Műholdas kommunikáció terjedés, a műholdas csatorna, adó/vevőállomás

Csurgai-Horváth László, BME-HVT

2019.

Műhold alapegység: a kommunikációs rendszer

Az idetartozó témakörök: Frekvenciasávok

Hullámterjedés, külső hatások, modellek

Az antenna

Műholdas feladóállomás

Műholdas vevőállomás, tervezési megfontolások

A kezdetek…

Miről lesz szó?

• Faraday, Maxwell, Hertz, Tesla… • 1895: jelátvitel 2400 méterre, a rádió születése

Guglielmo Marconi

1874-1937

• Szikrainduktor

• Antenna és földelés

• Kohérer

• Telep

• Csengő

A jel: . . . = ‘S’

Rádiókommunikáció - a kezdetek

… …

A rádióspektrum

Frekvencia [MHz]

Idö

[p

erc

]

590 640 690 740 790

0

10

20

30

40

50

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

DVB-T spektrum, Budapest,

mozgó vétel:

Tremendously low frequency TLF < 3 Hz

> 100,000 km Natural and artificial electromagnetic noise

Extremely low frequency ELF 3–30 Hz

100,000 km – 10,000 km Communication with submarines

Super low frequency SLF 30–300 Hz

10,000 km – 1000 km Communication with submarines

Ultra low frequency ULF 300–3000 Hz

1000 km – 100 km Submarine communication, Communication within mines

Very low frequency VLF 3–30 kHz

100 km – 10 km

Navigation, time signals, submarine communication, wireless heart rate monitors,

geophysics

Low frequency LF 30–300 kHz

10 km – 1 km

Navigation, time signals, AM longwave broadcasting (Europe and parts of Asia),

RFID, amateur radio

Medium frequency MF 300–3000 kHz

1 km – 100 m AM (medium-wave) broadcasts, amateur radio, avalanche beacons

High frequency HF 3–30 MHz

100 m – 10 m

Shortwave broadcasts, citizens' band radio, amateur radio and over-the-horizon

aviation communications, RFID, Over-the-horizon radar, Automatic link

establishment (ALE) / Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) radio

communications, Marine and mobile radio telephony

Very high frequency VHF 30–300 MHz

10 m – 1 m

FM, television broadcasts and line-of-sight ground-to-aircraft and aircraft-to-

aircraft communications. Land Mobile and Maritime Mobile communications,

amateur radio, weather radio

Ultra high frequency UHF 300–3000 MHz

1 m – 100 mm

Television broadcasts, Microwave oven, Microwave devices/communications,

radio astronomy, mobile phones, wireless LAN, Bluetooth, ZigBee, GPS and

two-way radios such as Land Mobile, FRS and GMRS radios, amateur radio

Super high frequency SHF 3–30 GHz

100 mm – 10 mm

Radio astronomy, microwave devices/communications, wireless LAN, most

modern radars, communications satellites, satellite television broadcasting,

DBS, amateur radio

Extremely high frequency EHF 30–300 GHz

10 mm – 1 mm

Radio astronomy, high-frequency microwave radio relay, microwave remote

sensing, amateur radio, directed-energy weapon, millimeter wave scanner

Terahertz or Tremendously

high frequency

THz

or

THF

300–3,000 GHz

1 mm – 100 μm

Terahertz imaging – a potential replacement for X-rays in some medical

applications, ultrafast molecular dynamics, condensed-matter physics, terahertz

time-domain spectroscopy, terahertz computing/communications, sub-mm remote

sensing, amateur radio

Frekvenciasávok (ITU szerint) - szolgáltatások

Föld- Föld Föld- Műhold (űreszköz) Műhold- Műhold (űreszköz-űreszköz)

A terjedés

• Interface a szabad tér és az áramkör között • Műholdas kommunikáció: gyakran parabolaantenna • Prímfókuszos/offset/Cassegrain antenna • Irányítottság, nyalábok • A felületi minőség hatása

Antennák

Alphasat adó/vevőállomás – Graz, Ausztria

Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/1

2][4

)(d

APdP RX

TXWRX

A vett jel teljesítménye izotropikusan sugárzó antennától d távolságban ARX hatásos felületen:

