Műholdas kommunikáció: terjedés, terjedési mérések, a műholdas csatorna
Csurgai-Horváth László, BME-HVT 2016.
Rádiókommunikáció - a kezdetek • Faraday, Maxwell, Hertz, Tesla… • 1895: jelátvitel 2400 méterre, a rádió születése • • • • •
Szikrainduktor Antenna és földelés Kohérer Telep Csengő
A jel: . . . = ‘S’ Guglielmo Marconi 1874-1937
A rádióspektrum
…
…
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-toaircraft 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) - szolgáltatások
A terjedés Föld- Föld Föld- Műhold Műhold- Műhold
Antennák • • • •
Műholdas kommunikáció: gyakran parabolaantenna Prímfókuszos/offset/Cassegrain antenna Irányítottság, nyalábok A felületi minőség hatása
Alphasat vevőállomás – Graz, Ausztria
Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/1 A vett jel teljesítménye izotropikusan sugárzó antennától d távolságban ARX hatásos felületen:
PRX (d )[W ]
ARX PTX 4d 2
Az adóantenna nyeresége (ha nem izotropikus antenna):
A vevőantenna nyeresége:
4 GRX 2 A RX
GTX
(Stutzman és Thiele)
PRX (d )[W ] PTX GTX GRX 4d
2
A RX A
Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/2 P[ dBm ]
Logaritmikus skálán:
PRX (d )[ dBm ]
P[W ] 10 log 0.001
PTX [ dBm ] GTX [ dB ] GRX [ dB ] 20 log 4d PTX 4d 1 asz PRX GTX GRX 2
A szakaszcsillapítás:
Logaritmikus skálán:
asz 20 log
asz
[ dB ]
4d
[ dB ] [ dB ] GTX GRX
[ dB ] [ dB ] 32.44 20 log f [ MHz ] 20 log d [ km ] GTX GRX
Egy példa: Föld- Hold összeköttetés
384.400 km (átlagos távolság)
asz
[ dB]
[ dB] [ dB] 32.44 20 log f [ MHz] 20 log d [ km] GTX GRX
A fading Fading: a rádiócsatorna csillapításának időbeni változása A fading, mint sztochasztikus folyamat : Modellek: esőcsillapítás, többutas terjedés, esőcellák mozgása, dinamikus jellemzők modellezése, csatornamodellek Eloszlásfüggvények és mesterséges idősor generálás
A fading dinamikus jellemzői: Fading amplitúdó Fading időtartam
Interfading időtartam
Fading meredekség
q
Küszöbszint
Idő Esőesemény
Esőesemény
Az atmoszféra csillapító hatásai Légköri gázok csillapító hatása oxigén molekula vízgőz A csapadék csillapító hatása eső köd hó havas eső (sleet) jég
1mm 1.5mm 2mm
E H Vízszintes polarizáció
A légköri gázok csillapító hatása • 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 koncentrácó: 7,5 g/m3
A csapadék csillapítása • 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 Esőcsillapítás az esőintenzitás és a frekvencia függvényében polarizációjú hullámot jobban csillapítja • Jég, hó • Havas eső (sleet) • víz megfagy, dielektr. áll.-ja csökken • Kialakulásához jellemző meteorológiai • csillapítása elhanyagolható viszonyok • radomon felhalmozódva csillapít! • Esés közben a jég olvadni kezd, nedves • Köd burok alakul ki, akár 30 dB csillapítást tud • inkább optikán (hullámhossz, méret) okozni
Föld-műhold és földi pont-pont összeköttetések útvonala
Fagyott csapadék Folyékony halmazállapotú csapadék
θ
hR hs
hR
Eső magasság
hs LG θ – antenna elevációs szöge, Ls – ferde úthossz, LG = Ls cosθ [km]. LG – vízszintes útvetület, hR – effektív eső magasság Ls = (hR - hs)/sinθ [km], hs – az állomás talaj feletti magassága
Tipikus vételi jelszint időfüggvény (38 GHz, földi)
Esőintenzitás és csillapítás eloszlásfüggvények HU13 2.4 km HU12 2.98 km HU11 1.5 km
10
0
10
10
10
10
HU11 measured HU12 measured HU13 measured
-2
-2
Probability
Probability
R001
Attenuation CCDF
0
10
-4
-4
10
0
50 100 Rain rate [mm/h]
150
10
-6
-8
0
10
20 30 Attenuation [dB]
40
50
R001 értékei az ITU-R alapján
A havas eső (sleet) csillapítása 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
Havas eső hatása mikrohullámú összeköttetésen
A köd csillapító hatása 0.3
Esöintenzitás Vételi jelszint Vételi jelszint [dBm] [dBm] [mm/h]
0 0 -40
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Sürüség [relatív]
Sürüség [relatív]
0.5
0.2 0.1 0 0
-60 0 -40
72.56 GHz 2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Csillapítás] [dB]
-50
-60 0
39.0775 GHz 2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
20 10 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Idö [óra]
16
18
20
Folyékony víz tartalom [g/m3]
-50
2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
72.56 GHz
1 0 -1 0
0.4 0.2 0 0
Idö [óra]
A köd sűrűségének mérése: Infravörös adó Ködrészecskék Meghajtó impulzus
Infravörös vevő
Vett impulzus
Laser-disdrometer
További hatások •Többutas 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 hatások •Árnyékolás hatásai (épületek, növényzet) 50
Csillapítás [dB]
40 30 20 10 0 -10 0
10
20
30
40 Idö [perc]
50
60
70
Csillapítás LMS csatornán, autópályán mérve
80
„Geo” pályák és jellegzetességeik
Elevation [deg.]
