Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  ТЕХНОЛОГИЙ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ И РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ

 

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ

для магистрантов  специальности  6М071900 -

Радиотехника, электроника и телекоммуникации)

 

 

Алматы 2011 

Составители: Клочковская Л.П., Барсегянц К.В.. Исследование технологий оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникациях. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для магистрантов  специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС,2011, 35 с.

 

Данная разработка предназначена для магистрантов специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации В Методических указаниях к выполнению расчетно-графических работ рассматриваются методы расчетов  параметров радиорелейных и спутниковых систем связи в телекоммуникациях

Ил. 5, табл .8, библиогр.11 -  , назв. прил.8

 

Рецензент:  доцент Е.В. Ползик.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

 

Осн. план 2011., поз180

 Введение 

Основной целью методических указаний для расчетно-графических работ по дисциплине «Исследование технологий оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникациях»   является изучение методов расчета параметров спутниковых и радиорелейных линий связи  различных телекоммуникационных систем.

Методические указания состоят из трех расчетно-графических работ.

В первой работе необходимо произвести расчет параметров цифровых радиорелейных линий связи и определить зависимость устойчивости связи от условий распространения радиоволн.

Во второй работе  нужно провести расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участках ЗС – ГСР, ГСР-ЗС.

В третьей работе требуется рассчитать энергетический выигрыш в низкоорбитальных спутниковых системах в зависимости от высоты орбиты.

Расчетно-графические работы  позволяют освоить специфику теории распространения радиоволн в спутниковых и радиорелейных линиях связи и особенности параметров аппаратуры космического и наземного сегментов.

 

Расчетно-графическая работа 1

 

Исследование зависимости устойчивости  связи на пролете РРЛ от условий распространения радиоволн

 

1 Определить влияние рефракции на устойчивость связи в зависимости  от частоты радиоизлучения.

2 Определить влияние осадков на устойчивость связи в зависимости  от частоты излучения.

3 Определить норму на неготовность и сделать выводы о способах улучшения устойчивости связи.

 

Таблица 1 – Исходные данные

Последние две цифры номера зач. книжки

V, Мбит/с

R0, км

k

r, км

у

Аппаратура

Рабочие частоты, ГГц

01, 21, 41, 61, 81

4

24

0,3

2

0,8

PASOLINK

13, 22, 38

02, 22, 42, 62, 82

8

18

0,5

9

0,74

PASOLINK

15, 23, 37

03, 23, 43, 63, 83

4

25

0,7

4

0,81

PASOLINK

14,5, 25, 39

04, 24, 44, 64, 84

2

40

0,3

10

0,95

MINI-LINK

14,5, 23, 37

05, 25, 45, 65, 85

4

30

0,65

3

0,87

MINI-LINK

15, 22, 38

06, 26, 46, 66, 86

8

15

0,8

5

0,7

MINI-LINK

18, 23, 39

07, 27, 47, 67, 87

2

22

0,15

2

0,76

МИК-РЛ

15, 19, 23

08, 28, 48, 68, 88

8

15

0,35

3

0.7

МИК-РЛ

14,5, 19,5, 23,5

09, 29, 49, 69, 89

34

12

0,75

1

0,65

МИК-РЛ

15,3, 19, 23

10, 30, 50, 70, 90

8

20

0,48

4

0,75

PASOLINK

18, 25, 39

11, 31, 51, 71, 91

4

24

0,4

2

0,8

PASOLINK

13, 22, 38

12, 32, 52, 72, 92

8

18

0,55

9

0,74

PASOLINK

15, 23, 37

13, 33, 53, 73, 93

4

25

0,6

4

0,81

PASOLINK

14,5, 25, 39

14, 34, 54, 74, 94

2

40

0,2

10

0,95

MINI-LINK

14,5, 23, 37

15, 35, 55, 75, 95

4

30

0,25

3

0,87

MINI-LINK

15, 22, 38

16, 36, 56, 76, 96

8

15

0,45

5

0,7

MINI-LINK

18, 23, 39

17, 37, 57, 77, 97

2

22

0,7

2

0,76

МИК-РЛ

15, 19, 23

18, 38, 58, 78, 98

8

15

0,82

3

0.7

МИК-РЛ

14,5, 19,5, 23,5

19, 39, 59, 79, 99

34

12

0,38

1

0,65

МИК-РЛ

15,3, 19, 23

20, 40, 60, 80, 00

8

20

0,58

4

0,75

PASOLINK

18, 25, 39

 