Az antenna nyeresége (ha nem izotropikus antenna): GTX GRX

A vevőantenna nyeresége: (parabolaantenna)

RX2RX A

4G

2

][4

)(

dGGPdP RXTXTXWRX

(Stutzman és Thiele) AARX

↑ hatásfok

Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/2

dGGPdP

dBRXdBTXdBmTXdBmRX

4log20)(

][][][][

Logaritmikus skálán: 001.0

][log10][

WPPdBm

A szakaszcsillapítás:

RXTXRX

TXsz

GG

d

P

Pa

142

][][4log20 dB

RX

dB

TXsz GGd

a

][][][][][log20log2044.32 dB

RX

dB

TX

kmMHzdB

sz GGdfa

Logaritmikus skálán:

384.400 km (átlagos távolság)

Egy példa: Föld- Hold összeköttetés

][][][][][log20log2044.32 dB

RX

dB

TX

kmMHzdB

sz GGdfa

Fading amplitúdó

Idő

Küszöbszint

Esőesemény

Fading

időtartam

Interfading

időtartam

q

Fading

meredekség

Esőesemény

Fading: a rádiócsatorna csillapításának időbeni változása

A fading, mint sztochasztikus folyamat :

Modellek: esőcsillapítás, több utas terjedés, esőcellák mozgása, dinamikus

jellemzők modellezése, csatornamodellek

Eloszlásfüggvények és mesterséges idősor generálás

A fading dinamikus jellemzői:

A fading

A Föld atmoszférája

Kármán-vonal (~100km)

Légköri gázok csillapító hatása

oxigén molekula

vízgőz

A csapadék csillapító hatása

eső

köd

hó

havas eső (sleet)

jég

Az atmoszféra csillapító hatásai

1mm

1.5mm

2mm

E

H

Vízszintes polarizáció

• A gázok energiát nyernek el

• Számottevő: 15 GHz felett

• Oxigén és vízgőz molekulái okozzák

• Oxigén elnyelési vonalai:

• 118,74 GHz

• 50 GHz és 70 GHz között sok

egymáshoz közeli

• alacsonyabb sávban folytonos

sávvá szélesednek

• A vízgőz elnyelési vonalai:

• 23,3 GHz

• 183,3 GHz

• 323,8 GHz

• valamint az infravörös sávban

• A vízgőz csillapítása a

koncentrációval arányos. Standard

koncentráció: 7,5 g/m3

A légköri gázok csillapító hatása

• Havas eső (sleet)

• Kialakulásához jellemző meteorológiai

viszonyok

• Esés közben a jég olvadni kezd, nedves

burok alakul ki, akár 30 dB csillapítást tud

okozni

• Eső

• csillapítása függ:

• frekvenciától

• esőintenzitástól [mm/h]

• esőcseppek átmérőjétől

• okai:

• abszorpció

• szóródás

• polarizáció elfordulás

• 10 GHz felett, főleg a fent említett

csillapítás maximumokon.

• az esőcsepp alakja miatt a vízszintes

polarizációjú hullámot jobban csillapítja

• Jég, hó

• víz megfagy, dielektr. áll.-ja csökken

• csillapítása elhanyagolható

• radomon felhalmozódva csillapít!

• Köd

• inkább optikán (hullámhossz, méret)

A csapadék csillapítása

Esőcsillapítás az esőintenzitás és a frekvencia függvényében

Ls – ferde úthossz,

LG – vízszintes útvetület, hR – effektív eső magasság

Ls = (hR - hs)/sinθ [km], hs – az állomás talaj feletti magassága

Fagyott csapadék

Eső magasság hR

hs

Folyékony halmazállapotú

csapadék

LG h

R - h

s

θ

θ – antenna elevációs szöge,

LG = Ls cosθ [km].

