Migliorare i collegamenti dati RF per i veicoli senza pilota

Il bisogno di maggiore capacità di canale continua ad aumentare per i sistemi di comunicazione wireless. Sempre più persone ed organizzazioni richiedono velocità dati sempre più elevate per lo streaming di video ad alta definizione (HD) e per applicazioni relative a trasmissione, sorveglianza o social media. Inoltre, una volta che tecnologie video avanzate come il 4K diventeranno mainstream, la pressione sulle prestazioni dei collegamenti dati RF per le applicazioni mobili aumenterà a tal punto per cui la tecnologia attuale non potrà fornire prestazioni accettabili. In questo articolo evidenzieremo le possibili soluzioni alle richieste sempre crescenti di capacità di canale a cui i sistemi RF devono rispondere. In particolare, le soluzioni proposte ben si adattano ad applicazioni nell'ambito dei veicoli con e senza pilota.

Introduzione

Un veicolo senza equipaggio o un veicolo senza pilota (UxV) è un veicolo senza una persona a bordo. I veicoli senza equipaggio possono essere veicoli telecomandati o guidati a distanza, oppure possono essere veicoli autonomi in grado di rilevare l'ambiente e di navigare da soli. A seconda dell'ambiente operativo si distinguono in:

UGV - veicolo terrestre senza pilota che opera a contatto con il suolo e senza la presenza umana a bordo. Gli UGV possono essere utilizzati per molte applicazioni in cui può essere scomodo, pericoloso o impossibile avere un operatore umano presente. In genere, il veicolo avrà una serie di sensori per osservare l'ambiente e prenderà autonomamente decisioni sul suo comportamento o trasmetterà le informazioni a un operatore umano in un luogo diverso che controllerà il veicolo tramite la teleoperazione.
UAV - veicolo aereo senza pilota, comunemente noto come drone. Gli UAV sono un componente di un sistema di aeromobili senza pilota, che include l'aggiunta di un controller a terra e un sistema di comunicazioni con l'UAV. Il volo degli UAV può operare sotto controllo remoto da parte di un operatore umano o con vari gradi di autonomia, fino ad aeromobili completamente autonomi.

I collegamenti RF che permettono ad un operatore remoto di comunicare con questi veicoli, non sono poi così differenti da quelli che mettono in contatto una stazione radio base da un utente mobile in un sistema cellulare. Si sente spesso parlare di aumentare la larghezza di banda per migliorare le prestazioni di un collegamento. Tale affermazione, seppur vera, risulta inattuabile nella pratica, poiché la larghezza di banda di un collegamento RF non può essere aumentata a piacimento. Ci sono invece varie soluzioni a questo problema, di cui discuteremo, inclusa la tecnologia Multiple-In Multiple-Out (MIMO), antenne ad alto guadagno, sistemi di tracciamento e amplificatori bidirezionali (BDA). Ognuna di queste tecnologie presenta vantaggi così come compromessi.

La capacità di canale

Un canale RF, in un dato sistema, è fisicamente limitato nella quantità di informazioni che può trasportare. Tale quantità di informazioni si definisce capacità di canale. Il teorema di Shannon - Hartley mette in relazione la capacità massima che può essere raggiunta su un certo canale con le caratteristiche di rumore e larghezza di banda. In un ambiente con rumore gaussiano bianco additivo, la capacità massima è data da:

Dove C è la capacità del canale in bit/secondo, B è la larghezza di banda del canale in Hertz, S è la potenza del segnale in Watt e N è la potenza del rumore in Watt. S/N è noto come rapporto segnale/rumore (SNR). Mentre la larghezza di banda B limita la velocità con cui i simboli informativi possono essere inviati in un dato canale, l'SNR limita la quantità di informazioni che è possibile comprimere in ogni simbolo trasmesso. Un aumento dell'SNR rende i simboli trasmessi più robusti rispetto al rumore e produce un collegamento RF più saldo. Questo permette l'utilizzo di tecniche di modulazione avanzate e l'incremento nella velocità di trasmissione. Secondo l'equazione, l'unico modo per aumentare la capacità del canale è aumentare la larghezza di banda o aumentare l'SNR. Ma, poiché le bande messe a disposizione per la trasmissione RF sono estremamente limitate a causa dell'assegnazione dello spettro RF/Microonde, l'unico modo pratico per aumentare la capacità del canale è aumentare l'SNR. Diverse tecnologie sono state sviluppate per affrontare questa sfida; una delle tecniche di maggiore successo e più promettente è comunemente nota come MIMO.