Таблица 2 – Место расположения РРЛ

Вариант

Район

1, 4, 7

Районы прикаспийской низменности

2, 5, 8, 0

Пустынные районы Южного Казахстана

3, 6, 9

Степная полоса Казахстана

 

 

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1

 

1  Выберите диаметры антенн (типовые значения 0.3, 0.5, 0.9 и 1.2 м) и рассчитайте их коэффициенты усиления:

 

G = 20 lg(D) + 20 lg(f) +17.5, дБ,                                (1)

 

где D - диаметр антенны, м;

f - рабочая частота, ГГц.

При выборе антенн необходимо учитывать, что на практике не применяются антенны с коэффициентами усиления большими, чем 45 дБ.

 

2  Определите ослабление сигнала в свободном пространстве для разных диапазонов частот по формуле:

 

L0 = 20 lg (4.189 104 R0 f), дБ,                                           (2)

 

где R0 - протяженность интервала РРЛ, км.

 

3 Определите погонные потери радиосигнала в атомах кислорода lo и в водяных парах lн для разных частот по графику (см. приложение 2) и рассчитайте полные потери  в газах атмосферы:

 

 Lг = (go + gн) R0, дБ.                                                          (3)

 

 

4 Рассчитайте уровень сигнала на входе приемника при отсутствии замираний:

 

Рпр = Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lрф -Lдоп,                            (4)

 

где Рпд  - уровень мощности передатчика, дБм;

Lф1, Lф2- ослабление сигнала в фидерных линиях, дБ.  

Так как в современной аппаратуре фидерные линии практически отсутствуют (приемопередатчики и антенны объединены в один блок), потери в Lф1 и Lф2 можно принять равными по 0.5 дБ;

Lрф - ослабление сигнала в разделительных фильтрах (примите равным 0 дБ);

Lдоп - дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп = 1 дБ).

 

5 Определите запасы на замирания для разных диапазонов рабочих частот, антенн и аппаратуры.

 

Ft = Pпр - Рпр пор(10-3),                                               (5)

 

где Рпр пор(10-3) - пороговый уровень сигнала на входе приемника при коэффициенте ошибок k = 10-3 (определяется из параметров аппаратуры).

Результаты работы по пунктам 1 - 5 необходимо оформить в виде таблиц, содержащих данные по заданным диапазонам частот.

Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле

 

,                                        (6)

 

где  – длина волны, м;

 – относительное расстояние до препятствия.

 

7 Среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, вычисляется по формуле

 

,                              (7)

 

где  и  – соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости (см. таблицу Б.1 приложения Б).

 

8 При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле

 

,                                       (8)

 

где  – значение стандартного отклонения, м-1;

y – находится по рисунку Б.1 Приложения Б.

 

9  Просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0) рассчитывается по формуле

 

,                                        (9)

10  Определить среднее значение просвета на пролете

 

.                      (10)

 

11 Относительный просвет по формуле:

 

.                                                   (11)

 

12 Рассчитать относительную длину препятствия

 

.                                                     (12)

 

13  Параметр , характеризующий аппроксимирующую сферу

 

,                                          (13)

 

где  или .

 

14 Значение относительного просвета р(g0), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля

 

,                                                  (14)

 

где V0 – множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка В.1 приложения В по значению ;

минимальный допустимый множитель ослабления.

 

.                                            (15)

 

15 Параметр  определяется по формуле

 

,                                                (16)

 

где .

 

Процент времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн, , определяется по рисунку В.2 (см. приложение В).

 

16 Так как интенсивность дождя неравномерно распределяется вдоль трассы, определяем эффективную длину пролета

 

,                                                        (17)

 

где R0 – длина пролета, км;

 – коэффициент уменьшения;

 

17  Опорное расстояние, км.

 

.

 

Территория СНГ разделена на 16 климатических зон. Казахстан относится к зоне Е, для которой интенсивность осадков R0,01=22 мм/час.

 

18  Удельное затухание в дожде в зависимости от поляризации волны (дБ)

 

,.                                                        (18)

 

определяется для горизонтальной и вертикальной поляризации и выбирается наименьшее из них

 

,                                                         (19)

 

,                                                        (20)

 

где  – коэффициенты регрессии.

