Analyse du budget des liaisons satellites : modèles de propagation UIT-R et allocation des marges de Monte-Carlo

Pourquoi les budgets de liaison unique échouent sur le terrain

Un budget de liens vous donne un chiffre : la marge des liens. Ce chiffre vous indique la marge de manœuvre entre le C/N reçu et le C/N minimum requis. Une marge positive signifie que le lien fonctionne. Une marge négative signifie que ce n'est pas le cas.

Le problème est que les véritables liaisons par satellite ne fonctionnent pas en un seul point. La pluie s'estompe. La puissance de l'émetteur varie en fonction de la température. Les antennes pointent légèrement hors de l'axe. La scintillation atmosphérique fluctue. Un budget en un seul point ne tient pas compte de tout cela : il vous indique ce qui se passe dans des conditions nominales pour un objectif de disponibilité spécifique, mais pas la sensibilité du résultat à la variation des paramètres.

Cet article explique comment utiliser l'outil Satellite Link Budget pour concevoir une liaison VSAT en bande Ku, la valider par rapport aux exigences de disponibilité et utiliser Monte Carlo pour comprendre la sensibilité aux marges.

Le design de référence : liaison montante VSAT en bande Ku

Le système est un terminal VSAT qui télécharge 10 Mbit/s de données vers un satellite GEO à 35 786 km. Le site se trouve en Europe centrale, à 48° de latitude nord.

Entrez-les dans l'outil à l'adresse [rftools.io/tools/sat-link-budget] (/tools/sat-link-budget) et cliquez sur Exécuter l'analyse.

Lire le tableau budgétaire des liens

L'outil renvoie un budget ligne par ligne :

La marge nominale est de 3,8 dB. Cela semble confortable jusqu'à ce que vous examiniez le coût de chaque trimestre.

La perte du chemin de l'espace libre domine

À 207,3 dB, le FSPL est de loin le terme de perte le plus important. Elle est déterminée par la géométrie et la physique. Vous ne pouvez rien faire pour la réduire, sauf augmenter la fréquence (ce qui aggrave la pluie) ou utiliser une orbite plus haute (qui augmente la distance). Pour les liaisons par satellite GEO, la plage FSPL est comprise entre 195 et 213 dB en fonction de la fréquence et de l'angle d'élévation.

C'est pourquoi les budgets de liaisons par satellite nécessitent des valeurs EIRP et G/T si élevées par rapport aux liaisons hertziennes terrestres. Une trajectoire terrestre de 50 km à 6 GHz a un FSPL ≈ 142 dB, soit 65 dB de moins que le boîtier du satellite GEO.

Atténuation de la pluie à 99,5 % de disponibilité

À 48° N, le taux de pluie UIT-R P.837 avec une disponibilité de 0,01 % est d'environ 42 mm/h. Le modèle P.618 à 14 GHz avec une élévation de 38° donne :

• Atténuation spécifique : « MATHINLINE_0 » dB/km
• Hauteur de pluie effective : « MATHINLINE_1 » km
• Trajet incliné sous la pluie : « MATHINLINE_2 » km
• « MATHINLINE_3 » dB (à 0,01 % de panne = 99,99 % de disponibilité)

Échelle à 0,5 % de panne (disponibilité de 99,5 %) à l'aide de l'équation P.618 6 :

• « MATHINLINE_4 » dB

Cette atténuation de la pluie de 6,8 dB au point de disponibilité nominale consomme près des deux tiers de la marge de 3,8 dB. Il s'agit de la contrainte contraignante.

La courbe de disponibilité donne une vue d'ensemble : la marge tombe en dessous de zéro à une disponibilité d'environ 99,8 %. Ce modèle ne peut pas clôturer à 99,9 % ou plus.

À la découverte des groupes de Monte-Carlo

Le résultat de Monte Carlo (10 000 essais) indique :

• Marge p5 : +1,2 dB
• Marge p50 : +3,7 dB
• Marge p95 : +6,4 dB

La marge p5 de +1,2 dB signifie que dans 5 % des scénarios opérationnels (en tenant compte de la dérive EIRP, de la variation G/T, des erreurs de pointage, de la scintillation et de l'incertitude relative au taux de pluie), la marge tombe à 1,2 dB. Cela reste positif — le lien se ferme — mais avec très peu de marge de manœuvre.

L'asymétrie entre p5 et p95 (2,6 dB en dessous de la valeur nominale contre 2,7 dB au-dessus) reflète la distribution log-normale du taux de pluie : le taux de pluie peut être bien supérieur à la médiane, mais il atteint rarement zéro.

Quelle marge est réellement nécessaire ?

Pour un service VSAT avec un objectif de disponibilité de 99,5 %, la marge nominale de 3,8 dB et la marge p5 de +1,2 dB sont limites. Deux approches pour augmenter la marge :

Option 1 : augmenter l'EIRP de 3 dB (par exemple, passer d'une antenne de 1,2 m à une antenne de 1,8 m ou ajouter un BUC plus puissant). La courbe de disponibilité augmente de 3 dB et la liaison se ferme désormais à 99,9 % avec une marge de +0,5 dB.

Option 2 : passer à une meilleure zone de climat pluvieux. Le même lien à 30° N (zone subtropicale) indique que « MATHINLINE_5 » = 70 mm/h, soit moins que 48° N. Mais à 55° N (zone subarctique), « MATHINLINE_6 » tombe à 18 mm/h, réduisant ainsi l'atténuation de la pluie de 6,8 dB à 3,2 dB. La marge de liaison passe à 7,4 dB. Option 3 : Augmenter l'angle d'élévation en choisissant une position différente de l'arc satellite. Le fait de passer d'une altitude de 38° à 55° réduit la longueur de la trajectoire inclinée, réduisant ainsi l'atténuation de la pluie d'environ 1,5 dB et les pertes de gaz de 0,2 dB.

Règles de conception clés issues de cette analyse

1. En bande Ku, concentrez-vous d'abord sur l'atténuation de la pluie. Il domine le budget de marge pour chaque disponibilité supérieure à 99 %. Le budget matériel (EIRP, G/T) doit être dimensionné de manière à faire face à la pluie lorsque la disponibilité cible est atteinte.
2. La marge p5 MC est votre point de conception technique, et non la marge nominale. La marge nominale est une estimation optimiste qui n'est valable que dans des conditions moyennes. Allouez une marge par rapport au résultat p5.
3. La disponibilité évolue de manière non linéaire en fonction de l'atténuation. Passer de 99,5 % à 99,9 % à 14 GHz dans un climat tempéré nécessite une marge supplémentaire d'environ 5 à 7 dB. C'est pourquoi une disponibilité de 99,99 % en bande Ku nécessite un EIRP extrêmement élevé ou des débits de données très bas.

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*Outils associés : [Link Budget Calculator] (/calculators/rf/link-budget), [EIRP Calculator] (/calculators/antenna/eirp-calculator), [Noise Figure Cascade] (/calculators/rf/noise-figure-cascade) *