CC BY
40
РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.391 С. Н. НАЗАРОВ
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЁМНИКОВ И ПЕРЕДАТЧИКОВ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ И ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ РЕТРАНСЛЯТОРОВ НА ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ СПУТНИКОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ
Приводятся основные положения методики оценки влияния характеристик элементов спутниковой сети связи на эффективность её функционирования.
Ключевые слова: геостационарная орбита, спутник-ретранслятор, земная станция, расчёт энергетических соотношений
Введение
Решение вопроса предоставления современных телекоммуникационных услуг авиапассажирам приобретает большое значение. В настоящее время авиапассажир во время полёта на воздушном судне не имеет возможности осуществлять доступ к ресурсам глобальных и других сетей. Такое положение дел является серьёзным неудобством для значительной части абонентов телекоммуникационных сетей. В условиях жёсткой конкуренции авиационные компании могут повысить свою конкурентоспособность за счёт предоставления авиапассажирам широкого спектра инфокоммуникационных услуг, реализуемых гибридной сетью беспроводной передачи информации (ГСБПИ)[ 1,2,3].
В статье рассматривается возможность реализации основных положений ГСБПИ на основе существующей беспроводной авиационной электросвязи (БАЭС), приводится анализ влияния характеристик элементов спутниковой сети связи, как составной части ГСБПИ, на эффективность её функционирования.
Постановка задачи
Предлагаемая структура БАЭС, в которой реализуются основные положения ГСБПИ, показана на рисунке ¡.Основными элементами являются: подвижные абоненты; точки доступа; центры управления сетью.
Подвижными абонентами являются воздушные суда (ПАВС), осуществляющие перевозку авиапассажиров по определённому маршруту.
©Назарове. Н., 2010
Инфокоммуникационные оборудование ПАВС будет включать: локальную сеть (JICBC), объединяющую в себя инфокоммуникационные места авиапассажиров (ИМАП), автоматизированные рабочие места членов экипажа (АРМЧЭкп); узел коммутации сообщений абонентов (УКСО); узел подключения ЛСВС к внешним информационным сетям (УПВИС).
Для оценки эффективности функционирования ГСБПИ необходимо оценить эффективность функционирования составных элементов, в частности - спутниковой сети связи. Основной характеристикой эффективности спутниковой сети связи (ССС) является пропускная способность спутниковых каналов связи. Она определяется такими параметрами, как: требуемое качество передачи информации, выходная мощность передатчиков и характеристики антенных систем земных станций (ЗС) и бортовых ретрансляционных комплексов (БРТК) ретранслятора, структура передаваемых радиосигналов, собственные шумы используемой приёмной и передающей аппаратуры, характеристики внешних источников шумов и помех, аппаратурные потери, потери полезного сигнала на трассе распространения. На обоих участках составного спутникового канала связи ощущается дефицит энергетики, обусловленный в радиолиниях «вверх» стремлением к снижению размеров, мощности передатчиков и соответственно стоимости земных станций, а радиолиниях «вниз» - достаточно жёсткими ограничениями на массогабаритные характеристики и энергопотребление бортовых систем. Поэтому необходима оценка влияния параметров приёмопередающей аппаратуры и окружающей среды на основные характеристики
Борт самолета (ПАВС)
автоматизированное место авиапассажира (ИМАП)
автоматизированное место авиапассажира (ИМАП)
А
/
\
/
и
ссс
автоматизированное рабочее место пилота
(АРМЧЭ)
УКСО
\|/ \|/ М/
модем модем модем
ССС 802.16 ДКМД
радиосвязи диапазона
сеть широкополосного
доступа
Рис. 1. Предлагаемая структура гибридной сети беспроводной передачи
информации авиационной электросвязи
каналов ССС. Такая оценка позволяет определить рациональную мощность передатчиков, размеры антенн, предельную скорость передачи информации, найти оптимальные и близкие к ним диапазоны рабочих частот, значительно снизить энергетический запас, что позволяет исключить неоправданную сложность и стоимость аппаратуры связи [4].
