Gaze for Multi-user Interfaces

3.1. Capacidades mínimas

Basándonos en los parámetros citados en los pá- rrafos anteriores, enumeraremos a continuación las características que se debe exigir a un sistema de comunicaciones de un UAV, entendidas como las distintas capacidades o funcionalidades de las que debe disponer como mínimo, pudiendo existir ma- yores exigencias en función

de la carga útil embarcada. Son por tanto requisitos mínimos, comunes a la gran mayoría de sistemas, independientemente del empleo táctico final de los mismos.

Dichas capacidades son:

- Capacidad de transmitir y recibir en tiempo real los datos correspondientes al mando y control, na- vegación y aquellos correspondientes al empleo de la carga útil

- Existencia de enlace bidireccional

- Implementación de un sistema de control automático de ganancia, para reducir la probabilidad de intercep- tación de las comunicaciones.

-Alta protección contra interferencias producidas de forma accidental o deliberada

- Alta protección de los datos mediante cifrado de los mismos

- Redundancia del sistema de comunicaciones para garantizar el control sobre la plataforma y la carga útil.

Implementación de un algoritmo de control que per- mita al aparato el regreso a la última posición en la que estableció contacto con la estación base, en caso de pérdida de enlace.

3.2. Criterios de diseño

Las citadas capacidades mínimas deben volcarse en unos criterios generales de diseño, que defini- rán los parámetros que deben ser tenidos en cuenta a la hora de diseñar el sistema de comunicaciones, entendiendo que no son de ninguna manera pará- metros independientes, sino que están fuertemente interrelacionados entre sí y que el proceso de dise- ño no es un proceso unidireccional, sino que debe ser realizado

de forma iterativa hasta lograr un equilibrio entre todos los factores.

Dichos parámetros son:

• Disponibilidad de bandas de frecuencias

• El análisis de las posibles restricciones legales que puedan afectar al empleo del espectro electro- magnético

• Presupuesto de potencia del enlace

• Estudio de las pérdidas y atenuaciones que afec- tarán al enlace

• Protección de los datos contra interferencias • Multiplexación de los datos procedentes de distin- tas fuentes dentro del UAV

• Análisis de las características específicas de la mi- sión a la que está orientado el UAV.

• Diseño, ubicación e integración abordo de las an- tenas

• Preformateado de las señales

• Comprobación de las limitaciones en las dimen- siones, peso, consumo de energía y de radiación de energía en forma de radiofrecuencia.

Como se adelantó anteriormente, estos parámetros no son distintos a aquellos que encontraríamos en el diseño de un enlace entre dos puntos de la su- perficie terrestre, si bien existen particularidades debidas a la ubicación de uno de los extremos del enlace como son las limitaciones físicas, la exigen- cia de integración de las antenas en la superficie del avión o a las necesidades de preprocesado abordo de los datos a transmitir.

3.3. Aplicación a un caso práctico

Como complemento al análisis teórico realizado hasta aquí, haremos a continuación el cálculo de la máxima distancia de empleo en un enlace tipo LOS entre una estación base y un UAV en vuelo, en el cual suponemos despejamiento suficiente para obtener una tasa de error de bit (BER) de 10-7, con- siderando los siguientes parámetros:

• Potencia de emisión desde el UAV: 25W=43 dBm • Banda C: 5 GHz

• Velocidad binaria:280 Mbits/s • Modulación de la señal 16QAM

• Factor de ruido del sistema (NF) = 4 dB

• Margen de protección frente a interferencias MI= 10 dB

• Margen para desvanecimientos multitrayecto, MD = 10 dB

En primer lugar determinamos el nivel umbral para la calidad especificada, teniendo en cuenta que aunque la tasa binaria máxima es de 280 Mbps, en el límite del alcance máximo del sistema no exigiremos esta tasa sino el 50%, es decir, 140 Mbps.