Коэффициенты регрессии для оценки затухания в зависимости от поляризации волны представлены в таблице Б.2 приложения Б.

 

19  Затухание на трассе, превышающее 0,01% времени, определяется по формуле

.                                                  (21)

 

20 Время, в течение которого ослабление сигнала больше, чем запас на замирание

,                                 (22)

 

где Ft - запас на замирание,

при  принимаем .

 

21 Проверка норм на неготовность

Характеристики неготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный цифровой тракт) установлены в рекомендации 557МСЭ-Р.

ГЦЭТ считается неготовой, если в течение 10 последовательных секунд возникли следующие условия или одно из них:

передача цифрового сигнала прервана;

в каждой секунде BER хуже 10-3.

Неготовность аппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся на неготовность оборудования и неготовность, вызванную условиями распространения радиоволн, например, величина неготовности, вызванной дождем, составляет 30-50%.

Характеристики готовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км определяются величиной 99,7%, причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени. Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовности определяются, таким образом, величиной 0,3%.

Норма на неготовность

 

,                                                (23)

 

где R0 – длина пролета, км;

2500 – длина эталонной гипотетической линии.

 

Пример расчета

 

Исходные данные:

V = 16 Мбит/с; 

R0 = 20 км;

r  =18,75 км;

k = 0,4,  у = 0,92.

 

1  Выбираем оборудование ЦРРЛ Радан-15

Диапазон частот    14,5–15,3ГГц;

Рпд = 20 дБ;

Рпор(10-3)  = - 83 дБм.

 

2  Выбираем диаметр антенны  D = 1,2 м  и рассчитываем коэффициент усиления по формуле

 

G = 20 lg(D) + 20 lg(f) +17,5дБ,

 

где D - диаметр антенны, м;

f - рабочая частота, ГГц.

 

G = 20 lg1,2 + 20 lg14,5 +17,5= 1,58 + 23,22 + 17,5 = 42,3 дБ.

 

Так как G= 42,3 < 45, то диаметр антенны выбран правильно, так как на практике не применяются антенны, у которых коэффициент усиления больше 45 дБ.

 

3  Определяем  ослабление сигнала на пролете.

 

L0 = 20 lg (4.189 104 R0 f),дБ,

 

где R0 - протяженность интервала РРЛ, км;

 

L0 = 20 lg (4.189 104 f20∙14,5)=141,69 дБ.

 

4  Определим погонные потери радиосигнала в атомах кислорода.

lo =, goR0;  в водяных парах lн = gнR(go и gн определяются по приложению 2 в зависимости от рабочей частоты) и  полные потери  в газах атмосферы           Lг = lн + lo, или

 

Lг = (go + gн) R0, дБ,

 

Lг = (0,006 +0,006) ∙ 20 = 0,24 дБ.

  

5  Рассчитываем уровень сигнала на входе приемника при отсутствии замираний:

 

Рпр = Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lрф -Lдоп

 

где Рпд  - уровень мощности передатчика, дБм

 

Lф1 = Lф2 =  Lрф = 0 дБ ;

 

Lдоп = 1 дБ .

 

Рпр = 20 +2∙42,3 – 141,69 – 0,24 – 1 = - 38,33 дБ.

 

6   Определим запас на замирания.

 

М = Pпр - Рпр пор(10-3) = - 38,3 + 83 = 49,67 дБ.

 

7  Определяем минимальный радиус зоны Френеля.

  Для Акмолинской области  и ,

   -  (координата критической точки профиля) .

 

8  Определяем стандартное отклонение диэлектрической проницаемости

 

.

 

9 Рассчитываем  среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, и просвет в отсутствии рефракции:

 

,

 

.

 

r  =18,75 км.

 

.

 

, , .

 

 Принимаем , тогда

 

.

 

, , .

 

 

.

 

.

 

.

Для f=7 ГГц

 

 дБ/км.

 

 дБ/км.

 

Горизонтальная поляризация:

 

.

 

, .

 

, .

 

.

 

.

 

.

 

 

Расчетно-графическая работа 2

 

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участках  ЗС – ГСР, ГСР – ЗС

 

2.1 Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участке           ЗС – ГСР

 

1 Определить коэффициент усиления антенны земной станции на

передачу и бортового ретранслятора на приём.

2 Рассчитать потери на участке «вверх» ЗС-КС.

3Определить отношение сигнал-шум на входе приёмника-ретранслятора.