ф
Основные положения методики расчёта энергетических соотношений в спутниковых каналах связи
В составе аппаратуры ЗС и геостационарных спутников-ретрансляторов (ГСР) обычно используют приёмопередающие антенны с круглой апертурой. Коэффициент усиления этих антенн в направлении максимума излучения определяется соотношением [5]:
С = К„п
\
X
/
(1)
где Б - диаметр антенны, X - рабочая длина волны, Ки < 1 - коэффициент использования поверхности 'антенны, учитывающий затенение части поверхности отражателя облучателем, его опорами и неидеальность диаграммы направленности облучателя. В зависимости от диаметра антенны и её конструктивных особенностей Ки = 0,5-0,7.
Ширина диаграммы направленности - б определяется как удвоенное угловое отклонение относительно направления максимального излучения, при котором снижение коэффициента усиления достигает заданного порогового значения (как правило, 3 дБ).
© »-1?-- (2)
0[м]ЦГГц ]
Из (3) можно установить взаимосвязь между коэффициентом усиления и шириной диаграммы антенны [5].
^ 35530К
0 =-5—5-. (3)
0
Согласно (4), коэффициент усиления и ширина луча связаны обратной зависимостью: антенна с высоким коэффициентом усиления имеет узкий луч, и наоборот. Основной характеристикой приёмных антенн является эффективная площадь, определяемая следующим соотношением [5]:
Ээф
тгР 4
(4)
При наведении антенн ЗС на ретранслятор величина потерь наведения определяется угловым отклонением оси основного лепестка ДН антенны от истинного направления на ретранслятор, а таюке шириной и формой этого лепестка. С учётом ошибок наведения максимальный диаметр антенны с фиксированным наведением определяется из выражения:
9д/Ьр[раз]-1
DmaxM =
г + h
f [ГГц] arcsinp-sin 5]
(5)
где 5 - максимальная угловая неопределённость ГСР относительно номинальной точки стояния.
Основным параметром приёмников являются коэффициент усиления, полоса пропускания и коэффициент шума Ыпр, определяемый в основном коэффициентом шума входного малошумя-щего усилителя (МУ). Собственные шумы приёмника часто характеризуются его шумовой температурой - Тпр. Между коэффициентом шума и шумовой температурой существует одно-
пгготпшгг лплог I Ч !•
ОПСПШЛ КуОЛУО
Тпр = 290(Нпр -1)[° К]. (6)
Эквивалентная шумовая температура приёмной системы (антенны, фидерного тракта и собственно приёмника), приведённая ко входу приёмника, определяется следующим соотношением [5]:
Т L -1 Т - — + 290—-+ Т
Ъ
L.
пр
(7)
Ф ^Ф
где Тд - эквивалентная шумовая температура приёмной антенны; Ьф - потери в фидерном тракте, определяемые как отношение мощностей на входе и выходе тракта. Мощность полезного сигнала на входе приёмника равна:
4*г>Ь ' (8)
где Рп и вп - соответственно, мощность передатчика и коэффициент усиления передающей антенны; Ээф - эффективная площадь приёмной антенны; г - дальность связи; Ь - суммарные
потери мощности полезного сигнала на трассе распространения; 0„ - коэффициент усиления приёмной антенны; X - рабочая длина волны. Потери в свободном пространстве определяются следующим выражением [4].
Ьсв = 1.75*1015 (г[тыс.км])2(Г[ГГц])2, (9)
Для обеспечения требуемого качества передачи цифровой информации необходимо обеспечить вполне определённое пороговое отношение энергии принимаемых двоичных символов - Е к спектральной плотности мощности шума-М0:
" N о СкТ
(10)
где т - длительность передаваемых двоичных символов; С = 1/т - пропускная способность канала связи (это справедливо при достаточно малой вероятности ошибочного приёма двоичных символов, что всегда выполняется на практике). Тогда пропускная способность канала связи определяется как [4]:
Шт Рс _ рпСАф
_эиим*0
hükT 47ihf,r2LkT lÓTih^rLkT" kh~LCBL
(П)
П
где ЭИИМ = PnGn - эквивалентная изотропно излучаемая мощность; Q = Gnp /Т - добротность приёмной системы.
