В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Примерно с 2014–2015 гг. наблюдается тенденция развития проектов, предполагающих создание многоспутниковых группировок на низких орбитах в интересах предоставления услуг на рынке Интернета вещей (в общем случае это услуга обозначается M2M/IoT). Важно отметить, что особенностью космического сегмента таких систем является использование нано- и микроспутников. Известно ряд публикаций [1–5], маркетинговых исследований [7–8] и обзорных докладов [9–11] на конференциях, которые дают представление об этом сегменте спутникового рынка.
Проблемным вопросом является выделение полос радиочастот для спутниковой группировки, которая имеет целевую функцию M2M/IoT. Но очевидно, что оптимальным решением является интеграция наземных сетей LPWAN и низкоорбитальных спутниковых систем M2M/IoT. В данном случае под интеграцией понимается использование спутниковой системой тех же диапазонов частот и тех же технологий множественного доступа, обеспечивающих работу типовых оконечных устройств (датчиков), как и в сетях LPWAN. Выбор технологии LPWAN, которая наиболее приемлема для интеграции с глобальной спутниковой системой, базируется на анализе следующих общих факторов: условие массовости абонентского сегмента на международном рынке и требование открытости программных продуктов и технологии (стандартизированной по факту). Далее следует учитывать требуемые технические параметры и возможность их реализаций в ретрансляционной аппаратуре полезной нагрузки низкоорбитального спутника. Применительно к современным геополитическим условиям дополнительно следует учитывать зависимость (независимость) от ограничения зарубежных поставок компонентной базы, а главное – зависимость от программного обеспечения, то есть в общем случае требуется наличие импортобезопасной элементной базы и открытого программного продукта на международном рынке. В максимальной степени перечисленным условиям отвечает технология LPWAN LoRa.
В спутниковой низкоорбитальной системе “Аврора” [10, 11], целевая функция которой предусматривает услуги в сегменте M2M/IoT, рассматривается возможность и целесообразность наличия бортового ретрансляционного комплекса, реализуемого на основе типовой технологии LPWAN, отработанной для наземных сетей. По сути, требуется перенести базовую станцию (БС) LPWAN на низкоорбитальный спутник.
Один из вариантов предполагает совместное использование нелицензируемых частот ISM, выделенных для работы систем ближнего радиуса действия (SRD). Особо отметим, что этот вариант ориентирован на сервисы M2M/IoT исключительно для условий, не предполагающих работу в реальном масштабе времени.
При этом земные БС LPWAN не должны создавать неприемлемых помех для работы спутниковой низкоорбитальной системы “Аврора” и наоборот. В общем случае обеспечение этого взаимного условия должно базироваться на международных правилах ITU, определяющих критерии (допустимые уровни) помех при координации радиоэлектронных средств и оценке помеховой обстановки. Однако таких правил и критериев для данной задачи сегодня нет. Соответственно, представляется важным провести предварительный анализ уровней сигналов и помех с целью оценки возможности совместной работы наземных сетей LPWAN и низкоорбитальных спутниковых сетей M2M/IoT в совместных полосах частот, в частности с учетом особенностей технологии LoRa. Подобная задача определена на ВКР-15 для ее рассмотрения на ВКР-19 (п.9.1.8, http://www.itu.int/oth/R0A0A00000A/en).
Базовые станции LPWAN работают в нелицензируемых (не требуется получение специального разрешения радиочастотных служб) диапазонах частот (см. таблицу 1). В этих полосах частот могут работать радиоэлектронные средства с ограничением мощности передатчиков и параметров частотных каналов.
Например, для технологии LoRa типовыми каналами является 125 кГц с шагом 200 кГц (диапазон 868 и 780 МГц) и 200/600/1600 кГц для 915 МГц. Кроме того, в разных странах установлены разные ограничения мощности оконечных устройств от 25 мВт (14 дБм) до 100 мВт (20 дБм), но в диапазоне 915 МГц (в США) могут работать устройства до 1 Вт.
Причем в технологии LoRa применяется режим TDD, то есть прием и передача в канале на одной частоте. Кроме технологии LoRa существуют и иные технологии LPWAN, которые здесь не рассматриваются, но в последующем должен быть выполнен комплексный анализ всех технологий.
Таблица 1 показывает, что существует разнобой нелицензируемых диапазонов частот, технологий и технических параметров РЭС, принятых национальными администрациями связи. Естественно, что ретрансляционная аппаратура низкоорбитальных спутников (в частности, в системе “Аврора”), предполагающая интегрированную работу с наземными сетями LPWAN, должна обеспечивать возможность изменения частот в зависимости от территории, обслуживаемой конкретным спутником (синхронно по приему и передаче), и возможность приема информации с наиболее маломощных датчиков. А уровни помех следует оценивать с учетом особенностей технологии LPWAN. Анализу технологий LPWAN посвящено множество публикаций, в совокупности наиболее полно технологии LPWAN представлены в [12].
Варианты совместного использования нелицензируемых радиочастот SDR (системы ближнего радиуса действия) различными системами начали рассматриваться в 2017 г. в СЕПРТ (Working group FM(17)067, 13.02.2017). В п.5.6.3 (M2M via satellite and airplane below 1 GHz) заключительного документа отмечена целесообразность интеграции LWAN и спутниковых сетей. Причем рассматривается диапазон 862–863 МГц (категория использования в России ПР на линии “Космос – Земля” на вторичной основе для ПСС). Отмечена перспектива для совместного использования полосы радиочастот 915–928 МГц по всему миру на вторичной основе при ограничениях мощности излучения и цикличности передачи пакетов.
Антенны БС сетей LPWAN (в частности, антенны для БС LoRa), как правило, имеют всенаправленную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и относительно узкий основной лепесток в угломестной (вертикальной) плоскости. Антенны для БС LPWAN в диапазонах ниже 1 ГГц должны отвечать нормам на уровень боковых лепестков, как и антенны радиоэлектронных средств (РЭС) любого назначения и любой службы. Известно несколько рекомендаций ITU-R (см. таблицу 2), в которых предприняты попытки такие нормы установить с целью координации и оценки помеховой обстановки в случае отсутствия данных о реальной диаграмме направленности антенны. Во всех рекомендациях таблицы 2 отмечено, что требуется дальнейшее изучение вопроса и их уточнение. Наиболее полно отвечает исследуемому вопросу рекомендация F.1336-4 в редакции 2014 г. ( предыдущая редакция 2012 г. распространяется только на частоты выше 1 ГГц). В данном случае будем ориентироваться на соотношения, которые представлены в F.1336-4.
Огибающая по пиковым значениям боковых лепестков диаграммы направленности антенны БС LPWAN в диапазоне выше 400 МГц для угломестной плоскости (в азимутальной плоскости всенаправленная ДН)
G0 град. – максимальное усиление антенны в азимутальной плоскости (дБи);
Θ – угол места относительно угла максимального усиления (град.) ;
Θ3 – ширина луча по уровню 3 дБ в угломестной плоскости (град.);
k = 0,7 - коэффициент для диапазона 400 МГц - 3ГГц.
Из соотношений рекомендации F.1336-4 следует, что значения огибающей G(Θ) по среднему уровню боковых лепестков ниже на 3 дБ, чем указаны в (1), при углах вне основного лепестка с уровнем ниже минус 12 дБ (относительно максимального его усиления).
Предполагается, что антенна БС имеет максимум излучения, направленный вдоль горизонта, поэтому G0 = Gmax. Если максимальное значение усиления Gmax неизвестно, но известна ширина диаграммы направленности в угломестной плоскости Θ3, всенаправленной по азимуту антенны, то ее коэффициент направленного действия D обычно близок к значению Gmax
Представленные соотношения (1) позволяют оценить уровень пространственной селекции сигналов и помех, создаваемый спутником системы “Аврора” для БС LPWAN, и наоборот.
На рис. 1 в качестве примера представлена диаграмма огибающей для антенны с усилением примерно 10 дБи. Т
ип антенны БС, ее максимальное усиление и уровень боковых лепестков существенно сказываются на уровне сигналов и помех
Антенны внешней установки для БС LPWAN представлены на рынке (см. таблицу 3). Стоимость антенны вместе с элементами крепления составляет $100–120 (зависит от партии).
Антенны имеют литерное исполнение с учетом используемого диапазона частот. В таблице 3 для примера приведены краткие сведения о нескольких таких антеннах.
Все антенны представляют собой линейный излучатель и имеют всенаправленную ДН в азимутальной плоскости. В угломестной плоскости формируется относительно узкая диаграмма направленности (см. рис. 2).
На рис. 3 представлен шаблон огибающей нормированной диаграммы направленности антенны БС LPWAN и отмечены значения максимумов боковых лепестков для ряда антенн (см. таблицу 3).
В качестве исходных параметров примем типовые значения для технологии LoRa. Помехи и сигналы создают БС и оконечные датчики. Оценка уровня сигналов C/N и помех I/N, создаваемых БС LPWAN LoRa на линии “Земля – Космос” в диапазонах 868 МГц, представлена на рис. 4. При моделировании для универсальности оценок принято, что бортовая антенна имеет усиление 0 дБи в любом угловом направлении (для конкретной оценки следует учитывать реальную ДН бортовой антенны). Красный уровень соответствует антенне БС с усилением в максимуме примерно 10–11 дБ и огибающей ее ДН соответствующей F.1336-4. Но значения сигналов и помех зависят от уровня боковых лепестков конкретной антенны БС. На рис. 4 представлена оценка уровня сигналов и помех при использовании антенн двух производителей – Taoglas и “Радиал”. Следует отметить, что антенна Taoglass не соответствует рекомендации F.1336-4.
Приведенные оценки показывают, что “чужие” БС могут создавать значительные помехи. Однако следует учитывать, что трафик БС в направлении абонентов низкий (примерно 1:100 и более). При этом помеху (I/N) можно рассматривать и как полезный управляющий сигнал (C/N) (если с оператором “чужой” БС заключено межоператорское соглашение), который следует транслировать в направлении удаленного датчика (или БС). Режим с расширением спектра SF10–SF12 эту задачу может решить. Сигнально-кодовые конструкции (СКК) в технологии LoRa предполагают различные коэффициенты расширения спектра (SF) для достижения рабочего отношения C/N ниже уровня шума. В таблице 4 представлена оценка уровня C/N в зависимости от SF и процент потери пакетов. Для конкретности можно принять критерий потери пакетов менее 1%.
Антенны оконечных устройств (датчиков) максимально простые, по сути, всенаправленные. В основном они имеют усиление в области зенита - 1….-4 дБи, а в области углов 30 град. относительно горизонта усиление увеличивается до 0 дБи ..+ 2 дБи. То есть сигналы от конечных датчиков, с одной стороны, могут создавать помехи, с другой стороны, энергетики радиолинии достаточно для их ретрансляции (если это “свои” датчики) через спутник при использовании SF9-SF12, если бортовая антенна имеет усиление 0 дБи + 5 дБи в пределах угла обзора спутника.
Указанные выше значения помех и сигналов получены без учета поляризационных потерь. Если предположить, что на спутнике используется круговая поляризация, а на земле антенны линейной поляризации, то сигналы и помехи следует уменьшить на 3 дБ максимум.
Предполагается взаимность работы. Если принять на спутнике мощность передатчика 25 мВт в полосе 125 кГц, то при антенне спутника с усилением 0 дБ получим на линии “КА – Земля” уровни сигналов и помех, аналогичные линии “Земля – КА”. Но следует учитывать, что коэффициент шума входного каскада бортового ретранслятора ниже (лучше), чем для БС и оконечного устройства (датчика). Примерные значения шумовой температуры приведены в таблице 5 с учетом шумов Земли.
Таким образом, для оценки уровня сигналов и помех можно воспользоваться результатами анализа линии “Земля – КА” с учетом того, что значения на рис. 4 следует снизить примерно на 3 дБ для сигналов и помех, принимаемых БС от спутника, и на 5 дБ для сигналов, принимаемых датчиками. Как и в предыдущем случае, следует учитывать дополнительные поляризационные потери и конкретное значение усиления бортовой антенны.
Естественно, что спутник на линии “Космос – Земля” будет создавать помехи всем БС LPWAN, находящимся в его рабочей зоне. Интенсивность этих помех зависит от допустимой цикличности передач и высоты орбиты. Но следует учитывать, что действовать эти спутниковые помехи будут совместно с иными неконтролируемыми помехами от “чужих” БС и чужих “датчиков”, которые могут превосходить помехи от спутника по интенсивности и уровню мешающего воздействия многократно.
В данном случае представлена оценка уровней сигналов и помех применительно к технологии LoRa (каналы 125 кГц, мощность передатчика 25 мВт). Результаты этой оценки показывают, что при размещении ретрансляционной аппаратуры на низкоорбитальном спутнике, предусматривающей совместную работу с сетями LPWAN LoRa (в данном случае высота орбиты 800 км), энергетика радиолиний достаточна для ретрансляции сигналов с типовых оконечных датчиков при использовании SF9 – SF12. Одновременно могут быть приняты спутником сигналы БС при SF10–SF12.
Передача пакетов по узкополосному радиоканалу составляет от 0,2 до 2 с для пакетов 10–50 байт. Эти сигналы можно рассматривать в качестве полезной информации или помех в зависимости от системных решений при организации интегрированной сети для масштабирования наземной сети LPWAN.
Сигналы сторонних (не входящих в интегрированную систему) БС и датчиков следует рассматривать как помехи. Соизмеримость уровней помех и сигналов приводит к снижению емкости радиолиний, но это не означает, что работа системы блокируется. Объясняется это тем, что в технологии LoRa используется случайный множественный доступ, который подобен технологии Aloha, но более устойчивый к коллизиям (частичное наложение пакетов во времени не приводит к коллизии). Для повышения уровня сигналов для “своих” датчиков целесообразно применять в их составе антенны с круговой поляризацией.
Следует отметить, что в данной статье представлены исключительно оценки уровней сигналов и помех, которые показывают, что потенциально имеется возможность масштабирования сетей LPWAN LoRa с использованием низкоорбитальных спутниковых систем. Следует отметить, что масштабирование систем LPWAN является актуальной задачей [13, 14], от успешного решения которой зависит перспектива их развития и коммерческая состоятельность.
Для формирования вариантов масштабирования требуется дополнительное моделирование ситуаций с учетом вероятностных характеристик и принятой (нормативно допустимой) цикличности передачи информации, распределения источников информации на Земле и многогранных режимов работы модемов LoRa. Причем это моделирование должно быть выполнено для различных регионов Земли с учетом распределения нелицензируемых полос радиочастот (см. таблицу 1), принятых частотных планов распределения каналов и технических параметров (в том числе с учетом эффекта Доплера [16]), достаточных для работы симулятора LoRaSim [13, 14].
Исследование реализуемости систем LEO с целевой функцией M2M/IoT рассматривается во многих странах [1, 9], в том числе и в Китае [17, 18] с использованием нелицензируемых диапазонов частот LPWAN.
Потенциальная возможность совместного использования радиочастот наземными системами LPWAN и спутниковыми системами основана на Статье 4.4. Регламента Радиосвязи (вторичная основа и несоздание помех). Условия совместного использования сетей LPWAN и спутниковых систем начали прорабатываться в организации CEPT в 2017 г.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2018
Посещений: 3449
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
