위성 링크 예산 분석: ITU-R 전파 모델 및 몬테카를로 마진 할당

싱글 포인트 링크 예산이 현장에서 실패하는 이유

링크 버짓은 링크 마진이라는 숫자를 제공합니다.이 숫자는 수신한 C/N와 필요한 최소 C/N사이에 얼마나 많은 여유 공간이 있는지를 나타냅니다.마진이 양수이면 링크가 제대로 작동한다는 의미입니다.마진이 음수이면 그렇지 않다는 뜻입니다.

문제는 실제 위성 링크가 단일 지점에서 작동하지 않는다는 것입니다.비가 점점 사라지죠.송신기 전력은 온도에 따라 달라집니다.안테나가 축에서 약간 벗어난 방향을 가리킵니다.대기의 섬광이 변동합니다.단일 포인트 예산으로는 이 모든 것을 포착할 수 없습니다. 특정 가용성 목표의 명목상 조건에서 어떤 일이 발생하는지는 알 수 있지만 결과가 파라미터 변동에 얼마나 민감한지는 알 수 없습니다.

이 게시물에서는 Satellite Link Budget 도구를 사용하여 Ku 대역 VSAT 링크를 설계하고, 가용성 요구 사항을 충족하는지 검증하고, Monte Carlo를 사용하여 마진 민감도를 이해하는 방법을 살펴봅니다.

레퍼런스 디자인: Ku-Band VSAT 업링크

이 시스템은 35,786km 떨어진 GEO 위성에 10Mbps의 데이터를 업로드하는 VSAT 터미널입니다.이 사이트는 북위 48°의 중부 유럽에 있습니다.

[rftools.io/tools/sat-link-budget] (/tools/sat-link-budget) 의 도구에 이를 입력하고 분석 실행을 클릭합니다.

링크 예산 표 읽기

이 도구는 라인별 예산을 반환합니다.

공칭 마진은 3.8dB입니다.각 용어의 비용을 살펴보기 전까지는 괜찮아 보입니다.

여유 공간 경로 손실이 지배적입니다

207.3dB인 FSPL은 단연코 가장 큰 손실 기간입니다.이는 기하학과 물리학에 의해 결정됩니다. 빈도를 높이면 비가 더 심해지거나 더 높은 궤도를 사용 (거리가 늘어남) 하는 것 외에는 이를 줄일 수 있는 방법이 없습니다.GEO 위성 링크의 경우 FSPL 범위는 주파수와 고도각에 따라 195—213dB입니다.

이것이 위성 링크 예산에 지상파 마이크로파 링크에 비해 높은 EIRP 및 G/T 값이 필요한 이유입니다.6GHz에서 50km 떨어진 지상 경로의 경우 GEO 위성의 경우보다 FSPL ≥ 142dB — 65dB 더 작습니다.

99.5% 가용성에서의 빗물 감쇠

북위 48도에서 0.01% 의 가용성에서의 ITU-R P.837의 강우 속도는 시간당 약 42mm입니다.고도가 38°인 14GHz의 P.618 모델은 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 특정 감쇠: “MATHINLINE_0" dB/km
• 유효 강우 높이: “MATHINLINE_1" km
• 빗속을 통과하는 경사진 경로: “MATHINLINE_2"km
• “MATHINLINE_3"dB (0.01% 정전 시 = 99.99% 가용성)

P.618 수식 6을 사용하여 운영 중단 비율을 0.5% (99.5% 가용성) 로 조정:

• “MATHINLINE_4" dB

설계 가용성 지점에서의 이러한 6.8dB의 빗물 감쇠는 3.8dB 마진의 거의 2/3를 소비하는데, 이는 바인딩 제약 조건입니다.

가용성 곡선을 보면 전체 상황을 알 수 있습니다. 즉, 가용성이 약 99.8% 일 때 마진이 영하로 떨어집니다.이 디자인은 99.9% 이상으로 마감할 수 없습니다.

몬테카를로 밴드 확인하기

몬테카를로 결과 (10,000회 시험) 보고서:

• p5 마진: +1.2 dB
• p50 마진: +3.7 데시벨
• p95 마진: +6.4 데시벨

p5 마진이 +1.2dB라는 것은 운영 시나리오의 5% (EIRP 드리프트, G/T 변동, 포인팅 오차, 섬광 및 강우량 불확실성 고려) 에서 마진이 1.2dB로 떨어진다는 것을 의미합니다.이는 여전히 긍정적입니다. 즉, 링크가 닫히긴 했지만 여유 공간이 거의 없습니다.

p5와 p95 사이의 비대칭성 (공칭 강우량보다 낮은 2.6dB과 높은 2.7dB) 은 로그 정규 강우량 분포를 반영합니다. 즉, 강우량이 중앙값보다 훨씬 높을 수는 있지만 0까지 내려가는 경우는 거의 없습니다.

실제로 필요한 여백은 얼마입니까?

99.5% 의 가용성 목표를 가진 VSAT 서비스의 경우 3.8dB의 명목 마진과 +1.2dB p5 마진은 경계선입니다.마진을 높이는 두 가지 방법:

옵션 1: EIRP를 3dB 높이기 (예: 1.2m 안테나에서 1.8m 안테나로 업그레이드 또는 고전력 BUC 추가).가용성 곡선이 3dB 올라가고 이제 링크는 +0.5dB 마진으로 99.9% 에서 닫힙니다.

옵션 2: 비가 더 좋은 기후 지역으로 이동하십시오. 30°N (아열대) 에서 동일한 링크의 경우 “MATHINLINE_5" = 70mm/h로 북위 48°보다 나쁩니다. 하지만 55°N (아북극) 에서는 “MATHINLINE_6"이 시간당 18mm로 떨어지므로 빗물 감쇠량이 6.8dB에서 3.2dB로 감소합니다.링크 마진은 7.4dB로 증가합니다. 옵션 3: 다른 위성 아크 위치를 선택하여 고도 각도를 높이십시오.고도가 38°에서 55°로 올라가면 경사 경로 길이가 줄어들어 빗물 감쇠를 약 1.5dB 줄이고 기체 손실을 0.2dB 줄일 수 있습니다.

이 분석의 주요 설계 규칙

1.KU-band에서는 빗물 감쇠를 최우선으로 고려하십시오. 99% 이상의 모든 가용성에서 마진 예산을 압도합니다.하드웨어 예산 (EIRP, G/T) 은 목표 가용성에서 빗발치는 상황을 극복할 수 있도록 규모를 조정해야 합니다. 2.p5 MC 마진은 공칭 마진이 아니라 엔지니어링 설계 포인트입니다.명목 마진은 평균 조건에서만 유지되는 낙관적 추정치입니다.p5 결과를 기준으로 마진을 할당하세요. 3.가용성은 감쇠에 따라 비선형적으로 확장됩니다. 온화한 기후에서 14GHz에서 99.9% 로 증가하려면 약 5-7dB의 추가 마진이 필요합니다.그렇기 때문에 Ku 대역에서 99.99% 가용성을 유지하려면 매우 높은 EIRP나 매우 낮은 데이터 속도가 필요합니다.

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*관련 도구: [링크 버짓 계산기] (/계산기/rf/링크-예산), [EIRP 계산기] (/계산기/안테나/EIRP-계산기), [노이즈 피겨 캐스케이드] (/계산기/rf/노이즈 피겨 캐스케이드) *