Оценка влияния дестабилизирующих факторов на качество связи и устойчивость радиолиний спутниковой связи в миллиметровом диапазоне радиоволн
Автор: Снежко В.К., Якушенко С.А., Бурлаков С.О., Веркин С.С., Чеканова Е.В.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 4-3 (91), 2024 года.
Бесплатный доступ
В работе рассматривается влияние дестабилизирующих факторов на качество связи и устойчивость радиолиний спутниковой связи миллиметрового диапазона волн, проведена оценка потерь энергии радиоволн в радиолиниях спутниковой связи и вскрыты проблемы обеспечения связи, ограничивающие возможности по информационному обеспечению потребителей. Материалы статьи могут использоваться при планировании и эксплуатации радиолиний спутниковой связи миллиметрового диапазона волн.
Миллиметровый диапазон длин волн, устойчивость радиолинии связи, широкополосная система спутниковой связи, ретранслятор связи, земная станция
Короткий адрес: https://sciup.org/170204945
IDR: 170204945 | DOI: 10.24412/2500-1000-2024-4-3-52-57
Текст научной статьи Оценка влияния дестабилизирующих факторов на качество связи и устойчивость радиолиний спутниковой связи в миллиметровом диапазоне радиоволн
В настоящее время продолжают бурно развиваться системы спутниковой связи в миллиметровом диапазоне (ММД) волн или диапазоне крайне высоких частот (КВЧ). Этот диапазон позволяет значительно увеличить пропускную способность радиолинии связи, что особенно важно при постоянном увеличении числа потребителей информационных услуг и объемов передаваемой информации. Успешное освоение диапазона стало возможным благодаря изучению закономерностей распространения радиоволн в земной атмосфере на частотах выше 30 ГГц [1, 2, 3]. Однако, наличие некоторых проблем необходимо учитывать при эксплуатации существующих, а также создании перспективных радиолиний в ММД длин волн. Этим вопросам и посвящена данная статья.
Основные преимущества РЛСС в ММД
К диапазону КВЧ ( K -диапазону) относятся радиоволны с частотами от 30 до 300 ГГц (миллиметровых волн (ММВ) длиной от 10 до 1 мм). Сегодня радиолинии спутниковой связи (РЛСС) работают в субмиллиметровом диапазоне и нижней части K -диапазона: 30/20 ГГц; 50/40 ГГц и их комбинациях, например, 20/40 ГГц (табл. 1). Европейским регламентом IEEE для систем спутниковой связи в K- диапазоне выделены поддиапазоны Ku и Ka . В Ku -диапазоне работают практически все классические низкоэнергетические VSAT-сети, а в Ka -диапазоне широкополосные системы спутниковой связи (ШССС).
Таблица 1. Диапазоны частот, выделенные IEEE для систем спутниковой связи
Поддиапазоны |
Полоса частот, ГГц |
Полоса длин волн |
|
1. |
L -диапазон |
1,0-2,0 (1452-1550, 1610-1710 МГц) |
30-15 см (20,7-19,4, 18,6-17,5 см) |
2. |
S -диапазон |
2,0-4,0 (1930-2700 МГц) |
15-7,5 см (15,5-11,1 см) |
3. |
C -диапазон |
4,0-7,0 (3400-5250, 5725-7075 МГц) |
7,5-4,3 см (8,8-5,7, 5,2-4,2 см) |
4. |
X -диапазон |
7,0-10,7 (7250-8400 МГц) |
4,3-2,8 см (4,13-3,6 см) |
5. |
Ku- диапазон |
10,70-12,75 (12,75-14,80 Гц) |
2,8-2,4 см (2,4-2,3 см) |
6. |
Ka -диапазон |
15,4-26,5 (26,5-40 Гц) |
2-1,1 см (11,3-7,5 мм) |
7. |
K -диапазон |
84-86 Гц (не используется) |
3,6-3,5 мм |
Основными преимуществами РЛСС в ММД длин волн являются:
-
1. Возможность увеличения объема и скорости передачи информации линии спутниковой связи до 120 Мбит/с. Это позволяет организовать высокоскоростной доступ в Интернет и передачу данных в глобальных трактах автоматизированной сети обмена данными для информационного обеспечения наземных и летательных объектов [1, 2, 3].
-
2. Возможность обеспечения электромагнитной совместимости без существенных затрат на дополнительное оборудование. Практически отсутствует взаимовлияние между соседними ЗС и подавляются интерференционные помехи, что позволяет близко располагать антенны друг к другу, до нескольких сантиметров, что является несомненным преимуществом при создании многостанционных систем, работающих в мультичастотном режиме.
-
3. Высокая помехоустойчивость от любого типа помех, в т. ч. индустриальных электромагнитных помех, обусловленная высокой рабочей частотой, ограниченной прямой видимостью и пространственной селекцией помех.
-
4. Для передачи данных в ММД с широкой полосой частот вплоть до 5 ГГц эффективно используются относительно простые методы модуляции, что повышает энергетику линии и снижает нагрузку на сигнальный процессор, а следовательно, уменьшает стоимость реализуемых схемотехнических решений.
-
5. Применение узконаправленных многолучевых бортовых антенн позволяет осуществлять коммутацию и пространственное управление лучами диаграммы направленности (ДН), а также увеличивает надежность связи при плохих погодных условиях за счет разнесенного приема.
-
6. Значительное снижение массогабаритных показателей приемопередающего оборудования ретрансляторов связи (РС) космических аппаратов (КА) и земных станций (ЗС), что снижает их стоимость и повышает мобильность.
В тоже время высокая несущая частота, малые длины волн и особенности взаимодействия с атмосферой, метеорологическими и климатическими факторами определяют основные преимущества и недостатки миллиметровых волн.
Проблемы влияния дестабилизирующих факторов в ММД
Дестабилизирующими факторами (ДСФ), влияющими на качество связи в диапазоне ММВ, являются поглощение их энергии в молекулах водяного пара и кислорода, в гидрометеорах, в твердых частицах (пыли, песка и т. д), а также сезонные изменение климата и рефракция тропосферы.
Молекулярное поглощение ММВ происходит за счет резонансного взаимодействия радиоволн с молекулами воды и кислорода на частотах, близких к частотам их собственных колебаний. Затухание в кислороде и водяных парах тропосферы для РЛСС определяется выражением [4, 5, 6].
L атм [дБ] = ( γ о h o + γ н h н ) / sin β , (1)
где γ о , γ н – коэффициенты поглощения в газах (кислороде) и в водяных парах, дБ/км; h o , h н – эквивалентная толщина (высота) кислорода и водяного пара в атмосфере, км ( h o ≈ 6 км, h н ≈ 2,2 км); β – угол места антенны станции, град.
Результаты оценки полного атмосферного молекулярного поглощения при влажности воздуха 7,5 г/м3 в РЛСС в зависимости от частоты и угла места антенны при условии, что станция находится на высоте уровня моря представлены в таблице 2. Затухания в атмосфере носит постоянный характер с ярко выраженной частотной зависимостью, которое снижает энергетику радиолинии, а, следовательно, качество связи. Наблюдаются резонансные пики поглощения на частотах 120 ГГц (2,5 мм) и 60 ГГц (5 мм) для кислорода и на радиочастотах 167 ГГц (1,8 мм) и 20 ГГц (13,5 мм) для водяного пара. Так же, имеются четыре «окна радиопрозрачности» относительно слабого поглощения, а именно: в области 250 ГГц (1,2 мм) γ = 0,7 дБ/км, 150 ГГц (2 мм) γ = 0,3 дБ/км, 100 ГГц (3 мм) γ = 0,22 дБ/км и 35 ГГц (8,6 мм) γ = 0,07 дБ/км. Эти факторы требуют их учета при энергетических расчетах и выборе рабочего диапазона частот радиолиний.
Таблица 2. Затухание энергии радиоволн в атмосфере (дБ)
Угол места антенны станции |
Рабочая частота (длина волны) |
|||||||
12 ГГц (2,5 см) |
20 ГГц (15мм) |
30 ГГц (10 мм) |
40 ГГц (6,8 мм) |
50 ГГц (6 мм) |
60 ГГц (5 мм) |
70 ГГц (4,5 мм) |
90 ГГц (3,3 мм) |
|
Р = 5 град |
0,9 |
8 |
5 |
7 |
13 |
120 |
20 |
8 |
Р = 10 град |
0,4 |
4 |
2 |
3 |
7 |
100 |
10 |
5 |
Р = 20 град |
0,2 |
2 |
1 |
1,5 |
4 |
80 |
5 |
3 |
Р = 90 град |
0,01 |
0,7 |
0,5 |
0,7 |
1 |
55 |
2 |
1,5 |
Дождь, является наиболее серьезной проблемой для линий ММВ. Наиболее полной и строгой моделью оценки затухания радиоволн в дожде является модель
Крейна, которая позволяет с приемлемой для практики точности определить затухание сигнала [6]
L д [дБ] « kI “ K в r д /sin p ,
где к , а - вспомогательные эмпирические коэффициенты; I – интенсивность выпадения осадков в данной зоне, мм/ч (1…5 мм/час – слабый дождь, 5…20 мм/час – умеренный дождь, 20…40 мм/час – сильный дождь, больше 40 мм/час – ливень);
K н – коэффициент неравномерности дождя; r д –эффективная толщина дождевого слоя; Р - угол места антенны станции (град).
Интенсивность дождей, которая превышает в 0,01% случаев, равно [3]:
I д [мм/ч] = ^ 2,5 - 10 5 - Ш-2(Д + 25)-0 ,3 , (3)
где ^ - коэффициент, учитывающий особенности территорий (^=1 для северозападного региона); Д(Ш) – долгота
(широта) местоположения станции спутниковой связи, град.
Путь радиосигнала в дождевом слое определяется по формуле lд [км] = (hд- h зс )/sin р,
где h зс – высота ЗС над уровнем моря в км; h д [км = 5 ° - 0,075( ф зс - 23 ° ) для ф зс > 23 ° ; h д = 5 км для 0 °< ф зс > 23 ° - эффективная высота дождевой зоны для Северного полушария при условии Р > 5; р - угол места антенны станции (град); ф зс - широта на которой размещается ЗС.
Значения полного затухания излучения в дожде на всем пути распространения радиоволн, в зависимости от частоты и угла места антенны при нахождении ЗС на высоте уровня моря представлено таблице 3.
Таблица 3. Затухание (потери) энергии радиоволны в осадках (дБ)
Угол места антенны станции спутниковой связи, интенсивность дождя |
Рабочая частота (длина волны) |
|||||
12 ГГц (2,5 см) |
20 ГГц (15мм) |
30 ГГц (10 мм) |
40 ГГц (6,8 мм) |
50 ГГц (6 мм) |
||
β = 90 град |
слабый дождь, I = 5 мм/ч |
0,3 |
1 |
2 |
4 |
5 |
умеренный дождь, I = 12,5 мм/ч |
1 |
2 |
4 |
7 |
9 |
|
сильный дождь, I = 25 мм/ч |
1,5 |
3,5 |
7 |
10 |
13 |
|
ливень, I = 50 мм/ч |
3 |
6 |
10 |
14 |
18 |
|
β = 20 град |
слабый дождь, I = 5 мм/ч |
1 |
3 |
6 |
10 |
14 |
умеренный дождь I = 12,5 мм/ч |
2 |
7 |
12 |
19 |
25 |
|
сильный дождь I = 25 мм/ч |
4 |
10 |
19 |
28 |
36 |
|
ливень I = 50 мм/ч |
7 |
16 |
28 |
40 |
50 |
|
β = 5 град |
слабый дождь, I = 5 мм/ч |
3 |
10 |
22 |
36 |
50 |
умеренный дождь I = 12,5 мм/ч |
8 |
22 |
44 |
69 |
92 |
|
сильный дождь I = 25 мм/ч |
14 |
36 |
69 |
100 |
>100 |
|
ливень I = 50 мм/ч |
23 |
52 |
93 |
>100 |
>100 |
Анализ результатов расчета показывает, что ослабление в гидрометеорах имеет общую тенденцию увеличиваться с ростом частоты, интенсивности осадков и угла места антенны ЗС. Конкретно, здесь можно отметить следующее:
-
1. Потери энергии радиоволн в дожде сильно возрастают с увеличением рабочей частоты линии. Нижняя часть частот K -диапазона менее уязвима по сравнению с верхней. При увеличении рабочих частот с 20 ГГц до 40 ГГц и β = 5 град потери в слабом дожде увеличиваются с 10 дБ до 36 дБ. Эти особенности диапазона ММВ необходимо учитывать при выборе номиналов рабочих частот с дефицитом энергетики радиолинии.
-
2. Затухание энергии сигнала в радиолинии сильно зависит от угла места антенны ЗС. Так, на частоте 20 ГГц при слабом дожде затухание составляет 1 дБ ( β = 90 град), против 10 дБ ( β = 5 град), а в ММД на частоте 44 МГц – 2 дБ ( β = 90 град), против 22 дБ ( β = 5 град). Возрастание потерь связано с увеличением протяжённости пути прохождения радиоволной при уменьшении угла места. Следовательно, низкоэнергетические станции ШССС могут работать в ММД только при больших углах места антенны.
-
3. Затухание энергии радиоволн сильно зависит от интенсивности дождя. Так, при увеличении интенсивности дождя в 10 раз (с 5 мм/ч до 50 мм/ч) затухание радиосигнала на частоте 44 ГГц увеличивается с 4 дБ до 14 дБ ( β = 5 град и 5 мм/ч), с 10 дБ
до 40 дБ ( β = 20 град и 50 мм/ч) и с 36 дБ до 120 дБ ( β = 5 град и 50 мм/ч). Для сравнения в субмиллиметровом диапазоне (12 ГГц) эти цифры составляют – с 0,3 дБ до 3 дБ, с 1 дБ до 7 дБ и с 3 дБ до 23 дБ соответственно.
Таким образом, слабый дождь в ММД приводит к значительному снижению качества связи, а сильный – к полной потере связи, особенно при малых углах места антенны ЗС. Однако необходимо заметить, что согласно статистическим данным сильные дожди и особенно ливни на территории РФ бывают редко и продолжительность их небольшая. Поэтому при требуемой надежности связи 99% суммарный перерыв связи по причине дождей может длиться не более 7 часов, при 99,9% – 43,2 минуты, а при 99,99% – не более 4,3 минут простоя связи в месяц. Данный фактор влияет на устойчивость радиолинии (надежность связи) поэтому его необходимо учитывать при проектировании станций ШССС и организации спутниковой связи. Это необходимо учитывать при проектировании станций ШССС и организации спутниковой связи [3].
Потери за счет рефракции радиоволн в стандартной атмосфере (ионосфере δ ион , тропосфере δ тр ) и неточного наведением антенны на КА δ ка , можно определить по эмпирическим формулам [2, 5]:
Δδ [град] = δ ион + δ тр + δ ка = 57,3(cos β /( f2 sin β ) + ( n – 1) sin2 β ) + δ ка , (5)
где β – угол места; n – коэффициент преломления радиоволны в тропосфере.
Результаты расчетов приведены в таблице 4. Анализ показывает, что искривление траектории волны за счет рефракции в ММД для малых углов (5-10 град)
составляет от 1,14 ° для 30 ГГц до 0,48 ° для 100 ГГц. При автоматическом наведении антенн по максимуму приходящего сигнала влияние рефракции практически исключается.
Таблица 4. Потери энергии радиоволны от неточного наведения антенн (дБ)
Неточность наведения антенны Д5 , град |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
Ширина ДН антенны 0 о,5 = 0,5 град |
1 |
1,3 |
2 |
3 |
Ширина ДН антенны 0 о,5 = 1 град |
1,2 |
2,4 |
5 |
8,5 |
Потери из-за неточности наведения антенн ЗС на КА Д5 - определяется угловым отклонением оси главного лепестка ДН от истинного направления на КА. Обычно для оценки потерь наведения пользуется выражение [7]
L н « 1 + (2 Д5 / О о,5 )2. (6)
При других методах наведения с учетом погрешностей конструкции устройства наведения потери сигнала будут значительными. Однако, при использовании современных автоматических систем управления и наведения антенны по двум осям (азимутальной и угломестной) потерями за счет рефракции радиоволн в атмосфере и неточного наведения антенны на КА также можно пренебречь.
Поглощение радиоволны ММД в условиях взвешенных частиц «аэрозолей» практически не влияет на энергетику РЛСС и может не учитываться, т.е. миллиметровые системы передачи продолжают полноценно работать в условиях густого тумана, дымки и мглы при отсутствии дождей, пока размер взвешенных в атмосфере частиц воды, пыли и т.п. не станет соразмерным с длиной волны (примерно 3 мм). Аналогичны потери энергии за счет резонансного молекулярного поглощения радиоволн в газах и гидрометеорах атмосферы.
Необходимо особо отметить, что потери энергии радиосигнала в атмосфере зависят от сезона года, погодных условий и высоты размещения земной станции над уровнем моря. Они возрастают в зимнее время года, с повышением влажности воздуха (до 20 /м3) и уменьшаются с увеличением высоты станции над уровнем моря. Сезонный фактор на потери энергии радиосигнала влияет за счет рассеяния радиоволн в тропосфере. Так на трассах, расположенных в северном полушарии, уровень сигнала в летние месяцы выше, чем в зимние. В средних широтах сезонные изменения уровня сигнала достигают значений порядка 10 дБ [7].
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод о значительном влиянии дестабилизирующих факторов на качество связи и устойчивость РЛСС ММД. Однако этот диапазон обладает большим частотным ресурсом для повышения пропускной способности радиолиний и системы в целом. Поэтому целесообразно дальнейшее развитие РЛСС ММД. Материалы статьи могут использоваться при организации и эксплуатации РЛСС в ММД волн.
Список литературы Оценка влияния дестабилизирующих факторов на качество связи и устойчивость радиолиний спутниковой связи в миллиметровом диапазоне радиоволн
- Спутниковая связь и вещание / Под ред. Л.Я. Кантора. 2-е изд. - М.: Радиоисвязь, 1988.
- Якушенко С.А., Сазонов М.А., Бибарсов М.Р. Радиорелейные и спутниковые системы передачи специального назначения. - СПб.: ВАС, 2016. - 486 с.
- Тихомиров А.В. и Омельянчук Е.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн // Инженерный вестник Дона. - 2013. - Вып. 2. - С. 89-95.
- Recommendations. ITU-R Р.676-11. Attenuation by atmospheric gases. - Geneva, 2016. - 23 р.
- Recommendations ITU-R Р.840-7. Attenuation due to clouds and fog. - Geneva, 2017. - 4 p.
- Recommendations ITU-R Р.838-3. A model of linear attenuation in rain used in forecasting methods. - Geneva, 2005. - 9 р.
- Потапов А.А. Радиофизические эффекты при взаимодействии электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн с окружающей средой // Зарубежная радиоэлектроника. - 1992. - № 8. - С. 36-77.