RF linky pre UAV: spektrálne využitie, modulácie a regulačné limity

Prečo RF linky rozhodujú o bezpečnosti a výkone UAV

Rádiové (RF) spojenie je nervovou sústavou bezpilotných lietadiel (UAV). Ovládačské (C2/CNPC) linky musia byť deterministicky spoľahlivé a s nízkou latenciou, zatiaľ čo linky pre užitočné dáta (telemetria, video, senzory) požadujú vysokú priepustnosť a adaptívne riadenie kvality. Správna voľba spektra, modulačnej schémy, ochranného kódovania a anténnej architektúry priamo ovplyvňuje dolet, odolnosť voči rušeniu, legislatívnu zhodu aj kyber-bezpečnosť.

Taxonómia RF liniek: C2/CNPC vs. payload

C2/CNPC (Control and Non-Payload Communications): kritické riadenie letu, požiadavka na vysokú spoľahlivosť, dostupnosť a nízku latenciu. Typicky robustné, úzko pásmové modulácie (GFSK, DSSS, OFDM s nízkym MCS), silné kódovanie (FEC), diverzitné príjmy.
Payload (video, lidar, multispektrálne dáta): preferuje priepustnosť, toleruje retransmisie (ARQ) a variabilnú latenciu. Najčastejšie OFDM (Wi-Fi/802.11), prípadne 5G/LTE, alebo proprietárne fyzické vrstvy s vyšším MCS (QAM).
Redundantné/failover linky: sekundárna nízkodátová linka (napr. 868/915 MHz GFSK/LoRa) ako „návrat domov“, prípadne hybridné bonding riešenia (viac pásiem, viac operátorov) pre BVLOS.

Spektrálne pásma: možnosti a kompromisy

Voľba pásma je kompromis medzi dosahom, priepustnosťou, rušením a regulačnými limitmi. Nižšie frekvencie (sub-GHz) lepšie prenikajú prekážkami a majú dlhší dosah pri tej istej EIRP, no ponúkajú nižšiu šírku kanála. Vyššie pásma (2.4/5 GHz+) poskytujú široké kanály a MIMO, no trpia väčším útlmom a sú viac preplnené.

Typické bezlicenčné pásma a limity (EÚ – orientačný prehľad)

Pásmo	Typické limity EIRP	Prevádzkové poznámky	Typické použitie
433 MHz (SRD)	~10 mW EIRP	Krátke rádiá, citlivé na rušenie, úzke kanály	Základná telemetria, signalizácia
868 MHz (SRD)	do ~25 mW EIRP (sub-pásma s duty-cycle alebo LBT/AFA)	Lepší dosah než 2.4 GHz; obmedzenia pracovného cyklu v niektorých sub-pásmach	Telemetria, záložné C2, LoRa/FSK
2.4 GHz (ISM)	~100 mW EIRP	Preplnené (Wi-Fi, BT), no dostupné široké kanály a MIMO	RC, C2 s DSSS/OFDM, telemetria, video (nižšie dosahy)
5 GHz (RLAN)	200 mW (indoor pásma), až ~1 W v častiach 5.47–5.725 GHz s DFS/TPC	DFS/TPC povinné v častiach pásma; vysoká priepustnosť	HD video, vysokorýchlostná telemetria
5.8 GHz (ISM/RLAN/FPV)	typicky ~25 mW EIRP pre FPV vysielače v EÚ	Obľúbené pre analóg/digitál FPV; pozor na lokálne výnimky	FPV video, point-to-point spoje
24/60 GHz (mmWave)	rôzne limity; skracuje sa dosah, vysoká priepustnosť	Citlivosť na smerovanie a prekážky, skôr experimentálne	Krátke spoje, dokovanie, priemyselné areály

Poznámka: Limity a podmienky (napr. DFS/TPC, duty-cycle, indoor/outdoor) sa líšia podľa krajiny a pod-pásma. Pred nasadením vždy overte aktuálne národné predpisy a harmonizované normy.

Licencované a špecializované pásma pre UAS

CNPC/UAS C2 v leteckých pásmach: v medzinárodných dokumentoch sa rieši vyhradené pásmo okolo 5 GHz pre bezpečné C2 pre BVLOS. Implementácia závisí od národných regulátorov a dostupnosti vybavenia.
Mobilné siete (LTE/5G): využitie licencovaných sietí operátorov pre prenos videa a telemetrie (SLA, QoS, Slicing). Vyžaduje riešiť latenciu, pokrytie, riadenie mobility a bezpečnostné politiky pre UAS.
Satelitné linky (L/Ku/Ka-band): globálne BVLOS s vyššou latenciou a cenou; vhodné ako záložné alebo pre misie v riedko pokrytých oblastiach.

