ADS-L na 868 MHz. Trzy modulacje, jeden standard i duży problem do rozwiązania

Jeden standard, trzy drogi transmisji

Elektroniczna widzialność, czyli Electronic Conspicuity, ma umożliwić statkom powietrznym wzajemne przekazywanie informacji o swojej pozycji i ruchu. W przypadku ADS-L założenie było stosunkowo proste: zamiast tworzyć kolejny zamknięty system, wykorzystać istniejące urządzenia i technologie radiowe.

Pierwszym krokiem było wykorzystanie modulacji GFSK, stosowanej przez FLARM i OGN-Tracker. ADS-L wykorzystuje tutaj transmisję 50 kbit/s z dewiacją ±50 kHz na częstotliwościach 868,2 i 868,4 MHz, czyli w paśmie M. Podstawowy pakiet pozycyjny ADS-L ma 24 bajty.

To rozwiązanie ma ogromną zaletę: istniejący sprzęt może zostać wykorzystany do obsługi ADS-L bez konieczności projektowania całego toru radiowego od zera.

Pasmo O daje większy zasięg

Kolejnym elementem układanki stał się system Pilot-Aware. Tutaj konieczne było zastosowanie innej modulacji – LDR (Low Data Rate).

LDR pracuje z prędkością 38,4 kbit/s i dewiacją ±12,5 kHz na częstotliwości 869,525 MHz, czyli w paśmie O.

Wybór tego zakresu nie był przypadkowy. Jedną z jego największych zalet jest możliwość zastosowania znacznie większej mocy nadawczej. W opisywanej specyfikacji dla pasma "O" przewidziano do 500 mW, podczas gdy w paśmie M jest to 25 mW. Jednocześnie pasmo "O" jest znacznie węższe – 250 kHz wobec 600 kHz dla pasma M.

To właśnie ograniczona szerokość pasma wymusiła zastosowanie węższej modulacji.

HDR ma zwiększyć pojemność sieci

Największe wyzwanie pojawia się jednak wraz ze wzrostem liczby statków powietrznych, szczególnie bezzałogowych.

Jeżeli w jednym obszarze znajdzie się bardzo dużo nadajników, sama możliwość przesłania pozycji przestaje być wystarczająca. System musi jeszcze zrobić to szybko i efektywnie.

Dlatego do ADS-L dodano HDR (High Data Rate).

HDR wykorzystuje GFSK z prędkością 200 kbit/s i dewiacją ±50 kHz. Podobnie jak LDR pracuje w paśmie O. Oprócz standardowych pakietów pozycyjnych pozwala również na przesyłanie większych ilości danych, szczególnie w kierunku ziemia–powietrze.

W praktyce daje to trzy różne warianty:

Problem: urządzenia nie rozumieją się nawzajem

Na papierze wygląda to bardzo dobrze. W praktyce pojawia się jednak zasadniczy problem.

MDR, LDR i HDR nie są wzajemnie czytelne dla prostego odbiornika jednokanałowego.

Urządzenie nasłuchujące MDR nie będzie automatycznie odbierało HDR. To samo dotyczy pozostałych wariantów.

W przypadku naziemnych stacji odbiorczych nie musi to być duży problem. Taki sprzęt może być odpowiednio rozbudowany i obsługiwać kilka systemów jednocześnie.

Znacznie trudniej wygląda sytuacja w przypadku urządzenia pokładowego. Powinno ono być przecież małe, lekkie, energooszczędne i jednocześnie zdolne do odbioru wszystkich istotnych transmisji.

I właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część całego projektu ADS-L.

Czy można po prostu podzielić czas?

Jednym z oczywistych pomysłów byłoby zastosowanie sztywnego podziału czasowego. Przykładowo jedna część czasu byłaby przeznaczona dla MDR, a druga dla LDR.

Problem polega na tym, że takie rozwiązanie zmniejszałoby efektywną pojemność systemu. Część dostępnego czasu radiowego pozostawałaby niewykorzystana.

Jeszcze prostszym rozwiązaniem byłoby ustalenie, że wszystkie urządzenia w przyszłości przechodzą na HDR.

Tyle że wtedy ADS-L straciłby część zalet wolniejszych modulacji – między innymi większy zasięg oraz możliwość wykorzystania różnych pasm jako formy dywersyfikacji transmisji. Dodatkowo pasmo 868 MHz jest coraz intensywniej wykorzystywane przez inne technologie.

Nie chodzi tylko o zasięg

W tym przypadku nie można więc patrzeć wyłącznie na parametr „ile kilometrów osiągnie nadajnik”.

Projektanci muszą jednocześnie uwzględnić:

• zasięg transmisji,
• dostępną moc,
• szerokość kanału,
• liczbę urządzeń znajdujących się w powietrzu,
• odporność na zakłócenia,
• przepustowość,
• zużycie energii,
• możliwość odbierania wielu modulacji.

To szczególnie istotne w świecie, w którym liczba dronów będzie nadal rosła.

Stare systemy nie znikną z dnia na dzień

ADS-L nie oznacza automatycznie końca FLARM, OGN, Pilot-Aware czy FANET.

Co ciekawe, w niektórych przypadkach istniejące systemy mogą współistnieć z ADS-L bez konieczności tworzenia oddzielnego czasu antenowego.

Jeżeli dwa systemy wykorzystują tę samą modulację i częstotliwość, odbiornik może być w stanie odebrać ich transmisje podczas tego samego nasłuchu. Przykładem jest 868,2 MHz, gdzie możliwy jest odbiór odpowiednich transmisji OGN i ADS-L. Podobnie na 869,525 MHz możliwe jest współistnienie LDR i Pilot-Aware.

Wyjątkiem jest między innymi FANET, który wykorzystuje modulację LoRa i wymaga odmiennego rozwiązania radiowego.

SDR może być odpowiedzią

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków są odbiorniki SDR – Software Defined Radio.

Ich największą zaletą jest elastyczność. Zamiast projektować osobny tor radiowy dla każdego standardu, część funkcji może zostać zrealizowana programowo.

W przyszłości może to oznaczać powstanie niewielkich odbiorników zdolnych do obsługi różnych modulacji ADS-L, a także innych systemów elektronicznej widzialności.

Problemem pozostają jednak rozmiary, pobór energii i koszt. Większe rozwiązania tego typu już istnieją, ale miniaturyzacja i ograniczenie zużycia energii są kluczowe dla urządzeń pokładowych.

ADS-L dopiero się rozwija

Obecna sytuacja pokazuje, że stworzenie otwartego standardu dla elektronicznej widzialności nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać.

ADS-L połączył wspólnym formatem pakietów rozwiązania wywodzące się z kilku różnych systemów, ale jednocześnie odziedziczył ich różnice sprzętowe i radiowe.

Z jednej strony oznacza to większą złożoność. Z drugiej – możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury, większą różnorodność częstotliwości oraz potencjalnie lepszą odporność całego systemu na przeciążenie czy zakłócenia.

Najważniejsze pytanie brzmi więc nie „która modulacja wygra?”, ale:

czy MDR, LDR i HDR uda się połączyć w jeden sprawnie działający ekosystem, bez marnowania ograniczonych zasobów pasma 868 MHz?

To właśnie będzie jedno z najważniejszych wyzwań kolejnych wersji ADS-L.