위성 링크 예산: ITU-R 모델 및 몬테카를로

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.플러스 마진?링크가 작동합니다.마이너스 마진?그렇지 않아요.

여기 문제가 있어요.실제 위성 링크는 단일 지점에서 작동하지 않습니다.비가 오면 신호가 흐려집니다.송신기 전력은 온도에 따라 변동합니다.마운트가 완벽하지 않거나 바람이 불기 때문에 안테나가 축에서 약간 벗어난 방향을 가리킵니다.대기의 섬광은 변동이 심합니다.단일 예산으로는 이 모든 것을 담을 수 없습니다. 특정 가용성 목표의 명목상 조건에서 어떤 일이 발생하는지는 알려주지만, 매개변수가 여기저기 돌아다니기 시작할 때 결과가 얼마나 민감한지는 알 수 없습니다.

대부분의 엔지니어는 민감도 분석을 건너뛰고 나중에 첫 번째 폭풍이 닥쳤을 때 연결이 끊어지면 후회합니다.링크가 닫히는지 여부뿐만 아니라 실제 상황이 스프레드시트에서 가정했던 것과 달라지기 시작할 때 실제로 얼마나 여유가 있는지 이해해야 합니다.

이 게시물에서는 Satellite Link Budget 도구를 사용하여 Ku 대역 VSAT 링크를 설계하고, 가용성 요구 사항을 충족하는지 검증하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 상황이 복잡해질 때 마진이 실제로 어느 정도인지 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°C의 중부 유럽에 있습니다. 뮌헨이나 비엔나 주변을 생각해 보세요.우리는 14GHz의 표준 Ku 대역 업링크 할당으로 운영되고 있습니다.

rftools.io/tools/sat-link-budget 의 도구에 이를 입력하고 분석 실행을 클릭합니다.이 도구는 빗물에 대한 P.618, 기체 흡수에 대한 P.676, 구름의 경우 P.840, 대류권 신틸레이션의 경우 P.453과 같은 완전한 ITU-R 전파 모델 제품군을 구현합니다.

링크 버짓 테이블 읽기

이 도구는 경로의 모든 손익 기간을 세분화한 라인별 예산을 반환합니다.

공칭 마진은 3.8dB입니다.언뜻 보기에 편안해 보입니다. 헤드룸이 거의 4dB에 달합니다.하지만 각 용어마다 비용이 얼마나 드는지 보세요.빗물 감쇠량만으로도 6.8dB를 소모하고 있는데, 이 정도면 설계가 가능한 시점이지 최악의 경우는 아닙니다.이 예산은 생각보다 빠듯합니다.

여유 공간 경로 손실이 지배적

207.3dB의 경우 여유 공간 경로 손실은 단연코 예산 중 가장 큰 손실 기간입니다.기하학과 물리학에 의해 결정됩니다. 빈도를 늘리거나 (비가 더 심해지도록) 높은 궤도를 사용하는 것 (거리를 늘리면 FSPL이 더 나빠짐) 외에는 이를 줄일 수 있는 방법이 없습니다.GEO 위성 링크의 경우 FSPL 범위는 주파수와 고도각에 따라 일반적으로 195—213dB입니다.

이것이 위성 링크 예산에 지상파 마이크로파 링크에 비해 높은 EIRP 및 G/T 값이 필요한 이유입니다.6GHz에서 50km 떨어진 지상 경로의 FSPL은 GEO 위성의 경우보다 약 142dB — 65dB 더 적습니다.몇 와트 단위의 안테나와 적당한 안테나로 지상파 링크를 닫을 수 있습니다.위성의 경우 확산되는 손실을 극복하기 위해서는 킬로와트의 EIRP (또는 이에 상응하는 안테나 게인) 가 필요합니다.

FSPL 계산은 간단합니다.

여기서$d$단위는 킬로미터 단위이고$f$단위는 GHz입니다.14GHz 및 35,786km에서는 207.3dB가 나옵니다.주파수를 두 배로 늘릴 때마다 6dB가 손실됩니다.거리를 두 배로 늘릴 때마다 6dB가 더 손실됩니다.우회할 방법이 없어요.

