В рубрику "Практикум" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В.Р. Анпилогов
А.А. Афонин
Последние несколько лет наблюдается активное коммерческое освоение Ка-диапазона применительно к системам фиксированной спутниковой связи и вещания. Обусловлено это двумя основными факторами. Первый связан с проблемой международной координации новых геостационарных спутников в Кu-диапазоне, второй - со стремлением реализовать предельно большую пропускную способность спутника для минимизации себестоимости передачи единицы информации. Кроме того, для реализации вещания высокой четкости и тем более для перехода к объемному вещанию требуется увеличение частотного ресурса спутника, и без перехода от Кu- к Ка-диапазону эту задачу не решить.
Реальность этих факторов подтверждается и общей мировой тенденцией развития информационного общества. Дело в том, что объем информации, генерируемой обществом, неуклонно растет, и соответственно возрастает необходимость ее передачи (мировой объем трафика ежегодно удваивается в последние годы). В связи с этим во всем мире наблюдается стремление к увеличению пропускной способности каналов и, в частности, ощущается и дефицит спутниковой емкости.
В России также остро ощущается дефицит спутниковой емкости, что было еще раз отмечено участниками проходившей в Москве в сентябре 2009 г. ежегодной 14-й Конференции и выставки операторов и пользователей сети спутниковой связи и вещания РФ - SATRUS’2009. Одним из актуальных вопросов развития рынка спутниковой связи в России являются планы наращивания российской спутниковой группировки в Кu-диапазоне и перспективное использование Ка-диапазона.
Например, планы ФГУП "Космическая связь" по запуску в 2011 г. спутника "Экспресс АМ4" с двумя стволами Ка-диапазона, а уже в 2012 г. - спутников "Экспресс АМ5" и "Экспресс АМ6", которые будут формировать многолучевую рабочую зону Ка-диапазона на территории России. Аналогичные проекты в Ка-диапазоне предлагают и ФГУП РНИ-ИКП, и оператор группировки спутников "Ямал" - компания ОАО ГКС. Таким образом, актуальность применения Ка-диапазона для развития спутниковой связи в России в интересах конечных потребителей услуг связи и вещания уже не подвергается сомнению (пока нет сведений о проектах вещателей). Тем более что мировой опыт коммерческого применения Ка-диапазона для предоставления услуги доступа в Интернет для физических лиц и малого бизнеса уже есть (системы Wild Blue и HughesNet в США и Канаде), а в скором времени (по планам в 2010 г.) вся европейская граница России будет усеяна VSAT-станциями Ка-диапазона, работающими в сетях европейских спутников KA-SAT и HYLAS, совмещающими и услуги Интернета, и различные услуги вещания.
Но есть и проблемы при использовании данного диапазона, которые необходимо проанализировать и учесть при проектировании спутниковых сетей. Одной из основных является ослабление сигнала из-за погодных условий, что в конечном счете определяет достижимый коэффициент готовности спутникового канала, то есть качество и надежность конечной услуги.
Этому вопросу посвящено большое количество статей, но следует отметить, что полностью все данные не отражены ни в одной из работ, нет четкого механизма общей инженерной оценки потерь при распространении сигнала, вызванных природными факторами.
Цель данной работы - зафиксировать основные негативные природные факторы, влияющие на сигнал, и определить существенность их влияния применительно к территории России. В итоге это дает информацию для оценки технической перспективности и экономической эффективности системы.
Вопрос строгого прогнозирования ослабления сигнала в спутниковом радиоканале сложный и объемный и требует многочисленных вычислений. По-видимому, нет другого такого вопроса, которому было бы посвящено столько исследований, вошедших в рекомендации ITU, поэтому за основу возьмем рекомендации ITU-R, представленные в табл. 1.
Песчаные и пылевые бури. Причиной ослабления сигнала является рассеяние и поглощение энергии электромагнитных колебаний на частицах песка и пыли. Частицы имеют относительно малый размер, низкую диэлектрическую проницаемость, и на частотах ниже 30 ГГц их влияние несущественно, так как затухание сигнала прямо пропорционально размеру частиц по отношению к длине волны.
Атмосферные газы (Агазы). Причина затухания - поглощение кислородом и водяным паром. На частотах до 10 ГГц данным явлением можно пренебречь. Но на частотах выше этот фактор становится существенным. В ITU-R Р.676 приведен расчет ослабления. Расчет громоздкий и требует определенных исходных данных (температура, давление). Этому вопросу посвящено большое количество работ, в том числе сравнение фактических измерений с результатами моделирования. Работы показывают, что фактические измерения соответствуют модели с достаточной для практики точностью. При проектировании системы необходимо учитывать данный фактор и делать запас 1,5-2 дБ при угле места θ10 =10 градусов в Ка-диапазоне. В Кu-диапазоне это значение снижается до уровня ниже 0,5 дБ (пропорциональность примерно равна квадрату (коэффициент 1,9) отношения частот для полос частот ФСС, что подтверждено измерениями на экспериментальном спутнике Olympus в середине 1990-х гг.). При увеличении рабочего угла места потери уменьшаются примерно обратно пропорционально sin (θ10)/sin(θx). Эта составляющая присутствует всегда.
Облака (Аоблака). Влияние водяных облаков и тумана невелико из-за малого размера капель воды (диаметр около 0,01 см). Тем не менее нельзя пренебрегать этим фактором на частотах около 30 ГГц. Расчет ослабления представлен в ITU-R Р.840. В соответствии с картой 5 ITU-R Р.840 для территории РФ содержание жидкой воды в облаках 0,8кг/м3. Результаты расчета представлены на рис. 1.
Снег, лед. В связи с тем что комплексная составляющая диэлектрической проницаемости льда и снега ниже, чем у воды (тангенс-дельта ниже), этим фактором пренебрегают. Если регион развертывания сети часто подвержен крупным мокрым снегопадам, необходимо делать детальный расчет по фактическому региону. Так как в таком случае влияние на распространение сигнала может быть существенным, но все же меньше, чем ослабление в дожде.
Тропосферные сцинтилляции (Асцинт)
кратковременные вспышки, возникающие в слоях тропосферы. Они увеличиваются с возрастанием частоты и уменьшением угла места. Сцинтилляции при очень низких углах места (менее 5 градусов) приводят к ослаблению более 10 дБ в ясную солнечную погоду, поэтому ограничим минимальный предельный угол места 7-10 градусами. Расчет представлен в ITU-R Р.618. Исходные данные для территории РФ приняты в соответствии с картой 3 ITU-R Р.453, где значение рефракции радиоволн для влажных погодных условий для РФ равно 25. Для антенны с диаметром апертуры 1 м и КИП = 0,65 результаты расчета быстрых ослаблений сигнала представлены на рис. 2, которые будут наблюдаться в ясную солнечную погоду (особенно летом). При угле места в 10 градусов ослабление сигнала в Ка-диапазоне не более 2 дБ, но резко возрастает при уменьшении угла места. Аналогичная закономерность проявляется и в Кu-диапазоне, но при углах места ниже 7 градусов. Например, исследования норвежской компании Telenor показали, что при угле 3,2 градуса на частоте 11,8 ГГц сцинтилляции с вероятностью 0,01% не будут превосходить величины Асцинт = 0,27 Тс + 6 дБ, где Тс_ температура поверхности земли (градус Цельсия), усредненная для месяца.
Дождь (Адождь). Наиболее существенная составляющая ослабления радиосигнала в атмосфере - затухание в дожде. Затухание определяется интенсивностью дождя (мм в час), пространственным расположением дождевой зоны, используемым частотным диапазоном и многими другими факторами. Определяющим фактором является интенсивность дождя, которая может быть приближенно получена для любой точки Земли моделированием, предложенным, например, в ITU-R Р.837. Для формирования этой модели использовались фактические данные, в том числе интенсивность осадков за последние 40 лет, по данным Европейского метеорологического центра (ECMWF). Создана база данных ERA40, на основании которой разрабатываются климатологические карты Земли. Из этих карт можно получить следующие сведения: среднее ежегодное значение количества дождевых осадков в атмосферном слое, среднее ежегодное значение количества конвективных осадков, вероятность дождя в течение 6 часов. На основании этих данных вычисляются исходные параметры для расчета интенсивности дождей - общее среднее значение дождя, отношение конвективных осадков к общему числу осадков. Затем происходит непосредственно расчет интенсивности дождя для заданного региона и заданной вероятности события. Актуальным является вопрос о точности такого моделирования с учетом определяющего фактора интенсивности дождя при расчете ослабления сигнала. Исследовательской группой ITU было проведено сравнение результатов моделирования и фактических метеорологических данных (НАСА, Национальная метеорологическая служба Германии), включая измерения, полученные с использованием специального исследовательского спутника TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Результаты показали необходимость калибровки модели ITU, что привело к обновлению рекомендации ITU-R Р. 837 на версию 5. Несмотря на непрерывное уточнение модели, результаты носят доверительный характер.
Следует отметить, что этому вопросу в СССР уделялось большое внимание. Однако уже более 20 лет эти исследования не проводятся, и официальное использование старых данных об интенсивности дождей всегда может быть подвергнуто обоснованной критике. Соответственно ниже приводятся результаты, в основу которых заложены данные ITU. Однако, учитывая доверительный характер и новых и старых данных, можно сделать определенные обобщения, вполне приемлемые для инженерных оценок.
Основой расчета ослабления сигнала в дожде для территории РФ примем ITU-R Р.837-5, где представлены контурные карты распределения интенсивности дождей. Анализ этих данных и данных ITU-R SM.1448 показывает возможность и целесообразность выделить на территории России три зоны, различающиеся интенсивностью выпадения дождевых осадков, как показано на рис. 3 и 4.
В соответствии с ITU-R Р.839-3 для большей части территории РФ определено среднее значение высоты изотермы над средним уровнем моря как 3 км. Применительно к территории России расчет достаточно выполнить для углов места в 10, 20, 30 градусов в Кu-диапазоне и Ка-диапазоне.
Общая оценка ослабления (А дБ) в спутниковой радиолинии для заданной вероятности рассчитывается в соответствии с эмпирической формулой (ITU-R Р.618):
Здесь учтены составляющие, действующие одновременно и независимо. Значение общего ослабления сигнала (А) следует трактовать как значение, которое не будет превышено за год с вероятностью Рг, соответствующей вероятностной оценке величины затухания в дожде Адождь . Значение Аоблака задается по данным рис. 1 (при любой вероятности АДОЖдь менее 1%), а Агазы можно принять как постоянное (указано выше).
Вероятность дождя, приведенная к году (Рг, %), взаимосвязана с вероятностью дождя (Рм, %), приведенной к наихудшему месяцу. В общем случае для регионов России можно примерно принять Рм = 3,87 Рг0,873, где Рг≤3% (все значения в процентах от временного периода). Следует отметить, что в рекомендации Р.841-4 имеются уточнения по регионам России, но они не приводят к принципиальным изменениям достоверности результата.
Следует помнить, что при дожде ослабляется и сигнал, и увеличиваются шумы атмосферы на величину Ts = 260 (1-10-А/10), градус Кельвина, повышая общую шумовую температуру приемной системы.
Представленные материалы позволяют выполнить инженерную экспресс-оценку в процессе анализа различных системных решений, предусматривающих использование спутниковых каналов в Кu- и Ка-диапазонах частот ФСС. Графики оценки затухания в дожде (рис. 8) применимы для любой точки земной поверхности для заданной частоты, угла места и вероятности при использовании данных о климатических зонах SM.1448 (или иной информации о вероятности интенсивности дождя в интересующем районе). Для РФ характерны значения интенсивности в соответствии с разбиением территории на зоны, полученные из SM.1448 и представленные в табл. 2.
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2010
Посещений: 19816
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Практикум" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
