衛星リンク予算分析:ITU-R 伝搬モデルとモンテカルロマージン配分

シングルポイントリンク予算が現場で失敗する理由

リンクバジェットは数値を教えてくれます。リンクマージンです。この数値から、受信した C/Nと必要最小限の C/Nとの間にどれだけのヘッドルームがあるかがわかります。マージンが正であれば、リンクが機能していることを意味します。マージンが負の場合は機能しません。

問題は、実際の衛星リンクが単一地点で動作しないことです。雨はだんだん薄れていきます。トランスミッタの電力は温度とともに変化します。アンテナは軸から少し外れています。大気のシンチレーションは変動します。シングル・ポイント・バジェットでは、特定の可用性目標で名目上の条件下で何が起こるかはわかりますが、その結果がパラメータ変動にどの程度敏感であるかはわかりません。

この記事では、Satellite Link Budget ツールを使用して Ku バンド VSAT リンクを設計し、アベイラビリティ要件に照らして検証し、モンテカルロ法を使用してマージン感受性を理解する方法について説明します。

リファレンスデザイン:Ku バンド VSAT アップリンク

このシステムは、35,786 km の位置にある GEO 衛星に 10 Mbps のデータをアップロードする VSAT端末です。サイトは北緯48度の中央ヨーロッパにあります。

これらを [rftools.io/tools/sat-link-budget] (/tools/sat-link-budget) にあるツールに入力し、[分析を実行] をクリックします。

リンクバジェット表を読む

このツールは行ごとのバジェットを返します。

ノミナル・マージンは 3.8 dB です。各期間の費用を調べるまでは、この方法は快適に見えます。

空き領域による経路損失が圧倒的に多い

FSPL は 207.3 dB で、断然最大の損失項です。これは幾何学と物理学によって決まるため、周波数を上げる（雨を悪化させる）か、より高い軌道を使用する（距離が長くなる）以外に減らす方法はありません。GEO 衛星リンクでは、周波数と仰角にもよりますが、FSPL の範囲は 195 ～ 213 dB です。

これが、衛星リンクの予算が地上のマイクロ波リンクと比較して非常に高い EIRP および G/T 値を必要とする理由です。6 GHz で 50 km の地上波経路を使用した場合、FSPL は GEO 衛星の場合よりも約 142 dB — 65 dB 低くなります。

99.5% のアベイラビリティにおける雨の減衰率

北緯48度では、ITU-R P.837 の降雨率は 0.01% の場合の降雨量は毎時約42ミリメートルです。14 GHz、標高が 38° の P.618 モデルでは、次のことが可能になります。

-比減衰量:「MATHINLINE_0」dB/km -有効雨高:「マチンライン_1」km -雨の中の傾斜経路:「MATHINLINE_2」km -「MATHINLINE_3」dB (0.01% の停電時 = 99.99% のアベイラビリティ)

P.618 方程式 6 を使用して 0.5% のシステム停止 (99.5% の可用性) にスケーリングしました。 -「MATHINLINE_4」dB

設計アベイラビリティポイントでのこの 6.8 dB の雨の減衰は、3.8 dB マージンのほぼ 3 分の 2 を消費します。これは制約です。

アベイラビリティ曲線は全体像を示しており、約 99.8% の可用性ではマージンがゼロを下回ります。この設計は 99.9% 以上では成り立ちません。

モンテカルロバンドの確認

モンテカルロ結果 (10,000 回の試行) のレポート:

-p5 マージン:+1.2 デシベル -p50 マージン:+3.7 デシベル -p95 マージン:+6.4 デシベル

p5 マージンが +1.2 dB ということは、(EIRP ドリフト、G/T 変動、ポインティングエラー、シンチレーション、および雨量の不確実性を考慮した) 運用シナリオの 5% で、マージンが 1.2 dB に低下することを意味します。これはまだプラスで、リンクは閉じていますが、ヘッドルームはほとんどありません。

p5とp95の間の非対称性（名目値より2.6dB低いのに対し、2.7dB高い）は、対数正規降雨量分布を反映している。降雨量は中央値をはるかに上回ることもあるが、ゼロになることはめったにない。

実際に必要なマージンはどれか？

可用性目標が 99.5% の VSAT サービスの場合、3.8 dB の名目マージンと +1.2 dB の p5 マージンは限界値です。マージンを増やすには 2 つのアプローチがあります。

オプション 1: EIRP を 3 dB 増加 (たとえば、1.2 m アンテナから 1.8 m アンテナにアップグレードするか、より高出力の BUC を追加するなど)。アベイラビリティ曲線は 3 dB 上昇し、リンクは 99.9% で終了し、+0.5 dB のマージンで終了します。

オプション2: より良い雨気候帯に移動する。 北緯30度 (亜熱帯) の同じリンクでは、「MATHINLINE_5」= 70 mm/hrで、北緯48度よりも悪い。しかし、北緯55度 (亜北極) では、「MATHINLINE_6」は時速18mmに下がり、雨の減衰量が6.8dBから3.2dBに低下する。リンクマージンは 7.4 dB に跳ね上がりました。 オプション 3: 別のサテライトアーク位置を選択して仰角を上げる。標高を38°から55°にすると、傾斜経路の長さが短くなり、雨の減衰量が約1.5 dB、ガスによる損失が0.2 dB減少します。

この分析から導き出された主な設計ルール

1.Ku-Bandでは、まず雨の減衰を考慮して設計します。 99% を超えるすべての空き状況において、マージン予算の大半を占めます。ハードウェア予算 (EIRP、G/T) は、目標とする可用性で雨の減衰を克服できるような規模にする必要があります。 2.p5 MC マージンはエンジニアリング設計のポイントです。名目上のマージンではありません。名目利益率は、平均的な条件下でのみ成り立つ楽観的な推定値です。p5 の結果に対してマージンを割り当てます。 3.アベイラビリティは減衰に比例しないほど変化します。 温暖な気候で 14 GHz で 99.5% から 99.9% にするには、約 5 ～ 7 dB の追加マージンが必要です。これが、Ku バンドで 99.99% の可用性を実現するには、きわめて高い EIRP または非常に低いデータレートが必要である理由です。

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*関連ツール:[リンクバジェット計算ツール] (/電卓/rf/リンクバジェット), [EIRP 電卓] (/電卓/アンテナ/eirp-電卓), [雑音指数カスケード] (/電卓/RF/雑音指数カスケード) *