Модель оценки битовой ошибки в радиоканале управления БЛА мониторинга пожаров с использованием модуля LoRa в условиях лесного массива

Беспилотная авиация в последние десятилетия получила значительное развитие на множестве направлений. В современных условиях применение недорогих малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) позволяет существенно сократить время при проведении различного рода работ в широком спектре отраслей.

В частности, уже сейчас применение БЛА малого и среднего классов значительно упрощает оперативные мероприятия по поиску пропавших людей и при мониторинге лесных пожаров. Последнее стало особенно актуальным на этапе, когда локализация первичных пожаров затруднена или невозможна авиационными средствами. С другой стороны, использование БЛА позволило не только сократить время обнаружения появляющихся очагов, но и в некоторых случаях зафиксировать лиц, по вине которых такие источники появляются.

Тем не менее применение БЛА в лесном массиве, в том числе и при мониторинге пожаров, во многом ограничено дальностями радиолинии, поскольку в процессе управления и передачи изображения в условиях растительности радиосигнал претерпевает существенные ослабления, что, в свою очередь, может привести не только к сокращению дальности мониторинга, но и к потере управления самим БЛА.

В условиях густых высоких лесных массивов наилучшим решением стало бы размещение наземного пункта управления БЛА на одиночной возвышенности, позволяющей обеспечить прямое прохождение электромагнитных волн радиосигнала. Но особенности рельефа местности далеко не всегда позволяют воспользоваться такой возможностью. Поэтому при проведении планирования полетов в условиях растительности оценка влияния лесных массивов на ослабление радиоволн становится важной задачей как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Целью работы является получение теоретической оценки потерь в радиоканале, учитывающей влияние лесного массива на распространение радиоволн для равнинной поверхности, исключающей препятствия в виде холмов и гор, и получение оценки вероятности битовой ошибки для различных значений отношения сигнал-шум.

Результаты экспериментов, описанных в [1], показали, что для частот УКВ-диапазона крона деревьев будет вносить дополнительные потери в наклонной трассе, что, соответственно, будет ограничивать дальность радиолинии управления и передачи данных от БЛА.

Для проведения исследований по вопросу оценки запаса помехоустойчивости в радиоканале рассмотрим условие, при котором в качестве управляющего модуля формирования передаваемого радиосигнала в БЛА используется LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2 (рис. 1) с рабочими частотами f ϵ [850; 390] МГц и мощностью сигнала P _БЛА = 22 дБм (158 мВт).

Данный модуль позволяет обеспечить скорость передачи данных от 0.3 до 2.5 кбит/с с полосой радиосигнала от 7.8 до 500 кГц (Δ W = 0.0078–0.5 МГц) и фактором расширения полосы (Spreading Factor), SF = 7–12.

На рис. 2 и 3 соответственно приведены спектрограмма и осциллограмма радиосигнала, полученного с помощью модуля LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2.

На рис. 3 показаны чип-сигналы во времени, соответствующие разным LoRa-символам при SF=7. Каждый цвет представляет собой сигнал для одного из символов (0, 32, 64, 96, 127).

Частота чипа сдвигается пропорционально значению символа, от нижней границы (0) до верхней (127). LoRa модулирует информацию в этом частотном сдвиге внутри чипа.

Рис. 1. Модуль LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2

Fig. 1. LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2 module

Таблица 1. Параметры модуля LoRa UART

Table 1. LoRa UART Module Parameters

Характеристика	Параметры
Тип модуляции	Chirp Spread Spectrum (CSS)
Частота	433/868/915 МГц
Режим передачи данных	Полудуплекс
Режим энергопотребления	Модель «сон – передача»
Скорость передачи	0.3–50 кбит/с
Шифрование	128-битное шифрование AES в LoRaWAN

Спектрограмма LoRa-like сигнала (100 мс, чередование chirp)

Время (мс)

Рис. 2. Спектрограмма радиосигнала, полученного с помощью модуля LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2

Fig. 2. Spectrogram of the radio signal obtained using the LoRa UART CDEBYTE E 220–900T22D-V1.2 module

На рис. 4 представлены спектрограммы чип-сигналов для различных LoRa-символов (при SF = 7). Каждый график рис. 4 отображает частотно-временную структуру одного символа, от которого зависит частотный сдвиг (0 – нижняя частота,127 – верхняя частота). Таким образом, LoRa модулирует данные в сдвиге частоты чип-сигнала, что обеспечивает высокую устойчивость к шуму и устойчивую демодуляцию даже при слабом сигнале.

Как видно из рис. 5а и б, особенностью сигнала является то, что его частота плавно изменяется от минимального к максимальному значениям, и затем снова снижается до минимума, что позволяет уменьшить влияние узкополосных помеховых воздействий в некоторой полосе функционирования (Δ f п < Δ f LoRa ).

Изменение фазы для такого радиосигнала представлено на рис. 6. Из рисунка видно, что фаза испытывает некоторое нелинейное изменение.

Рис. 3. Осциллограмма LoRa-символов (SF = 7)

Fig. 3. Waveform of LoRa symbols (SF = 7)

Рис. 4. Спектрограммы чип-сигналов для различных LoRa-символов (при SF = 7)

Fig. 4. Spectrograms of chip signals for various LoRa symbols (at SF = 7)

Рис. 5. Осциллограммы радиосигнала, полученного с помощью модуля LoRa а) для 10 мс; б) 100 мс

Fig. 5. Waveforms of the radio signal received using the LoRa module a) for 10 ms; b) for 100 ms

140000 -

120000 -

100000 -80000 -

С 60000 -40000 20000 -о

С                    2 и                   40                   60                   ВО                  100

Врем? (мс)

Рис. 6. Изменение фазы радиосигнала, полученного с помощью модуля LoRa

Fig. 6. Phase change of the radio signal received using the LoRa module

Для расчетов примем, что пункт управления представляет собой модуль, установленный на треноге высотой h пу = 1.5 м, а управляемый БЛА находится на некотором удалении D БЛА на высоте h _БЛА = 100 м. Будем считать, что лес однородный, состоит из хвойных пород (кедровый) со средней высотой стволов h f = 20 м.

При расчете радиоканала в целом возможны два варианта геометрического построения. Первый вариант учитывает кривизну поверхности и характерен для трасс, при которых дальность радиолинии не менее 12 км ( D БЛА ≥ 12) км, рис. 7а). Второй вариант учитывает условие, когда поверхность можно считать плоской ( D _БЛА < 12 км, рис. 7б). Для обоих вариантов требуется оценить отдельно расстояние между пунктом управления и БЛА, а также между пунктом управления и точкой выхода прямой из лесного массива. Будем считать, что за пределами зоны прямой видимости ослабления будут критичными, и для рассматриваемого диапазона частот передача информации не возможна.

Важно отметить, что первый вариант применим, если при его расчете будет выполняться условие требуемого запаса помехоустойчивости:

^БЛА + ^БЛА ^IossC^BAa) + ^Г — ^r_min

В случае, если данное условие не будет выполняться, становится невозможным обеспечить требуемый уровень битовой ошибки (BER) и вероятностно-временных характеристик – 393 –

Рис. 7. Функционирование радиоканала «пункт управления – БЛА» с наземным ретранслятором в условиях растительности а) D БЛА < 12 км; б) D БЛА < 12 км

Fig. 7. Operation of the «control point – UAV» radio channel with a ground repeater in vegetation conditions a) D_BLA≥12 km; b) D_BLA<12 km

(ВВХ) по доставке пакетов с сигналами управления. Поэтому в дальнейшем будет необходимо рассматриваемую задачу решить методом от обратного, а именно определить граничное значение D _БЛА , при котором неравенство (1) станет верным.

Оценка запаса помехоустойчивости на дальности радиоканала «пункт управления – БЛА». Для первого варианта, который учитывает теоретическое предельное значение дальности радиоканала, значение D БЛА , с учетом рефракции радиоволн, будет определяться из выражения:

Для заданных h пу и h БЛА дальность прямой видимости составит D БЛА = 46.25 км. Полученный расчет ограничивает дальность прямой видимости и будет предельным для проведения расчетов в рассматриваемых условиях. Таким образом, в расчетах будем рассматривать динамику потерь для радиолиний от 100 м до 46.25 км ( D ϵ [0.1; 42.25] км). На предельной дальности угол наклона между поверхностью и прямой, соединяющей точки пункта управления и БПЛА, определяется согласно их геометрическому расположению:

<^БЛА = ^П

^БЛА ^пу

^БЛА

Для приведенных значений составляет Vd^ = ^0Л22"

Поскольку высота БЛА в несколько раз превышает высоту сплошного лесного массива, следовательно, длина радиолинии, проходящей по лесу, будет значительно меньше D _БЛА . Максимальная длина радиолинии может быть определена из предположения, что луч, соединяющий пункт управления и сам БЛА, касается поверхности Земли в некоторой точке. Тогда, при допущении, что радиус Земли для некоторого расстояния не изменяется ( R 3 = 6371 км = const ), можно построить систему уравнений, решение которой позволит рассчитать длину радиолинии вдоль леса D f :