Modelovanie šírenia a link budget

Základom je rovnováha medzi výkonom, ziskom antén, vzdialenosťou a útlmami. Pre voľný priestor platí:

FSPL(dB) = 32.44 + 20·log₁₀(f_MHz) + 20·log₁₀(d_km)

Typický link budget zahŕňa: vysielací výkon (dBm), zisky/straty káblov a konektorov, zisk TX/RX antén, stratu šírenia (FSPL + straty Fresnelovej zóny/terénu/tieňa), požadovanú SNR/Eb/N0 pre danú moduláciu a kódovanie. Pri UAV je kľúčová geometria Fresnelovej zóny (výška, náklony) a polarizačný nesúlad pri manévrovaní.

Modulácie a kanálové kódovanie

FSK/GFSK/MSK/GMSK: robustné, úzko pásmové, nízke dátové rýchlosti, dobrá citlivosť; vhodné pre C2/telemetriu v sub-GHz.
DSSS/FHSS: rozprestreté spektrum pre odolnosť voči rušeniu a nízkej SNR; historicky RC a 802.11b; FHSS používané v mnohých RC súpravách.
OFDM (CP-OFDM): základ Wi-Fi/LTE/5G; umožňuje adaptívne MCS (BPSK/QPSK/16-/64-/256-QAM), MIMO a široké kanály pre video.
LoRa (chirp spread spectrum): extrémna citlivosť pri nízkej rýchlosti; vhodná pre záložné C2, telemetriu a BVLOS signalizáciu.
Kódovanie: konvolučné kódy, LDPC, Turbo; voľba kódovej miery priamo určuje požadovanú SNR a spoľahlivosť.

Priepustnosť, latencia a Dopplerov jav

Pri vysokých rýchlostiach (významné pri FPV a rýchlych multikoptérach) spôsobuje Dopplerov posun frekvenčný rozptyl, ktorý degraduje EVM v OFDM. Stratégie mitigácie: kratšie symboly (vyššia subcarrier spacing), pilotné tóny, robustnejšie MCS, prípadne prechod na užšiu, robustnú linku pre C2 pri prudkých manévroch.

Anténna architektúra a MIMO

Diverzita/duálne príjmy: maximalizácia pravdepodobnosti príjmu v multipath a pri náklonoch dronu.
MIMO (2×2, 3×3): vyššia priepustnosť alebo robustnosť (spatial multiplexing vs. diversity). V UAV praxi limitované priestorom a napájaním.
Typy antén: na UAV ľahké všesmerové (skrátené monopóly), patch/planárne; na zemi smerové panely/yagi/helix pre zisk a potlačenie rušenia.
Polarizácia: zvislá vs. kruhová (RHCP/LHCP) pre FPV video; kruhová znižuje straty pri rotácii rámu.
Fyzika integrácie: vzdialenosť od uhlíkových ramien, tieňovanie telom, odrušenie od ESC/motorov (EMI), kvalitné koaxiály a konektory.

Manažment rušenia a koexistencia

Adaptívna voľba kanála a MCS: automatická voľba najmenej zaťaženého kanála, rýchly fallback pri PER/EVM degradácii.
DFS/TPC v 5 GHz: povinné radarové skenovanie (DFS) a riadenie výkonu (TPC) v častiach pásma – kritické pre legálnu prevádzku.
LBT/AFA v sub-GHz: „počúvaj pred hovorením“ a automatická frekvenčná agilita zvyšujú koexistenciu so SRD sieťami.
Spektrálne masky a ACLR: dodržiavajte masky vysielača, aby ste minimalizovali úniky do susedných kanálov a penalizácie citlivosti prijímača.
Roje a flotily: časová/frekvenčná/kódová multiplexácia (TDMA/FDMA/CDMA), plánovanie kanálov a rozstupov, koordinácia výkonu a smerovania antén pozemnej stanice.

Regulačné rámce a zhoda

V EÚ sa pre bezlicenčné zariadenia typicky uplatňujú harmonizované normy ETSI (napr. EN 300 220 pre SRD <1 GHz, EN 300 328 pre 2.4 GHz, EN 301 893 pre 5 GHz RLAN). Požiadavky zahŕňajú:

Max. EIRP a pracovné cykly: rešpektovanie limitov výkonu a duty-cycle podľa sub-pásma.
DFS/TPC a LBT/AFA: povinné mechanizmy v príslušných pásmach.
Emisné limity mimo pásma: spúriové emisie, spektrálne masky, merateľné podľa skúšobných postupov (napr. EVM, ACLR).
CE zhoda a dokumentácia: technická dokumentácia, vyhlásenie o zhode, značenie.

Pre prevádzku mimo bezlicenčných pásiem alebo pre BVLOS/CNPC v leteckom priestore môžu byť potrebné špecifické povolenia národného regulátora a splnenie doplňujúcich leteckých požiadaviek.

