關(guān)于“無人機(jī)無線數(shù)據(jù)鏈”的常識(shí)性問題

昨天收到一個(gè)朋友發(fā)來的“警用無人駕駛航空器無線通信技術(shù)要求”征求意見稿（下面統(tǒng)稱“意見稿”），拜讀以后發(fā)現(xiàn)一些常識(shí)性錯(cuò)誤。雖然通過一些渠道反饋了過去，后來想想，還是寫一點(diǎn)關(guān)于“無人機(jī)無線數(shù)據(jù)鏈”的常識(shí)性介紹文章，也許對(duì)于無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)人員有所裨益。

首先，我們順著“警用無人駕駛航空器無線通信技術(shù)要求”征求意見稿進(jìn)行展開，先討論一下無線數(shù)據(jù)鏈接收靈敏度的常識(shí)。下圖是征求意見稿的截圖：

可能大家覺得，這個(gè)靈敏度指標(biāo)很高，說明參與制定標(biāo)準(zhǔn)的廠家已經(jīng)達(dá)到了這么高的靈敏度，值得敬佩。其實(shí)不然，仔細(xì)歸算一下就發(fā)現(xiàn)，這么高的靈敏度，超常規(guī)了，全世界誰也達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)。

關(guān)于無線系統(tǒng)的最高接收靈敏度極限，可以首先按照系統(tǒng)的熱噪聲來估算。如果想把微弱的無線信號(hào)接收下來，信號(hào)的幅度必須大于系統(tǒng)的熱噪聲幅度，否則有用的信號(hào)就全面湮滅在噪聲里面了。熱噪聲的幅度是多少呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，公式如下：

N=KTB

其中，N是白噪聲功率，K是玻爾茲曼常數(shù)，T是環(huán)境溫度，B是射頻帶寬。K=1.38×10ˉ23，T=290°K（假設(shè)是溫室是17℃）。剩下的我們只要知道射頻信道的帶寬就可以了。根據(jù)“警用無人駕駛航空器無線通信技術(shù)要求”征求意見稿第13頁的帶寬劃分，假設(shè)B=5MHz，根據(jù)以上公式計(jì)算如下：

N（dBm）=10×Lg（1.38×10ˉ23×5×10?×290×1000）=-107（dBm）

就是說，在射頻信道是5MHz時(shí)，白噪聲的功率幅度是-107dBm。那么，如果我們要解調(diào)一個(gè)頻譜帶寬為5MHz的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的幅度必須大于-107dBm！否則，信號(hào)就全部淹沒在噪聲里面了，根本無法解調(diào)。對(duì)于早期的無線信道解調(diào)技術(shù)，一般是預(yù)留10dB的信號(hào)冗余，就是說-97dBm才是一個(gè)5MHz帶寬的信道的實(shí)際借解調(diào)靈敏度。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，糾錯(cuò)算法可以大大提高接收機(jī)的信道靈敏度。當(dāng)人們將各種先進(jìn)的糾錯(cuò)算法（如OFDM交織、LDPC糾錯(cuò)、TURBO糾錯(cuò)等等）引入到調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)以后，接收靈敏度可以大大提高，在接近白噪聲功率1-2dB的水平上進(jìn)行解調(diào)，就是說靈敏度可以達(dá)到-105dBm。但是考慮到接收機(jī)的濾波和放大器的噪聲引入，實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的接收靈敏度應(yīng)該在-102dBm，這才是一個(gè)比較合理的靈敏度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，同樣的方法，可以推斷出當(dāng)射頻帶寬為1.4MHz時(shí)，系統(tǒng)接收靈敏度可以建議為-107.5dBm。所以，意見稿中的-110dBm也是不合理的。

第二個(gè)要討論的，還是跟靈敏度相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)。我們既然推算出合理的系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)，那么，很容易就推算出無人機(jī)在飛行過程中的數(shù)據(jù)鏈傳輸距離問題。實(shí)際上，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的真實(shí)傳輸距離才是無人機(jī)行業(yè)工程師們真正關(guān)心的，俗話說是騾子是馬牽出來遛一遛，性能好壞要看療效！根據(jù)意見稿的設(shè)定，要求無人機(jī)的圖像數(shù)據(jù)傳輸距離如下：

