Архитектуры и модели радиоканала систем связи БАС: от схем взаимодействия до метрик эффективности

Введение

БАС стремительно набирают популярность благодаря автономности и универсальности, позволяя выполнять задачи, которые опасны или технически сложны для пилотируемых полётов. Они применяются коммерческой фото- и видеосъёмке, мониторинге окружающей среды, доставке, сельском хозяйстве и поисково-спасательных операциях. Ключевым условием их эффективной работы является управление по каналу связи, обеспечивающее управление в реальном времени, передачу данных и ситуационную осведомлённость [1, c. 132]. Вместе с тем системы связи БАС ограничены полосой пропускания, могут быть нестабильными и уязвимы к помехам [2, c. 1]. Для преодоления этих проблем исследуются подходы когнитивного радио, кооперативной связи и систем MIMO, способные повысить надёжность и дальность связи БАС.

Разработка средств связи с БАС. Влияние БАС на сферу безопасности

Несмотря на то, что БАС существенно расширили возможности в гражданской и коммерческой сферах, их массовое внедрение обостряет вопросы безопасности, прежде всего связанные с беспроводной связью. Надёжность канала управления и передачи данных определяет устойчивость полёта и корректность выполнения миссии, поэтому любые воздействия на радиоканал могут привести к потере контроля или снижению качества сервисов. Одной из наиболее распространённых угроз являются частотные помехи, возникающие из-за работы сторонних устройств в близких диапазонах, что ухудшает качество связи и может вызывать срывы управления; к этой же группе относятся риски подмены и глушения GPS-сигналов, влияющих на навигацию и функционирование БАС. Не менее критична потеря сигнала и сбой связи, возникающие из-за препятствий, особенностей распространения радиоволн и технических отказов: при разрыве канала БАС может перейти в нештатный режим, поэтому необходимы резервирование, устойчивые протоколы и отказоустойчивые процедуры возврата или перехода в безопасное состояние.

Отдельный блок составляют уязвимости кибербезопасности: злоумышленники могут пытаться перехватывать или изменять управляющие команды и телеметрию, провоцируя несанкционированное управление или нарушение работы системы. Для снижения рисков требуются криптографическая защита, аутентификация, средства обнаружения вторжений и применение стандартов безопасной связи. По мере роста числа эксплуатируемых БАС повышается вероятность перегрузки спектра, особенно в городах и при массовых мероприятиях, что приводит к задержкам, падению надёжности и деградации качества связи; эффективное управление спектром и механизмы динамического распределения ресурсов рассматриваются как ключевые меры противодействия [3, c. 146-153]. Существенное влияние оказывает и человеческий фактор: недостаточная подготовка операторов, ошибки интерпретации данных или некорректные действия при ухудшении связи повышают вероятность инцидентов, поэтому важны обучение, сертификация и соблюдение стандартных процедур. Наконец, связь БАС зависит от условий окружающей среды – погоды, электромагнитных помех и географических препятствий, которые способны ухудшать качество сигнала или вызывать его отражения и прерывания [4, c. 1327-1338].

Таким образом, повышение безопасности связи БАС требует комплексного подхода, объединяющего технические решения, нормативно-правовые меры, подготовку операторов и отраслевое взаимодействие; устойчивое развитие направления невозможно без постоянных исследований, стандартизации протоколов и соблюдения требований безопасности при интеграции БАС в воздушное пространство [5, c.2-11].

Инновационные решения коммуникационных систем на основе БАС

БАС играют ключевую роль в сфере ретрансляционных сетей в качестве промежуточных узлов, облегчая передачу сигнала между исходным и конечным узлами. В контексте сбора данных БАС играют преобразующую роль. В системах сбора данных БАС используются для сбора определённых объёмов данных с наземных терминалов.

Концепция неортогонального множественного доступа (NOMA) занимает центральное место, представляющая собой новую структуру для сетей БАС с возможностью массового доступа. Применение методов NOMA в сетях БАС производится с целью повышения спектральной эффективности и подключения большого количества устройств. Эти передовые системы связи на основе БАС демонстрируют постоянное стремление к расширению возможностей БАС, одновременно решая проблемы, связанные с безопасностью и производительностью.

Основная концепция и особенности связи с БАС. Состав средств связи с БАС

Связь с БАС можно условно разделить на несколько типов в зависимости от используемых каналов связи:

1. Связь между спутником и БАС (рис. 1). Спутники обеспечивают канал в зоне прямой видимости и позволяют работать на больших расстояниях и в удалённых районах, где наземная связь ограничена. По спутниковому каналу передаются данные, команды управления и телеметрия в реальном времени, обеспечивая глобальное покрытие.
2. Связь между различными БАС (рис. 2). Нужна для совместных миссий, роевых операций, координированного наблюдения и распределённого зондирования. Она обеспечивает обмен информацией и согласование действий между беспилотниками для достижения общей цели.
3. Связь БАС с наземной станцией (рис. 3). Основной канал для управления и мониторинга: передача команд, телеметрии и данных полезной нагрузки. Он позволяет операторам дистанционно контролировать БАС и поддерживать стабильную работу системы.
4. Гибридные коммуникации (рис. 4). Интеграция трёх предыдущих типов в единую сеть для непрерывного обмена данными между спутниками, БАС и наземными станциями. Такая архитектура повышает надёжность, расширяет дальность и улучшает взаимодействие различных платформ, увеличивая общие возможности систем связи БАС.