Föld-műhold és földi pont-pont összeköttetések

útvonala

Eső magasság az ITU-R-P839 alapján

Tipikus vételi jelszint időfüggvény (19/39 GHz, műhold)

0 5 10 15 20-150

-140

-130

-120

-110

Ka-b

and [

dB

m]

Ka-band

0 5 10 15 20-150

-140

-130

-120

-110

Q-b

and[d

Bm

]

Q-band

0 5 10 15 200

10

20

Time [hr]

Rain

rate

[m

m/h

]

Rainfall rate

Alphasat Scientific experiment mérés

0 50 100 150

10-4

10-2

100

Rain rate [mm/h]

Pro

ba

bili

ty

Esőintenzitás és csillapítás eloszlásfüggvények

R0.01

0 5 10 15 20 2510

-2

10-1

100

101

102

Exceedance p

robabili

ty [

%]

Attenuation [dB]

Q-band

Ka-band

ITU-R P.618 Q-band

ITU-R P.618 Ka-band

Alphasat, Budapest, 2 év méréséből Budapest, 1 év méréséből

R0.01 értékei az ITU-R-P 837 alapján

Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a

gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/1.

Bemeneti adatok: R0.01 : átlagos éves esőintenzitás az idő 0.01%-ban [mm/óra] az ITU-R P.837 alapján hr : esőmagasság [km] az ITU-R P.839 alapján hs : a vevőállomás tengerszint feletti magassága [km] θ : eleváció [fok] ϕ : földrajzi szélesség [fok] f : frekvencia [GHz] Re : a Föld sugara [8 500 km]

Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a

gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/2.

5° esetén: < 5° esetén: Ez alapján a vízszintes szakaszhossz:

kmsin

)(

sRs

hhL

km

sin)(2

sin

)(2

2/12

e

sR

sRs

R

hh

hhL

LG = Ls cos [km]

Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a

gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/3.

A fajlagos csillapítás kiszámítható az ITU-R P.838 szerinti konstansok alapján: R = k (R0.01) [dB/km] k és függenek a frekvenciától és a polarizációtól

Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a

gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/4.

A vízszintes redukáló faktor az idő 0.01%ra vonatkoztatva: A függőleges redukáló faktor az idő 0.01%ra vonatkoztatva: (A képletben szereplő χ és LR a vevőállomás helyétől és r0.01-től függenek, itt nem részletezzük) Ebből az effektív úthossz: LE = LR 0.01 [km]

GLRG

f

Lr

201.0

e138.078.01

1

45.0–e–131sin1

1ν

2

)1/(–

01.0

f

L RR

Műholdas összeköttetés csillapítás statisztikája a

gyakorlatban: az ITU-R P.618 alkalmazása 5/5.

A csillapítás az idő 0.01%-ban, egy átlagos évben: A0.01 = R LE dB Végül, a csillapítás az idő 0.001-5%-ban: (A képletben szereplő β a vevőállomás helyétől függ, itt nem részletezzük)

dB01.0

)sin)–1(–)n(10.045–)n(1033.0655.0–(

01.0

01.0

pAp

pp

AA

Létrejöttének feltételei:

• a hőmérséklet 0 °C körüli vagy 1,6-6 °C között van

• a páratartalom 70% feletti

• havas eső keveredhet szitáló esővel

• esetleg ködös idő

A havas eső (sleet) csillapítása

Havas eső hatása mikrohullámú összeköttetésen

A köd csillapító hatása

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.5

Sü

rüsé

g[r

ela

tív]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-60

-50

-40

Vé

teli

jels

zin

t[d

Bm

]

72.56 GHz

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-60

-50

-40

Vé

teli

jels

zin

t[d

Bm

]

39.0775 GHz

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

10

20

Esö

inte

nzitá

s[m

m/h

]

Idö [óra]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

Sü

rüsé

g[r

ela

tív]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-1

0

1

2

Csill

ap

ítá

s]

[dB

]

72.56 GHz

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.2

0.4

Fo

lyé

ko

ny v

íz ta

rta

lom

[g/m

3]

Idö [óra]

Infravörös vevő

Infravörös adó

Ködrészecskék

Meghajtó

impulzus

Vett impulzus

A köd sűrűségének mérése:

Laser-disdrometer

•Több utas terjedés, reflexiók

•Mobilitás

• Az adó (műhold) mozog

• A vevő mozog (mobiltelefon, vonat, repülőgép, stb.)

