위성 링크 예산: 비, 흡수량 및 이용 가능 여부

위성 링크가 다른 이유

다음은 위성 시스템을 실제로 구축하기 전까지는 대부분의 사람들이 깨닫지 못하는 사실입니다. 두 개의 고정 타워 사이의 지상 마이크로파 연결은 경로 손실을 계산하고 나면 거의 지루할 지경입니다.빗물 마진을 몇 dB 정도 더하고, 방심할 때는 조금 더 늘리면 끝입니다.10GHz 이상의 위성 링크?완전히 다른 괴물.

열대성 호우 시 20GHz의 빗물 감쇠로 인해 20dB 이상의 손실이 발생할 수 있습니다. 폭우가 몰아치는 것이 아니라 실제 폭풍처럼 말입니다.한편, 산소와 수증기로 인한 기체 흡수는 고도에 따라 0.5—3dB가 추가되어 조용히 유지됩니다.높은 각도에서 올려다보면 흐린 액체 상태의 물이 1~2dB를 더 내뿜습니다.이 모든 과정을 거치면서 시스템은 지정된 가용성 목표 (예: 1년 중 99.9%) 를 달성해야 합니다. 그래도 연간 8.76시간의 정전 시간을 감안해야 한다는 사실을 깨닫기 전까지는 괜찮을 것 같습니다.

ITU-R은 강우량 통계를 실제 물리적 의미가 있는 감쇠 초과 확률로 변환할 수 있는 일련의 전파 모델을 발표했습니다.위성 링크 버짓 분석기는 비와 섬광의 경우 P.618-13, 기체 흡수에 대한 P.676-13, 구름 감쇠의 경우 P.840-8을 직접 구현합니다.외부 라이브러리 종속성도 없고 블랙박스 계산도 필요 없습니다.이 도구는 이러한 모델을 강우량, 포인팅 손실, EIRP 및 G/T를 변화시키는 몬테카를로 시뮬레이션과 결합하여 배포된 시스템의 복잡한 현실을 실제로 반영하는 연간 가용성 곡선을 생성합니다.

예: Ka 대역 다이렉트 브로드캐스트 다운링크

차이점을 명확히 알 수 있는 실제 시나리오를 살펴보겠습니다.우리는 온화한 해양 기후 어딘가에서 60cm 소비자 요리에 공급할 수 있는 Ka 대역 직접 방송 위성 다운링크, 특히 19.7—20.2GHz 대역을 살펴보고 있습니다.이로 인해 우리는 ITU-R 레인 존 K에 속하게 되는데, 여기서 강우량은 연간 0.01% (R.) 를 초과한 시간당 30mm입니다.최악의 지역은 아니지만, 그렇다고 온순한 것도 아닙니다.

작업 중인 링크 파라미터는 다음과 같습니다.

이러한 Eb/N0 요구 사항은 DVB-S2 8PSK 3/4 코딩에서 비롯됩니다. 8PSK 3/4 코딩은 사용 가능한 대역폭에서 적절한 스펙트럼 효율을 끌어내는 상당히 공격적인 변조 방식입니다.견고성을 높이려면 QPSK 1/2로 돌아갈 수 있지만 처리량은 희생될 수 있습니다.

명목상의 클리어 스카이 버짓 계산

기본부터 시작하세요.GEO 거리에서 20GHz에서의 여유 공간 경로 손실은 상당합니다.

큰 수치이긴 하지만 결정적입니다.지오메트리는 변하지 않습니다 (많이, 자세히 알아보겠습니다).

이 툴은 첫 번째 원칙에 따라 수신한 캐리어 대 노이즈 밀도 비율을 계산합니다.

여기서 k = −228.6 dBW/k/Hz는 볼츠만 상수입니다.이제 대기 물리학이 필요한 시점입니다.35° 고도 각도에서 P.676 기체 흡수 모델은 약 0.8dB의 산소 및 수증기 흡수율을 제공합니다.이 수치는 표면 습도 및 온도에 따라 크게 달라집니다. 이 도구는 ITU-R 표준 기준 대기를 사용하지만 실제 배포 시에는 현지 조건을 확인해야 합니다.P.840 구름 모델은 액체 수로를 10g/m²로 가정할 때 0.3dB를 더 추가하는데, 이는 중위도의 비가 내리지 않는 구름에서 일반적으로 나타나는 현상입니다.

숫자를 대입해 보세요. 맑은 하늘 C/N0 = 52 − 209.5 − 0.8 − 0.3 + 12.8 + 228.6 = 82.8dBHz입니다.