В конечном итоге предельная дальность распространения радиоволн в лесном массиве Df после упрощения примет вид:

С учетом исходных параметров решение (4) позволило определить Df = 25.49 км. Важно отметить, что полученное расчетное значение Df является максимально возможным, а его расчет предусматривал, что лесная поверхность практически ровная и не имеет препятствий в виде холмов или скал. В случае если такие препятствия имеются, предельная дальность будет ограничена прямой видимостью с учетом их высоты и дополнительных ослаблений.

Для второго варианта значения D _БЛА и Df будут функционально зависимы от угла места θ^D БЛА :

~    _ ^БЛА ^пу

^бла “

hf ^пу

D_f ^--- 7

' sin 0,

Абла

Тогда ослабление при распространении радиосигнала в свободном пространстве будет определяться в виде []:

L/s = 32.45 + 20 -lg(DMA-/).(7)

С учетом (2) для условий первого варианта получим:

Тогда для второго варианта (7) примет вид:

Lfs 32.45 + 20(9)

\  S111 ^БЛА /

На основании (7) для различных D _БЛА был построен график поверхности, характеризующий изменение потерь в свободном пространстве для заданного интервала частот (рис. 8).

Согласно полученным расчетам, для максимального удаления на частоте 930 МГц уровень потерь составил 78.93 дБ, в то время как для 850 МГц значение – 78.39 дБ. При этом на минимальном удалении уровень потерь составил 52.14 дБ и 51.74 дБ соответственно.

Расчет потерь при распространении радиосигнала в лесном массиве. Для расчета потерь при распространении радиоволн в лесном массиве рассмотрим ряд существующих моделей, описывающих зависимость ослабления радиосигнала от его частоты, дальности распространения, типа лесного массива, а также времени года и процента растительности.

Наиболее подробно такие модели представлены в [1, 2]. В [1], в частности, показаны несколько отдельных моделей, из которых для условий лесного массива подходят Р.833(1), Р.833(2) и Р.833(3).

Рис. 8. Расчет потерь при распространении в свободном пространстве радиосигнала модуля LoRa (расстояние в сотнях метров)

Fig. 8. Calculation of losses during propagation in free space of the radio signal of the LoRa module (distance in hundreds of meters)

Модель Р.833(1). Для описания потерь на ослабление L_v при распространении вдоль горизонтальной или наклонной трассы, покрытой зеленой растительностью, на практике используется модель на основе показательной функции [1]:

L_fl = A-f^B-d^c-(e + EY,                                    (10)

где f – частота (МГц), d – глубина растительности (м), θ – угол места (градусы), а A , B , C , E и G -эмпирические параметры, характерные для конкретного типа растительности с учетом сезонности. В частности, в табл. 2 представлены коэффициенты, необходимые для расчета потерь в наклонной трассе с учетом соснового леса.

Тогда для соснового леса выражение (4) примет вид:

L_fl = 0,25 ■ f^0,39 ■ d^0,25 ■ (6 + E)^o,os.                                       (11)

Для условия первого варианта необходимо учесть, что угол места θ = 0, тогда расчетное выражение примет вид:

Таблица 2. Коэффициенты для расчета потерь в растительности

Table 2. Coefficients for calculating vegetation losses

Тип деревьев	A	B	C	E	G
Сосна	0,25	0,39	0,25	0	0,05
Кедр	1,87	-	-	0,01	–0,12
Можжевельник	1,5	-	-	0,01	–0,12

Для эмпирических коэффициентов кедра потери в лесном массиве L _v = 570.042 дБ. Значение ослаблений будет нелинейно убывать с ростом θ . При θ = 1° показатель ослабления снизится до 327.634 дБ.

Для второго варианта ослабления в зависимости от θ D _БЛА :

^J^-W^H1 Ч^ + гГ        (13)

\sm ^БЛА/

Выражение (13) применимо в условиях, когда наземный пункт управления расположен внутри лесного массива. Для случая, если пункт управления расположен на некотором удалении от «лесной стены» d v (1–50 м), сначала необходимо определить максимальный угол кромки леса θ max , град. Для расчетов потерь от растительности будем полагать, что мониторинг пожара производится в условиях кедрового (соснового) леса высотой h f около 20 м (характерная высота кедрового леса для Западной и Центральной Сибири). В зависимости от значения d v будет изменяться предельное значение секторального угла θ max между прямой, параллельной поверхности Земли, и прямой, проходящей через кромку лесного массива из точки расположения наземного терминала:

OmaxW = arctg ------ .                                    (14)

График зависимости представлен на рис. 9.