La tecnologia MIMO

MIMO è attualmente una tecnologia di comunicazione radio utilizzata nelle tecnologie Wi-Fi, LTE e in molti altri sistemi wireless per applicazioni commerciali, militari e industriali. Si tratta di un metodo per aumentare la capacità di un canale wireless che utilizza più antenne, sul trasmettitore e sul ricevitore, per abilitare una varietà di percorsi di segnale per trasportare gli stessi dati. Tale tecnologia opera al meglio in ambienti complessi che presentano cammini multipli, fornendo al ricevitore versioni multiple dello stesso segnale (Figura 1).

Figura 1: Propagazione del segnale per mezzo di cammini multipli

Dal momento che i segnali multipli trasmessi sono tutti influenzati in modo diverso dai vari percorsi, ostacoli e riflessioni con cui hanno interagito nel percorso verso il ricevitore, ognuno di essi presenta individualmente diversi segnali al ricevitore. Pertanto, i diversi segnali possono essere identificati individualmente e combinati per aumentare l'SNR, o se un segnale è distorto o ritardato in modo significativo, esso può essere ignorato, riducendo così il numero di errori. Questa tecnologia fornisce ulteriore capacità dati utilizzando i diversi percorsi per ridurre al minimo l'influenza dell'ambiente e quindi consentire un throughput aggiuntivo. Come conseguenza, la tecnologia MIMO è in grado di aumentare la capacità di un dato canale obbedendo comunque all'equazione di Shannon-Hartley. Aumentando il numero di antenne in trasmissione e in ricezione, un sistema MIMO 2 x 2 raddoppia la massima velocità di trasmissione dati che può essere ottenuta in un singolo canale RF tradizionale. Molti utenti MIMO possono collegare le loro radio per creare reti mesh che consentono alle radio di entrare o lasciare la rete in qualsiasi momento.

La rete adatterà continuamente la sua topologia al movimento dei nodi in relazione l'uno con l'altro. Senza un master centrale o un hub che controlli la rete e funga da singolo punto di vulnerabilità, le comunicazioni continueranno anche in assenza di uno o più nodi. Le reti mesh hanno la capacità di aumentare la dimensione geografica della rete mediante collegamento l'uno all'altro e, a loro volta, tendendo la mano a nodi ancora più distanti. I sistemi MIMO tendono ad essere più costosi rispetto alle loro controparti tradizionali, tuttavia, a causa della loro prevalenza sul mercato, essi stanno diventando sempre più convenienti. Inoltre, per sistemi più piccoli, sarà necessario che le posizioni vengano designate per multiple antenne.

Interferenze a radiofrequenza

Quanto lontano possa viaggiare un segnale viene determinato quando la potenza di trasmissione, attenuata dalla perdita di percorso (Path Loss) totale del sistema, non riesce a superare la soglia richiesta dal ricevitore. In altre parole, quando l'attenuazione punto a punto eccede il livello minimo di segnale che il ricevitore è in grado di distinguere dal rumore di fondo ambientale. Qualsiasi valore aggiuntivo di potenza del segnale al di sopra di questa soglia viene definito come margine di collegamento del sistema. Quando nel sistema non è presente alcun margine di collegamento o è troppo basso, il collegamento alla fine cadrà sulla desiderata distanza. Anche le interferenze a radiofrequenza (RFI) da sorgenti esterne influiscono negativamente sulla distanza che la rete può raggiungere così come sulla velocità di trasmissione dati in un particolare canale nella rete. RFI è la conduzione o la radiazione di energia a radiofrequenza che causa ad un dispositivo elettronico o elettrico il produrre rumore che interferisce con la funzione di un dispositivo adiacente (Figura 2). RFI può provenire da cose semplici come luci, laptop e telefoni cellulari. Per veicoli aerei senza pilota (UAV) anche gli altri dispositivi di comunicazione presenti nel veicolo stesso interferiranno con il collegamento dati.

Figura 2: Diagramma a blocchi di un collegamento RF standard

Quando è presente il disturbo RFI, il rumore di fondo ambientale viene innalzato, a volte in modo significativo, il che ridurrà l'SNR del sistema fino a un punto in cui i dati non potranno più essere distinti e il collegamento verrà perso. Ridurre al minimo i disturbi RFI è fondamentale per il mantenimento del collegamento e per la fornitura della velocità di trasmissione dati promessa alla distanza desiderata. Per i veicoli senza pilota anche se i disturbi RFI sono controllati alla stazione di terra, l'unità mobile può riscontrare comunque problemi derivanti da RFI. Se ciò si dovesse verificare, il collegamento potrebbe essere perso e la missione del veicolo potrebbe fallire.

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