• Az adó és a vevő is mozog (pl. ad-hoc vezeték nélküli hálózat)

• Doppler hatás

•Árnyékolás hatásai (épületek, növényzet)

További hatások

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-10

0

10

20

30

40

50

Idö [perc]

Csi

llapí

tás

[dB

]

Csillapítás LMS csatornán, autópályán mérve

Kommunikációs műholdak, műsorszórás: geostacionárius/geoszinkron pályák

Fix antenna

LEO/MEO műholdak

Több műhold biztosítja a lefedettséget, nem kell követés

Meteorológia, távérzékelés

Követés kell

Bolygóközi missziók, űrszondák

Követés+kis jelszint

Pályák és következmények

172.1 172.15 172.234.634.8

3535.235.435.6

Ele

va

tio

n [

de

g.]

Azimuth [deg]

0 5 10 15 20

-116

-115

-114

RP

[d

Bm

]

Time [hr]

Geoszinkron műhold napi mozgása és jelszint ingadozás (2014.08.16.)

• Fading tartalék

• Adaptív adóteljesítmény-szabályozás

• Forráskódolás (tömörítés)/csatornakódolás (hibajavítás)

• Adaptív moduláció

• Diverziti

A fading elleni védekezés néhány módja

Hullámterjedési mérések–az ESA Alphasat kísérlete

Beacon jelek (modulálatlan vivő sugárzása):

Frekvenciák:

Ka sáv: 19.701GHz

Q-sáv: 39.402 GHz

Polarizáció:

Lineáris V (Ka) / Lineáris 45° (Q)

Adóteljesítmény:

EIRP: 21.5dBW (Ka) és 29.3dBW (Q)

Alphasat Pálya: geoszinkron Pályára állt: 2013 július Működés: 2013 októbertől

Az űrszegmens - Alphasat

Ka/Q band SCIEX antennák

Q/V band COMEX antennák

Egy vevőállomás tervezésének első lépése:

a fading tartalék méretezés

Frekvencia 39.402GHz

EIRP (ekvivalens izotropikus elsugárzott teljesítmény) 29.3dBW

Adóantenna nyeresége 19.5dB

A műhold távolsága 35756km

Szabadtéri csillapítás 215.5dB

Egyéb csillapítások (eső kivételével) 2.0dB

Vevőantenna nyeresége 39.2dB

Vevő zajtényezője 3.0dB

A vevő jósági tényezője 14.2dB/K

A vett jel szintje -121.8dBm

Fading tartalék 27.0dB

Egyéb tervezési megfontolások, a vevő felépítése

A mérőrendszer

Ka és Q sávú vevők

Antennas and

ODUs IDU

RF/Ka

RF/Q

interface RS232

interface PC

Power

Mérés-adatgyűjtő

Mért vételi jelszint idősorok (Alphasat, BME vevőállomás)

Az eső hatása 2016 július: Szcintilláció; 2015 augusztus:

0 5 10 15 20 25 30-140

-130

-120

-110

RP

WR

[dB

m]

Ka-band

0 5 10 15 20 25 30-140

-130

-120

-110

RP

WR

[dB

m]

Q-band

0 5 10 15 20 25 300

50

Time [day]

Rain

rate

[m

m/h

]

Rainfall rate

Első rendű statisztika (Alphasat, BME vevőállomás)

A csillapítás eloszlása (2016, komplemens eloszlás):

0 5 10 15 20 2510

-2

10-1

100

101

Exceedance p

robabili

ty [

%]

Attenuation [dB]

Q-band

Ka-band

ITU-R P.618 Q-band

ITU-R P.618 Ka-band

Az Alphasat műholdas kommunikációs kísérlet

A kommunikációs kísérlet vevőállomása a BME-n

275km

Adaptív moduláció a fading kivédésére

Idősorok mesterséges előállítása

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Rela

tív h

ely

zet

[km

]

