Műholdas kommunikáció terjedés, a műholdas csatorna, adó/vevőállomás
Csurgai-Horváth László, BME-HVT
2019.
Műhold alapegység: a kommunikációs rendszer
Az idetartozó témakörök: Frekvenciasávok
Hullámterjedés, külső hatások, modellek
Az antenna
Műholdas feladóállomás
Műholdas vevőállomás, tervezési megfontolások
A kezdetek…
Miről lesz szó?
• Faraday, Maxwell, Hertz, Tesla… • 1895: jelátvitel 2400 méterre, a rádió születése
Guglielmo Marconi
1874-1937
• Szikrainduktor
• Antenna és földelés
• Kohérer
• Telep
• Csengő
A jel: . . . = ‘S’
Rádiókommunikáció - a kezdetek
… …
A rádióspektrum
Frekvencia [MHz]
Idö
[p
erc
]
590 640 690 740 790
0
10
20
30
40
50
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
DVB-T spektrum, Budapest,
mozgó vétel:
Tremendously low frequency TLF < 3 Hz
> 100,000 km Natural and artificial electromagnetic noise
Extremely low frequency ELF 3–30 Hz
100,000 km – 10,000 km Communication with submarines
Super low frequency SLF 30–300 Hz
10,000 km – 1000 km Communication with submarines
Ultra low frequency ULF 300–3000 Hz
1000 km – 100 km Submarine communication, Communication within mines
Very low frequency VLF 3–30 kHz
100 km – 10 km
Navigation, time signals, submarine communication, wireless heart rate monitors,
geophysics
Low frequency LF 30–300 kHz
10 km – 1 km
Navigation, time signals, AM longwave broadcasting (Europe and parts of Asia),
RFID, amateur radio
Medium frequency MF 300–3000 kHz
1 km – 100 m AM (medium-wave) broadcasts, amateur radio, avalanche beacons
High frequency HF 3–30 MHz
100 m – 10 m
Shortwave broadcasts, citizens' band radio, amateur radio and over-the-horizon
aviation communications, RFID, Over-the-horizon radar, Automatic link
establishment (ALE) / Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) radio
communications, Marine and mobile radio telephony
Very high frequency VHF 30–300 MHz
10 m – 1 m
FM, television broadcasts and line-of-sight ground-to-aircraft and aircraft-to-
aircraft communications. Land Mobile and Maritime Mobile communications,
amateur radio, weather radio
Ultra high frequency UHF 300–3000 MHz
1 m – 100 mm
Television broadcasts, Microwave oven, Microwave devices/communications,
radio astronomy, mobile phones, wireless LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS and
two-way radios such as Land Mobile, FRS and GMRS radios, amateur radio
Super high frequency SHF 3–30 GHz
100 mm – 10 mm
Radio astronomy, microwave devices/communications, wireless LAN, most
modern radars, communications satellites, satellite television broadcasting,
DBS, amateur radio
Extremely high frequency EHF 30–300 GHz
10 mm – 1 mm
Radio astronomy, high-frequency microwave radio relay, microwave remote
sensing, amateur radio, directed-energy weapon, millimeter wave scanner
Terahertz or Tremendously
high frequency
THz
or
THF
300–3,000 GHz
1 mm – 100 μm
Terahertz imaging – a potential replacement for X-rays in some medical
applications, ultrafast molecular dynamics, condensed-matter physics, terahertz
time-domain spectroscopy, terahertz computing/communications, sub-mm remote
sensing, amateur radio
Frekvenciasávok (ITU szerint) - szolgáltatások
