В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

К вопросу об оптимизации радиотехнических параметров земных станций интерактивных VSAT-сетей

Александр Афонин
Ведущий специалист ОАО "Интеллект Телеком"

Особенность интерактивных сетей – строгая централизация, основанная на топологии "звезда".
Интересно выявить оптимальные параметры радиолиний таких сетей с учетом технических характеристик современных российских спутников типа "Экспресс-AM" и "Ямал-200" и зарубежных спутников связи, в частности нового спутника IntelsatIS-15 (85,15E). Полученные результаты, с одной стороны, позволят определить параметры радиолиний интерактивной VSAT-сети с целью минимизации единовременных затрат при ее создании, а с другой – найти вариации оптимальных параметров радиолиний при работе с современными российскими и зарубежными спутниками. Основной технологией многостанционного доступа в интерактивных VSAT-сетях является режим TDM/TDMA. В прямом TDM-канале используются сигнально-кодовые конструкции, предусмотренные стандартами DVB-S/S2, а в обратных каналах – сигнально-кодовые конструкции на основе турбокодирования, как правило, в сочетании с фазовой манипуляцией (QPSK или 8PSK). Кроме того, на основе сведений, представленных операторами спутников в своих регламентах, примем усредненные типовые значения для спутников "Экспресс-АМ", "Ямал-200" и IntelsatIS-15 (табл. 1). При работе земных станций спутниковой связи (ЗССС) VSAT-сети существуют определенные ограничения (условия), следующие из дисциплины доступа к спутниковому сегменту.

Таблица 1. Усредненные значения параметров спутников Ku-диапазона

Условия дисциплины доступа к космическому сегменту

Будем рассматривать выполнение как минимум двух условий.

1. Уровень плотности потока мощности (ППМ), который создает земная станция в плоскости апертуры бортовой антенны, не должен превышать значения SFD (SaturatedFluxDensity – ППМ, выводящая ствол ретранслятора в режим насыщения), установленного для данного ствола ретранслятора. Для линейного режима работы ствола это соответствует условию:

(Р₃G₃) / (πH²) ≤ SFDη_i,    (1)

где Н – наклонная дальность радиолинии, то есть расстояние от земной станции до спутника (для дальнейших расчетов примем Н = 38 000 км); P₃G₃ – значение рабочего уровня эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) земной станции, здесь Р₃ – мощность передатчика, G₃ – усиление антенны; SFD – ППМ насыщения ретранслятора с учетом значения добротности (G/T)_δ бортового ретранслятора в направлении земной станции; η_i– коэффициент (см. п. 7 табл. 1, где гц выражено в дБ), который определяет уровень необходимого снижения SFD (то есть снижения усиления ствола по входу) для минимизации уровня продуктов нелинейных преобразований в стволе ретранслятора до значения, объявленного оператором спутника (см. п. 8 табл. 1). Следует отметить, что операторы некоторых спутников указывают возможные вариации значения SFD за сутки. Эти вариации могут быть значительными и достигать 2-2,5 дБ. В дальнейшем данный фактор не учитывается, то есть предполагается, что номинальное усиление ствола поддерживается оперативно.

2. Значение ЭИИМ земной станции в условиях ясной погоды должно отвечать заданной стабильности:

Δ(P₃G₃) ≤ A, дБ,    (2)

где A(P₃G₃) – изменение ЭИИМ земной станции за 24 часа относительно его номинального значения;
А = 1 дБ – для VSAT-станций [ 1 ];
А = 2 дБ – для ЗССС[2].
Значение А в общем случае всегда задается оператором спутника.  

Таблица 2. Угловые рассогласования антенны ЗССС при работе с геостационарным спутником

Общая постановка задачи

В общей постановке задачи требуется найти оптимальное сочетание (значения) параметров составной радиолинии "земля – СР – земля". Кроме того, необходимо назвать оптимальные размеры антенны и мощность передатчика центральной станции и абонентских станций, с целью минимизации единовременных затрат при создании интерактивной VSAT-сети с учетом выполнения условий (1) и (2), и определить допустимые сигнально-кодовые конструкции, обеспечивающие минимизацию текущих затрат. Предварительно необходимо, например, оценить целесообразность применения системы автосопровождения для антенны ЦС и соответственно максимально допустимые значения размеров антенн ЦС и антенн VSAT-станций. В рамках решения этой общей задачи в качестве целевой функции примем отношение сигнал/шум (C/N)₀ в составной радиолинии "земля – СР – земля", которая определяет конечное множество доступных для применения сигнально-кодовых конструкций. Как известно, значение (C/N)₀ зависит от достигнутых значений сигнал/шум на участках радиолиний "вверх" (C/N)_uи "вниз" (C/N)_d с учетом совокупности внутренних и внешних шумов и помех ∑(C/I):

(C/N)₀ = {(C/N)_u^-1 + (C/N)_d^-1 + ∑(C/I)^-1}^-1.    (3)

Будем считать пренебрежимо малыми составляющие (С/1)^-1, обусловленные помехами от внешних систем и кроссполяризации, по сравнению с продуктами нелинейности ствола (см. п. 8 табл. 1), то есть примем

 ∑(C/I) = NPR.    (4)

Из выражения (3) следует очевидное ограничение: (C/N)₀ не может оказаться больше минимального из значений (C/N)_u или (C/N)_d. Отсюда также следует, что никакие изменения в установке параметров линейного ствола ретранслятора не позволят (C/N)₀ превысить значения NPR, то есть всегда (C/N)₀< NPR. Таким образом, значение NPR потенциально определяет (с учетом энергетических запасов в радиолинии) допустимую сложность сигнально-кодовой конструкции, используемую в VSAT-сети.

Прямой энергетический расчет наглядно подтверждает эти положения. Для примера приведем результаты энергетического расчета радиолинии VSAT – СР – ЦС для трех спутников (рис. 1), представленных в табл. 1, где в качестве переменного параметра принят размер апертуры антенны центральной станции в режиме приема. Очевидно, что с учетом выполнения условия (1) никакие изменения в параметрах VSAT-станций не окажут положительного влияния на полученные зависимости (C/N)₀. Из рис. 1 следует, что нецелесообразно увеличивать диаметр антенны ЦС по приему более некоторого значения D₀ (даже при наличии системы автосопровождения) , так как дальнейшее приращение ее усиления не приведет к заметному увеличению (C/N)₀. Для оценки значения D₀ важно, во-первых, проанализировать потери наведения антенны, обусловленные нестабильностью спутника (δ, табл. 1), и определить значение диаметра антенны D_m, при котором обеспечивается максимальное усиление антенны при заданной нестабильности спутника. Кроме того, еще следует проверить выполнение условий (1) и (2), которые могут привести к иным значениям размера антенны. В результате среди конечного множества полученных размеров антенны {D_m} необходимо определить оптимальное значение D₀. Критерием конечной оптимизации (выбора D₀) могут служить различные условия, например:
-    минимизация единовременных затрат, то есть стоимости радиотехнической части ЦС и абонентских станций;
-    минимизация текущих платежей за частотный ресурс спутника при заданной готовности канала связи.
В данном случае определяются значения размеров антенн, которые накладывают ограничение на выбор D0 по верхней границе.

Потери за счет неточности наведения антенны

Эти потери связаны с рассогласованием Θ_р между оптическим направлением на заданную орбитальную точку и радиотехническим направлением антенны на спутник. Рассогласование может быть вызвано совокупностью факторов, среди которых для ЦС наиболее значительным является нестабильность положения спутника (в п. 1 табл. 1 приведено максимальное значение нестабильности δ спутника). В результате может оказаться, что при увеличении размера антенны энергетика радиолинии (C/N)₀ не увеличивается пропорционально росту ее усиления (см. рис. 1). Более того, существует риск получить заметное снижение (C/N)₀ при дальнейшем увеличении антенны. Таким образом, увеличивать диаметр антенны ЦС целесообразно до определенного предела D_m, так как даже при наличии системы наведения достичь заметного повышения (C/N)₀ при D>D_m не удастся (см. рис. 1). Для оценки этого эффекта заπшем зависимость усиления антенны в направлении спутника (для упрощения принята осесимметричная диаграмма направленности антенны):

G=G₀F²(Θ),    (5)

где G₀ = ν (πz)² – усиление антенны в максимуме; z = D/λ; ν – КИП антенны, D – размер раскрыва, λ – длина волны; F²(Θ) – диаграмма направленности антенны по мощности; Θ – текущий угол отклонения от оси основного лепестка диаграммы направленности.

В пределах вершины главного лепестка будем использовать параболическую аппроксимацию диаграммы направленности:

F²(Θ) = 1 – O,5(Θ/ Θ_0,5)²,    (6)

где Θ_0,5 = μ/z – ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровη -3 дБ, а параметр μ зависит от распределения поля в апертуре антенны и обычно (уровень облучения края зеркала -10 дБ) равен примерно 70, если углы определяются в градусах. Из уравнений (5) и (6) следует, что при заданной величине рассогласования Θ = Θ_p (то есть нестабильности спутника δ) с относительным ростом раскрыва антенны z = D/λ, то есть с уменьшением ширины диаграммы направленности антенны, первый сомножитель (5) возрастает (увеличивается усиление антенны), а второй уменьшается (см. (6). Следовательно, функция G достигает максимального значения G_m при некотором значении z_m, которое определяется из уравнения dG/dz = 0. Решение этого уравнения:

z_m =μ / 2Θ_p.    (7)

Величина z_m определяет значение D_m1 / λ, при котором усиление антенны является максимальным, а (C/N)0 достигает своего возможного максимума при выключенной системе наведения.

Таким образом, исходя из условия минимизации потерь наведения, в земных станциях целесообразно применять антенны с диаметром не более:

D_m1 = 35λ / Θ_p.    (8)

Усиление антенны в направлении спутника зависит от угла рассогласования Θ_p между заданным (заявленным) направлением спутника и текущим его положением на орбите. Угол рассогласования Θ_p есть функция времени t и максимального отклонения спутника от номинального его орбитального положения на ГСО δ, а кроме того зависит от некоторого фиксированного углового рассогласования Δ_ф, вызванного неточностью исходной юстировки (наведения*) антенны земной станции, деформацией ее конструкции и опоры и т.п. Функция Θ_p (δ,t) имеет сложный характер и зависит от географического положения земной станции относительно положения спутника [3]. Попытка упростить громоздкие соотношения [3] приводит к заметной погрешности. В качестве примера в табл. 2 представлены значения рассогласований по углу места α(δ) и азимуту β(δ) антенны земной станции для орбитальных позиций спутников (см. табл. 1) и ряда географических пунктов на территории РФ. Максимальное значение рассогласования Θp достигается дважды в пределах суток, определяется выражением:

Θ_p = (α² + β²)^1/2 + Δ_ф.    (9а)

С учетом данных табл. 1 эмπрическое соотношение, определяющее максимальное рассогласование Θ_p в пространстве углов δ максимального отклонения спутника относительно заявленной орбитальной позиции на ГСО, будет иметь вид:

Θ_p = 1,5δ + Δ_ф.    (9б)

Выражение (96) может быть принято для расчета рассогласования антенн ЦС, для которых проводится исходная юстировка положения оси ее ДН в направлении на заданную точку геостационарной орбиты. Юстировка исключает вероятность достижения удвоенной неточности наведения и сводит к минимуму все другие факторы. Однако точность юстировки конечна и определяется многими факторами, в частотности точностью датчиков угла, которая для коммерческих антенн не лучше 1-2 угловых минут. Соответственно можно принять Δ_ф = 0,03° в процессе юстировки. Следует отметить, что по прошествии времени (например, сезона) это значение может заметно увеличиться и потребуется провести новую юстировку. Для абонентских VSAT-станций такая исходная (и тем более последующая) юстировка нереальна. Соответственно для VSAT-станций следует принять значение:

Θ_p= 38δ + Δ_ф.    (9в)

Здесь величинуΔ_фможно принять из различных соображений (например, в правилах [4] предусмотрено, что величина Δ может доходить до 0,5°), но целесообразно принять эту величину не более 0,1°, исходя из чувствительности индикации наведения по максимуму диаграммы направленности примерно 0,5-0,7 дБ. Все рассуждения, приведенные выше, инвариантны для земной станции в режиме приема и передачи, но естественно максимальные размеры антенны с учетом заданной нестабильности спутника разные (табл. 3). Данные табл. 3 показывают, что антенны ЦС, размер которых определен исходя из максимизации усиления, при стабильности спутника 0,05° могут работать без системы автосопровождения. При увеличении нестабильности спутника до 0,1° можно ввести систему автосопровождения, но максимальный выигрыш в энергетике составит примерно менее 1 дБ (см. рисунок). Антенны современных VSAT-станций не имеют системы автоматического поддержания наведения на спутник. Как следует из данных табл. 3, при стабильности спутника в пределах +/-0,1° нецелесообразно применять антенны более 2,4 м.

Таблица 3. Максимальные (оптимальные) размеры (D_m1) антенн земных станций VSAT-сети Ku-диапазона без применения систем автосопровождения

Нестабильность ЭИИМ земной станции

Нестабильность ЭИИМ за счет неточности наведения антенны вытекает из условия (2). При отсутствии системы автосопровождения достаточно определить границы изменения ЭИИМ земной станции за счет рассогласования ориентации ее антенны 0Р в направлении на спутник, который имеет суточный уход в пределах, указанных в табл. 1.

В предположении идеальной суточной стабильности мощности передатчика земной станции нестабильность ЭИИМ определяется рассогласованием ориентации ее антенны 0Р в направлении на спутник, то есть диаграммой направленности антенны. Так что условие (2) можно заπсать в виде:

F²(0) / F²(Θ_p) ≤ B, где B = 10^0.1А.    (10)

Из выражения (10) следует, что максимальный размер раскрыва антенны:

D_t ≤ (35λ / Θ_p)(2(B–1)/B)^0,5.    (11)

Применительно к VSAT-станциям (А = 1 дБ) из (11) получим:

D_t ≤ 22,5λ / Θ_p.    (12)

Применительно к земным станциям (А = 2 дБ) из (11) получим:

D_t ≤ 30,1λ / Θ_p,    (13)

где λ – длина волны на частоте передачи "Земля – СР". Результаты оценки максимальных размеров D_m2 антенн земных станций без применения систем автосопровождения, но с учетом ограничения величины суточной нестабильности ЭИИМ, приведены в табл. 4. Как видно из сопоставления данных табл. 3 и табл. 4, значения D_m1> D_m2, то есть при выборе размера антенны следует ориентироваться на ограничения в соответствии с данными табл. 4. В ряде случаев при наличии запаса мощности передатчика имеет смысл увеличить размер антенны до значений, указанных в табл. 3 для режима передачи. Принимая во внимание ограничение (1) для заданного значения SFD ствола несложно определить максимальную рабочую (без запаса на погоду) мощность передатчика для размеров антенн D_mi...D_m2, указанных в табл. 3 и 4 для режима передачи. Стоит отметить, что антенны работают в приемопередающем режиме, но размер антенны, определенный в режиме передачи, менее размера антенны, определенного в режиме приема. Однако, как следует из рисунка, это отличие практически не сказывается на конечном значении достигнутого в радиолинии отношения сигнал/шум (C/N)₀, что позволяет в дальнейшем провести оптимизацию цены (передатчик + антенна) по критерию ее минимума без ущерба для энергетики радиолинии. При этом оптимальный размер антенны D_o должен быть ограничен значениями D_m1...D_m2.

Таблица 4. Максимальные размеры (D_m2) антенн земных станций VSAT-сети Ku-диапазона с учетом ограничения величины суточной нестабильности ЭИИМ

При проектировании сетей VSAT целесообразно проводить оценку оптимального размера антенн центральной станции и VSAT-станций в зависимости от величины нестабильности спутника и допустимой нестабильности ЭИИМ земных станций при заданных параметрах ретрансляционной аппаратуры. Типовые значения такой оценки представлены в табл. 3 и 4 для Кa-диапазона (при переходе к Кa-диапазону размеры рекомендуемых антенн должны быть уменьшены пропорционально отношению частот Кa/Кu). При этом следует учитывать, что максимальная нестабильность спутника в пределах срока его активного существования наблюдается кратковременно, практически перед проведением коррекции положения спутника по наклонению. Решение о коррекции и сама коррекция производится заведомо до достижения спутником максимально назначенного значения δ, поэтому оптимальный размер антенн находится в пределах интервала D_m1...D_m2.

Причем увеличение антенн земных станций более значений D_m1(табл. 3) не приведет к росту энергетики радиолинии даже при наличии системы наведения. Кроме того, выбор сигнально-кодовой конструкции ограничивается достигнутым отношением (C/N)₀ в радиолинии, которое ограничено сверху значением NPR, то есть параметрами ствола ретранслятора.

Результаты данного анализа могут служить основой для минимизации стоимости центральной станции и абонентского сегмента VSAT-сети.

Литература

1.         Европейский стандарт ETSI EN 301428 (п. 4.2.5.2 b)

2.         Регламент ГПКС от 13.02.2007.

3.         Чернявский Г.Н., Бертенев В.А. Орбиты спутников связи.  – М., Связь, 1978. С. 149, 199.

4.         Правила применения земных станций спутниковой связи и вещания единой сети электросвязи Российской Федерации. Министерство информационных технологий и связи РФ. Приказ № 99 от 22 августа 2007 г.

Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2009
Посещений: 14206

Статьи по теме

• На волнах высокоскоростных спутниковых интернет-технологий
• MBB via FBB: скорее единство, чем борьба
• Новый диапазон на горизонте

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций