UAV telemetria s nízkou spotrebou
Telemetria s nízkou spotrebou je kritickým prvkom architektúry bezpilotných lietadiel (UAV), najmä pri dlhodobej prevádzke, BVLOS misiách a rojových scenároch. Cieľom je doručiť dostatočne presné a včasné údaje o polohe, stave batérie, motoroch, senzoroch a stave misie pri minimálnej energetickej záťaži a s robustnosťou voči rušeniu či prerušeniam spojenia. Tento článok systematicky popisuje protokoly, návrh paketov, MAC/PHY optimalizácie, bezpečnostné aspekty a praktické odporúčania pre implementáciu v dronoch.
Energetický rozpočet: čo stojí bit na vzduchu a na CPU
Celková spotreba telemetrie je súčtom príspevku rádiomodulu (TX/RX/standby), mikrokontroléra (spracovanie, kódovanie, šifrovanie) a periférií (GPS, IMU). Pri 1–10 Hz telemetrii môže vysielanie dominovať, no pri vyšších sadzbách dát a robustnej kryptografii rastie aj CPU podiel. Kľúčové je minimalizovať airtime (dĺžku vysielania), počet prebudení, zbytočné retransmisie a kopírovania dát v zásobníkoch.
Prehľad nízkoenergetických protokolov a technológií
Voľba technológie závisí od profilu misie (LOS/BVLOS), požiadaviek na latenciu, regulačného pásma a hustoty siete pozemných brán.
| Technológia | Pásmo | Typ siete | Hrubá priepustnosť | Latencia | Typické použitie |
|---|---|---|---|---|---|
| LoRa / LoRaWAN | Sub-GHz (EU 868 MHz) | Star (cez gateway), privátne | 0.3–50 kb/s (podľa SF/CR) | ≥ sekundy (Class A), < 1 s (privátne LoRa P2P) | Stavové správy, pozícia 1–2 Hz, BVLOS cez vlastné gatewaye |
| NB-IoT / LTE-M | Licencované LTE pásma | Operátorská infra | NB-IoT ~ 20–60 kb/s, LTE-M ~ 100–300 kb/s | ~100 ms až sekundy (závisí od eDRX/PSM) | Mestské BVLOS, fallback telemetria, logy |
| IEEE 802.15.4 (Zigbee/Thread) | 2.4 GHz / Sub-GHz | Mesh/Star (krátky dosah) | ~250 kb/s (2.4 GHz) | 10–100 ms | Rojy s krátkym dosahom, indoor testovanie |
| BLE (Bluetooth LE) | 2.4 GHz | Star (centrála–periféria) | 1–2 Mb/s PHY, priepustnosť menšia | ~10–50 ms (connection interval) | Ground testy, servisné linky, krátky dosah |
| Sub-GHz FSK/GFSK (vlastný stack) | 315/433/868/915 MHz | P2P/Star | 2–100 kb/s | < 50 ms (štíhle rámce) | Primárna telemetria LOS, racing, RC+telemetria |
LoRa: parametre a výpočet airtime
LoRa umožňuje extrémny dosah s nízkym SNR vďaka rozprestretému spektru (spreading factor SF7–SF12) a konvolučnému kódovaniu (coding rate CR). Cena za robustnosť je dlhý airtime a tým aj vyššia spotreba i kolízie v ISM pásme.
- Optimalizácia SF/CR: Použite adaptívny dátový tok (ADR) alebo vlastnú logiku: držte SF čo najnižšie (SF7–9) pri dostatočnom link budgete a CR 4/5 až 4/6 podľa požadovaného PER.
- Šírka pásma (BW): 125 kHz je kompromis dosahu a airtime; 250/500 kHz skrátia airtime, ale znížia citlivosť.