En la figura 5, que relaciona el valor de BER con el valor de Eb/N0 (energía de bit frente a ruido) para un valor de BER = 10 -7 para el caso de una señal mo- dulada en 16QAM podemos observar que nos da un valor de Eb/N0 = 15 dB, el cual será necesario para hallar el nivel umbral de la señal en el receptor

U7 (dBm)= -174 + Eb/N0 + NF + 10 log Rb (bits/s) = -174 + 15 + 4 + 10log(140.106)= -73,5dBm

La potencia disponible en las proximidades del receptor debe ser al menos la suma del nivel de potencia umbral y los márgenes considerados para protección contra el multitrayecto y contra interfe- rencias

PR (dBm)=U7+márgenes=U7+MI+ MD= -53,5dBm Según la expresión del presupuesto de enlace, la potencia recibida dependerá de la potencia trans- mitida, las ganancias de las antenas y las pérdidas que sufre la señal. Este cálculo nos dará la distancia máxima en la que se puede establecer el enlace PR (dBm)= PT (dBm) + GUAV (dB) + GEB (dB) – AEL(dB)

Donde:

MEMORIAL DE INGENIEROS Nº 85

TRANSMISIONES

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GUAV=18,5 dB GEB=40 dB

AEL (dB) = 32,45 + 20 log f (MHz) + 20 log d (Km)= 106,43 + 20 log d

Luego, sustituyendo valores:

-53,5 dBm = 43 + 18,5 + 40 – 106,43 – 20 log d 20•logd = 48,57

El valor del alcance máximo obtenido de esta forma es teórico y se verá afectado por fenómenos que no se han tenido en cuenta en el cálculo como pueden ser la mayor influencia del multitrayecto cuando el

enlace se realiza sobre el mar, la posible existencia de niebla y precipitaciones, la influencia de obstá- culos que introduzcan fenómenos de difracción o la atenuación debida a la absorción de gases.

Por todo ello podemos considerar que un valor adecuado para el establecimiento del enlace pue- de ser del orden de 200 Km de alcance máximo, el cual es un valor adecuado si consideramos una al- tura de vuelo del UAV de 4000 metros y una antena de 30 metros de altura colocada a 200 metros so- bre el nivel del mar. Al ser la potencia emitida des- de la estación base superior a la emitida desde el UAV, es este último valor el que limita el alcance del sistema, luego no es necesario hallar la distancia máxima teniendo en cuenta la potencia transmitida desde la estación base, ya que será superior.

4. CONCLUSIONES

Tras el estudio de los parámetros y características que debe cumplir el sistema de enlace de datos de un UAV, y una vez realizados los cálculos básicos para determinar el alcance máximo de nuestro sis- tema, el proceso continuaría con un estudio de mer- cado para encontrar una solución comercial que se adecuara a los parámetros y requisitos exigidos. Una sencilla búsqueda en Internet revela que no son pocas las empresas a nivel internacional que ofrecen soluciones integradas de comunicaciones para UAV,s, tanto en comunicaciones por línea de visión directa, por satélite o incluso mediante el em- pleo de tecnologías WIFI. El uso de esta tecnolo- gía puede interesante por el reducido volumen que puede llegar a ocupar tanto el transceptor como la antena pero tiene el inconveniente del limitado alcance, por los que no resulta adecuado para su empleo en las grandes distancias que nos ocupan.

Figura 5: Tasa de error de bit frente a Relación señal-ruido para modulación 16 QAM

Siglas empleadas

UAV Unmanned Air Vehicle, Vehiculo Aéreo no Tripulado BER Bit Error Rate ,Tasa de error de bit

BLOS Beyond Line of Sight, Fuera de la Línea De Visión Directa C4I Mando, Control, Comunicaciones, Computación e Inteligencia CCI Command and Control Interface, Interfaz de Mando y Control DLI Data Link Interface, Interfaz de Enlace de Datos

DS Direct Sequence, Secuencia Directa FH Frequency Hopping, Salto de Frecuencia

HCI Human Control Interface, Interfaz de Control Humano LOS Line of Sight, Línea De Visión Directa

NIAG NATO Industrial Advisory Group

STANAG Standardization Agreement, Acuerdo de Estandarización UCS Unmanned Control System, Sistema de Control Desatendido WIFI Wireless Fidelity

Carlson A.B. “Communications Systems” McGraw Hill Proakis J.G. “Digital Communications” McGraw Hill

José María Hernando Rábanos “Transmisión por Radio” (6ª Ed.) Editorial Universitaria Ramón Areces, 2008 Artículos

“Interoperabilidad en CGS para UAS” del Boletín “Armamento y Material” de la Dirección General de Armamento y Material (DGAM) nº. 17 (Cuarto trimestre 2007)

“Sistemas UAVs” Joaquín Macías Pulido delboletín “BIT”, marzo-abril 1998

David M. Moorehouse y Andrew Humen “Improved Uav Datalink Performance Using Embedded Antennas” Miguel Ángel Silva, “Los Vehículos no Tripulados” San Martin

Normativa

“NATO Joint Civil/Military Frequency Agreement”

El Memorial Recobra