Föld- Föld Föld- Műhold (űreszköz) Műhold- Műhold (űreszköz-űreszköz)
A terjedés
• Interface a szabad tér és az áramkör között • Műholdas kommunikáció: gyakran parabolaantenna • Prímfókuszos/offset/Cassegrain antenna • Irányítottság, nyalábok • A felületi minőség hatása
Antennák
Alphasat adó/vevőállomás – Graz, Ausztria
Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/1
2][4
)(d
APdP RX
TXWRX
A vett jel teljesítménye izotropikusan sugárzó antennától d távolságban ARX hatásos felületen:
Az antenna nyeresége (ha nem izotropikus antenna): GTX GRX
A vevőantenna nyeresége: (parabolaantenna)
RX2RX A
4G
2
][4
)(
dGGPdP RXTXTXWRX
(Stutzman és Thiele) AARX
↑ hatásfok
Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/2
dGGPdP
dBRXdBTXdBmTXdBmRX
4log20)(
][][][][
Logaritmikus skálán: 001.0
][log10][
WPPdBm
A szakaszcsillapítás:
RXTXRX
TXsz
GG
d
P
Pa
142
][][4log20 dB
RX
dB
TXsz GGd
a
][][][][][log20log2044.32 dB
RX
dB
TX
kmMHzdB
sz GGdfa
Logaritmikus skálán:
384.400 km (átlagos távolság)
Egy példa: Föld- Hold összeköttetés
][][][][][log20log2044.32 dB
RX
dB
TX
kmMHzdB
sz GGdfa
Fading amplitúdó
Idő
Küszöbszint
Esőesemény
Fading
időtartam
Interfading
időtartam
q
Fading
meredekség
Esőesemény
Fading: a rádiócsatorna csillapításának időbeni változása
A fading, mint sztochasztikus folyamat :
Modellek: esőcsillapítás, több utas terjedés, esőcellák mozgása, dinamikus
jellemzők modellezése, csatornamodellek
Eloszlásfüggvények és mesterséges idősor generálás
A fading dinamikus jellemzői:
A fading
A Föld atmoszférája
Kármán-vonal (~100km)
Légköri gázok csillapító hatása
oxigén molekula
vízgőz
A csapadék csillapító hatása
eső
köd
hó
havas eső (sleet)
jég
Az atmoszféra csillapító hatásai
1mm
1.5mm
2mm
E
H
Vízszintes polarizáció
• A gázok energiát nyernek el
• Számottevő: 15 GHz felett
• Oxigén és vízgőz molekulái okozzák
• Oxigén elnyelési vonalai:
• 118,74 GHz
• 50 GHz és 70 GHz között sok
egymáshoz közeli
• alacsonyabb sávban folytonos
sávvá szélesednek
• A vízgőz elnyelési vonalai:
• 23,3 GHz
• 183,3 GHz
• 323,8 GHz
• valamint az infravörös sávban
• A vízgőz csillapítása a
koncentrációval arányos. Standard
koncentráció: 7,5 g/m3
A légköri gázok csillapító hatása
• Havas eső (sleet)
• Kialakulásához jellemző meteorológiai
viszonyok
• Esés közben a jég olvadni kezd, nedves
burok alakul ki, akár 30 dB csillapítást tud
okozni
• Eső
• csillapítása függ:
• frekvenciától
• esőintenzitástól [mm/h]
• esőcseppek átmérőjétől
• okai:
• abszorpció
• szóródás
• polarizáció elfordulás
• 10 GHz felett, főleg a fent említett
csillapítás maximumokon.
• az esőcsepp alakja miatt a vízszintes
polarizációjú hullámot jobban csillapítja
• Jég, hó
• víz megfagy, dielektr. áll.-ja csökken
• csillapítása elhanyagolható
• radomon felhalmozódva csillapít!
• Köd
• inkább optikán (hullámhossz, méret)
A csapadék csillapítása
Esőcsillapítás az esőintenzitás és a frekvencia függvényében
Ls – ferde úthossz,
LG – vízszintes útvetület, hR – effektív eső magasság
Ls = (hR - hs)/sinθ [km], hs – az állomás talaj feletti magassága
Fagyott csapadék
Eső magasság hR
hs
Folyékony halmazállapotú
csapadék
LG h
R - h
s
θ
θ – antenna elevációs szöge,
LG = Ls cosθ [km].
