Budget für Satellitenverbindungen mit ITU-R-Ausbreitungsmodellen: Regen, Gasabsorption und Monte-Carlo-Verfügbarkeit

Warum Satellitenverbindungen anders sind

Bei einer terrestrischen Mikrowellenverbindung zwischen zwei festen Türmen ist der Wegverlust vorhersehbar. Fügen Sie ein paar dB Regenmarge hinzu und schon ist alles erledigt. Satellitenverbindungen über 10 GHz sind eine andere Kategorie von Problemen: Die Regendämpfung bei 20 GHz kann während eines tropischen Regengusses 20 dB überschreiten; die gasförmige Absorption von Sauerstoff und Wasserdampf erhöht sich je nach Höhenwinkel um 0,5—3 dB; flüssiges Wolkenwasser trägt in Höhenwinkeln weitere 1—2 dB bei; und das gesamte System muss eine bestimmte Verfügbarkeit erreichen (z. B. 99,9% des Jahres — das heißt, Ausfälle nicht länger als 8,76 Stunden pro Jahr).

Die ITU-R hat Ausbreitungsmodelle veröffentlicht, die Statistiken zur Regenrate in Wahrscheinlichkeiten für die Überschreitung der Dämpfung umrechnen. Der Satellite Link Budget Analyzer implementiert P.618-13 (Regen und Szintillation), P.676-13 (Gasabsorption) und P.840-8 (Wolkendämpfung) direkt — keine externe Bibliothek erforderlich — und koppelt sie mit einer Monte-Carlo-Überregenrate, Punktverlust, EIRP-Variation und G/T-Variation, um jährliche Verfügbarkeitskurven zu erstellen.

Das Beispiel: Ka-Band Direct Broadcast Downlink

Das Zielsystem ist ein Ka-Band-Satelliten-Downlink (19,7—20,2 GHz) zur Direktübertragung über Satelliten zu einer 60 cm großen Verbraucherschüssel in gemäßigtem Meeresklima (ITU-R-Regenzone K, R◆.▲ = 30 mm/h).

Geben Sie die folgenden Linkparameter ein:

Berechnung des nominalen Clear-Sky-Budgets

Der Verlust des freien Speicherplatzes bei 20 GHz über eine GEO-Entfernung beträgt:

„MATHBLOCK_0“

Das Tool berechnet das empfangene C/N0 aus den ersten Prinzipien:

„MATHBLOCK_1“

wobei k = −228,6 dBW/k/Hz (Boltzmann-Konstante). Bei einem Höhenwinkel von 35° ergibt das P.676-Gasabsorptionsmodell eine Sauerstoff- und Wasserdampfabsorption von etwa 0,8 dB (dies variiert stark mit der Oberflächenfeuchte — das Gerät verwendet die Standardreferenzatmosphäre). Mit P.840 wird die Wolkendämpfung um 0,3 dB erhöht, wenn das Wasser in flüssigem Wasser 10 g/m² fließt.

Klarer Himmel C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dBHz. Bei einer Symbolrate von 45 Msps (75,5 dBHz Rauschbandbreite) ist Eb/N0 = 82,8 − 75,5 = 7,3 dB. Die Verbindung wird bei klarem Himmel mit einer Marge von 0,1 dB geschlossen — das ist praktisch kein Rand bei klarem Himmel, was bedeutet, dass der gesamte Wetterabstand aus der Verfügbarkeitsspezifikation stammen muss.

ITU-R P.618 Regendämpfung

Das Regendämpfungsmodell P.618-13 berechnet die Dämpfung, die in der angegebenen Regenzone für p% des Jahres überschritten wurde. Die Berechnung:

1. Berechnen Sie die spezifische Regendämpfung: δ_R = k × Rob., wobei bei 20 GHz ein horizontaler Pool von k ≈ 0,0751, α ≈ 1,099
2. Berechnen Sie den effektiven Schrägverlauf durch Regen: L_S = H_r/sin (θ), wobei H_r ≈ 3,5 km (Regenhöhe in mittleren Breitengraden) und θ = 35° Höhe
3. Wenden Sie den horizontalen Reduktionsfaktor r an.
4. Berechne Aob.??? =,, R × L_S × r..
5. Skalieren Sie anhand des Potenzgesetzes von P.618 Eq. 6 auf andere Verfügbarkeitsprozentsätze

