Connectiviteit voor drones en autonome systemen

Een drone in de lucht en een autonome robot op de grond hebben te maken met een probleem dat een vaste sensor niet kent: ze bewegen en hun verbinding moet met ze meebewegen. Terwijl het object zich verplaatst, beweegt het door het bereik van verschillende zendmasten en, aan de randen van de dekking, zelfs van verschillende netwerken. Als de verbinding deze beweging niet kan volgen, valt de telemetrie stil, bevriest het videobeeld en verliest de operator het overzicht op het moment dat dit het hardst nodig is. Bij droneconnectiviteit gaat het daarom niet alleen om de aanwezigheid van een signaal, maar om het verbonden houden van een bewegend object terwijl de omgeving en dekking voortdurend veranderen.

Dit artikel onderzoekt hoe 4G en 5G drones en autonome systemen verbonden houden: welke eisen telemetrie en video-uplinks daadwerkelijk aan de verbinding stellen, waarom netwerkhandover essentieel is voor alles wat beweegt en hoe een multi-network-simkaart de verbinding in stand houdt wanneer de dekking verandert. De nadruk ligt op de commerciële mobiele connectiviteitslaag. Daarbij maken we duidelijk waar wettelijke goedkeuringen en gespecialiseerde command-and-controlsystemen buiten deze laag vallen.

Wat een drone of autonoom systeem van een verbinding nodig heeft

Verbonden autonome systemen maken doorgaans gebruik van twee sterk verschillende datastromen via dezelfde verbinding. Een goede verbinding moet beide datastromen betrouwbaar kunnen ondersteunen:

• Telemetrie en besturing. Klein, constant en zeer tijdkritisch: positiegegevens, statusinformatie, sensorwaarden en commando’s. Het datavolume is minimaal, maar een onderbreking of vertraging in deze datastroom vormt het ernstigste type storing, omdat dit direct gevolgen kan hebben voor de besturing en veiligheid.
• Payloadgegevens, meestal video. Groot en bandbreedte-intensief, met name bij video-uplinks met een hoge resolutie of live videostreaming. Hier ligt de grootste capaciteitsbehoefte. Deze datastroom maakt bovendien gebruik van dezelfde verbinding als de kritieke telemetrie.

De spanning tussen deze twee datastromen vormt de kern van het technische vraagstuk. De verbinding moet de kleine, kritieke besturingsstroom waarborgen en tegelijkertijd de grote, bandbreedte-intensieve videostroom verwerken. Bovendien moet dit gebeuren terwijl het object in beweging is. Dat stelt hogere eisen dan bij een vaste camera of stationaire sensor en maakt de keuze voor de juiste connectiviteitsoplossing bijzonder belangrijk voor autonome systemen.

De kernuitdaging: verbonden blijven tijdens beweging

Een stationair apparaat maakt verbinding met één zendmast en blijft binnen het bereik daarvan. Voor een bewegend object geldt dat niet. Terwijl een drone vliegt of een robot zich verplaatst, raakt deze buiten het bereik van de ene zendmast en binnen het bereik van de volgende. De verbinding moet daarbij zonder uitval tussen de zendmasten worden overgedragen. Binnen één mobiel netwerk is deze overdracht van zendmast naar zendmast precies waar mobiele netwerken voor zijn ontworpen. Dit werkt doorgaans goed zolang het bewegende object binnen een gebied met goede netwerkdekking blijft.

Het lastigere probleem ontstaat aan de randen van de dekking: op plaatsen waar het bereik van één netwerk afneemt, in de buurt van een landsgrens of in landelijke en afgelegen gebieden waar drones en autonome systemen vaak worden ingezet. Een apparaat dat aan één netwerk is gebonden, heeft geen alternatief wanneer dat netwerk wegvalt. Het maakt daarbij niet uit of een andere operator op die locatie uitstekende dekking biedt wanneer het apparaat geen toegang tot dat netwerk heeft. Voor een bewegend object dat door uiteenlopende gebieden reist, is afhankelijkheid van één netwerk een van de meest voorkomende oorzaken van een verbroken verbinding.

Hoogte brengt een extra complicatie met zich mee die apparaten op de grond niet ervaren. Mobiele netwerken zijn ontwikkeld om gebruikers op grondniveau te bedienen. Een drone die naar grotere hoogte stijgt, kan daardoor meerdere zendmasten tegelijk waarnemen en de netwerkdekking heel anders ervaren dan een apparaat op de grond eronder. De meest geschikte netwerkkeuze kan hierdoor per deel van de vliegroute verschillen. Dit is nog een reden waarom een verbinding die tussen operators kan selecteren en schakelen beter geschikt is voor objecten in de lucht dan een vaste verbinding via één provider.

Waarom een non-steered multi-network-simkaart de juiste oplossing is

Dit is precies het probleem waarvoor een non-steered multi-network-simkaart is ontwikkeld. In plaats van gebonden te zijn aan één operator, kan deze verbinding maken met het sterkste beschikbare netwerk langs de route en tussen operators schakelen wanneer de dekking verandert. Voor een asset die zich door verschillende dekkingsgebieden beweegt, betekent dit dat de verbinding het beste beschikbare signaal volgt in plaats van vast te houden aan een netwerk waarvan het signaal steeds zwakker wordt. WeConnect biedt dit via meer dan 700 carrierpartnerschappen in ruim 195 landen. Hierdoor kan een drone of autonoom systeem gebruikmaken van het sterkste beschikbare netwerk, ongeacht de locatie, en verbonden blijven op plaatsen waar een simkaart van één afzonderlijke provider de verbinding zou verliezen.

Dit voordeel werkt door in beide datastromen. Multi-networktoegang geeft de kritieke telemetrie de grootst mogelijke kans op een ononderbroken verbinding. Tegelijkertijd krijgt de video-uplink toegang tot de beschikbare capaciteit langs de route, in plaats van uitsluitend tot de capaciteit die één operator op die locatie aanbiedt. Voor een bewegend object is veerkrachtige connectiviteit geen luxe. Het zorgt ervoor dat de operator gedurende de volledige missie, van vertrek tot terugkeer, zicht op en contact met het object behoudt.

Buiten de visuele zichtlijn (BVLOS)

Een groot deel van de toegevoegde waarde van drones ontstaat wanneer ze buiten de visuele zichtlijn van de operator worden ingezet, oftewel Beyond Visual Line of Sight (BVLOS). Denk hierbij aan het inspecteren van een lange pijpleiding, het onderzoeken van een groot terrein of het afleveren van goederen op een afgelegen locatie. Zodra een drone buiten het zicht van de operator vliegt, vormt de verbinding de enige directe schakel met de drone. Daardoor worden de eisen aan de betrouwbaarheid aanzienlijk hoger. Wanneer de datalink wegvalt, kan de operator niet terugvallen op visuele besturing.

Betrouwbare en veerkrachtige connectiviteit vormt daarom een fundamentele voorwaarde voor BVLOS-operaties. Multi-network mobiele connectiviteit sluit goed aan op de connectiviteitslaag van dergelijke toepassingen. Het is echter belangrijk om de reikwijdte hiervan duidelijk af te bakenen. BVLOS-operaties zijn sterk gereguleerd. Toestemming om deze uit te voeren is afhankelijk van luchtvaartautoriteiten, goedgekeurde operationele procedures en vaak redundante command-and-controlvoorzieningen die verder gaan dan één simkaart. De hier beschreven connectiviteit ondersteunt deze operaties, maar verleent op zichzelf geen toestemming om ze uit te voeren. Bij daadwerkelijk missiekritieke toepassingen gelden dezelfde principes op het gebied van missiekritieke connectiviteit waarbij het onder meer gaat om redundantie en centrale controle, aangevuld met alle vereisten die vanuit het regelgevingskader worden gesteld.

Drones en robots zijn M2M-assets

Een drone of autonoom systeem met een simkaart is een machine die zelfstandig communiceert. Daarmee is het een klassieke M2M-toepassing. Meer uitleg hierover vind je in ons artikel over wat een M2M-simkaart is waarin dezelfde principes worden uitgelegd die voor iedere verbonden machine gelden, waaronder multi-networktoegang, centraal beheer en veilige dataroutering. Het enige verschil is dat deze principes hier worden toegepast op een asset die beweegt en mogelijk vliegt. Connectiviteit voor een autonome vloot specificeren, betekent in de praktijk dat een IoT-simimplementatie wordt uitgebreid met aanvullende eisen voor beweging en besturing met een lage latentie. Door de toepassing op deze manier te benaderen, hoeft voor ieder nieuw platform niet opnieuw een volledig connectiviteitsmodel te worden ontwikkeld.

