesnį susidomėjimą „Wi-Fi Halow“ (IEEE 802.11AH), palyginti naujas standartas, veikiantis 900 MHz spektras. Pasinaudojant ilgesniais bangos ilgiais, „Wi-Fi Halow“ žada išplėstinį diapazoną, Geresnis sienos įsiskverbimas, ir mažesnės energijos suvartojimo, todėl ypač patrauklu dėl drono vaizdo perdavimo.

Kliento vizija yra imtis „OpenIPC“, IP kamerų atvirojo kodo programinė įranga, ir integruoti su „Wi-Fi Halow“ aparatūra Norėdami įjungti droną montuojamą IP kamerų sistemą, galinčią:

Srautas RTSP H.265 VIDEO minimaliu pralaidumu 1–2 Mbps.
Palaikymas Ne regėjimo linija (NLOS) perdavimas iki 700–800 metrų, tokių kaip skraidymas į pastatus ar už sienų.
Įgalina Regėjimo linija (LOS) perdavimas iki 10 kilometrai tarp drono ir antžeminės stoties.
Integracija Telemetrijos ir RC valdymo protokolai pvz., SBUS arba CRSF į tą pačią nuorodą.
Potencialiai naudojant RF galios stiprintuvai (1–2 w) Norėdami išplėsti transmisijos diapazoną.

Šiame straipsnyje, Mes išanalizuosime šios sistemos įgyvendinamumą, Jį pateikiami iššūkiai, ir galimi inžineriniai keliai, kaip paversti šią viziją realybe.

1. Suprasti reikalavimus

1.1 Vaizdo perdavimo apribojimai

Naudojimas H.265 kodavimas yra labai svarbus čia, Kadangi jis siūlo maždaug 50% Geresnis suspaudimo efektyvumas, palyginti su H.264, Reiškia, kad aukštos kokybės vaizdo įrašas gali būti pasiektas mažesniuose „Bitrates“. Drono telemetrijai ir valdymui, efektyvus Mažiausias pralaidumas 1–2 Mbps laikomas priimtinu. Tai yra gerokai mažesnė, Tačiau iššūkis yra užtikrinti stabilų pristatymą po silpnais signalais ir dideliais atstumais.

1.2 Diapazono lūkesčiai

NLOS (700–800 m): Šis diapazonas yra ypač sudėtingas, nes radijo signalai bet kokiu dažniu žymiai pablogėja, kai prasiskverbiančios sienos, plienas, ir betonas. Kol 900 MHZ sekasi geriau nei 2.4/5.8 GHz, tankioje miesto aplinkoje vis dar slopinamas.
LOS (10 km): Pasiekti 10 km žvilgsnio yra įmanoma 900 MHz palankiomis sąlygomis, ypač jei naudojamos kryptinės antenos ir didelės galios stiprintuvai. Tačiau, Reguliavimo apribojimai ir energijos efektyvumas turi būti atidžiai apsvarstytas.

1.3 Valdymo ir telemetrijos integracija

Poreikis įterpti SBUS arba CRSF kartu su vaizdo įrašu reikia a multipleksavimo tirpalas, arba fiziniame sluoksnyje (Bendras kanalas) arba aukštesniame tinklo sluoksnyje (kapsulė per IP). Latentinis potraukis čia ypač labai svarbus, Kadangi drono valdymo kilpos reikalauja milisekundžių masto reagavimo.

1.4 Aparatūros aspektai

Klientas įsivaizduoja pakeisti standartą 2.4/5.8 GHZ „Wi-Fi“ modulis su a „Wi-Fi Halow“ 900 MHZ mikroschemų rinkinys, suporuotas su a 1–2 W RF stiprintuvas diapazono pratęsimui. At 100 mW, Komerciniai „Wi-Fi Halow“ moduliai paprastai pasiekia ~ 1 km LOS. Mastelio keitimas į aukštesnes perdavimo galias teoriškai galėtų nukreipti diapazoną į 10 km ar vėliau, Bet šilumos išsisklaidymas, energijos sąnaudos, ir teisiniai apribojimai yra susiję su.