Föld-műhold és földi pont-pont összeköttetések
útvonala
Eső magasság az ITU-R-P839 alapján
Tipikus vételi jelszint időfüggvény (19/39 GHz, műhold)
0 5 10 15 20-150
-140
-130
-120
-110
Ka-b
and [
dB
m]
Ka-band
0 5 10 15 20-150
-140
-130
-120
-110
Q-b
and[d
Bm
]
Q-band
0 5 10 15 200
10
20
Time [hr]
Rain
rate
[m
m/h
]
Rainfall rate
Alphasat Scientific experiment mérés
0 50 100 150
10-4
10-2
100
Rain rate [mm/h]
Pro
ba
bili
ty
Esőintenzitás és csillapítás eloszlásfüggvények
R0.01
0 5 10 15 20 2510
-2
10-1
100
101
102
Exceedance p
robabili
ty [
%]
Attenuation [dB]
Q-band
Ka-band
ITU-R P.618 Q-band
ITU-R P.618 Ka-band
Alphasat, Budapest, 2 év méréséből Budapest, 1 év méréséből
R0.01 értékei az ITU-R-P 837 alapján
Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a
gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/1.
Bemeneti adatok: R0.01 : átlagos éves esőintenzitás az idő 0.01%-ban [mm/óra] az ITU-R P.837 alapján hr : esőmagasság [km] az ITU-R P.839 alapján hs : a vevőállomás tengerszint feletti magassága [km] θ : eleváció [fok] ϕ : földrajzi szélesség [fok] f : frekvencia [GHz] Re : a Föld sugara [8 500 km]
Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a
gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/2.
5° esetén: < 5° esetén: Ez alapján a vízszintes szakaszhossz:
kmsin
)(
sRs
hhL
km
sin)(2
sin
)(2
2/12
e
sR
sRs
R
hh
hhL
LG = Ls cos [km]
Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a
gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/3.
A fajlagos csillapítás kiszámítható az ITU-R P.838 szerinti konstansok alapján: R = k (R0.01) [dB/km] k és függenek a frekvenciától és a polarizációtól
Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a
gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/4.
A vízszintes redukáló faktor az idő 0.01%ra vonatkoztatva: A függőleges redukáló faktor az idő 0.01%ra vonatkoztatva: (A képletben szereplő χ és LR a vevőállomás helyétől és r0.01-től függenek, itt nem részletezzük) Ebből az effektív úthossz: LE = LR 0.01 [km]
GLRG
f
Lr
201.0
e138.078.01
1
45.0–e–131sin1
1ν
2
)1/(–
01.0
f
L RR
Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a
gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/5.
A csillapítás az idő 0.01%-ban, egy átlagos évben: A0.01 = R LE dB Végül, a csillapítás az idő 0.001-5%-ban: (A képletben szereplő β a vevőállomás helyétől függ, itt nem részletezzük)
dB01.0
)sin)–1(–)n(10.045–)n(1033.0655.0–(
01.0
01.0
pAp
pp
AA
Létrejöttének feltételei:
• a hőmérséklet 0 °C körüli vagy 1,6-6 °C között van
• a páratartalom 70% feletti
• havas eső keveredhet szitáló esővel
• esetleg ködös idő
A havas eső (sleet) csillapítása
Havas eső hatása mikrohullámú összeköttetésen
A köd csillapító hatása
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.5
Sü
rüsé
g[r
ela
tív]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-60
-50
-40
Vé
teli
jels
zin
t[d
Bm
]
72.56 GHz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-60
-50
-40
Vé
teli
jels
zin
t[d
Bm
]
39.0775 GHz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
10
20
Esö
inte
nzitá
s[m
m/h
]
Idö [óra]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
0.1
0.2
0.3
Sü
rüsé
g[r
ela
tív]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-1
0
1
2
Csill
ap
ítá
s]
[dB
]
72.56 GHz
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
0.2
0.4
Fo
lyé
ko
ny v
íz ta
rta
lom
[g/m
3]
Idö [óra]
Infravörös vevő
Infravörös adó
Ködrészecskék
Meghajtó
impulzus
Vett impulzus
A köd sűrűségének mérése:
Laser-disdrometer
•Több utas terjedés, reflexiók
•Mobilitás
• Az adó (műhold) mozog
• A vevő mozog (mobiltelefon, vonat, repülőgép, stb.)