Een vloot van bewegende assets beheren

Een operator die meerdere drones of robots beheert, krijgt te maken met hetzelfde vlootvraagstuk als ieder ander bedrijf met verbonden assets, maar met beweging als aanvullende factor. Centraal beheer biedt één overzicht van de verbinding van iedere asset: welke assets online zijn, waar dataverkeer plaatsvindt, hoeveel data iedere asset gebruikt en welke verbindingen zijn uitgevallen. Simkaarten kunnen vóór een inzet worden geactiveerd en na afloop worden opgeschort. Data kan over de volledige vloot worden gebundeld, zodat een missie met veel video gebruikmaakt van dezelfde gedeelde databundel als een missie met weinig telemetrie. Een verbindingsprobleem bij een asset wordt bovendien direct zichtbaar, in plaats van pas na afloop van een missie. Voor een operator die verder opschaalt dan enkele afzonderlijke systemen, maakt deze centrale controle het mogelijk om een volledige vloot van bewegende assets beheersbaar te houden.

De verbindingsgegevens worden na verloop van tijd zelf een waardevol operationeel hulpmiddel. Iedere missie legt vast op welke locaties de verbinding betrouwbaar bleef en waar problemen optraden. Een operator kan daardoor leren welke routes en gebieden betrouwbaar zijn en voor welke locaties een andere aanpak nodig is. Op basis van deze informatie kan werk nauwkeuriger worden geoffreerd en ingepland, zonder uitsluitend op aannames te vertrouwen. Bij autonome operaties kan een verbroken verbinding leiden tot het afbreken van een missie of het automatisch terugkeren van de asset. Het opgebouwde inzicht in de werkelijke netwerkdekking langs daadwerkelijk gevlogen routes is daarom bijna net zo waardevol als de actieve verbinding tijdens een afzonderlijke missie.

Veelgestelde vragen

Welke simkaart gebruiken drones voor connectiviteit?

Drones die verbinding maken via mobiele netwerken gebruiken een M2M- of IoT-simkaart. Bij voorkeur is dit een non-steered multi-network-simkaart, zodat de drone verbinding kan maken met het sterkste beschikbare netwerk langs de route en niet aan één provider is gebonden. De verbinding verwerkt zowel de kleine, kritieke telemetriestroom als de grotere video-uplink.

Hoe blijven drones verbonden wanneer ze zich tussen verschillende gebieden verplaatsen?

Binnen één netwerk wordt de verbinding automatisch van de ene zendmast naar de andere overgedragen naarmate de drone beweegt. Aan de randen van de dekking zorgt een niet-gestuurde multi-netwerk SIM ervoor dat de drone terugvalt op het netwerk van een andere operator, zodat de verbinding het sterkste beschikbare signaal volgt in plaats van weg te vallen wanneer één netwerk wegvalt.

Welke connectiviteit hebben BVLOS-droneoperaties nodig?

Buiten de visuele zichtlijn vormt de datalink de enige verbinding met de drone. Deze verbinding moet daarom zeer betrouwbaar en veerkrachtig zijn. Multi-network mobiele connectiviteit ondersteunt dit goed. Voor BVLOS-operaties zijn daarnaast wettelijke goedkeuringen, goedgekeurde procedures en vaak redundante command-and-controlvoorzieningen nodig. Deze vallen buiten de connectiviteit zelf en moeten afzonderlijk worden gespecificeerd.

Kan één verbinding zowel dronetelemetrie als video verwerken?

Ja, maar het ontwerp moet de kritieke telemetrie beschermen en tegelijkertijd de bandbreedte-intensieve videostroom verwerken. Telemetrie bestaat uit een kleine hoeveelheid tijdkritische data, terwijl video een veel grotere capaciteit vereist. Met een veerkrachtige multi-networkverbinding, voldoende capaciteit en een ontwerp dat voorrang geeft aan besturingsverkeer, kan één verbinding beide datastromen betrouwbaar ondersteunen.

Volgende stappen

WeConnect biedt connectiviteit voor drones en autonome systemen met non-steered multi-network-simkaarten en centraal beheer. De verbinding volgt het sterkste beschikbare netwerk terwijl de asset zich verplaatst, ondersteunt zowel telemetrie als video-uplinks en maakt iedere afzonderlijke unit zichtbaar vanuit één centraal platform. Vertel ons hoe en waar je systemen worden ingezet. Wij beoordelen de dekking langs de route, ontwerpen de connectiviteit rondom de toepassing en maken duidelijk waar aanvullende wettelijke goedkeuringen nodig zijn. Daag ons uit met jouw connectiviteitsvraagstuk. Je ontvangt binnen één uur een persoonlijk antwoord.