심볼 레이트가 45Mps인 경우 노이즈 대역폭은 10·로그( 45×10) = 76.5dBHz입니다.따라서 우리의 Eb/N0 = 82.8 − 76.5 = 6.3dB입니다.잠시만요. DVB-S2 디코더가 안정적으로 잠기려면 7.2dB가 필요합니다.맑은 하늘에서도 0.9dB 정도 짧아집니다.

사실 정확한 G/T를 사용하여 좀 더 신중하게 다시 계산해 보겠습니다. 65% 효율의 0.60m 접시를 사용할 때 수신 게인은 약 10·log( η · (π·d·F/c) ²) = 10·log( 0.65· (π·0.6·20×10/3×10) ²) ≈ 41.6dBi입니다.시스템 온도는 150K (21.8dBk) 이므로 G/T = 41.6 − 21.8 = 19.8dB/k입니다. 이 테이블 값을 수정해 보겠습니다. 12.8dB/k는 너무 비관적이었습니다.

G/T를 수정한 경우: C/N0 = 52 − 209.5 − 0.8 − 0.3 + 19.8 + 228.6 = 89.8 dBHz.Eb/N0 = 89.8 − 76.5 = 13.3 데시벨.이제 13.3 − 7.2 = 6.1dB의 맑은 하늘 여백이 생겼습니다.훨씬 나아졌어요.하지만 잠시만요. 그 여백은 모두 비에 먹힐 거예요.

ITU-R P.618 빗물 감쇠

P.618-13 빗물 감쇠 모델은 흥미로운 부분입니다.빗물 지대와 지오메트리를 기반으로 해당 연도의 p%가 초과한 감쇠량을 계산합니다.계산 순서:

1.특정 빗물 감쇠: γ_R = k × R.^α.20GHz 수평 편광에서 P.838 계수는 k ≈ 0.0751과 α ≈ 1.099입니다.R.= 30 mm/hr일 때, γ R = 0.0751 × 30^1.099 ≈ 2.85 dB/km입니다.

2.비를 통과하는 효과적인 경사 경로: L_S = (H_r − H_s) /sin (θ). 여기서 H_r은 강우 높이 (0°C 등온선 데이터에서 중위도에서 약 3.5km), H_s는 관측소 높이 (해수면 가정), θ = 고도 35°입니다.따라서 L_S = 3.5/sin (35°) ≈ 6.1km입니다.

3.수평 감소 계수: 빗물 세포의 수평 범위가 유한하기 때문에 빗물을 통과하는 실제 경로는 기하학적 경사 경로보다 짧습니다.P.618은 위도와 빈도에 따라 달라지는 감소 계수 r.를 적용합니다.북위 45°N 및 20GHz에서는 r.≈ 0.36.

4.감쇠량이 연도의 0.01% 를 초과했습니다: A.= γ R × L_S × r.= 2.85 × 6.1 × 0.36 ≈ 6.3 데시벨.이는 페이드 깊이가 연간 약 52분을 초과한 수치입니다.

5.다른 백분율로 스케일링: P.618 수식 6은 거듭제곱 법칙 스케일링을 제공합니다.연중 0.1% (가용성 99.9%) 의 경우 감쇠량은 대략 A.≈ A.× 0.12 ≈ 0.76dB입니다.잠시만요, 앞서 말씀드린 내용과 일치하지 않습니다.정확한 P.618 공식을 사용하여 다시 계산해 보겠습니다. 이 공식은 단순한 거듭제곱 법칙보다 복잡하고 위도와 주파수 의존성을 포함합니다.

실제로 P.618 모델은 A_p = A.× (p/0.01) ^ [− (0.655 + 0.033·ln (p) − 0.045·ln (A.) − β· (1−p) ·sin (θ))] 을 사용합니다. 여기서 β는 위도의 함수입니다.p = 0.1% 이고 우리의 기하학적 구조인 경우 이것은 A..≈ 3.2dB가 됩니다.

따라서 99.9% 가용도에서 6.1dB의 맑은 하늘 마진과 3.2dB의 빗물 감쇠를 통해 6.1 − 3.2 = 2.9dB의 잔여 마진을 얻을 수 있습니다.이렇게 하면 거의 근접했지만 엄밀히 따지자면 링크가 닫힙니다.

몬테카를로: 불확실성을 동반한 가용성 곡선

명목형 계산의 문제점은 다음과 같습니다. 모든 것이 정확히 설계 중심값에 있다고 가정한다는 것입니다.현실 세계에서 위성 EIRP는 우주선 수명 기간 동안 ±1dB 표류합니다. 즉, 위성이 새로워지면 빔 중심에 있지만, 노후화되고 트랜스폰더 성능이 저하되면 0.8dB 낮아질 수 있습니다.포인팅 손실은 접시에 가해지는 바람 하중, 마운트의 열 팽창, 심지어 겨울에 쌓이는 얼음의 무게 때문에 ±0.5dB까지 다양합니다.그리고 ITU-R 레인 존 경계는?이는 희소한 우량계 데이터에 대한 통계적 적합성입니다.실제 위치는 구역 평균보다 20% 더 습할 수 있습니다.

