ITU-R 伝搬モデルによる衛星リンクバジェット:雨、ガス吸収、およびモンテカルロでの可用性

衛星リンクが異なる理由

2 つの固定タワー間の地上波マイクロ波リンクでは、経路損失が予測できます。降雨マージンを数dB加えたら完了です。10 GHzを超える衛星リンクは、別の問題カテゴリです。20 GHzでの雨の減衰は、熱帯性豪雨時に20 dBを超えることがあり、酸素と水蒸気からのガス吸収は仰角に応じて0.5〜3 dB増加し、雲の液体の水は標高角でさらに1〜2 dB寄与し、システム全体で指定された可用性（たとえば、年間99.9％、つまり年間8.76時間以内の停電が発生する）を達成する必要があります。。

ITU-Rは、雨量統計を減衰超過確率に変換する伝播モデルを公開しています。Satellite Link Budget Analyzerは、P.618-13（雨とシンチレーション）、P.676-13（ガス吸収）、P.840-8（雲の減衰）を直接実装し（外部ライブラリは不要）、それらをモンテカルロ法による降雨率、ポインティングロス、EIRP変動、G/T変動と組み合わせて年間の可用性曲線を作成します。

例:Ka バンドダイレクトブロードキャストダウンリンク

ターゲットシステムは、温暖な海上気候（ITU-R 雨域 K、R.= 30 mm/時）の60 cmのコンシューマーディッシュへのKaバンド（19.7～20.2 GHz）の直接放送衛星ダウンリンクです。

次のリンクパラメータを入力します。

名目上の晴天予報の計算

GEO 距離全体の 20 GHz における自由空間パス損失は、次のようになります。

「MATHBLOCK_0」

このツールは、第一原理に基づいて受信した C/N0 を計算します。

「MATHBLOCK_1」

ここで k = −228.6 dBw/K/Hz (ボルツマン定数)。P.676 気体吸収モデルでは、仰角が 35° の場合、約 0.8 dB の酸素と水蒸気の吸収が得られます (これは表面湿度によって大きく異なります。このツールでは標準の参照大気を使用します)。P.840 では、10 g/m² の液体の水路に対して 0.3 dB の雲の減衰が加わります。

クリアスカイ C/N0 = 52 − 209.5 − 0.8 − 0.3 + 12.8 + 228.6 = 82.8 dBHz。45 Msps のシンボルレート（75.5 dBHz のノイズ帯域幅）では、Eb/N0 = 82.8 − 75.5 = 7.3 dB になります。このリンクは、晴天時には 0.1 dB のマージンで終了します。つまり、実質的に晴天のマージンはありません。つまり、天候によるマージンはすべて可用性の仕様から得られる必要があります。

ITU-R P.618 雨量減衰システム

P.618-13 降雨減衰モデルは、特定の雨域における年間の p% を超える減衰量を計算します。計算は以下のとおりです。

1.特定の降雨量減衰量の計算:γ_R = k × R.^α ここで、20 GHz の水平極では k ≈0.0751、α ≈1.099 となります。 2.雨の中の効果的な傾斜経路の計算:L_S = H_r/sin (θ)。ここで、H_R ≈3.5 km (中緯度における雨の高さ)、θ = 標高35° 3.水平リダクションファクター r.を適用 4.A.= γ_R × L_S × r.を計算 5.P.618 Eq. 6 のべき乗則を使用して他の稼働率にスケーリングする

R.= 30 mm/hrの場合、ツールはA.≈12.8 dBを計算します。これは、雨の減衰量が年間の 0.01% (年間約52分) を超えたことを示しています。0.1% のアベイラビリティ (99.9% のリンクアベイラビリティ) の場合、スケーリングによって雨の減衰量は約 6.4 dB になります。

晴天マージンが 0.1 dB、必要な雨マージンが 6.4 dB の場合、EIRP（衛星側）を高くするか、ディッシュを大きくするか、必要な Eb/N0 を低くする（QPSK 1/2 のようなより堅牢な変調）のいずれかによって、合計 6.5 dB のフェードマージンを追加する必要があります。

モンテカルロ:不確実性を伴うアベイラビリティ曲線

降雨量の名目減衰量の計算では、すべてが設計値どおりであることを前提としています。実際には、衛星の EIRP は衛星の寿命全体にわたって ±1 dB 変動し（ビームエッジ対センター、トランスポンダーの経年変化）、ポインティング損失は ±0.5 dB（風、熱変形）、局所的な雨量分布には不確実性があります（ITU-R 雨帯の境界は近似値）。

これらの許容範囲を超えて 100,000 回の試行を行ってモンテカルロを実行します。可用性曲線の出力には、フェードマージンの関数として年間可用性の中央値、10 パーセンタイル、90 パーセンタイルが表示されます。主な結果:

システムパフォーマンスの 10 パーセンタイルで 99.9% の可用性 (スペック) を保証するには、3 dB の追加フェードマージンが必要です。つまり、ディッシュのサイズを 60 cm から約75 cm (3 dB ゲイン増加) に拡大するか、トランスポンダをより高い出力で動作させる必要があります。

地上波モードと衛星モード

リンクタイプを「terrestrial」に切り替えると、同じ雨モデル (現在は傾斜経路ではなく単層レインセル) を使用して固定されたポイントツーポイントのマイクロ波リンクをモデル化できます。P.838 の係数は同じです。雨の中を通る経路の長さは、軌道形状から計算されるのではなく、リンク距離によって固定されます。このモードは、衛星経路を別の地上バックホール経路と比較する場合に便利です。

数字の運用上の意味

民間放送事業者にとって、年間可用性が 99.9% ということは、1 年あたり 8.76 時間の停電を意味し、重要度の低いエンターテイメントサービスでは許容範囲内です。航空安全または金融取引には、99.99%（年間 52 分）または 99.999%（年間 5 分）が必要で、それぞれ追加で 3～4 dB のマージン投資が必要になります。

モンテカルロ出力は、単一の名目システムだけでなく、設置されている端末群全体や衛星の軌道寿命全体にわたって必要なマージンを得ることができます。これがペーパーリンクバジェットと展開信頼区間の違いです。

[サテライトリンクバジェットアナライザー] (/tools/sat-link-budget)