Рис. 1. Связь между спутником и беспилотным летательным аппаратом

Рис. 2. Связь от БАС к БАС

Рис. 3. Связь между БАС и наземными объектами

Рис. 4. Связь со спутником, БАС и землей

Особенности связи с БАС

Связь с БАС имеет ряд особенностей, отличающих её от традиционных систем, поскольку должна обеспечивать устойчивое управление, передачу телеметрии и полезных данных в динамичных условиях эксплуатации. Во-первых, связь является беспроводной и удалённой: для взаимодействия БАС с наземной станцией или другими узлами используются радиоканалы и, при необходимости, спутниковая связь. Выбор диапазона влияет на дальность, скорость передачи и устойчивость к помехам, что особенно важно при работе в труднодоступных районах и сложной местности.

Во-вторых, выделяют два режима обмена: в зоне прямой видимости (ПВ) и вне зоны прямой видимости. При ПВ канал обычно используется для дистанционного пилотирования и передачи данных в реальном времени, однако его надёжность чувствительна к препятствиям и радиопомехам, а дальность ограничена условиями распространения радиосигнала. Для расширения зоны действия применяются технологии связи за пределами прямой видимости, включая спутниковые решения и радиосвязь в дециметровом диапазоне [3, c. 146-153].

В-третьих, для БАС характерны ограничения пропускной способности из-за распределения спектра, возможностей оборудования и требований по энергопотреблению; поэтому протоколы и методы передачи данных ориентированы на эффективное использование канала с учётом задач миссии. Кроме того, критично важны надёжность и отказоустойчивость: система должна сохранять устойчивый обмен при ухудшении сигнала и помехах, а также обеспечивать защиту данных (в том числе за счёт шифрования). На практике это дополняется резервированием каналов, когда при отказе основного канала связь поддерживается переключением на резервный.

В совокупности перечисленные свойства показывают, что связь БАС требует специализированных решений, сочетающих эффективность использования спектра, устойчивость к внешним воздействиям и меры информационной безопасности.

Основные аспекты связи с БАС. Каналы связи БАС

В системах связи с БАС обмен данными между устройствами, как правило, осуществляется по беспроводным каналам, что обусловлено мобильностью терминалов. Поэтому изучение канала распространения радиосигнала является ключевым фактором, напрямую влияющим на качество связи и общую производительность системы; существующие работы подробно рассматривают характеристики, текущее состояние исследований и нерешённые проблемы моделирования каналов БАС. Однако создание единой универсальной модели, одинаково точной для всех условий, затруднено: на параметры канала влияют частотный диапазон, свойства рассеивания среды, конфигурация антенн и доплеровские эффекты, вызванные движением БАС. На практике применяются два основных подхода к моделированию – детерминированный и стохастический (в том числе геометрически-стохастический).

Показатели эффективности систем связи

При оценке производительности систем связи БАС обычно используются несколько основных показателей:

• Вероятность сбоя – измеряет вероятность того, что система связи БАС не сможет обеспечить заданный уровень качества обслуживания, как показано на рисунке 5. Обычно она определяется как желаемая скорость передачи данных или уровень соотношения сигнал/шум. Чем ниже вероятность сбоя, тем выше производительность системы, а значит, выше вероятность достижения желаемого уровня качества обслуживания.
• Пропускная способность – представляет собой среднюю достижимую скорость передачи данных в системе связи БАС в долгосрочной перспективе с учетом условий затухания канала, как показано на рисунке 6. Она отражает статистическое поведение канала и оценивает пропускную способность системы для передачи данных. Чем выше пропускная способность, тем лучше общая производительность с точки зрения достижимых скоростей передачи данных.
• Частота ошибок передачи (BER – bit error rate) – измеряет отношение количества ошибочных битов к общему количеству переданных битов соответственно, как показано на рисунке 7. Этот показатель количественно определяют качество полученных данных и оценивают влияние ошибок на систему связи. Более низкие значения BER указывают на более высокую производительность системы и надежность передачи данных.

Рис. 5. Вероятность сбоя для различных каналов с замиранием

Рис. 6. Пропускная способность для различных каналов замирания

Рис. 7. Частота ошибок символов для различных каналов с замиранием

Эти показатели производительности обычно используются для оценки и оптимизации производительности систем связи БАС. Анализируя их, разработчики систем могут принимать обоснованные решения о протоколах связи, схемах модуляции, методах кодирования, управлении мощностью передачи и других параметрах системы, чтобы обеспечить надёжную и эффективную связь между БАС и наземной станцией или другими устройствами связи.

Выводы

Систематизированы архитектуры связи «спутник-БАС», «БАС-БАС», «БАС-наземная станция» и гибридные решения, а также представлены подходы к повышению эффективности, включая ретрансляционные сети, сбор данных и применение NOMA.

При теоретическом анализе критически важен выбор модели канала: для крупномасштабных потерь используются модели свободного пространства, модели с плавающим коэффициентом и усреднение по LOS/NLOS, а для мелкомасштабных замираний применяются модели Рэлея, Райса, Накагами и Лу.

В качестве основных метрик производительности выделены вероятность сбоя, пропускная способность и BER, позволяющие комплексно оценивать устойчивость и качество связи БАС. Дальнейшее развитие средств связи БАС связано с интеграцией современных сетевых технологий и расширением возможностей дальнодействующих каналов, включая спутниковые решения.