- Príklad airtime: Payload 16 B, SF9, BW 125 kHz, CR 4/5, explicit header, CRC zapnuté → čas preambuly ~ 8 ms, užitočná časť ~ 36 ms, spolu ~ 44 ms na paket. Pri 2 Hz odosielaní je to ~88 ms vysielania za sekundu (duty ~8.8%).
- Class A vs. P2P: LoRaWAN Class A je downlink-šetrný (okná RX1/RX2), no zvyšuje latenciu; privátne LoRa P2P umožní kratšie cykly a deterministickejší downlink.
NB-IoT a LTE-M: energetika a latencia
Celulárne štandardy ponúkajú široké pokrytie a QoS, no energetická náročnosť závisí od konfigurácie Power Saving Mode (PSM) a extended Discontinuous Reception (eDRX). Pre UAV telemetriu odporúčame:
- Pre bežnú telemetriu: krátke pripojenia s UDP, MTU ~ 512 B, trvalé PSM s periodickým TAU (Tracking Area Update) ≥ 10 min.
- Pre alarmy: eDRX s nízkym paging intervalom počas kritických fáz (vzlet/pristátie), následne návrat do PSM.
- Minimalizovať TLS handshaky opätovným použitím relácií alebo využitím DTLS 1.3/QUIC (ak dostupné) s 0-RTT len pre neškodné údaje.
802.15.4, BLE a krátkodosahové linky v rojoch
Pri rojoch a pozemnej podpore sú dôležité deterministické superframes a nízka latencia.
- 802.15.4: Použite TSCH (Time Slotted Channel Hopping) pre robustnosť v rušenom 2.4 GHz, malé pakety (≤ 60 B) a plánovanie slotov pre prioritu safety telemetrie.
- BLE: Znížte connection interval (napr. 15–30 ms) len počas kritických fáz; mimo nich ho predĺžte (120–200 ms). GATT charakteristiky pre stavové hodnoty s notifikáciou namiesto periodického čítania.
Formát paketov: ako prejsť z „verbozity“ na bity
Štíhly paket minimalizuje airtime, kolízie a spotrebu. Základné zásady:
- Bitové polia a TLV: Používajte kompaktné bitové masky pre flagy; pre voliteľné polia TLV (Type-Length-Value), aby sa neposielalo nič naviac.
- Delta a predikcia: Posielajte delta oproti predošlému stavu (napr. poloha ako Δlat, Δlon v centimetroch podľa UTM gridu); po strate rámcov vložte pravidelný keyframe (napr. každých 2 s).
- Kvantizácia a jednotky: Použite fixné škály (napr. napätie v mV, teplota v 0.1 °C), vyhnite sa plávajúcim číslam.
- Varint/zigzag kódovanie: Pre malé celé čísla zníži priemernú dĺžku o 30–60%.
- CBOR/FlatBuffers/Protobuf-nano: Len ak potrebujete interoperabilitu; inak vlastný binárny rámec často víťazí nad general-purpose serializáciou.
- CRC a detekcia chýb: 16-bit CRC (napr. CRC-CCITT) je dobrý kompromis; pri veľmi krátkych rámcoch stačí 8-bit, ak je nad linkou ešte FEC.
Bezpečnosť s ohľadom na spotrebu
Šifrovanie a autentizácia musia byť primerané riziku a energetike:
- AEAD režimy: AES-CCM či ChaCha20-Poly1305 poskytujú integritu aj dôvernosť v jednom prechode. Nonce ako monotónny čítač per-linku zabráni replay útokom bez potreby veľkých hlavičiek.
- Krátke AAD a tagy: 64-bit autentizačný tag môže byť postačujúci pre krátke životnosti rámcov; pre kritické príkazy voľte 96/128-bit tag.
- Výmena kľúčov: Na nízkoenergetickej linke preferujte predzdieľané kľúče s pravidelnou rotáciou cez bezpečnejší backhaul (napr. po pristátí cez Wi-Fi), alebo asymetrickú výmenu len sporadicky.
Riadenie spoľahlivosti: FEC, ARQ a priority
Energeticky optimálne je zabrániť retransmisiám inteligentnou kombináciou FEC a selektívnych potvrdení:
- Linková FEC: Konvolučné alebo Reed–Solomon kódy s malým nadbytočným pomerom (napr. +20–33%) dramaticky znižujú PER pri slabom SNR bez potreby opakovaní.
- Hybridné ARQ: Pri vyšších rýchlostiach použite parciálne retransmisie iba chýbajúcich symbolov (soft combining), ak to PHY/rádio podporuje.
- Prioritizácia: Definujte triedy: emergency (RTH/FAILSAFE), state (napätie, GNSS), bulk (logy). Scheduler na palube vkladá urgentné rámce pred ostatné a pre bulk používa nízku frekvenciu alebo opportunistický prenos.
MAC a prístup do média v ISM: kolízie, duty-cycle a regulácia
V Európe (868 MHz) platia duty-cycle limity (napr. 1% v niektorých podpásmach). Dizajn musí rešpektovať:
- Duty-cycle manažment: Vypočítajte plán vysielania z airtime a rozložte pakety v čase; pri preťažení znížte periodicitu a zvýšte agregáciu.
- CSMA/LBT: Ak rádio podporuje Listen-Before-Talk, aktivujte ju pri vyššej hustote sietí; inak pseudo-náhodne ditherujte čas odoslania.
- Frekvenčný hopping: Striedanie kanálov obmedzí pravdepodobnosť systematických kolízií a zlepší férovosť.
Latencia vs. spotreba: praktické kompromisy
Nižšia latencia vyžaduje častejšie prebúdzanie rádia a kratšie intervaly majáka/striedu. Pri UAV telemetrii rozlišujeme:
- Flight-critical: Latencia 20–200 ms (krátke rámce, vyššia PHY rýchlosť, menšie FEC, prednosť v MAC).
- Health/status: Latencia do 1–2 s (agregácia, vyššia kompresia, robustnejšie kódovanie).
- Bulk/logs: Sekundy až minúty (store-and-forward, PSM/eDRX, packet bundling).
Optimalizácia plánovania prebudení a režimov spánku
Najväčšie úspory prináša šikovné plánovanie prebudení MCU a RF:
- Event-driven telemetria: Namiesto periodického 10 Hz toku posielajte iba pri zmenách (prahy, hysteréza, deadband).
- Batching: Agregujte viaceré signály do jedného rámca do limitu MTU a latencie triedy.
- Duty-cycled GPS/IMU: Pri konštantnom lete znížte frekvenciu GNSS odčítania a posielajte len filtrovanú polohu.
- PSM/eDRX (celulárne): Dlhé spánky mimo kritických fáz; krátke eDRX okná počas štartu/pristátia.
Mobilita, smerovanie a viacnásobné linky
UAV často používajú viac rádií naraz (primárna telemetria Sub-GHz, záloha NB-IoT, servisná Wi-Fi). Prechod medzi linkami musí byť hladký:
- Multipath a bonding: Duálne vysielanie emergency rámcov cez dve nezávislé linky zvýši spoľahlivosť s malým energetickým navýšením (len pre malé rámce).
- Path scoring: Skórujte linky podľa SNR/RSRP, PER a energetiky; výber cesty podľa triedy správy.
- Mesh pre roj: Pre krátke vzdialenosti použite smerovanie s metrikou ETX/energy-aware; pre dlhé BVLOS radšej gatewaye s vysokým stožiarom.
Integrácia s existujúcimi UAV protokolmi (MAVLink a pod.)
MAVLink je rozšírený, no jeho textové/verbose polia či veľké hlavičky môžu byť pri nízkoenergetických rádiách neefektívne.
- MicroMAVLink / MAVLite: Odstráňte nepotrebné správy, znížte frekvencie, zapnite message signing len pre príkazy, nie pre bulk telemetriu.
