Budget für Satellitenverbindungen: Regen, Absorption und Verfügbarkeit

Warum Satellitenverbindungen anders sind

Folgendes ist den meisten Menschen erst bewusst, wenn sie tatsächlich ein Satellitensystem installiert haben: Eine terrestrische Mikrowellenverbindung zwischen zwei festen Türmen ist fast langweilig, wenn man den Pfadverlust berechnet hat. Fügen Sie ein paar dB an Regenmarge hinzu, schwächen Sie ihn vielleicht ein wenig auf, wenn Sie vorsichtig sind, und fertig. Satellitenverbindungen über 10 GHz? Ganz anderes Biest.

Eine Regendämpfung bei 20 GHz kann Ihnen während eines tropischen Regengusses — kein Regen, sondern ein echter Sturm — einen Verlust von über 20 dB bescheren. In der Zwischenzeit werden die Gase, die Sauerstoff und Wasserdampf absorbieren, leise aufgenommen, je nach Höhenlage, um 0,5—3 dB. Flüssiges Wolkenwasser erzeugt weitere 1—2 dB, wenn Sie aus großen Winkeln nach oben schauen. Und trotz alledem muss Ihr System ein bestimmtes Verfügbarkeitsziel erreichen — sagen wir 99,9% des Jahres. Das klingt großartig, bis Sie feststellen, dass Sie immer noch 8,76 Ausfallstunden pro Jahr einkalkulieren müssen.

ITU-R hat eine Reihe von Ausbreitungsmodellen veröffentlicht, mit denen Sie Statistiken zur Regenrate in Wahrscheinlichkeiten für die Überschreitung der Dämpfung mit der tatsächlichen physikalischen Bedeutung umrechnen können. Der Satellite Link Budget Analyzer implementiert diese direkt: P.618-13 für Regen und Szintillation, P.676-13 für die Absorption von Gasen und P.840-8 für die Dämpfung von Wolken. Keine Abhängigkeiten von externen Bibliotheken, keine Blackbox-Berechnungen. Das Tool kombiniert diese Modelle mit einer Monte-Carlo-Simulation, bei der Regenrate, Punktverlust, EIRP und G/T variiert werden, um jährliche Verfügbarkeitskurven zu erstellen, die tatsächlich die chaotische Realität der eingesetzten Systeme widerspiegeln.

Das Beispiel: Ka-Band Direct Broadcast Downlink

Lassen Sie uns ein reales Szenario durcharbeiten, das die Unterschiede verdeutlicht. Wir haben es mit einem Ka-Band-Direktübertragungssatelliten-Downlink zu tun — speziell mit dem 19,7—20,2 GHz-Band —, der eine 60 cm große Verbraucherschüssel irgendwo in einem gemäßigten Meeresklima speist. Damit befinden wir uns in der ITU-R-Regenzone K, in der die Regenrate 0,01% des Jahres überstieg (R.) und 30 mm/h beträgt. Keinesfalls die schlechteste Zone, aber auch nicht harmlos.

Hier sind die Linkparameter, mit denen wir arbeiten:

Diese Eb/N0-Anforderung ergibt sich aus der DVB-S2 8PSK 3/4-Codierung — einem relativ aggressiven Modulationsschema, das eine ordentliche spektrale Effizienz aus der verfügbaren Bandbreite herausholt. Für mehr Robustheit könnten Sie auf QPSK 1/2 zurückgreifen, aber Sie würden den Durchsatz opfern.

Berechnung des nominalen Clear-Sky-Budgets

Fangen Sie mit den Grundlagen an. Der Verlust von Freiraumpfaden bei 20 GHz über eine GEO-Entfernung ist erheblich:

§0 §

Das ist eine große Zahl, aber sie ist deterministisch. Die Geometrie ändert sich nicht (viel — dazu kommen wir noch).

Das Tool berechnet das Verhältnis zwischen Träger und Geräuschdichte anhand der ersten Prinzipien:

wobei k = −228,6 dBW/k/Hz die Boltzmann-Konstante ist. Hier kommt nun die Atmosphärenphysik ins Spiel. Bei einem Höhenwinkel von 35° ergibt das P.676-Gasabsorptionsmodell eine kombinierte Sauerstoff- und Wasserdampfabsorption von etwa 0,8 dB. Diese Zahl variiert erheblich mit der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur der Oberfläche. Das Tool verwendet die ITU-R-Standardreferenzatmosphäre, aber in einem realen Einsatz sollten Sie die örtlichen Bedingungen überprüfen. Das P.840-Wolkenmodell fügt weitere 0,3 dB hinzu, wenn man von einem flüssigen Wasserweg von 10 g/m² ausgeht, was typisch für regenfreie Wolken in mittleren Breiten ist.

Geben Sie die Zahlen ein: Klarer Himmel C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dBHz.

Bei einer Symbolrate von 45 Msps beträgt die Rauschbandbreite 10·log( 45×10) = 76,5 dBHz. Also unser Eb/N0 = 82,8 − 76,5 = 6,3 dB. Moment — wir benötigen 7,2 dB, damit der DVB-S2-Decoder zuverlässig sperrt. Selbst bei klarem Himmel fehlen uns 0,9 dB.