Bei einem Wert von R♦ .= 30 mm/h berechnet das Tool den Wert Aob.“ ≈ 12,8 dB — das ist, dass die Regendämpfung das ganze Jahr über 0,01% überstieg (etwa 52 Minuten pro Jahr). Bei einer Verfügbarkeit von 0,1% (99,9% Verbindungsverfügbarkeit) ergibt die Skalierung eine Regendämpfung von ca. 6,4 dB.

Bei 0,1 dB Rand bei klarem Himmel und 6,4 dB erforderlichem Regenabstand müssen insgesamt 6,5 dB Überblendbereich hinzugefügt werden — entweder durch einen höheren EIRP (satellitenseitig), eine größere Antenne oder einen niedrigeren erforderlichen Eb/N0 (robustere Modulation wie QPSK 1/2).

Monte Carlo: Verfügbarkeitskurven mit Unsicherheit

Bei der Berechnung der nominalen Regendämpfung wird davon ausgegangen, dass alles seinen exakten Auslegungswert hat. In der Praxis schwankt der EIRP des Satelliten im Laufe der Lebensdauer des Satelliten um ±1 dB (Strahlkante vs. Mitte, Alterung des Transponders), der Richtverlust variiert um ±0,5 dB (Wind, thermische Verformung) und die lokale Verteilung der Regenrate ist ungewiss (die Grenzen der ITU-R-Regenzone sind Näherungswerte).

Führen Sie Monte Carlo mit 100.000 Versuchen aus, um diese Toleranzen zu überschreiten. Die Ausgabe der Verfügbarkeitskurve zeigt die jährliche Verfügbarkeit im Median, im 10. Perzentil und im 90. Perzentil als Funktion der Fade-Marge. Wichtigste Ergebnisse:

Um eine Verfügbarkeit von 99,9% (die Spezifikation) beim 10. Perzentil der Systemleistung zu gewährleisten, ist ein zusätzlicher Überblendbereich von 3 dB erforderlich. Das bedeutet, dass die Schüssel von 60 cm auf ca. 75 cm vergrößert werden muss (Erhöhung der Verstärkung um 3 dB) oder der Transponder mit höherer Leistung betrieben werden muss.

Terrestrischer Modus im Vergleich zum Satellitenmodus

Stellen Sie den Verbindungstyp auf „terrestrisch“ um, um eine feste Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindung mit demselben Regenmodell zu modellieren (jetzt eine einlagige Regenzelle statt einer schrägen Bahn). Die P.838-Koeffizienten sind identisch; die Streckenlänge durch Regen wird durch die Verbindungsentfernung festgelegt und nicht anhand der Orbitalgeometrie berechnet. Dieser Modus ist nützlich, um eine Satellitenstrecke mit einer alternativen terrestrischen Backhaul-Route zu vergleichen.

Was bedeuten die Zahlen betrieblich

Für einen kommerziellen Rundfunkbetreiber bedeutet eine jährliche Verfügbarkeit von 99,9% einen Ausfall von 8,76 Stunden pro Jahr — akzeptabel für nicht kritische Unterhaltungsdienste. Für die Flugsicherheit oder den Finanzhandel sind 99,99% (52 Minuten pro Jahr) oder 99,999% (5 Minuten pro Jahr) erforderlich, was jeweils einer zusätzlichen Investition von 3—4 dB entspricht.

Mit der Monte-Carlo-Ausgangsleistung erhalten Sie den erforderlichen Spielraum nicht nur für ein einzelnes nominales System, sondern für die gesamte Flotte der installierten Terminals und für die gesamte Lebensdauer des Satelliten. Dies ist der Unterschied zwischen einem auf Papier basierenden Budget und einem Konfidenzintervall für die Bereitstellung.

[Satellite Link Budget Analyzer] (/tools/sat-link-budget)