4 Рассчитать отношение сигнал-шум на входе приёмника-ретранслятора при работе в дожде.

5 Рассчитать добротность и пропускную способность канала связи ЗС-КС.

Т а б л и ц а 3 - Исходные данные для расчёта

Номер варианта (последняя цифра зачетной книжки)

1, 5, 9

2, 6, 0

3, 7

4, 8

Тип ССС, площадь области обслуживания, млн.кв.км

Глобаль-ная

140

Нацио-нальная 12

Нацио-нальная 12

Регио-нальная 5

Угол обзора области обслуживания, град

16

6

6

2

Частотный диапазон, ГГц

6 (С)

14 (Кu)

14 (Кu)

6 (С)

Диаметр передающей антенны 3С, м

11

2,5

5,5

3

Коэффициент усиления передающей антенны, дБ

55,2

49,73

56,58

43,95

Выходная мощность передатчика 3С, Вт

500

5

2000

10

Потери сигнала на передающей стороне, дБ

1

1

1

1

ЭИИМ 3С, дБВт

81,2

55,1

88,6

52,95

Полоса частот, МГц

36

36

36

36

Потери наведения антенны, дБ

3,3

4,5

1,8

2

Потери сигнала в невозмущенной атмосфере, дБ

0,2

0,5

0,5

0,2

Полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора, о К

1000

1000

1000

1000

Потери сигнала в приёмном тракте ретранслятора, дБ

1

1

1

1

Способ модуляции - кодирования

без кодирования

ФМ – Ч +СК

ФМ – 8 + РК

ФМ – Ч + СК + КРС

Пороговое отношение сигнал-шум  h 2n, дБ

27

13,4

9,8

4,1

 

 

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на  участке  ГСР –  ЗС

 

1  Определить коэффициент усиления антенны земной станции на приём и бортового ретранслятора на передачу.

2  Рассчитать потери на участке «вниз» КС-ЗС.

3  Определить отношение сигнал-шум на входе приёмника ЗС.

4  Рассчитать отношение сигнал-шум на входе приёмника ЗС при

работе в дожде.

5  Рассчитать добротность и пропускную способность канала связи

КС-ЗС.

 

Таблица 4 -  Исходные данные для расчета

Номер варианта

1,5, 9

2, 6, 0

3,7

4, 8

Частотный диапазон, ГГц

4 (с)

12 (Кu)

12 (Кu)

4 (с)

Коэффициент усиления передающей антенны ретранслятора, дБ

16

26,4

26,4

16

Выходная мощность ствола ретранслятора, Вт

20

50

100

80

Потери сигнала на передающей стороне, дБ

1

1

1

1

ЭИИМ ствола ретранслятора, дБ

28

42,4

45,4

34

Полоса частот ствола, МГц

36

36

36

36

Потери наведения антенны, дБ

2

4

4

2

Потери сигнала в спокойной атмосфере, дБ

0,1

0,4

0,4

0,2

Диаметр приёмной антенны 3С, м

11

2,5

4

3

Шумовая температура 3С,о К

150

250

200

180

Потери сигнала в приёмном тракте 3С, дБ

2,5

2,5

1

1,5

Способ модуляции - кодирования

без кодирования

ФМ – Ч +СК

ФМ – 8 + РК

ФМ – Ч + СК + КРС

Пороговое отношение сигнал-шум  h 2n,дБ

27

13,4

9,8

4,1

 

 

 

Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 2

 

При разработке ССС важной задачей является выбор рациональных способов модуляции и кодирования передаваемых цифровых сигналов.

         Известно, что при фиксированных скорости и качестве передачи информации в радиоканале связи существуют обменные соотношения между частотным и энергетическим ресурсами канала связи. На практике возникает задача выбора структуры передаваемых сигналов и способов их обработки таким образом, чтобы адаптироваться к стандартизованным параметрам стволов БТРВ ретранслятора для решения конкретных задач.

На ССС применяются следующие способы модуляции кодирования цифрового сигнала:

1) ФМ – Ч + СК – квадратурная фазовая манипуляция в сочетании со сверточным кодированием и декодированием по алфавиту Витерби.

2) ФМ – Ч + СК + КРС – квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с каскадным кодированием.

3) ФМ – 8 + РК – восьмиуровневая квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с решетчатым кодированием.

4) КАМ – 16 + СК – шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная манипуляция квадратурная в сочетании со сверточным кодированием.

