di Mario Gatti* | Oggi gli Uav (Unmanned Aerial Vehicle) coprono un mercato molto ampio e differiscono soprattutto per finalità d’uso, dimensioni e autonomia.
L’evoluzione degli Uav sta interessando un numero crescente di applicazioni civili. In tutti gli scenari, il sistema radio rappresenta uno degli elementi più critici del progetto. Le bande di frequenza a libero utilizzo più diffuse negli Uav civili sono oggi 868/915 MHz (bande Ism sub-GHz), 2,4 GHz e 5 GHz.
Ciascuna offre caratteristiche peculiari in termini di portata, robustezza alle interferenze, throughput e dimensioni delle antenne. La scelta della tecnologia radio non può quindi essere affrontata esclusivamente sulla base delle prestazioni nominali, ma deve partire dall’analisi dell’intera missione operativa.
Due categorie di Uav, esigenze differenti
In genere è utile distinguere tra Uav di piccole dimensioni e piattaforme professionali.
I droni leggeri, caratterizzati da forte attenzione a peso e autonomia, richiedono soluzioni altamente integrate. In questi sistemi il collegamento radio deve garantire il controllo del velivolo, la telemetria e lo scambio di dati operativi con consumi particolarmente contenuti. Per questa categoria trovano impiego chipset e moduli radio a 2,4 GHz o sub-GHz, spesso dotati di microcontrollore integrato, stack protocollari e funzioni avanzate di gestione energetica. L’elevato livello di integrazione consente di ridurre tempi di sviluppo, complessità RF e costi di certificazione.
Negli Uav professionali di dimensioni maggiori, utilizzati per missioni a lungo raggio o per il trasporto di carichi utili più complessi, entrano invece in gioco esigenze differenti. In questi casi diventano prioritari la robustezza del link, la ridondanza delle comunicazioni e la possibilità di gestire contemporaneamente più canali radio dedicati a differenti flussi informativi. Qui trovano spazio moduli wireless industriali, sistemi radio IP-based, transceiver a elevata potenza e piattaforme software-defined in grado di supportare architetture estremamente flessibili.
La banda sub-GHz
La banda sub-GHz continua a rappresentare una delle scelte più utilizzate per comando e telemetria.
La frequenza relativamente bassa offre una migliore propagazione rispetto alle bande a 2,4 GHz e 5 GHz (si veda la Figura 1), ottenendo coperture maggiori a parità di potenza trasmessa. Inoltre, la minore attenuazione dovuta agli ostacoli rende il collegamento più stabile nelle applicazioni che prevedono voli a bassa quota o in ambienti caratterizzati da vegetazione e strutture disperse.
Il mercato offre oggi transceiver sub-GHz altamente integrati, disponibili sia come chipset sia come moduli certificati. Le soluzioni più moderne impiegano tecniche di modulazione Spread Spectrum o Narrowband evolute, che coniugano sensibilità elevata e consumi ridotti. Per gli Uav professionali, tali dispositivi vengono frequentemente utilizzati come link critico di backup o come canale di telemetria, separato da altri sistemi radio destinati al trasferimento di dati ad alta velocità.
La banda 2,4 GHz
La banda Ism a 2,4 GHz rappresenta oggi il punto di equilibrio tra portata, capacità trasmissiva e disponibilità di componenti.
La grande diffusione di chipset radio operanti in questa banda ha favorito negli anni la nascita di ecosistemi tecnologici consolidati, con disponibilità di moduli miniaturizzati, stack software maturi e numerose opzioni di antenna. Per gli Uav di piccola e media dimensione, sistemi radio a 2,4 GHz basati su tecniche Fhss (Frequency Hopping Spread Spectrum), Dsss (Direct Sequence Spread Spectrum) o Ofdm consentono di realizzare collegamenti affidabili anche in ambienti caratterizzati da elevata densità di dispositivi wireless.
Particolarmente interessanti sono i System-on-Chip che integrano radio, Mcu, acceleratori crittografici e meccanismi di sicurezza hardware. Queste soluzioni permettono di implementare canali di comunicazione robusti con un numero ridotto di componenti esterni, semplificando il layout RF e riducendo il consumo energetico complessivo. Un altro vantaggio della banda 2,4 GHz è che è utilizzabile in tutto il mondo con poche eccezioni. Normalmente le bande libere sub-GHz sono dipendenti da normative regionali/nazionali che spesso richiedono il supporto di frequenze e potenze trasmissive diverse, complicando le attività di certificazione del prodotto se pensato per un utilizzo globale.
La banda 5 GHz
Nel caso di Uav professionali, la banda 5 GHz viene spesso utilizzata per collegamenti che richiedono maggiore capacità di trasporto dati.
La disponibilità di canali più ampi e la minore congestione rispetto alla banda 2,4 GHz consentono di raggiungere throughput significativamente superiori. Di converso la propagazione è meno favorevole e più sensibile all’attenuazione. Perciò, nella progettazione di sistemi Uav professionali, il collegamento a 5 GHz viene frequentemente affiancato da una seconda radio operante a frequenze inferiori. Tale da permettere di mantenere attivo il controllo del velivolo anche qualora il canale ad alta capacità dovesse degradarsi. Il mercato mette a disposizione moduli Wi-Fi industriali, piattaforme radio embedded e chipset ad alte prestazioni capaci di supportare tecnologie Mimo, beamforming e gestione dinamica dello spettro.
Verso architetture multi-radio e intelligenti
La disponibilità di chipset a basso consumo per la telemetria, moduli Wi-Fi industriali per elevati throughput e radio sub-GHz per lunghe distanze consente di costruire architetture multilivello.
Ciò richiede una visione sistemica che tenga conto di aspetti spesso sottovalutati: coesistenza RF, gestione delle antenne, isolamento tra apparati, consumo energetico, conformità normativa e cybersecurity (si veda la Figura 2). In questo contesto si inseriscono anche le soluzioni emergenti Sdr (Software Defined Radio) in grado di utilizzare un’architettura hardware unica e definirne via software le funzionalità, offrendo una grande versatilità, presupponendo però una forte conoscenza delle architetture software.
L’importanza del supporto applicativo
L’offerta disponibile oggi comprende svariate soluzioni capaci di coprire praticamente ogni esigenza applicativa nel settore Uav civile.
Tuttavia, la scelta del componente rappresenta soltanto una parte del lavoro. La definizione del link budget, delle antenne, la verifica della coesistenza tra sistemi operanti su bande differenti e l’ottimizzazione dei consumi sono attività fondamentali per il successo del progetto.
Per questo motivo, il ruolo di un partner tecnico specializzato nel wireless short-range assume un’importanza crescente. La capacità di supportare il progettista nella valutazione delle diverse tecnologie disponibili e nella loro integrazione all’interno dell’architettura Uav può fare la differenza tra un sistema funzionante in laboratorio e una soluzione efficace in campo operativo. Oltre a fornire soluzioni hardware per quasi tutte queste applicazioni Acal BFi è in grado di fornire un servizio di supporto e consulenza tramite il centro tecnologico IoT ed RF che conta sull’esperienza di una squadra con competenze hardware, software e sistemistiche consolidate.
* Mario Gatti è Key Account Manager di Acal BFi