• Az adó és a vevő is mozog (pl. ad-hoc vezeték nélküli hálózat)
• Doppler hatás
•Árnyékolás hatásai (épületek, növényzet)
További hatások
0 10 20 30 40 50 60 70 80
-10
0
10
20
30
40
50
Idö [perc]
Csi
llapí
tás
[dB
]
Csillapítás LMS csatornán, autópályán mérve
Kommunikációs műholdak, műsorszórás: geostacionárius/geoszinkron pályák
Fix antenna
LEO/MEO műholdak
Több műhold biztosítja a lefedettséget, nem kell követés
Meteorológia, távérzékelés
Követés kell
Bolygóközi missziók, űrszondák
Követés+kis jelszint
Pályák és következmények
172.1 172.15 172.234.634.8
3535.235.435.6
Ele
va
tio
n [
de
g.]
Azimuth [deg]
0 5 10 15 20
-116
-115
-114
RP
[d
Bm
]
Time [hr]
Geoszinkron műhold napi mozgása és jelszint ingadozás (2014.08.16.)
• Fading tartalék
• Adaptív adóteljesítmény-szabályozás
• Forráskódolás (tömörítés)/csatornakódolás (hibajavítás)
• Adaptív moduláció
• Diverziti
A fading elleni védekezés néhány módja
Hullámterjedési mérések–az ESA Alphasat kísérlete
Beacon jelek (modulálatlan vivő sugárzása):
Frekvenciák:
Ka sáv: 19.701GHz
Q-sáv: 39.402 GHz
Polarizáció:
Lineáris V (Ka) / Lineáris 45° (Q)
Adóteljesítmény:
EIRP: 21.5dBW (Ka) és 29.3dBW (Q)
Alphasat Pálya: geoszinkron Pályára állt: 2013 július Működés: 2013 októbertől
Az űrszegmens - Alphasat
Ka/Q band SCIEX antennák
Q/V band COMEX antennák
Egy vevőállomás tervezésének első lépése:
a fading tartalék méretezés
Frekvencia 39.402GHz
EIRP (ekvivalens izotropikus elsugárzott teljesítmény) 29.3dBW
Adóantenna nyeresége 19.5dB
A műhold távolsága 35756km
Szabadtéri csillapítás 215.5dB
Egyéb csillapítások (eső kivételével) 2.0dB
Vevőantenna nyeresége 39.2dB
Vevő zajtényezője 3.0dB
A vevő jósági tényezője 14.2dB/K
A vett jel szintje -121.8dBm
Fading tartalék 27.0dB
Egyéb tervezési megfontolások, a vevő felépítése
A mérőrendszer
Ka és Q sávú vevők
Antennas and
ODUs IDU
RF/Ka
RF/Q
interface RS232
interface PC
Power
Mérés-adatgyűjtő
Mért vételi jelszint idősorok (Alphasat, BME vevőállomás)
Az eső hatása 2016 július: Szcintilláció; 2015 augusztus:
0 5 10 15 20 25 30-140
-130
-120
-110
RP
WR
[dB
m]
Ka-band
0 5 10 15 20 25 30-140
-130
-120
-110
RP
WR
[dB
m]
Q-band
0 5 10 15 20 25 300
50
Time [day]
Rain
rate
[m
m/h
]
Rainfall rate
Első rendű statisztika (Alphasat, BME vevőállomás)
A csillapítás eloszlása (2016, komplemens eloszlás):
0 5 10 15 20 2510
-2
10-1
100
101
Exceedance p
robabili
ty [
%]
Attenuation [dB]
Q-band
Ka-band
ITU-R P.618 Q-band
ITU-R P.618 Ka-band
Az Alphasat műholdas kommunikációs kísérlet
A kommunikációs kísérlet vevőállomása a BME-n
275km
Adaptív moduláció a fading kivédésére
Idősorok mesterséges előállítása
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20
-15
-10
-5
0
5
10
15
Rela
tív h
ely
zet
[km
]
Relatív helyzet [km]
csomópont
wsNN
S1
wsN2
ws2N
S2
ws22
ws1N
ws11 SN
ws21
ws12
wsN1
A szélirány Markov modellje: A szélsebesség Markov modellje: É
D
Ny K
wd11
wd22
wd33
wd12
wd14
wd41
wd31
wd13
wd23 wd32 wd24
wd42
wd34
wd43 wd21
wd44
dlyxkRA
L
nnnL 0
),(
A szakaszcsillapítás:
Moduláció
Analóg (pl. FM/PM): Real-time analóg mérési adat továbbítás (video, rakéta szondák, stb.)
