Libro blanco sobre tecnología de interferencia de UAV basada en tecnología VCO DDS y SDR (1)

Descripción general

En los últimos años, la industria de los drones se ha desarrollado rápidamente y su aplicación se ha generalizado cada vez más, con una tendencia al alza en su número año tras año. Sin embargo, al mismo tiempo, los drones también representan graves amenazas para la seguridad en diversos ámbitos de la sociedad. En los últimos años, se han producido con frecuencia incidentes de drones que impactan y atacan infraestructuras críticas, y existe una necesidad urgente de medidas eficaces.Contador de dronesTecnología de medidas. Existen varias técnicas comunes de contramedidas contra drones, entre ellas:

• Tecnología de interferencia de señales inalámbricas: al transmitir señales de radiofrecuencia de interferencia, interfiere con señales inalámbricas como control remoto, transmisión de imágenes, navegación, etc. de vehículos aéreos no tripulados para lograr el propósito de ahuyentar, interferir o forzar el aterrizaje del dron.
• Tecnología de engaño de señales inalámbricas: Al transmitir señales inalámbricas engañosas a drones, estos pueden obtener información errónea, logrando así su objetivo de secuestrarlos. Existen dos tipos principales de técnicas de engaño de señales inalámbricas: el engaño de señales de ubicación y el secuestro de señales de control remoto.
• Tecnología de destrucción de energía dirigida: Mediante la emisión de señales láser o electromagnéticas de alta energía, destruye físicamente vehículos aéreos no tripulados, principalmente a través de dos rutas técnicas: destrucción láser y destrucción por microondas de alta energía.
• Tecnología de captura/daño físico: al lanzar balas, misiles de crucero o chocar con drones, se pueden dañar físicamente a los drones invasores o disparar redes de captura para capturarlos.

Este artículo analiza principalmente la tecnología de interferencia de señales inalámbricas.

Protocolo de comunicación UAV

Los drones generalmente utilizan los siguientes cuatro tipos de señales de radio:

Figura 1 Esquema típico de señal inalámbrica de un vehículo aéreo no tripulado

1. RC: Remotodoelnorteeloelyo：Transmitir instrucciones del operador al dron a través de señales de control remoto, permitiendo que el dron realice las acciones de vuelo correspondientes;
2. Enidyeltransmisión：La señal de video capturada por la cámara del dron se transmite al control remoto y el operador opera el dron según la señal de imagen transmitida para seleccionar la ruta de vuelo adecuada y evitar chocar con obstáculos;

norteaenigramoaelielnorte:Los drones reciben señales de posicionamiento de los satélites de navegación para su propio posicionamiento.

Las señales de navegación observadas incluyen GPS, Beidou, GLONASS, etc., y las bandas de frecuencia de trabajo se distribuyen principalmente alrededor de 1,2 GHz y 1,6 GHz.

3. Tyyoymetroyeloy：Se utiliza para distribuir información de telemetría como la ubicación de los drones, que será recibida por el control remoto y las estaciones de monitoreo cercanas.

Entre ellas, las señales de control remoto y las señales de retroalimentación de imagen son los principales objetivos de las contramedidas contra interferencias de radiofrecuencia y, en algunos casos, también pueden interferir con las señales de navegación y posicionamiento. Al interferir con las señales de control remoto, el dron no puede recibir instrucciones del operador y realiza acciones de vuelo estacionario o retorno. Al interferir con la señal de retroalimentación de imagen, el control remoto no puede mostrar la imagen que ve el dron, lo que puede provocar la pérdida de control. Al interferir tanto con las señales de control remoto como con las señales de posicionamiento de navegación, el dron no puede obtener información de posicionamiento precisa y aterriza directamente, utilizando sensores ultrasónicos para evitar tocar el suelo y mantenerse estacionario a cierta altura.

La siguiente tabla enumera algunos protocolos comunes de control remoto y transmisión de imágenes para drones. Fabricantes importantes como DJI y AUTEL han desarrollado protocolos específicos para la transmisión de imágenes por control remoto, entre los que OcuSync y LightBridge de DJI son los más comunes y ofrecen el mejor rendimiento. Los fabricantes que no cuentan con protocolos propios de transmisión de imágenes por control remoto suelen optar por el protocolo Wi-Fi. Para los FPV caseros, los protocolos ELRS y TBSCrossFire se han convertido en los estándares actuales.

 OFDM Introducción a la tecnología

LightBridge, OcuSync、SkyLinkprotocolo, yWi-Fi, loLa tecnología de codificación de su capa física adopta la tecnología OFDM. Esta sección presentará brevemente la tecnología OFDM.

OFDMelLa tecnología es una técnica de multiplexación por modulación multiportadora que utiliza múltiples subportadoras para transmitir datos simultáneamente, con intervalos de frecuencia iguales entre ellas. Aunque existe cierta superposición espectral entre subportadoras adyacentes, estas son ortogonales entre sí, por lo que las señales transmitidas por cada subportadora no se afectan entre sí. Esto permite la transmisión simultánea de datos en varias subportadoras.

OFDMLa tecnología generalmente se basa en tecnología de procesamiento de señales digitales, y el proceso de implementación específico es el siguiente: la fuente de datos a modular se asigna a N subportadoras, cada subportadora se modula en IQ y luego los datos modulados en IQ de N subportadoras se someten a la transformada de Fourier inversa IFFT para obtener los datos IQ del dominio del tiempo de un símbolo OFDM.

Figura 2 Descripción general del principio de la tecnología de modulación OFDM

Una trama OFDM completa suele contener varios símbolos OFDM, cuya duración es recíproca del espaciado entre subportadoras. Por ejemplo, si el espaciado entre subportadoras es de 15 kHz, la longitud del símbolo OFDM es de 66,67 µs. Al inicio de cada símbolo OFDM, se extiende e inserta un prefijo cíclico (CP) más corto. El contenido del CP es una copia del contenido final del símbolo OFDM. El propósito de extender el CP es resistir la interferencia entre símbolos causada por la dispersión.

Figura 3 Símbolos OFDM y subportadoras

OFDMLa eficiencia de utilización del espectro de la tecnología de multiplexación es muy alta. En el dominio de la frecuencia, las señales OFDM constan de numerosas subportadoras, y la asignación de energía de cada una es relativamente uniforme, por lo que su espectro es prácticamente una línea recta. En el dominio del tiempo, las señales OFDM constan de varios símbolos, cada uno con una longitud fija.

Figura 4 Símbolos OFDM y subportadoras

 DJIPUENTE DE LUZ/OCUSYNC Protocolo

DJIPuente de luzyOcuSyncLos protocolos son los referentes técnicos para la transmisión de imágenes en el control remoto en entornos civiles. El protocolo LightBridge se desarrolló con anterioridad y se aplicó a modelos como el Phantom 3 y el Inspire. El protocolo OcuSync se desarrolló relativamente tarde y se aplica a modelos como el Phantom 4, la serie Mavic y la serie Air, entre otros. El protocolo OcuSync se ha actualizado continuamente, y su última versión es OcuSync 4.0. Este protocolo ofrece un excelente rendimiento de transmisión y capacidad antiinterferente.

Figura 5 Diagrama de frecuencia de tiempo del protocolo DJI OcuSync

Puente de luz&OcuSyncLa capa física del protocolo se basa en la tecnología de codificación OFDM, pero sus parámetros difieren. El protocolo LightBridge utiliza una capa física similar a WiMAX, con una separación entre subportadoras de 10,9375 kHz. El enlace descendente utiliza 864 subportadoras, que ocupan un ancho de banda de aproximadamente 9,46 MHz. El protocolo OcuSync utiliza una capa física similar a LTE, con una separación entre subportadoras de 15 kHz. El enlace descendente de 10 M de ancho de banda utiliza 600 subportadoras, que ocupan un ancho de banda de aproximadamente 9,02 MHz, mientras que el enlace descendente de 20 M de ancho de banda utiliza 1200 subportadoras, que ocupan un ancho de banda de aproximadamente 18,02 MHz.

 SKYLINK Protocolo

El protocolo Skylink también es un protocolo común para la transmisión de imágenes por control remoto. Se utiliza ampliamente en la serie de drones Dao Tong EVO.

La capa física del protocolo Skylink también se basa en tecnología OFDM, ocupando un ancho de banda de aproximadamente 10MHz y un espaciado de subportadoras de 15KHz.