Рис. 9. Функционирование радиоканала «пункт управления – БЛА» с наземным ретранслятором в условиях растительности

Fig. 9. Operation of the radio channel “control point – UAV” with a ground repeater in vegetation conditions

Тогда протяженность радиолинии в лесу D f можно определить из выражения:

^/С^бла) -

hf h_ny d_v ■ tg(6_Om)

sin(0^A) '

В итоге представим (1) в виде:

На основании (5) были построены графики ослаблений для 850 и 930 МГц для различных удалений пункта управления от лесного массива.

а)

б)

Рис. 10. Рассчитанные значения потерь для 850 и 930 МГц для различных удалений пункта управления от «лесной стены» а) 1 м; б) 50 м

Fig. 10. Calculated loss values for 850 and 930 MHz for different distances of the control center from the «forest wall» a) 1 m; b) 50 m

Модель, учитывающая сезонность времени года Р.833(2). Для учета изменения влияния растительности на потери в радиоканале в зависимости от времени года (сезона) используется модель (1), одним из параметров которой является номер месяца времени года M = 1, 2, 3,…,12, который используется в определении значения коэффициента B :

г (0.0013118-0.02623б(|М-6,5|))

В = (0.30281 - 0.003624 ■ (|M -                                      . (17)

С учетом (17) для определения ослаблений радиоволн в лесном массиве используется выражение:

L/2=A-fMg(D,.)-(eDMA + E)C-4.                         (18)

где f – частота (МГц), A , E и G – эмпирические коэффициенты (табл. 1). Тогда для первого варианта с учетом (5) и θ = 0 выражение (18) примет вид:

Для кедровых лесов (табл. 1) полученное значение составило L _{v_s} = 95.262 дБ.

Для второго варианта, с учетом (15), в зависимости от θ D _БЛА и d veg значение L v_s можно определить с помощью выражения:

На рис. 11а и б приведены расчеты поверхностей потерь L v_s ( θ , d veg ) для верхней (930 МГц) и нижней (850 МГц) частот.

На основе выражений (17), (19), (20) для расчетов Р.833(2) был разработан алгоритм определения потерь в радиоканале наклонной линии (рис. 12).

Особенностью данного алгоритма является то, что он позволяет определять потери для углов наклона, значения которых не могут превышать некоторой максимальной величины (угла до «лесной стены»), т.е. учитывается нелинейный характер роста ослабления радиоволн с увеличением расстояния их прохождения в лесной толще. При этом полученное максимальное значение также определяется с учетом заданной удаленности от лесного массива.

Из рис. 11 видно, что на кромке лесного массива получены отрицательные значения потерь, что соответствует интерференционным явлениям усиления сигнала на кромке леса. В частности, при f = 850 МГц и дистанции до лесного массива, равной 50 м, были получены результаты, приведенные в табл. 1

Рис. 11. Рассчитанные значения потерь для 850 и 930 МГц для различных удалений пункта управления от лесного массива: а) 1 м; б) 50 м

Fig. 11. Calculated loss values for 850 and 930 MHz for various distances of the control point from the forest area: a) 1 m; b) 50 m

Таблица 3. Результаты расчета потерь по углам при f = 850 МГц (дистанция до растительности 50 м)

Table 3. Results of loss calculation at angles at f = 850 MHz (distance to vegetation 50 m)

0	-	4	20.9	8	15.32	12	11.89	16	9.02	20	5.89
1	33.25	5	19.09	9	14.35	13	11.15	17	8.3	21	4.9
2	26.78	6	17.63	10	13.47	14	10.43	18	7.55	22	3.72
3	23.28	7	16.39	11	12.66	15	9.73	19	6.75	23	2.19

Рис. 12. Алгоритм расчета значения потерь в наклонной дальности

Fig. 12. Algorithm for calculating the value of losses in the inclined range

Типичная радиотрасса в лесистой местности: длина трассы с растительностью d , средняя высота деревьев h v , высота антенны R x над землей h a , угол места радиотрассы θ , расстояние от антенны до придорожной лесистой местности d _w .

Модель, учитывающая процент растительности Р.833(3). При расчетах для любой местности согласно [1] предлагается использовать модель, в основе которой изначально задается процент растительности p . В отличие от (7), в данном выражении D f задается не геометрически: