Kā LTE un 5G darbina nākamās paaudzes dronu paaudzi

Kā droni attīstīties no pamata lidojošām kamerām līdz autonomām datu vākšanas platformām, to vajadzība pēc ātruma,
Uzticama un tālsatiksmes komunikācija ir svarīgāka nekā jebkad agrāk. Tradicionālās radiofrekvences (RF) sistēmas un Bezvadu internets Ierobežojiet dronu iespējas, it īpaši ārpus vizuālās redzamās līnijas (BVLOS) operācijām un reālā laika datu pārraides. Tieši šeit nonāk LTE (4G) un 5G šūnu tehnoloģijas-tāls diapazona, augsta joslas platuma un zema latentuma savienojums, izmantojot esošo mobilā tīkla infrastruktūru. Šajā rokasgrāmatā mēs izpētīsim, kā LTE un 5G dronos tiek integrēti mūsdienu UAV (bezpilota lidaparātos), kādas priekšrocības viņi piedāvā, iesaistītie izaicinājumi un kā gan inženieri, gan hobiji var sākt darbu ar mobilo sakaru savienotiem droniem.

Kāpēc LTE un 5G ir spēļu mainītāji dronu komunikācijai?

Tradicionālo RF un Wi-Fi sistēmu ierobežojumi.

• Īss diapazons (500 m - 2km).
• Tikai redzamības līnija.
• Liela iejaukšanās pārpildītās ISM joslās.
• Ierobežots joslas platums un augsts latentums.
• Šie ierobežojumi ierobežo tādas lietojumprogrammas kā reāllaika 4K video straumēšana, autonomas pārbaudes, tālsatiksmes piegāde un spietu koordinācija.

LTE/5G piedāvā šīs galvenās priekšrocības:

Kā LTE/5G darbojas drona iekšpusē: aparatūras un programmatūras pārskats

Aparatūras komponenti 4G/5G dronu integrācijai

Lai dronā iespējotu LTE vai 5G komunikāciju, jums būs nepieciešams:

• 4G/5G šūnu modulis: piemēram, Quectel EC25 (LTE EC25 (LTE EC25 (LTE), Qualcomm Snapdragon X55 (5G).
• SIM karte vai ESIM: Ar datu plānu (vēlams ar statisku IP telemetrijai).
• Antenas ar augstu ieguvumu: Labākai uzņemšanai, īpaši mobilajā vidē.
• Lidojuma kontroliera integrācija: Caur USB, UART vai Ethernet.
• Akumulatora pārvaldība: Modemi transmisijas laikā var radīt ievērojamu jaudu.
• Padoms hobijiem: Sāciet ar 4G LTE moduli, piemēram, SIM7600G-H uz aveņu pi vai jetsona nano, lai prototips būtu šūnu dronu sistēmā.

Programmatūras kaudze ar šūnu savienotiem droniem.

• Operētājsistēma: Linux balstītas sistēmas, piemēram, Ardupilot vai PX4.
• Savienojamība: PPP, QMI vai MBIM saskarnes, lai iegūtu šūnu datus.
• Protokoli: Mavlink virs TCP/UDP telemetrijai; RTSP/RTMP/WebRTC video.
• Drošība : VPN tuneļi, TLS/SSL komandu un kontroles (C2) šifrēšanai.
• Mākoņu integrācija: Izvēles MQTT/HTTP API telemetrijas informācijas paneļiem.

Populāri lietošanas gadījumi LTE/5G droniem

BVLOS misijas

Mobilais ļauj droniem lidot jūdžu attālumā no operatora, kas lieliski piemērots:

• PowerLine vai cauruļvada pārbaudes.
• Lielas attāluma kartēšana.
• Ārkārtas reakcija lauku zonās.

Reāllaika video straumēšana

Ar 5g Augšu saites, droni var straumēt 4K/8K video tieši uz mākoņa vai vadības centriem. Ideāli:

• Ziņas un plašsaziņas līdzekļu apraide.
• Drošība un robežu patruļa.
• Satiksmes uzraudzība.