Figura 6 Diagrama de frecuencia de tiempo del protocolo SkyLink

 El protocolo Skylink adopta una capa física similar a LTE, con un espaciado de subportadora de 15 KHz.

 El enlace descendente (señal de transmisión de imagen) utiliza 600 subportadoras, que ocupan un ancho de banda de aproximadamente 9,02 MHz, y el enlace ascendente (señal de control remoto) utiliza 72 subportadoras, que ocupan un ancho de banda de aproximadamente 1,1 MHz.

 Wi-Fi protocolo

Wisconsin-La tecnología de comunicación WiFi es muy popular en la electrónica de consumo y muchos vehículos aéreos no tripulados civiles utilizan Wi-Fi.-Protocolo Fi para traNombra la cosaSeñales de control de notas y señales de retroalimentación de imagen. El Wi-El protocolo de comunicación WiFi ha experimentado muchos años de iteración tecnológica. Además de los primeros Wi-Fi...-WiFi 1 utiliza espectro ensanchado DSSS, el Wi-Fi posterior utiliza tecnología OFDM con diferentes parámetros técnicos como el ancho de banda.

Wi-Fi estándar	Wi-Fi versión	Versión estándar	Frecuencia de trabajo	Tecnología de reutilización de la capa física	Número de flujos espaciales	ENcanal de banda ancha	Desas tarifas
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	2 Mbps
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	11 Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Hasta 4	20/40 MHz	Hasta 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Hasta 8	20/40/80/160 MHz	Hasta 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Hasta 8	20/40/80/160 MHz	Hasta 9,6 Gbps
802.11be	Wi-Fi 7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320 MHz	Hasta 23 Gbps

El Wi-El estándar Fi utilizado en el campo de los drones suele ser 802.11n o 802.11ac, como el Wi-Fi.-Los chips Fi para estos dos estándares son muy maduros. Tomando 802.11n como ejemplo, generalmente hay dos modos de ancho de banda para

Los estándares son muy maduros. Por ejemplo, 802.11n suele ofrecer dos modos de ancho de banda: 20 M y 40 M, con una separación entre subportadoras de 312,5 KHz. En el modo 20 M, hay 56 subportadoras y el ancho de banda real ocupado es de aproximadamente 17,8 MHz. En el modo 40 M, hay 114 subportadoras y el ancho de banda real ocupado es de aproximadamente 35,9 MHz.

Figura 7 Diagrama de frecuencia de tiempo de Wi-Sea un protocolo

 FPV ProtocoloELRS/TBS

El protocolo de control remoto y el protocolo de transmisión de imágenes del FPV son independientes. El protocolo de control remoto suele utilizar ELRS o TBS Crossfire, mientras que el protocolo de transmisión de imágenes suele simularse para lograr una menor latencia.

ELRS, también conocido como ExpressLRS, es un protocolo de control remoto de código abierto que proporciona una latencia ultrabaja y mayores distancias de control remoto. La capa física de ELRS adopta el protocolo LoRA y se implementa con base en los chips SX127x/SX1280 de SEMTECH. ELRS utiliza tecnología de salto de frecuencia y espectro ensanchado, lo que le permite lograr una alta capacidad antiinterferente. El espectro ensanchado de ELRS se basa en la tecnología de espectro ensanchado chirp (modulación de frecuencia lineal). Cuanto mayor sea el factor de ensanchado, mayor será la ganancia, la sensibilidad y la velocidad de transmisión. El ancho de banda de ensanchado de ELRS es de 500 KHz, y el factor de ensanchado generalmente se selecciona entre SF6 y SF9. La codificación de la capa física de TBS Crossfire es similar a la de ELRS; ambos utilizan la tecnología de espectro ensanchado chirp (modulación de frecuencia lineal), pero el ancho de banda de espectro ensanchado es de tan solo 250 KHz.

factor de propagación	Longitud del código de espectro ensanchado	Sganancia de propagación（dB）
SF6	64	5
SF7	128	7.5
SF8	256	10
SF9	512	12.5
SF10	1024	15
SF11	2048	17.5
SF12	4096	20

Figura 8 Diagrama de frecuencia de tiempo del protocolo ELRS