Bezpečnosť a integrita RF linky

Šifrovanie a autentizácia: minimálne AES-CCM/GCM pre C2, unikátne kľúče na rám, ochrana pred replay a spoofingom.
Fyzikálna bezpečnosť linky: spektrálne rozprestretie, frekvenčná agilita, nízka detegovateľnosť (LPI/LPD) tam, kde je to legálne a opodstatnené.
Detekcia anomálií: monitorovanie RSSI/RSRQ/EVM/PER, spektrálne snímky, rýchle prepnutie na záložné pásmo (failover) podľa politiky rizika.

Meranie kvality: od EVM po PER

RSSI/RSRP/SNR: rýchly odhad „sily“ linky, nie vždy koreluje s BER.
EVM (Error Vector Magnitude): citlivý indikátor kvality modulácie/zosilňovača/synchronizácie v OFDM/QAM systémoch.
BER/FER/PER: koncové metriky spoľahlivosti; pre C2 udržiavať hlboko pod 10⁻⁵ s FEC.
Jitter/latencia: kritické pre stabilitu riadiacej slučky (DAA, autonómne režimy).

Praktický návrhový postup pre RF linku UAV

Definujte SLA: latencia (napr. <20 ms pre C2), dostupnosť (>99.9 %), priepustnosť (napr. 10–30 Mb/s pre 1080p video).
Vyberte pásmo: sub-GHz pre robustnú telemetriu a núdzový návrat; 2.4/5 GHz pre video; zvážte 5G/LTE pre BVLOS.
Modulácia a MCS: pre C2 konzervatívne (GFSK/DSSS/BPSK/QPSK s nízkou kódovou mierou), pre video adaptívne QAM s rýchlym fallbackom.
Antény: kruhová polarizácia pre FPV, diverzitné príjmy; na zemi smerové panely s automatickým sledovaním (tracker) pri dlhých linkách.
EMC a napájanie: odrušenie ESC, filtrácia, uzemnenie; minimalizácia presluchov koaxiálov a digitálnych vedení.
Regulačná zhoda: validujte EIRP, DFS/LBT, spektrálnu masku; zdokumentujte konfigurácie pre audity.
Testovanie v teréne: plán meraní (EVM, PER, latencia, handover), logovanie a spätné vyhodnotenie pre doladenie výkonu.

Špecifiká pre mestské, prímestské a horské prostredia

Mestá: vysoké NLOS, silné multipath; preferujte smerové pozemné antény, vyšší rozptyl kanálov (channel hopping), konzervatívny MCS.
Prímestské/otvorený terén: FSPL dominuje; využite vyšší zisk antén a širšie kanály pre video.
Hory a rokliny: difrakcie a zákryty; diverzitné príjmy v rôznych polohách, redundancia pásiem.

Bonding a automatický failover

Pre kritické misie kombinujte viac fyzických nosičov (napr. 5 GHz OFDM video + 868 MHz C2 + 5G/LTE). Na úrovni IP link aggregation (ML-VPN, MPTCP, QUIC) vyhladzuje výpadky a znižuje jitter. Failover politika musí uprednostniť udržanie C2, aj za cenu zníženia kvality videa.

Príklad rámcových konfigurácií

VLOS filmársky set: 5.8 GHz FPV (25 mW EIRP, RHCP antény) + 2.4 GHz RC; krátke vzdialenosti, vysoká kvalita obrazu.
Mapovanie v otvorenom teréne: 5 GHz 802.11ac OFDM pre video/telemetriu, sub-GHz LoRa pre záložné C2; pozemná smerová anténa, autopilot s geofencingom.
BVLOS prieskum: primárne LTE/5G (slicing/QCI), záložná 868/915 MHz C2; satelitná telemetria ako posledná záchrana.

Najčastejšie chyby a ako sa im vyhnúť

Ignorovanie Fresnelovej zóny: nízke prelety nad terénom a vegetáciou ničia margin; udržiavajte čistotu Fresnelovej zóny kde je to možné.
Prebytočný výkon bez kontroly EIRP: legálne obmedzenia sú tvrdé; namiesto výkonu zlepšite zisk a smerovanie antén.
Nesprávna polarizácia: straty až desiatky dB pri krížovej polarizácii; pre FPV preferujte kruhovú polarizáciu.
Neadaptívny MCS: statická vysoká rýchlosť vedie k PER; použite rýchly rate-control a ARQ parametre naladené na dynamiku letu.
Nedostatočné odrušenie: ESC/motory indukujú šum; dôležité je tieňovanie, ferity, oddelené zemné body a kvalitné koaxiály.

RF linky pre UAV sú multi-disciplinárny problém: potrebujú pedantnú prácu so spektrom, fyzickou vrstvou, anténami, reguláciou a sieťovou politikou. Robustný návrh spája správnu voľbu pásma, konzervatívnu moduláciu pre C2, adaptívne OFDM pre video, anténnu diverzitu/MIMO, koexistenciu (DFS/LBT) a jasnú failover stratégiu. Výsledkom je vyššia bezpečnosť letu, predvídateľná latencia a stabilná kvalita dát v reálnych podmienkach.