2. „Wi-Fi Halow“ techninis įgyvendinimas dronams

2.1 „Wi-Fi Halow“ pranašumai

Ilgesni bangos ilgiai: Ties ~ 900 MHz, signalizuoja geriau difraktui ir efektyviau prasiskverbia į sienas nei ties 2.4 GHz.
Energijos efektyvumas: „Wi-Fi Halow“ yra skirtas IoT, Taigi mikroschemų rinkiniai dažnai palaiko mažos galios režimus, kuriuos būtų galima pritaikyti dronams su akumuliatoriaus apribojimais.
diapazonas: Optimaliomis sąlygomis, „Wi-Fi Halow“ žada kilometrų skalės diapazoną, kurio galios lygis yra kukliai.

2.2 Potencialūs apribojimai

Pralaidumas: „Wi-Fi Halow“ yra optimizuotas mažo bitrato interneto programoms. Tipiškas pralaidumas gali būti nuo 150 KBPS iki 15 MBP, priklausomai nuo moduliacijos ir pralaidumo nustatymų. Tai gali palaikyti 1–2 Mbps vaizdo įrašą, Tačiau klaidų marža yra mažai.
Mikroschemų rinkinio prieinamumas: „Wi-Fi Halow“ vis dar yra palyginti naujas, ir parduodamas skaičius, Dronams draugiški moduliai yra riboti. Vairuotojo palaikymas „OpenIPC“ integracijai gali reikėti žymiai modifikuoti.
Trukdymas 900 MHz ISM grupė: Nors mažiau perpildyta nei 2.4 GHz, the 900 MHZ juostą vis dar naudoja pramoninė įranga, Lora, ir kiti ISM prietaisai. Trukdžiai galėtų sumažinti patikimumą.

3. Aparatūros inžinerijos iššūkiai

3.1 RF galios amplifikacija

Didinti perdavimo galią iš 100 MW iki 1–2 W gali išplėsti diapazoną, Bet taip pat:
- Sunaudoja žymiai daugiau galios (greičiau nusausinkite dronų baterijas).
- Generuoja šilumą, kuriam reikia aktyvaus aušinimo.
- Gali pažeisti reguliavimo ribas (FCC, TAI, ir tt).

3.2 Antenos dizainas

Kryptinės antenos antžeminėje stotyje yra būtinos norint pasiekti 10 km los.
Ant drono, Kompaktinės visos kryptinės antenos turi subalansuoti padidėjimą su dydžiu ir aerodinamika.

3.3 Dydis, Svoris, ir galia (Apsikeitimas)

Bet kokia papildoma aparatinė įranga, ypač stiprintuvai ir šilumos kriauklės, Padidina naudingo krovinio svorį, tiesiogiai sutrumpinti skrydžio droną.
Sukeitimo optimizavimas yra labai svarbus, kad sistema būtų praktiška.

4. Programinė įranga ir protokolo aspektai

4.1 „OpenIPC“ adaptacija

Šiuo metu „OpenIPC“ nukreipia tradicinius „Wi-Fi“ modulius. Norint perkelti jį į „Wi-Fi Halow“ aparatinę įrangą, reikės pasirinktinių tvarkyklių.
Integracija į RTSP srautą per potencialiai suvaržytą nuorodą turi apimti klaidų pataisą, Jitterių buferija, ir adaptyvus bitratas.

4.2 Multipleksavimas vaizdo įrašas ir valdymas

SBUS ir CRSF gali būti įtraukti į IP paketus kartu su RTSP, Tačiau griežtas latencijos reikalavimų poreikis QoS (Aptarnavimo kokybė) Valdymo signalų prioritetų nustatymas.
Alternatyviai, Atskirą siauros juostos telemetrijos kanalą būtų galima išlaikyti lygiagrečiai su vaizdo perdavimu, Nors tai apsunkina aparatinę įrangą.

