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.