 

1 Коэффициент усиления антенны 3С при работе на передачу

 

G3=109,67· Кu ·D2·f2.                                                     (24)

 

2 Ширина диаграммы направленности антенны 3С

 

рад         .                                                     (25)

 

3 Коэффициент усиления приёмной антенны бортового ретранслятора

 

                                                          (26)

 

4 Потери в свободном пространстве

 

Lо = 1,75·1015·d2·f2 ,                                                   (27)

 

где d – наклонная дальность между 3С и КС тыс. км;

 f – частота на передачу, ГГц, определяется по формуле:

 

,                                         (28)

 

где ;

xЗС – широта земной станции.

 

5 Дополнительные потери

Суммарные потери наведения LН = 3,3 дБ.

Потери сигнала в невозмущенной атмосфере Lа = 0,2 дБ.

Потери в приёмном тракте приёмника Lпр = 1 дБ.

 

Lдоп = Lн + Lа + Lпр .

 

6  Мощность полезного сигнала на входе приёмника

 

Рспер3С + G3 + Gб Lо Lдоп  (дБ)          .                  (29)

 

7 Мощность шума в полосе частот ствола ретранслятора

 

Рш = k∙T∙Δf .                                              (30)

 

         8 Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора

 

(дБ).                                             (31)

 

          9 Определяем потери в дожде

 

Интенсивность дождя I имеет статистический характер и во многом опреде­ляется местом расположения ЗС. В соответствии со средним уровнем осадков на поверхности Земли выделено 14 разновидностей климатических зон. Для каждой зоны на основании статистики многолетних метеонаблюдений определено максимальное (с некоторой доверительной вероятностью КД) значение I, которое и является исходным при расчете потерь сигнала в дожде. Исходные значения интенсивности дождя для различных климатических зон приведены в таблице 5, а географическое расположение зон смотри  на рисунке 1

 

 

Рисунок 1- Карта климатических зон мира

Таблица 5 – Исходные  значения интенсивности дождя – I (мм/ч) для различных климатических зон

КД

Климатические зоны

A

B

C

D

E

F

G

H

J

K

L

M

N

P

0,99

-

1

-

3

1

2

-

-

-

2

-

4

5

12

0,997

1

2

3

5

3

4

7

4

13

6

7

11

15

34

0,999

2

3

5

8

6

8

12

10

20

2

15

22

35

65

0,9997

5

6

9

13

12

15

20

18

28

23

33

40

65

105

0,9999

8

2

15

19

22

28

30

32

35

42

60

63

95

145

0,99997

14

2

26

29

54

54

45

55

45

70

105

95

140

200

0,99999

22

32

42

42

78

78

65

83

65

100

150

120

180

250

Примечание:   ЗС берется в РК по начальной букве фамилии.

 

Угол возвышения антенны 3С γ=10о, широта 3С 60о, высота над уровнем моря h=0о . Климатическая зона Е, где интенсивность дождя I=22 мм/час. Допустимый коэффициент доступности канала связи Кд=0,99

 

Угол возвышения равен углу места ЗС

 

,                     (32)

 

где Н=42170 км – высота орбиты геостационарного спутника над Землёй;

R=6371 км – радиус Земли;

- широта ЗС;

- разность по долготе между спутником и ЗС.

 

10 Высота нулевой изотермы (км)  

 

.

 

11 Эффективная высота дождевого слоя

 

.

 

12 Длина пути сигнала в дождевом слое с учетом h=0о

 

км.                                                          (33)

 

13 Потери в дожде

 

 Lд = a·Ib·l (дБ),                                                  (34)

 

где а и b — коэффициенты, зависящие от частоты;

а = 4,21·10-5·f2,49  при f, 9 ≤ f ≤ 54 ГГц;

 

.

 

14 Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора при работе в дожде, дБ

 

          дБ.                                             (35)

        

15 Добротность приёмной системы ретранслятора, дБ

 

         ,                                                             (37)

 

         где Тр=1000оК — полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора.

 

16 Энергетический потенциал

 

,                                                              (38)

 

где No — эквивалентная спектральная плотность мощности шума, приведенная по входу приёмника

 

No = k·Тр .                                                          (39)

 

 

 

 

17  Пропускная способность канала

 

.          (40)

 

         Типовые параметры спутникового канала без кодирования В=2; h 2n  = 27 дБ.