Lassen Sie mich das genauer mit dem exakten G/T neu berechnen. Bei einer 0,60 m großen Schüssel bei 65% Wirkungsgrad beträgt die Empfangsverstärkung etwa 10·log Die Systemtemperatur beträgt 150 K (21,8 dBK), also G/T = 41,6 − 21,8 = 19,8 dB/K. Lassen Sie mich diesen Tabellenwert korrigieren — die 12,8 dB/K waren zu pessimistisch.

Mit dem korrigierten G/T: C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 19,8 + 228,6 = 89,8 dBHz. Eb/N0 = 89,8 − 76,5 = 13,3 dB. Jetzt haben wir 13,3 − 7,2 = 6,1 dB an klarem Himmel. Viel besser. Aber warte mal — der ganze Spielraum wird vom Regen aufgefressen werden.

ITU-R P.618 Regendämpfung

Beim P.618-13-Modell zur Regendämpfung wird es interessant. Es berechnet auf der Grundlage Ihrer Regenzone und -geometrie die für p% des Jahres überschrittene Dämpfung. Die Berechnungsreihenfolge:

1. Spezifische Regendämpfung: ω_R = k × Rob. Bei einer horizontalen Polarisation von 20 GHz sind die P.838-Koeffizienten k ≈ 0,0751 und α ≈ 1,099. Bei Rob.,..,,,,,,,,,,,,, R“ = 0,0751 × 30^1,099 ≈ 2,85 dB/km.

1. Effektiver Schrägverlauf durch Regen: L_S = (H_r − H_s) /sin (θ), wobei H_r die Regenhöhe ist (etwa 3,5 km in mittleren Breitengraden ausgehend von den 0°C-Isothermendaten), H_s die Stationshöhe (unter Annahme des Meeresspiegels) und θ = 35° Höhe. Also L_S = 3,5/sin (35°) ≈ 6,1 km.

1. Horizontaler Reduktionsfaktor: Der tatsächliche Weg durch den Regen ist kürzer als der geometrische Schrägpfad, da Regenzellen eine begrenzte horizontale Ausdehnung haben. Bei P.618 wird ein Reduktionsfaktor rφ angewendet, der vom Breitengrad und der Frequenz abhängt. Bei 45°N und 20 GHz beträgt der Wert rπ.

1. Die Dämpfung überschritt 0,01% des Jahres: Aob. Dies bedeutet, dass die Abblendtiefe etwa 52 Minuten pro Jahr überschritten wurde.

1. Auf andere Prozentsätze skalieren: P.618 Gleichung 6 liefert eine Potenzgesetz-Skalierung. Für 0,1% des Jahres (Verfügbarkeit von 99,9%) beträgt die Dämpfung ungefähr Aob. ≈ A‡ ≈ A‡ × 0,12 ≈ 0,76 dB. Moment, das stimmt nicht mit dem überein, was ich vorhin gesagt habe. Lassen Sie mich mit der exakten P.618-Formel neu rechnen, die komplexer ist als ein einfaches Potenzgesetz und beinhaltet Breitengrad- und Frequenzabhängigkeit.

Tatsächlich verwendet das P.618-Modell: A_p = Aob.,,,?????????????????????????????;???????????? (p)? (p)? (p)], wobei β eine Funktion des Breitengrades ist. Für p = 0,1% und unsere Geometrie ergibt dies A^8 ≈ 3,2 dB.

Bei 6,1 dB Rand bei klarem Himmel und 3,2 dB Regendämpfung bei 99,9% Verfügbarkeit haben wir also 6,1 − 3,2 = 2,9 dB Restmarge. Das ist knapp, aber technisch gesehen schließt es die Verbindung.

Monte Carlo: Verfügbarkeitskurven mit Unsicherheit

Hier ist das Problem mit der Nennberechnung: Sie geht davon aus, dass alles exakt auf seinem Entwurfsmittelwert liegt. In der realen Welt driftet das EIRP des Satelliten während der gesamten Lebensdauer des Raumfahrzeugs um ±1 dB — Sie befinden sich im Strahlzentrum, wenn der Satellit frisch ist, aber wenn er altert und der Transponder abnimmt, könnte es sein, dass Sie einen Rückgang von 0,8 dB haben. Der Richtverlust schwankt um ±0,5 dB aufgrund der Windbelastung der Antenne, der thermischen Ausdehnung der Halterung und sogar des Gewichts der Eisansammlung im Winter. Und die Grenzen der ITU-R-Regenzone? Das sind statistische Anpassungen an spärliche Regenmesserdaten. Ihr aktueller Standort ist möglicherweise 20% feuchter als der Zonendurchschnitt.

Führen Sie eine Monte-Carlo-Simulation mit 100.000 Versuchen durch, wobei EIRP (±1 dB gleichmäßig), Richtungsverlust (0 bis 1 dB), G/T (±0,5 dB) und Regenrate (± 20% logarithmisch normal) variiert werden. Die Ausgabe der Verfügbarkeitskurve zeigt die jährliche Verfügbarkeit im Median, 10. Perzentil und 90. Perzentil als Funktion der hinzugefügten Überblendungsmarge an:

| Fade-Marge hinzugefügt | Mittlere Verfügbarkeit | Verfügbarkeit in 10% |---|---|---| | 0 dB | 99,87% | 99,81% | | 3 dB | 99,94% | 99,90% | | 6 dB | 99,97% | 99,94% | | 10 dB | 99,99% | 99,97% |

Schauen Sie sich die Spalte mit dem 10. Perzentil an. Um eine Verfügbarkeit von 99,9% (Ihre Spezifikation) beim 10. Perzentil der Systemleistung zu gewährleisten — was bedeutet, dass 90% Ihrer eingesetzten Terminals die Spezifikationen erfüllen —, benötigen Sie einen zusätzlichen Überblendbereich von 3 dB, der über den Nennwert hinausgeht.

Wie kommen Sie auf 3 dB? Vergrößern Sie die Schale von 60 cm auf etwa 75 cm (das ist eine Erhöhung der Verstärkung um 3 dB gegenüber der größeren Blende). Oder lassen Sie den Satellitentransponder mit höherer Leistung laufen, wenn Sie das Budget für die Gleichstromversorgung und den thermischen Spielraum haben. Oder wechseln Sie zu einer robusteren Modulation — QPSK 1/2 statt 8PSK 3/4 —, aber Sie reduzieren Ihre Datenrate fast um die Hälfte.

Die meisten Betreiber unterschätzen dies. Sie orientieren sich an der mittleren Fallzahl und tätigen dann wütende Anrufe, wenn 10% ihres Kundenstamms bei Stürmen Ausfälle erleiden. Der Monte Carlo gibt an, welchen Spielraum Sie tatsächlich benötigen, um nachts zu schlafen.

Terrestrischer oder Satellitenmodus

Wenn Sie im Tool den Verbindungstyp auf „terrestrisch“ umstellen, modellieren Sie eine feste Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenverbindung mit demselben ITU-R-Regenmodell, aber jetzt handelt es sich um eine einschichtige Regenzelle und nicht um einen schrägen Pfad durch die Atmosphäre. Die spezifischen Dämpfungskoeffizienten von P.838 sind identisch. Der Unterschied besteht darin, dass die Pfadlänge durch Regen lediglich Ihre Verbindungsentfernung ist und nicht anhand der Orbitalgeometrie und der Regenhöhe berechnet wird.

Dieser Modus ist nützlich, wenn Sie eine Satellitenstrecke mit einer alternativen terrestrischen Backhaul-Route vergleichen. Angenommen, Sie versuchen, sich zwischen einem Ka-Band-Satelliten-Hop und einer terrestrischen 23-GHz-Verbindung über 15 km zu entscheiden. Gleiche Regenzone, gleiches Frequenzband (ungefähr), aber sehr unterschiedliche Pfadgeometrien. Bei der terrestrischen Verbindung könnte es sogar zu einer stärkeren Regenabschwächung kommen, da der gesamte 15 km lange Pfad von Regen überflutet werden kann, wohingegen der Satellitenpfad nur eine Regenhöhe von 6 km bei 35° Höhe durchquert.

Was bedeuten die Zahlen betrieblich

Für einen kommerziellen Rundfunkbetreiber bedeutet eine jährliche Verfügbarkeit von 99,9% einen Ausfall von 8,76 Stunden pro Jahr. Für Unterhaltungsdienste ist das akzeptabel — niemand wird Sie verklagen, weil sie während eines Gewitters ein halbes Fußballspiel verpasst haben.

Für Flugsicherheitskommunikation oder Finanzhandelsverbindungen benötigen Sie 99,99% (52 Minuten pro Jahr) oder sogar 99,999% (5,2 Minuten pro Jahr). Jede weitere „Neun“ kostet Sie ungefähr 3—4 dB Spielraum, was sich direkt in Satellitenleistung, Antennengröße oder beidem niederschlägt. Eine Verbindung zu 99,999% benötigt möglicherweise eine 2 Meter lange Antenne, wohingegen eine Verbindung zu 99,9% mit 60 cm auskommen könnte.

Die Leistung von Monte Carlo bietet Ihnen den Spielraum, der nicht nur für ein einzelnes nominales System unter perfekten Bedingungen erforderlich ist, sondern für Ihre gesamte Flotte an eingesetzten Terminals und über die 15-jährige Orbitallebensdauer des Satelliten. Das ist der Unterschied zwischen einem Link-Budget auf Papier, das in PowerPoint gut aussieht, und einem Konfidenzintervall für die Bereitstellung, das die Leistung vor Ort tatsächlich vorhersagt. Die meisten Techniker überspringen diesen Schritt und bereuen ihn später, wenn sie größeres Geschirr kaufen, um verärgerte Kunden nachzurüsten.

Satellite Link Budget Analyzer