다양한 EIRP (±1dB 균일), 포인팅 손실 (0~1dB), G/T (±0.5dB), 강우 속도 (± 20% 로그-정상) 에 따라 100,000번의 시도로 몬테카를로 시뮬레이션을 실행합니다.가용성 곡선 출력은 페이드 마진을 추가한 함수로 연간 가용성의 중앙값, 10번째 백분위수 및 90번째 백분위수를 보여줍니다.

10번째 백분위수 열을 보세요.시스템 성능의 10백분위수 (즉, 배포된 터미널의 90% 가 사양을 충족함) 에서 99.9% 의 가용성 (사양) 을 보장하려면 공칭 계산보다 3dB의 추가 페이드 마진이 필요합니다.

어떻게 하면 3dB를 얻을 수 있을까요?접시의 크기를 60cm에서 약 75cm로 늘립니다 (조리개가 클수록 3dB 증가함).또는 DC 전력 예산이 충분하고 열 마진이 있다면 위성 트랜스폰더를 더 높은 전력으로 작동시키세요.또는 8PSK 3/4 대신 QPSK 1/2로 더 강력한 변조로 전환하면 데이터 속도를 거의 절반으로 줄일 수 있습니다.

대부분의 통신 사업자는 이 점을 과소평가합니다.이들은 중간값 케이스에 맞춰 설계한 다음 폭풍우가 몰아치는 동안 고객 기반의 10% 가 이탈하면 화를 내며 전화를 겁니다.몬테카를로는 밤에 잠을 잘 때 실제로 어느 정도의 여유가 필요한지 알려줍니다.

지상파 모드와 위성 모드

도구에서 링크 유형을 “지상”으로 전환하고 동일한 ITU-R 레인 모델을 사용하여 고정된 포인트-투-포인트 마이크로파 링크를 모델링합니다. 하지만 이제는 대기를 통과하는 경사 경로가 아니라 단일 레이어 레인 셀이 됩니다.P.838 고유의 감쇠 계수는 동일합니다. 차이점은 비를 통과하는 경로 길이는 궤도 기하학과 강우 높이에서 계산되는 것이 아니라 단지 링크 거리라는 것입니다.

이 모드는 위성 경로를 대체 지상 백홀 경로와 비교할 때 유용합니다.15km를 가로지르는 Ka 대역 위성 홉과 23GHz 지상파 링크 중 하나를 선택하려고 한다고 가정해 보겠습니다.빗물 지대는 같고 주파수 대역은 (대략) 같지만 경로 형상은 매우 다릅니다.지상의 경우 15km 경로 전체가 비에 잠길 수 있기 때문에 실제로 비가 더 심할 수 있습니다. 반면 위성의 경사 경사 경로는 고도 35°에서 강우 높이 6km만 교차할 수 있기 때문입니다.

숫자가 운영상 의미하는 바

상용 방송 사업자의 경우 연간 99.9% 의 가용성은 연간 8.76시간의 서비스 중단으로 이어집니다.엔터테인먼트 서비스의 경우 이 정도는 괜찮습니다. 뇌우로 인해 축구 경기 절반을 놓쳤기 때문에 아무도 여러분을 고소하지 않을 것입니다.

항공 안전 커뮤니케이션 또는 금융 거래 링크를 위해서는 99.99% (연간 52분) 또는 99.999% (연간 5.2분) 가 필요합니다.“9"를 추가할 때마다 약 3-4dB의 마진이 발생하며, 이는 위성 전력, 안테나 크기 또는 둘 다로 직접 환산됩니다.99.999% 링크에는 60cm로 99.9% 링크가 버틸 수 있는 2미터 접시가 필요할 수 있습니다.

몬테카를로 출력은 완벽한 조건을 유지하는 단일 공칭 시스템뿐만 아니라 배치된 전체 터미널 및 위성의 15년 궤도 수명 동안 필요한 마진을 제공합니다.이것이 바로 PowerPoint에서 보기 좋은 종이 링크 버짓과 실제로 현장 성능을 예측하는 배포 신뢰 구간의 차이입니다.대부분의 엔지니어는 화가 난 고객을 개조하기 위해 더 큰 접시를 구입할 때 이 단계를 건너뛰고 나중에 후회합니다.

위성 링크 버짓 분석기