 

С1 = 87 -27 = 60 дБ.

 

С2 = 36·106 /2 = 72,55 дБ.

 

         С = С1 = 60 дБ (106 Бит/сек) — определяется энергетическими возможностями ретранслятора, а полоса пропускания используется лишь частично.

        

         18 Коэффициент использования полосы частот

 

         .                                                       (41)

 

 

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участках           ЗС – ГСР

 

Пример расчета

Исходные данные:

Рабочий диапазон 6/4 ГГц.

Угол обзора зоны обслуживания из точки стояния геостационарного спутника β=16 о.

Полоса пропускания ствола Δf=36 МГц.

Диаметр антенны 3С  D=11 м .

Мощность передатчика бортового ретранслятора на ствол Pпер= 20 Вт.

Мощность передатчика 3С на ствол 500 Вт.

Шумовая температура бортовой и  земной антенн  Кu =0,7.

Коэффициент усиления антенны 3С при работе на передачу

 

G3=109,67· Кu ·D2·f2 =109,67· 0,7 ·121·36 = 334406 (55,2 дБ).

 

Ширина диаграммы направленности антенны 3С

 

рад (15,5о).

 

Коэффициент усиления приёмной антенны бортового ретранслятора

 

(20 дБ).

 

Потери в свободном пространстве

 

Lо = 1,75·1015·d2·f2 ,

 

где d – наклонная дальность между 3С и КС тыс. км;

f – частота на передачу, ГГц.

 

Lо = 1,75·1015·412·62 = 1,06·1020 (200 дБ).

 

Дополнительные потери.

Суммарные потери наведения LН = 3,3 дБ.

Потери сигнала в невозмущенной атмосфере Lа = 0,2 дБ.

Потери в приёмном тракте приёмника Lпр = 1 дБ.

 

Lдоп = 3,3+ 0,2 + 1 = 4,5 дБ.

 

Мощность полезного сигнала на входе приёмника

 

Рспер3С + G3 + Gб Lо Lдоп =26,99+55,2 +20 –200 – 4,5 = -102,3 дБ.

 

Мощность шума в полосе частот ствола ретранслятора

 

Рш = kTΔf = 1,38·10-23·150·36·106 = 7,45·10-14 Вт (-131 дБВт).

 

Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора

 

дБ.

 

Определяем потери в дожде (см. рисунок 1, таблицу 5)

Угол возвышения антенны 3С γ=10о, широта 3С 60о, высота над уровнем моря h=0о . Климатическая зона Е, где интенсивность дождя I =22 мм/час. Допустимый коэффициент доступности канала связи Кд=0,99.

 

 

Примечание:

ЗС берется в РК по начальной букве фамилии.

 

Угол возвышения равен углу места ЗС

 

,

 

 где Н=42170 км – высота орбиты геостационарного спутника над Землёй;

R=6371 км – радиус Земли;

- широта ЗС;

- разность по долготе между спутником и ЗС.

 

Высота нулевой изотермы (км)

 

 

 

hД = 7,8 – 0,1·60 = 1,8 км.

 

 

Эффективная высота дождевого слоя

 

 

hД = hи = 1,8 км, т.к. I = 4< 10 мм/час.

 

Длина пути сигнала в дождевом слое с учетом h=0о

 

км.

 

 Потери в дожде Lд = a·Ib·l (дБ),

 

где а и b — коэффициенты, зависящие от частоты;

а = 4,21·10-5·f2,49  при f, 9 ≤ f ≤ 54 ГГц.

 

 

а = 4,21·10-5·62,49 = 0,036.

 

b = 1,41·6-0,0779 = 1,2.

 

Lд = 0,036·41,2·10,37 = 0,2 дБ.

 

Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора при работе в дожде, дБ

 

дБ.

        

         Добротность приёмной системы ретранслятора

 

(-10 дБ).

 

Тр=1000оК — полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора.

 

Энергетический потенциал

 

,

где No — эквивалентная спектральная плотность мощности шума, приведенная по входу приёмника.

 

No = k·Тр= 1,38·10-23·1000 = -199,86 дБ.

 

ЭП = -102,3-(-199,86) = 97,3 дБ.

 

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участках           ГСР – ЗС

 

Пример расчета

                  

Коэффициент усиления антенны 3С при работе на приём

 

G=109,67· Кu ·D2·f2 =109,67· 0,7 ·121·16 = 148624,784 (51,72 дБ) .