4.3 Saugumas ir šifravimas

AES arba WPA2/WPA3 šifravimas prideda apdorojimo viršutinę sumą, Tačiau neužkrėstos nuorodos gali būti pažeidžiamos užgrobimo.
Turi būti atsižvelgiama.

5. Nuorodų biudžetas ir diapazono analizė

Supaprastinta nuorodų biudžeto analizė padeda iliustruoti galimybes:

Perduoti galią: 100 mW (20 dBm) Pradinė; su stiprintuvu → 1 W (30 dBm) arba 2 W (33 dBm).
Imtuvo jautrumas: -95 DBM, būdingas „Wi-Fi Halow“ mažame bitų kalba.
Antenos padidėjimas: 2–5 DBI dronas, 10–20 DBI antžeminė stotis kryptinė.
Laisvos erdvės kelio praradimas (10 km 900 MHz): ~ 112 dB.

Su šiais skaičiais:

Nuorodos paraštė su 1 W perdavimo galia ir didelio stiprumo antenos yra ~ 10–15 dB, Pakanka stabiliam 1–2 Mbps pralaidumui.
NLOS scenarijus yra daug sunkiau nuspėti; Skverbtis už sieną gali būti 5–15 dB, greitai sunaudojama nuorodų marža.

6. Reguliavimo ir praktiniai iššūkiai

Teisinės galios ribos: Daugelyje regionų, nelicencijuotas 900 MHz transmisijos yra uždengtos 1 W anp. Naudojant didesnę galią, gali prireikti licencijos.
Saugos problemos: Stiprus RF produkcija šalia žmonių galėtų iškelti atitikties klausimus.
Drono skrydžio laikas: Papildomas stiprintuvų ir aušinimo naudingumo svoris sumažina ištvermę.

7. Galimi inžineriniai sprendimai

Hibridinis bendravimas: Naudokite „Wi-Fi Halow“ vaizdo įrašui, Tačiau palaikykite atskirą „Lora“ arba siauros juostos nuorodą, skirtą telemetrijos/valdymo pertekliui.
Adaptyvus bitų srautas: Įdiekite dinaminį bitų mastelio keitimą „OpenIPC“, kad tvarkytumėte svyruojančią jungties kokybę.
Kryptinės antenos: Investuokite į antžeminius antenas ir stebėtojus, kad padidintumėte LOS diapazoną.
Pasirinktinės tvarkyklės ir programinė įranga: Dirbkite su mikroschemų rinkinių pardavėjais ar atvirojo kodo bendruomenėmis, kad pritaikytumėte „Wi-Fi Halow“ tvarkykles į „OpenIPC“.

Išvada

Vizija naudoti „Wi-Fi Halow“ 900 MHz Drono vaizdo perdavimui techniškai įmanoma, bet ne be reikšmingų iššūkių. Šiek tiek 1–2 Mbps, Sistema atitinka „Wi-Fi Halow“ teorinį pajėgumą. Su kruopščia inžinerija, ypač pagal nuorodų biudžeto projektą, Antenos pasirinkimas, ir protokolo optimizavimas - tai įmanoma pasiekti 10 km los ir keli šimtai metrų NLOS Spektaklis.

Tačiau, Liko praktinės kliūtys: ribotas mikroschemų rinkinio prieinamumas, Reguliavimo galios apribojimai, naudingo krovinio svoris, ir integracijos sudėtingumas su „OpenIPC“. Misijai svarbioms drono programoms, a Hibridinės sistemos architektūra „Wi-Fi Halow“ derinimas su nereikalingomis telemetrijos jungtimis gali būti patikimiausias sprendimas.

Šis projektas parodo pažangiausią atvirojo kodo programinės įrangos sankirtą, „Sub-GHz“ belaidis ryšys, ir UAV sistemos dizainas. Tęsiant „Wi-Fi Halow“ aparatinės įrangos ir kruopščios sistemos integracijos kūrimą, Tai gali tapti nauju tolimojo nuotolio standartu, Mažo latakcijos drono vaizdo transmisija.

Sukurti tolimojo drono vaizdo transmisijos sistemą su „Wi-Fi Halow“ ir „OpenIPC“