• Kommunikációs műholdak, műsorszórás: geostacionárius/geoszinkron pályák
• mozgás okai • pozíció detektálás és korrekció • Doppler hatás
35.6 35.4 35.2 35 34.8 34.6 172.1
172.15 172.2 Azimuth [deg]
RP [dBm]
-114 -115 -116 0
5
10 15 Time [hr]
20
Geoszinkron műhold napi mozgása és jelszint ingadozás (2014.08.16.)
A fading elleni védekezés
• • • •
Fading tartalék Adaptív teljesítmény-szabályozás Forráskódolás/csatornakódolás Spektrumkiterjesztés (szórt spektrum)
• • • •
Csatornakiegyenlítő (frekvenciaszelektív fading) Adaptív moduláció Diverziti Kognitív rádió
– Frekvenciaugratás (FH) – Közvetlen kódsorozatú (DS)
Hullámterjedési mérések – az Alphasat kísérlet
Alphasat Pálya: geoszinkron Pályára állt: 2013 július Működés: 2013 októbertől Beacon jelek:
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)
A fading tartalék méretezése: a link budget Frekvencia EIRP (ekvivalens izotropikus elsugárzott teljesítmény) Adóantenna nyeresége A műhold távolsága Szabadtéri csillapítás Egyéb csillapítások (eső kivételével) Vevőantenna nyeresége Vevő zajtényezője A vevő jósági tényezője A vett jel szintje Fading tartalék
39.402GHz 29.3dBW 19.5dB 35756km 215.5dB 2.0dB 39.2dB 3.0dB 14.2dB/K -121.8dBm 27.0dB
Egyéb tervezési megfontolások, a vevő felépítése
A mérőrendszer
Antennas and ODUs
RF/Ka RF/Q interface
RS232 IDU
PC
interface Power
Mérés-adatgyűjtő Ka és Q sávú vevők
Mért vételi jelszint idősorok (Alphasat, BME vevőállomás)
-115
-115
Ka-band [dBm]
-110
-120 -125 -130 -135 0
5
10
15
-120 -125 -130 -135 0
20
-110
-115
-115
Q-band[dBm]
-110
-120 -125 -130 -135 0
5
10 Time [hr]
15
5
10
15
20
5
10 Time [hr]
15
20
-120 -125 -130 -135 0
20
-110
A jel erősödése; 2014 december 2.
Ka-band [dBm]
Q-band[dBm]
Szcintilláció; 2014 július 7.
-110
-115 -120 -125 -130 -135 0
5
10
15
20
5
10 Time [hr]
15
20
-110
Q-band[dBm]
Ka-band [dBm]
Eső hatása; 2014 július 8.
-115 -120 -125 -130 -135 0
Idősorok mesterséges előállítása A szélsebesség Markov modellje:
wsN1 ws11
S1
ws21
ws22 ws12
ws1N
wd11
A szélirány Markov modellje:
wsN2
wd33
wsNN SN
S2
É
wd31 wd13
Ny
wd21
ws2N wd23
wd34 wd43
wd14 wd41 wd12
wd44
K
wd24 wd42
wd32
D
15
wd22
10
A szakaszcsillapítás:
Relatív helyzet [km]
csomópont
5
L
0
AL kRn ( xn , y n )dl
-5
0
-10 -15 -20 -15
-10
-5
0 5 10 Relatív helyzet [km]
15
20
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
A zaj hatása a jelátvitelre Zaj 0,1
Mod
Demod
Döntő
0 -1 -2 BER (lg)
A zaj forrásai lehetnek: Termikus Ember által keltett Vevőzaj
-3
BPSK
-4
QPSK
-5 8PSK
-6 -7 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
SNR (dB)
MPSK SNR - BER függvényei
Shannon-Hartley tétel (1948): C[bit / s ] (AWGN)
S[W ] B[ Hz ] log 2 1 N [W ]
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
Követelmények és lehetőségek
Műholdas rádiókommunikáció: egy adott feladat megvalósítása • peremfeltételek • műszaki lehetőségek
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 8W 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
(ESA)
(ESA)
Q-sáv
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. 2. 3. 4.
5. 6.
Mitől függ a vehető jel nagysága szabadtéri (vákuumban történő) terjedés esetén? Milyen tényezők befolyásolják a vehető rádiójel nagyságát a szabadtéri csillapításon túl? Mi a fading és milyen fontosabb jellemzőit szokták vizsgálni? Mely légköri gázoknak jelentős a csillapító hatása a mikrohullámú frekvenciákon, és milyen jellegzetességek figyelhetők meg a frekvencia függvényében? Melyik csapadéktípus okozza a legnagyobb csillapítást a milliméteres hullámhosszakon? Hogyan védekezhetünk a fading hatásai ellen? Mi olvasható le az esőintenzitás eloszlásfüggvényének hosszú idejű (több éves) mérések alapján számított görbéjéből? Hogyan használható ez a rádióösszeköttetések tervezésében?