 

Ширина диаграммы направленности антенны 3С

 

рад (23о).

         Коэффициент усиления антенны бортового ретранслятора

 

(16,72 дБ).

 

         Потери в свободном пространстве

 

Lо = 1,75·1015·d2·f2 ,

 

где d – наклонная дальность между 3С и КС тыс. км;

f – частота на передачу, ГГц.

 

Lо = 1,75·1015·412·42 = 0,47·1020 (196,8 дБ).

 

Дополнительные потери.

Суммарные потери наведения  LН = 2,5 дБ.

Потери сигнала в невозмущенной атмосфере  Lа = 0,15 дБ.

Потери сигнала в приёмном тракте 3C Lпр = 1 дБ.

 

Lдоп = LН + Lа + Lпр = 2,5 + 0,15 + 1 = 3,65 дБ.

 

Мощность полезного сигнала на входе приёмника 3С

 

Рспер б+G+ Gб Lо Lдоп =13+51,72 +16 –196,8 – 3,65 = -119,73 дБВт.

 

Мощность шума в полосе частот ствола 3С

 

Рш = kTΔf = 1,38·10-23·150·36·106 = 7,45·10-14 Вт (-131 дБВт).

 

Отношение сигнал-шум на входе приёмника

 

дБ.

 

Определяем потери в дожде

 

Lд = a·Ib·l (дБ),

 

где I=22 мм/час — интенсивность выпадения осадков в зоне Е,

l — длина пути сигнала в дождевом слое,

a и b — вспомогательные коэффициенты

 

а = 4,21·10-5· f 2,49  при 2,9 ≤ f ≤ 54 ГГц;

 

а =  4,21·10-5· 4 2,49  = 0,00132.

 

 

b = 1,41· f -0,0779 = 1,26.

 

,

 

где hД – эффективная высота дождевого слоя;

γ=30 о    – угол места 3С;

hзс =45о – широта 3С. 

 

 

Высота нулевой изотермы (км)  

 

 

hи = 7,8 – 0,1(36) = 4,2.

 

hД = 4,2 + 10lg (22/10) = 7,62.

 

км.

 

Lд = 0,00132·221,26·12,96 = 0,84 дБ.

 

Отношение сигнал-шум на входе приёмника ЗС при работе в       дожде, дБ

 

дБ.

 

Добротность приёмной системы ЗС

 

(-5дБ),

где Тр – шумовая температура приёмного тракта 3С.

 

Энергетический потенциал

 

,

 

где No — эквивалентная спектральная плотность мощности шума,        приведенная по входу приёмника.

 

No = k·Тр= 1,38·10-23·150 = 2,07·10-21 (-206,8 дБ);

 

ЭП = -119,73 - (-206,8) = 87 дБ.

 

Пропускная способность канала

 

       

где В – база сигнала.

         Типовые параметры спутникового канала без кодирования

В=2;  h 2n = 27 дБ;

С1 = 87 -27 = 60 дБ;

С2 = 36·106 /2 = 72,55 дБ;

С = С1 = 60 дБ (106 Бит/сек) — определяется энергетическими возможностями ретранслятора, а полоса пропускания используется лишь частично.

         Коэффициент использования полосы частот

 

 

 

Расчетно-графическая работа 3

 

Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты

 

1  Рассчитать угол обзора зоны обслуживания со спутника.

2 Определить максимальную дальность связи и результирующий энергетический проигрыш и выигрыш.

3 Определить период обращения спутника по круговой орбите, скорость скольжения зоны обслуживания и длительность сеанса связи.

4  Рассчитать вероятность установления непрерывного соединения.

 

Таблица 6 - Исходные данные для расчета

Тип орбиты

Низкая

Средняя

Вариант - последняя цифра зачетной книжки

1,3,6

2,4,8

5,7,9

6,8,1

9,0,2

Высота орбиты,     h1,

                                  h2,  км

1100 550

1500

800

5000

2000

10000

4000

15000

6000

        

Примечание: расчеты проводить для двух значений углового размера зоны обслуживания α = 20о , 4 о, h1 – минимальная высота орбиты, h2 – максимальная высота орбиты.

 

 

Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3

 

В сетях связи на базе негеостационарных спутников применяются круговые орбитальные группировки (ОГ) на низких и средних орбитах. По сравнению с геостационарными они имеют следующие преимущества:

1     Относительно небольшая дальность связи позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов.