- Gateway transform: Na palube používajte binárny „slim“ rámec; až na pozemnej stanici transkodujte do plného MAVLinku pre GCS nástroje.
- Downlink selekcia: GCS požaduje len tie streamy, ktoré potrebuje; ostatné sú potlačené už na UAV.
Meranie, profilovanie a closed-loop optimalizácia
„Čo nemeriate, neoptimalizujete“ platí dvojnásobne pri nízkej spotrebe:
- Energetické sondy: Profilujte prúdy v režimoch TX/RX/Idle/Sleep, merajte airtime a duty-cycle pri reálnej prevádzke.
- PER vs. SNR krivky: Zbierajte PER/BER vs. rýchlosť a kódovanie; adaptujte SF/CR alebo FSK dátovú rýchlosť podľa podmienok.
- Telemetrické KPI: Priemerná dĺžka rámca, % payload vs. overhead, počet retransmisií, median/99. perc. latencie, energia na paket (µJ/pkt).
Príklad návrhu rámca pre Sub-GHz FSK linku
Ukážkový rámec pre 1–5 Hz telemetriu s prioritizáciou kritických správ:
- Hlavička (5–6 B): Vers(2 b), Class(2 b), Seq(12 b), Flags(4 b), DevID(16 b), Nonce/Time(8–16 b podľa profilu).
- Telo (premenné): TLV: T=1 (Δlat 3 B), T=2 (Δlon 3 B), T=3 (výška 2 B), T=4 (Vbat 2 B), T=5 (status 1 B), T=6 (rezerva).
- Integrita (2 B): CRC-16 (CRC-CCITT).
- Voliteľne AEAD: Pri príkazoch na diaľku použite AEAD s 64–96-bit tagom; pre bežnú telemetriu stačí CRC + linková FEC.
Testovacie scenáre a okrajové prípady
- Preťažený kanál: Otestujte PER pri 10× vyššej premávke v okolí; validujte spätné zníženie frekvencií a zvýšenie agregácie.
- Rýchly pohyb: Overte vplyv Dopplerovho posunu v Sub-GHz (zvyčajne malý), ale citlivý pre úzke filtry; sledujte zmeny RSSI pri obrate.
- Strata času: Po reboote bez RTC použite stateless nonces odvodené zo sekvencie a DevID, aby nedošlo k zamknutiu linky.
- Núdzové rámce: Deduplikácia na GCS (Seq), opakované vysielanie cez viac rádií, maximálna PHY rýchlosť, žiadna agregácia.
Praktické odporúčania pre implementáciu
- Začnite meraním: Zaveďte telemetrický self-report o vlastných KPI linky (SNR, PER, airtime, energia).
- Oddelený „slim“ a „rich“ svet: Na vzduchu minimalizujte; na zemi konvertujte a logujte bohaté správy.
- Konfiguračné profily: „Takeoff/Landing“ (nízka latencia), „Cruise“ (nízka energia), „Failsafe“ (multi-path, redundancia).
- Obmedzte retransmisie: Max 1–2 opakovania s exponenciálnym backoffom; staré rámce nahrádzajte novšími (drop stale).
- Bezpečnostná hygiena: Rotácia kľúčov pri každom pristátí alebo po N hodinách letu; oddelené kľúče pre telemetriu a príkazy.
Nízkoenergetická telemetria pre UAV je o disciplinovanom hospodárení s airtime, o konštrukcii extrémne úsporných rámcov a o adaptívnych protokoloch, ktoré sa menia podľa fázy letu a podmienok kanála. Kombináciou správnej technológie (Sub-GHz, LoRa, NB-IoT, 802.15.4, BLE), účinného kódovania, primeranej bezpečnosti a merania KPI možno dosiahnuť spoľahlivé, nízko-latencné a zároveň energeticky efektívne spojenie vhodné pre dnešné aj budúce misie dronov.