Spietu koordinācija

5G ierīces-ierīces (D2D) funkcijas atbalsta sinhronizētus dronu barus:

• Lauksaimniecības izsmidzināšana
• Sadarbības meklēšana un glābšana
• Militārie veidojumi

Pilsētas gaisa mobilitāte (UAM)

Autonomi droni un evtol gaisa kuģi paļaujas uz tīkla sagriešanu un malu skaitļošanu, izmantojot 5G līdz:

• Dalieties gaisa telpas datos reālā laikā
• Sazinieties ar UTM (bezpilota trafika pārvaldība)
• Izvairieties no sadursmēm pārpildītās debesīs

Darba sākšana: 4G/5 G iespējota drona veidošana vai pirkšana

1. variants: DIY ar atvērtā koda aparatūru

• Sāciet ar Pixhawk lidojuma kontrolieri
• Izmantojiet kompanjonu (Jetson Nano, Raspberry Pi)
• Integrējiet Quectel EC25 vai SIM7600 LTE modemu
• Savienojiet ar QgroundControl vai MavProxy internetā
• Nostipriniet ar Zerotier vai OpenVPN

2. variants: komerciāli gatavi LTE droni

Daži ražotāji piedāvā LTE gatavus UAV ar mākoņa bāzes informācijas paneļiem:

• DJI matrice 300 RTK (LTE modulis pēc izvēles, izmantojot SDK)
• Parrot Anafi AI - vietējais 4G LTE atbalsts
• Kvantu sistēmu Trinity F90+ - LTE/BVLOS gatavs

Tehniskie izaicinājumi un kā tos pārvarēt?

Signāla kritums lielākos augstumos

Mobilie torņi ir izstrādāti, lai aptvertu zemes līmeņa lietotājus. Augstumā> 120m:

• Signāla stiprums samazinās.
• Palielināta iejaukšanās.
• Vairāki tornis pārklājas.

Risinājums: Izmantojiet virziena antenas, iepriekš noteiktas pārklājuma kartes vai lidojiet augstumā ar zināmu pārklājumu.

Mobilitāte un torņu nodošana

Ātri kustīgi droni var sajaukt nodošanas algoritmus, izraisot:

• Datu zaudēšana
• Telemetrijas tapas
• Straumēšanas nervozs

Risinājums: Izmantojiet 5G tīklus ar uzlabotu nodošanu un mobilitātes atbalstu; ieviest buferizācijas stratēģijas.

Enerģijas patēriņš

Šūnu moduļi aktīvās transmisijas laikā var uzzīmēt 1–2 W.

Risinājums: Jaudas cikla moduļi, kad tas ir dīkstāvē, un izmantojiet augstas efektivitātes DC-DC pārveidotājus.

Datu plāns un pārvadātāja ierobežojumi

Daudzi patērētāju simi bloķē gaisa izmantošanu vai vāciņu augšupielādes ātrumu.

Risinājums: Izvēlieties IoT/M2M datu plānus ar statisku IP atbalstu un augstu augšupsaites ietilpību. Daži pārvadātāji piedāvā dronam specifiskus sims.

Noteikumi un atbilstība

FAA un EASA apsvērumi

• BVLOS pār šūnu prasa skaidru atļauju.
• Attālā ID: jāaprīko pat ar LTE/5G komunikāciju.
• Augstuma ierobežojumi: Lielākā daļa reģionu ierobežo UAV līdz zem 120 m (~ 400 pēdas).

Šūnu nesēja politika

• Lidostu vai stadionu bez lidošanas zonām var būt traucējumi vai tīkla bloki.
• Pārvadātāja APN var būt nepieciešama konfigurācija fiksētai IP un portu pāradresācijai.

Kas notiks tālāk? 5G uzlabojumi un 6G horizonts

5G droniem: kas nāk

• Īpaši uzticama zema latentuma komunikācija (URLLC) autonomai navigācijai
• Tīkla šķēlēšana, lai veiktu īpašu kontroli un kravas trafiku
• Malu skaitļošana borta AI izslodzei
• Sidelink atbalsts drona-drona (D2D) komunikācijai

Raugoties nākotnē uz 6G un nesterrial tīkliem (NTN)

• Leo Satelīts 5G (piemēram, Starlink) globālajai dronu savienojamībai
• AI dzimtā tīkli, lai optimizētu nodošanu un pārklājumu
• THZ komunikācija īpaši augsta ātruma gaisa saitēm (Post-2030)

Secinājums: LTE un 5G ir mugurkauls Nākamā paaudzes droni Apvidū Neatkarīgi no tā, vai esat inženieris, kas veido BVLOS pārbaudes dronu vai hobiju, kurš vēlas straumēt HD video uz YouTube no debesu, LTE un 5G tehnoloģijām, atbloķēt iespējas, kuras RF un Wi-Fi vienkārši nevar sakrist. Pēc laika kontroles un uzraudzības, piekļuvi jaudīgam Tas un malu skaitļošanas sistēmas. Tā kā tīkli uzlabojas un regulatori pielāgojas, LTE un 5G būs autonomu, inteliģentu un globāli savienotu gaisa sistēmu veicinātāji.