99.5% 가용성의 빗물 감쇠

북위 48도에서 0.01% 를 초과하는 ITU-R P.837의 강우 속도 (가용성 99.99% 에 해당) 는 시간당 약 42mm입니다.폭우이긴 하지만 극심한 폭우가 몰아치는 것은 아닙니다.고도가 38°인 14GHz의 P.618 모델은 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 특정 감쇠:$\gamma = 0.0367 \times 42^{1.154} \approx 2.4$dB/km
• 유효 강우 높이:$h_R \approx 3.5$km
• 빗속을 통과하는 경사 경로:$L_R \approx 5.7$km

-$A_{0.01} \approx 13.7$dB (정전 0.01% 시 = 99.99% 가용성)

이제 우리는 99.99% 의 가용성을 목표로 설계하는 것이 아니라 99.5% 를 목표로 설계하고 있습니다. 이는 훨씬 더 완화된 목표입니다.ITU-R P.618 모델은 거듭제곱 법칙 관계를 사용하여 감쇠를 축소합니다.P.618 수식 6을 사용하여 가동 중단 비율을 0.5% (99.5% 가용성) 로 조정했습니다.

설계 가용성 지점에서의 이러한 6.8dB의 빗물 감쇠는 3.8dB 마진의 거의 2/3를 소비합니다.이것이 바로 구속력 있는 제약입니다.비는 특히 온대 및 열대 기후에서 Ku-band 링크를 죽이는 원인입니다.Ka 대역은 훨씬 더 나쁩니다. 20GHz에서의 특정 감쇠는 동일한 강우 속도에서 14GHz에서보다 약 3배 더 높습니다.

가용성 곡선을 보면 전체 상황을 알 수 있습니다. 가용성이 약 99.8% 일 때 마진은 영하로 떨어집니다.이 설계는 추가 EIRP나 더 큰 안테나 없이는 99.9% 이상으로 마감할 수 없습니다.고객이 다시 와서 99.9% 의 가용성을 요구한다면 어딘가에서 5dB를 더 찾아야 할 것입니다.

몬테카를로 대역 확인

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 EIRP 드리프트, G/T 변동, 포인팅 오차, 섬광 및 강우 속도 불확실성을 고려한 운영 시나리오의 5% 에서 마진이 1.2dB로 떨어진다는 것을 의미합니다.이는 여전히 양수이므로 링크가 닫히긴 하지만 여유 공간이 거의 없습니다.예상하지 못했던 1dB 케이블 손실 또는 마운트의 열 팽창으로 인한 0.5dB 포인팅 오차가 발생하면 갑자기 0.2dB 마진이 됩니다.그곳은 편안하게 지낼 수 있는 곳이 아니죠.

p5와 p95의 비대칭성이 흥미롭네요.p5에서는 마진이 공칭 값보다 2.6dB 낮아지지만, p95에서는 공칭 마진보다 2.7dB 증가합니다.이는 로그 정상 강우량 분포를 반영합니다. 폭풍우가 몰아칠 때는 강우량이 중앙값보다 훨씬 높을 수 있지만 0으로 내려가는 경우는 거의 없습니다 (항상 대기 손실이 발생합니다).이 분포의 꼬리는 길어서 감쇠량이 더 커집니다.

3.7dB의 p50 마진은 공칭 3.8dB에 가깝습니다. 이는 명목형 계산이 합리적인 중앙 추정치임을 나타냅니다.하지만 공칭 마진으로 설계하는 것은 낙관적입니다.실제 상황에서 링크를 안정적으로 사용하려면 p5 마진으로 설계해야 합니다.

실제로 필요한 마진은 얼마입니까?

99.5% 의 가용성 목표를 가진 VSAT 서비스의 경우 3.8dB의 명목 마진과 +1.2dB p5 마진은 경계선입니다.모든 것이 순조롭게 진행된다면 무사히 버릴 수도 있지만, 패킷 손실로 인한 폭풍우 또는 구성 요소 노후화 문제가 발생할 수 있습니다.마진을 높이는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.

옵션 1: EIRP를 3dB 높이십시오. 1.2m 안테나에서 1.8m 안테나로 업그레이드하면 게인이 약 3.5dB 더 늘어납니다.또는 고전력 BUC를 추가하면 5W에서 10W로 전환하면 3dB를 얻을 수 있습니다.어느 쪽이든 가용성 곡선은 3dB 위로 올라가고 이제 링크는 +0.5dB 마진으로 99.9% 로 닫힙니다.p5 마진은 +1.2dB에서 +4.2dB로 증가하므로 훨씬 더 편합니다. 옵션 2: 비가 더 좋은 기후대로 이동하세요. 같은 30°N (휴스턴이나 카이로와 같은 아열대 지역) 지대의 경우$R_{0.01}$속도는 시속 70mm로 북위 48°보다 더 심합니다. 빗물 감쇠는 최대 10dB까지 올라가며 마진은 사라집니다.그러나 북위 55°N (에든버러 또는 코펜하겐과 같은 아북극) 에서는$R_{0.01}$이 시간당 18mm로 떨어지면서 빗물 감쇠량이 6.8dB에서 3.2dB로 감소합니다.링크 마진은 7.4dB까지 올라갑니다.Ku 대역에서는 지리가 매우 중요합니다. 옵션 3: 다른 위성 아크 위치를 선택하여 고도 각도를 높이십시오.고도가 38°에서 55°로 올라가면 빗물을 통과하는 경사 경로 길이가 줄어들어 빗물 감쇠량을 약 1.5dB 줄이고 기체 손실을 0.2dB 줄일 수 있습니다.고도가 높을수록 신틸레이션 이벤트 시 페이드 마진도 향상됩니다.위성을 전환할 수 있는 옵션이 있다면 고도가 높은 새가 더 좋은 링크 성능을 제공하는지 확인해 보는 것이 좋습니다.

실제로 대부분의 VSAT 통신 사업자는 옵션 1 (안테나가 크거나 더 높은 전력) 을 선택합니다. 옵션 1은 직접 제어할 수 있기 때문입니다.날씨를 바꿀 수 없고 항상 어떤 위성을 사용할지 선택할 수는 없지만 문제가 발생하면 언제든지 EIRP를 더 많이 투하할 수 있습니다.

이 분석의 주요 설계 규칙

우선, KU-band에서는 빗물 감쇠를 먼저 설계해야 합니다.99% 가 넘는 모든 가용성에서 마진 예산을 압도합니다.하드웨어 예산 (EIRP, G/T) 은 목표 가용성이 빗발치는 상황을 극복할 수 있도록 규모를 조정해야 합니다.기체 흡수, 구름, 섬광 등 그 밖의 모든 것은 부차적인 문제입니다.비가 당신을 죽이는 거죠.

둘째, p5 몬테카를로 마진은 명목 마진이 아니라 엔지니어링 설계 포인트입니다.명목 마진은 평균 조건에서만 유지되는 낙관적 추정치입니다.최저 수준으로 설계하면 정전이 발생할 수 있습니다.p5 결과에 마진을 할당하면 현장에서 실제로 작동하는 링크를 만들 수 있습니다.

셋째, 가용성은 감쇠에 따라 비선형적으로 확장됩니다.온화한 기후에서 14GHz에서 99.5% 에서 99.9% 로 증가하려면 약 5-7dB의 추가 마진이 필요합니다.이것이 바로 KU 대역에서 99.99% 의 가용성을 보장할 수 있는 이유이기도 합니다. 매우 높은 EIRP나 매우 낮은 데이터 속도 (또는 적응형 코딩 및 변조, 이건 전혀 다른 얘기죠).가용성의 마지막 0.5% 는 비용이 많이 듭니다.

새 VSAT 네트워크를 설계하는 경우 몬테카를로 분석을 조기에 실행하세요.마진 가정이 너무 낙관적이었다는 사실을 깨닫기 위해 현장 정전 문제를 해결할 때까지 기다리지 마세요.rftools.io/tools/sat-link-budget 에 있는 도구를 사용하면 하드웨어를 사용하기 전에 실제 전파 조건을 기준으로 설계를 간단하게 검증할 수 있습니다.

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관련 도구: 링크 버짓 계산기, EIRP 계산기, 노이즈 피겨 캐스케이드