Relatív helyzet [km]

csomópont

wsNN

S1

wsN2

ws2N

S2

ws22

ws1N

ws11 SN

ws21

ws12

wsN1

A szélirány Markov modellje: A szélsebesség Markov modellje: É

D

Ny K

wd11

wd22

wd33

wd12

wd14

wd41

wd31

wd13

wd23 wd32 wd24

wd42

wd34

wd43 wd21

wd44

dlyxkRA

L

nnnL 0

),(

A szakaszcsillapítás:

Moduláció

Analóg (pl. FM/PM): Real-time analóg mérési adat továbbítás (video, rakéta szondák, stb.)

Digitális modulációk: PSK, FSK, QPSK, QAM, … Különféle bit hibaarányok

16QAM elméleti és valós konstelláció

0,1 Mod Demod Döntő

Zaj

MPSK SNR - BER függvényei

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15SNR (dB)

BE

R (

lg)

BPSK

QPSK

8PSK

A zaj hatása a jelátvitelre

Shannon-Hartley tétel (1948): (AWGN)

][

][

2][]/[ 1logW

W

HzsbitN

SBC

A zaj forrásai lehetnek: Termikus Ember által keltett Vevőzaj

Digitális modulációk és spektrális hatékonyság

Moduláció

Spektrális hatékonyság (bit/sec/Hz)

BPSK 0.59

BAM 1.02

QPSK 1.18

MSK 1.29

GMSK 1.45

QAM 2.04

1. példa: Cubesat

Masat-1: 1 kg LEO 437.345 MHz 100/400 mW 625/1250 bps 2-GFSK moduláció

2. példa: Plazmafizikai műhold

Intercosmos 24 (Active): 1570kg LEO 460.4 MHz 2.5 W 10/20/40/80 kbps BPSK moduláció

3. példa: Kommunikációs műhold

Astra 2F: 6000kg geostacionárius ~10-13 GHz 13 KW fedélzeti energia - digitális TV csatornák (DVB-S) - 20Mbps transzponder (Ka sáv)

4. példa: Űrszonda

Pioneer 10 (1972-2007): 258kg bolygóközi szonda 8 W 2110 MHz uplink 2292 MHz downlink konvolúciós kódoló 256 bps kezdeti adatsebesség Az élettartama végén: - távolság >100.000AU - jelszint <-180dBm - SNR<0.5dB

4. példa: Mobil kommunikációs műhold (Alphasat)

Alphasat (2014-2029): 8100kg BGAN (Broadband Global Area Network) 12-18 kW Ø12m antenna 750 csatorna 400-500 nyaláb L-sáv (1.6 GHz)

Ka-sáv Q-sáv (ESA) (ESA)

A jövő: terabit/s műholdas kommunikáció

“State of the art” technológia: több keskeny nyaláb alkalmazása frekvencia újrahasznosítás Ka sáv használata 100Gbps teljes kapacitás Hogyan növelhető meg a kapacitás? nagyobb sávszélesség Q/V sáv használata több és keskenyebb nyaláb optikai kommunikáció Várható: 2020 körül Review of Terabit/s Satellite, the Next Generation of HTS Systems

(ASMS 2014)

Kérdések: 1. Mitől függ a vehető jel nagysága szabadtéri (vákuumban történő) terjedés

esetén? 2. Milyen tényezők befolyásolják a vehető rádiójel nagyságát a szabadtéri

csillapításon túl? 3. Mi a fading és milyen fontosabb jellemzőit szokták vizsgálni? 4. Mely légköri gázoknak jelentős a csillapító hatása a mikrohullámú

frekvenciákon, és milyen jellegzetességek figyelhetők meg a frekvencia függvényében?

5. Melyik csapadéktípus okozza a legnagyobb csillapítást a milliméteres hullámhosszakon? Hogyan védekezhetünk a fading hatásai ellen?

6. Mi olvasható le az esőintenzitás eloszlásfüggvényének hosszú idejű (több éves) mérések alapján számított görbéjéből? Hogyan használható ez a rádióösszeköttetések tervezésében?