Основными факторами, определяющими выбор рабочих частот для спутниковых сетей связи, являются наличие на трассе распространения радиосигналов атмосферы Земли и внешних источников шума, принимаемых антеннами ЗС и ретрансляторов. Затухание радиоволн в невозмущённой атмосфере обусловлено в основном
поглощением кислородом и водяным паром тро-
• • •
посферного слоя, а также ионосферой [5]:
т r ^ h kLk+h„L
L с [дБ] = ~¡
sin у
в в
(12)
где Ив - эквивалентная толщина слоя водяного пара; - эквивалентная высота слоя кислорода; Ьв - удельное поглощение водяным паром; Ьк -удельное поглощение кислородом; у - угол возвышения. Основные расчётные зависимости приведены в [4, 5].
Наиболее полной и строгой моделью затухания радиоволн в дожде является модель Крейна [6]. Приемлемую для практики точность обеспечивает упрощённая методика, базирующаяся на допущении об однородности свойств дождя в пределах всего объёма дождевого слоя [7]. Потери сигнала в дожде рассчитывают по эмпирической формуле
Ьд = а!ь 1[дБ ] 5 (13)
Рис. 2. Частотная зависимость затухания радиоволн в атмосфере Земли в диапазоне
1-10 ГГц: без учёта дождя «■■■■■■■■■■■■■■■
с учётом дождя ——
где 1 - длина пути сигнала в дождевом слое; а, Ь - вспомогательные коэффициенты, определение данных величин показано в [4, 5, 6, 7].
В соответствии со средним уровнем осадков на поверхности Земли выделены 14 разновидностей климатических зон. Эффективным средством снижения потерь мощности сигнала в радиолиниях «вниз» является использование техники разнесённого приёма. Анализ показывает, что в точках приёма, удалённых на расстояние около 20 км, параметры атмосферы практически некоррелированы [8]. Затухание сигналов с учётом дождя приведено на рисунках 2, 3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Назаров, С. Н. Оценка характеристик гибридной беспроводной сети передачи информации с использованием методов теории очередей /С. Н. Назаров // Автоматизация процессов управления. - 2009. -№ 3. - С. 60-64.
2. Назаров, С. Н. Основные положения методики определения места расположения сети уда-
0
ленных взаимосвязанных радиоцентров-ретрансляторов / С. Н. Назаров // Инфокоммуни-кационные технологии. - 2009. - Т.7, № 2. -С. 79-82.
3. Назаров, С. Н. Применение динамического программирования при распределении пространственного ресурса радиосвязи декаметро-вого диапазона / С. Н. Назаров // Инфокоммуни-кационные технологии. -2007. - Т.5, № 2. -С. 70-74.
Рис. 3. Затухание радиоволн в атмосфере Земли с учётом дождя в диапазоне 10-30 ГГц:
а - приём на одну антенну, б - разнесённый
приём
4. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: учеб. пособие / В. Е. Камнев, В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. - М. : «Альпина Паблишер», 2004. -536 с.
5. Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника. - М. : Советское радио, 1976, Т. 1. -455 с.
6. Crane, R. К. Prediction on attenuation by rain. — IEEE Transaction on Communications, COM-28, №.9, September, 1980.
7. Ippolito, L. J. Propagation effects handbook for satellite systems design. A summary of propagation impairments on 10 to 100 GHz satellite links with techniques for system design. — NASA Reference Publication 1082 (4), N89-17060, February 1990.
8. Christopher, P. Atmospheric attenuation for correlated satellite communications ground sites. -Proceedings of the International Communications Conference,. Boston, June, 1983.
Назаров Сергей Николаевичу кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УВАУ ГА (института), докторант УлГТУ с 2008 г., круг интересов: системы и сети беспроводной связи, математические методы моделирования.