既然要求5MHZ帶寬情況下，信道接收靈敏度為-102dBm，規(guī)定的等效全向發(fā)射功率為39dBm，見下圖的意見稿截圖：

那么根據(jù)要求的這個(gè)發(fā)射功率和接收靈敏度，怎樣才能計(jì)算出實(shí)際傳輸距離呢？公式如下：

P?（dBm）=10×Log{P?×G?×G?×（λ/4πR）2}

以上公式就是著名的傳輸距離公式。其中，P?是接收機(jī)的輸入信號(hào)，P?是無人機(jī)機(jī)載發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，G?是機(jī)載發(fā)射機(jī)的天線增益，G?是地面接收端的天線增益，λ是無線信號(hào)的波長(zhǎng)，R就是無人機(jī)和地面的傳輸距離?，F(xiàn)在，已知P?=-102dBm，P?×G?=39dBm，假設(shè)地面接收天線靈敏度是3dB，波長(zhǎng)λ=21Cm，我們可以計(jì)算出傳輸距離為： R=103Km 理論上，按照意見稿的標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈的極限傳輸距離可以達(dá)到103Km。當(dāng)然，這是個(gè)理想數(shù)據(jù)，實(shí)際的數(shù)據(jù)還要考慮到各種饋線損耗、大氣衰減等等。這樣我們反推一下，說明這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)極端不合理！無人機(jī)的機(jī)載等效全向輻射功率往往不可能做到39dBm，這數(shù)據(jù)意味著，當(dāng)機(jī)載發(fā)射天線增益是3dB時(shí)，無人機(jī)機(jī)載無線發(fā)射機(jī)的功率為40W，---這是很荒唐的！因?yàn)榫脽o人機(jī)多數(shù)是微小功率發(fā)射機(jī)，一般是500-2000mW足夠了，也就是27dBm-33dBm

之間，這樣，極限傳輸功率可以達(dá)到30Km-51Km左右。即使考慮到其他各種不利因素（比如，為了提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶寬而加大調(diào)制的密度，會(huì)使得系統(tǒng)靈敏度降低），我們用500mW的發(fā)射功率，傳輸10-15Km肯定是可以的！顯然，意見稿里面，設(shè)定傳輸距離為5Km距離@5MHz帶寬的指標(biāo)，也是很不合理的。建議更改為10-15Km比較合理。

今天討論的第三個(gè)無線傳輸?shù)某ＷR(shí)問題，就是視距或者非視距傳輸?shù)膯栴}。上面的討論，實(shí)際上都是基于視距傳輸（line of sight，或LOS），也叫直線傳輸。什么環(huán)境下是視距傳輸?shù)哪?？大家知道，地球是圓形的，在海平面上是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球面。我們按照海平面的標(biāo)準(zhǔn)球面計(jì)算，利用平面幾何原理，可以得出很準(zhǔn)確的視距傳輸公式如下：

其中，L（Km）是視距的距離，H1（單位是米）是無人機(jī)的高度，H2（單位是米）是地面接收天線的架設(shè)高度。也可以根據(jù)下圖的推導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算：

通過以上示例，可以看出，無人機(jī)在海平面理想狀態(tài)下的視距距離，取決于無人機(jī)的飛行高度。在陸地的情況可能復(fù)雜一些，但是基本原理不變。

在很多無人機(jī)的招標(biāo)PK現(xiàn)場(chǎng)，有的無人機(jī)傳輸圖像距離很遠(yuǎn)，有的無人機(jī)則圖像卡頓，有時(shí)候根本不是無限數(shù)據(jù)鏈的質(zhì)量好壞，其實(shí)高度設(shè)定是根本原因。筆者所在單位曾經(jīng)遇到過這個(gè)問題，有一個(gè)友商購(gòu)買了我公司的圖傳，結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)PK的時(shí)候，該公司的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，他們的圖傳不如我公司的距離遠(yuǎn)，于是懷疑是不是我們公司將質(zhì)量好的圖傳留給自己用，將不好的圖傳賣給同行了！真的是多慮了，傳輸效果不好的原因有：飛行高度問題，天線增益問題，射頻接口是不是鏈接得好，有沒有干擾等等。一般來說，咱們中國(guó)廠家為了提高銷售量，往往將好的產(chǎn)品銷售給客戶，自己反而會(huì)用差一點(diǎn)的或者過時(shí)的，比如，外貿(mào)行業(yè)的服裝出口轉(zhuǎn)內(nèi)銷就是一個(gè)例子，有點(diǎn)瑕疵的都自己工廠內(nèi)部當(dāng)做福利發(fā)給自己?jiǎn)T工了。

本文借“警用無人駕駛航空器無線通信技術(shù)要求”征求意見稿作為話題引子，主要是這樣更容易引起讀者關(guān)注，不當(dāng)之處，敬請(qǐng)諒解。