Способы снижения влияния высокого затухания в осадках

ФГУП «Космическая связь», ЦКС «Железногорск» Россия, 662971, Красноярский край, Железногорск, ул. Красноярская, 4а

Бурное развитие спутниковой связи в мире привело к дефициту частотно-орбитального ресурса на геостационарной орбите. В поисках решения этого вопроса мировое сообщество связистов уходит во все более высокочастотный диапазон. Использование Ka-диапазона частот позволяет на время решить проблему дефицита частотно-орбитального ресурса, повысить пропускную способность каналов связи, снизить стоимость абонентских станций, однако требует от инженеров решения новых задач. Существенной преградой на пути использования Ka-диапазона частот является значительное затухание в осадках. В статье рассмотрены методы снижения влияния большого затухания в дожде на готовность радиолинии.

26 декабря 2013 года успешно осуществлен запуск современного космического аппарата (КА) спутниковой связи «Экспресс-АМ5». Пуск характерен не только тем, что это первый спутник в линейке космических аппаратов на тяжелой космической платформе «Экспресс-2000», но и тем, что на нем впервые для России использован Ka-диапазон частот (30/20 ГГц). Данный КА предназначен для работы на геостационарной орбите в орбитальной позиции 140 градусов восточной долготы (в.д.). ФГУП «Космическая связь» в текущем году планирует к запуску еще два космических аппарата с Ka-диапазоном частот: «Экспресс-АМ4R» в орбитальную позицию 80 градусов в.д., «Экспресс-АМ6» в орбитальную позицию 53 градуса в.д.

Более широкая полоса частот в Ka-диапазоне, чем в C и Ku, позволяет формировать каналы с более высокой скоростью передачи информации, более высокая энергетика позволяет использовать более дешевые и малогабаритные абонентские терминалы, однако не все так безоблачно в развитии Ka-диапазона частот. Посмотрим, какие преимущества дает нам использование нового диапазона и какие трудности нас ожидают. Зоны обслуживания КА «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» представляют собой лучи 0,7х0,7 градуса, расположенные вдоль пояса наибольшей плотности населения Российской Федерации по южной границе. Зона обслуживания КА «Экспресс-АМ4R» – два перенацеливаемых луча с раскрывом 1,5х1,5 градуса. Эффективная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) в лучах составляет около 60 дБВт для зон КА «Экспресс-АМ5», «Экспресс-АМ6» и 54,5 дБВт для зоны «Экспресс-АМ4R». Хорошая энергетика в зоне обслуживания позволяет использовать абонентские терминалы с маленькими антеннами и низкими мощностями передатчиков. В данном случае параметры терминала составляют 0,98 м при мощности передатчика 2 Вт, что существенно удешевляет стоимость терминала и услуги.

Однако существенным препятствием в развитии Ka-диапазона частот является резкое возрастание затухания в осадках. Расчеты показывают, что на частоте 30 ГГц при интенсивности осадков 22 мм/ч затухание в осадках составляет более 20 дБ.

В современной литературе представлено несколько способов уменьшения влияния столь значительного изменения сигнала в радиолинии [1]:

– метод регулирования мощности;

– метод разнесенного размещения земных станций;

– метод адаптивной передачи.

Метод регулирования мощности подразумевает наличие запаса в усилителе мощности, равного величине затухания в осадках для заданного процента времени доступности радиолинии. Однако чем выше диапазон частот, тем дороже использовать данный метод.

Результаты расчета затухания в дожде для интенсивности 22 мм/ч на частоте 30 ГГц показывают, что для 99,99 % готовности радиолинии необходимо иметь запас в 21,15 дБ [2].

Второй метод – метод разнесенного размещения земных станций – предполагает, что «плотные очаги дождя, обуславливающие большие значения затухания на линии Земля – космос, часто имеют горизонтальные размеры, не превышающие нескольких километров» [2]. Следовательно, если разместить две земные станции, используемые для организации одного – 750 – канала связи в некотором отдалении друг от друга, то возможно снизить требования к времени готовности одного отдельного участка связи Земля– космос, сохранив общее время готовности канала связи на высоком уровне.

Для количественной оценки выигрыша при использовании метода разнесенных площадок используют две величины: коэффициент усиления за счет пространственного разнесения и коэффициент улучшения от разнесения. Если говорить о коэффициенте усиления за счет разнесения, то это разница в децибелах между средним затуханием при одиночном расположении станции для заданного времени превышения и затуханием, полученным при расчете разнесенного размещения для того же самого времени превышения. Так, если для времени превышения 0,01 % затухание для одиночной площадки составит 21 дБ, а для разнесенного приема 10 дБ при том же времени превышения 0,01 %, то коэффициент усиления за счет разнесенного приема составит 11 дБ, а следовательно, запас в радиолинии надо будет брать на 11 дБ меньше. К примеру, если для работы в условиях ясного неба требуется выходная мощность 10 Вт, то при одиночном расположении станции потребуется передатчик 1 кВт, а при разнесенном приеме – 100 Вт.

Коэффициент улучшения за счет разнесения характеризует эквивалентное снижение требований к коэффициенту готовности одиночной радиолинии при сохранении общего коэффициента готовности на требуемом уровне. Если используется схема с пространственным разнесением, то для каждого отдельного участка Земля – космос можно снизить требование к времени готовности на порядок при разнесении между площадками 30 км. Таким образом, закладывая запас на одну земную станцию в 8 дБ, мы можем обеспечить коэффициент готовности радиолинии 99,9 % (что соответствует 525,6 мин простоя в год) для одной линии и суммарная готовность канала составит 99,99 % (что соответствует 52,56 мин простоя в год). В [1] представлены зависимости процента времени превышения с разнесением и без разнесения.

Третьим способом парирования значительного увеличения затухания в радиолинии является «адаптация» параметров сигнала для сохранения требуемого отношения сигнал/шум в радиолинии. К таким методам относится [1] использование дополнительных ресурсов, в нормальном состоянии находящихся в резерве, для снижения влияния большого затухания. Такими дополнительными ресурсами могут быть:

• –    увеличение времени передачи (например, использование незанятых слотов при TDMA многостанционном доступе) с использованием или без использования кодов корректирующих ошибки;

• –    переход на более низкий диапазон частот, менее подверженный влиянию;

• –    использование увеличения ЭИИМ на линии вверх.

Кроме того, используются переходы на более низкие порядки модуляции.

В заключение отметим, что повышение требований к готовности канала связи влечет за собой использование более дорогостоящих решений. Гибкое использование комбинации методов совместно со снижением требований к коэффициенту готовности канала (где это допустимо) позволит снизить затраты на создание каналов связи.