Digitális modulációk: PSK, FSK, QPSK, QAM, … Különféle bit hibaarányok
16QAM elméleti és valós konstelláció
0,1 Mod Demod Döntő
Zaj
MPSK SNR - BER függvényei
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15SNR (dB)
BE
R (
lg)
BPSK
QPSK
8PSK
A zaj hatása a jelátvitelre
Shannon-Hartley tétel (1948): (AWGN)
][
][
2][]/[ 1logW
W
HzsbitN
SBC
A zaj forrásai lehetnek: Termikus Ember által keltett Vevőzaj
Digitális modulációk és spektrális hatékonyság
Moduláció
Spektrális hatékonyság (bit/sec/Hz)
BPSK 0.59
BAM 1.02
QPSK 1.18
MSK 1.29
GMSK 1.45
QAM 2.04
1. példa: Cubesat
Masat-1: 1 kg LEO 437.345 MHz 100/400 mW 625/1250 bps 2-GFSK moduláció
2. példa: Plazmafizikai műhold
Intercosmos 24 (Active): 1570kg LEO 460.4 MHz 2.5 W 10/20/40/80 kbps BPSK moduláció
3. példa: Kommunikációs műhold
Astra 2F: 6000kg geostacionárius ~10-13 GHz 13 KW fedélzeti energia - digitális TV csatornák (DVB-S) - 20Mbps transzponder (Ka sáv)
4. példa: Űrszonda
Pioneer 10 (1972-2007): 258kg bolygóközi szonda 8 W 2110 MHz uplink 2292 MHz downlink konvolúciós kódoló 256 bps kezdeti adatsebesség Az élettartama végén: - távolság >100.000AU - jelszint <-180dBm - SNR<0.5dB
4. példa: Mobil kommunikációs műhold (Alphasat)
Alphasat (2014-2029): 8100kg BGAN (Broadband Global Area Network) 12-18 kW Ø12m antenna 750 csatorna 400-500 nyaláb L-sáv (1.6 GHz)
Ka-sáv Q-sáv (ESA) (ESA)
A jövő: terabit/s műholdas kommunikáció
“State of the art” technológia: több keskeny nyaláb alkalmazása frekvencia újrahasznosítás Ka sáv használata 100Gbps teljes kapacitás Hogyan növelhető meg a kapacitás? nagyobb sávszélesség Q/V sáv használata több és keskenyebb nyaláb optikai kommunikáció Várható: 2020 körül Review of Terabit/s Satellite, the Next Generation of HTS Systems
(ASMS 2014)
Kérdések: 1. Mitől függ a vehető jel nagysága szabadtéri (vákuumban történő) terjedés
esetén? 2. Milyen tényezők befolyásolják a vehető rádiójel nagyságát a szabadtéri
csillapításon túl? 3. Mi a fading és milyen fontosabb jellemzőit szokták vizsgálni? 4. Mely légköri gázoknak jelentős a csillapító hatása a mikrohullámú
frekvenciákon, és milyen jellegzetességek figyelhetők meg a frekvencia függvényében?
5. Melyik csapadéktípus okozza a legnagyobb csillapítást a milliméteres hullámhosszakon? Hogyan védekezhetünk a fading hatásai ellen?
6. Mi olvasható le az esőintenzitás eloszlásfüggvényének hosszú idejű (több éves) mérések alapján számított görbéjéből? Hogyan használható ez a rádióösszeköttetések tervezésében?