2     Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что позволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании геостационарных спутников задержка распространения составляет 250-270 нм)

3     Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10о простирается по широте до ±70о, а при увеличении максимально допустимого угла возвышения до 30о сокращается до ±50о.

Оценим влияние высоты орбиты спутника — ретранслятора на требования к энергетическим характеристикам абонентских терминалов и ретрансляторов. Рассмотрим рисунок 1

 

α — угловой размер зоны обслуживания, угол обзора зоны из центра Земли; r — наклонная дальность; h — высота орбиты; β — угол обзора зоны обслуживания со спутника

 

Рисунок 2 –  Геометрические соотношения при оценке энергетических затрат

 

.                                (42)

 

 Максимальная дальность связи

 

         .                                                         (43)

 

Рассмотрим две орбиты с высотами h1 и h2 (h1>h2) с соответствующими параметрами r1, β1 и r2,    β2. Относительный энергетический проигрыш более высокой орбиты за счёт увеличения дальности связи составит (r2/r1)2. С другой стороны, при увеличении высоты орбиты уменьшается угол обзора зоны обслуживания со спутника (β), что приводит к необходимости использования антенн с лучшими характеристиками направленности. Так как эффективная площадь приёмных антенн и коэффициент усиления передающих обратно пропорциональны квадрату ширины направленности, то величина относительного выигрыша равна (β12)2, а результирующий проигрыш составит:

 

        .                                 (44)

 

Пример расчета

 

α = 25о; h1 = 700 км; h2 =1200 км.

 

Угол обзора зоны обслуживания со спутника

 

 

 

Максимальная дальность связи

 

км,

 

 км.

 

Результирующий проигрыш

 

 

Относительный выигрыш

 

 

то есть, увеличение высоты орбиты не только не сопровождается энергетическим проигрышем, но и обеспечивает незначительный выигрыш, величина которого растет по мере увеличения высоты орбиты и размеров зон обслуживания.

 

Период обращения спутника по круговой орбите

 

.

 

мин   для h=700км.

 

Скорость перемещения подспутниковой точки по земной поверхности (скорость скольжения зоны обслуживания)

 

км.

 

 мин   для h=1200км.

 

 

 км.

 

Максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания (длительность сеанса связи)

 

(мин).

 

 мин   для h=700км.

 

 мин   для h=1200км.

 

Вероятность установления непрерывного соединения определяется по рисунку 3 для h=700, 1200 км и для угла возвышения (угол места) γ=10 о.

 

Рс = 0,73 (h=700км); Рс = 0,8 (h=1200км).

 

 

Рисунок 3 – Зависимость вероятности непрерывного соединения от  высоты орбиты

 

В проектах сетей, использующих средние орбиты, предпочтение отдаётся синхронным 6-часовым орбитам (высота ≈ 10350 км), что даёт определённые преимущества, т.к. через каждые четыре витка спутник проходит над поверхностью Земли повторяющуюся траекторию. При этом максимальная длительность сеанса связи составляет около 116 мин при γ=10 о и 95 мин при γ=20 о, а вероятности установления непрерывного соединения (при tс = 1,5 мин) равны соответственно 0,98 и 0,97, что в значительной мере упрощает проблему реконфигурации каналов и снижает затраты сетевых ресурсов на её решение по сравнению с низкими орбитами. Поэтому с этой точки зрения средне-орбитальные группировки обладают преимуществом.

Список литературы

 

1          Камнев В.Е., Черкассов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи, М., 2004.

2          Справочник по спутниковой и  радиорелейной связи / Под ред. С.В. Бородича. -М.: Радио и связь, 2001.

3          Лобач В.С Короткий Г.Г Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания - СПб, 2004.

4          Лобач В.С. Спутниковые и радиорелейные системы передачи, - СПб, 2003.

5          Гаврилова И.И., Лобач В.С. «Радиорелейные линии и спутниковые системы передачи» - СПб, 2003.

6          Лобач В.С., Яковлев В.И. «Спутниковые системы связи и РРЛ» - СПб, 2005.

7          Гомзин В.Н., Лобач В.С., Морозов В.А. Расчет параметров цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц - СПб, 2005

8          Левченко В.Н. Спутниковое телевидение. - СПб: BHV, 2004.

9          Клочковская Л.П. Спутниковые системы телерадиовещания. Методические указания к выполнению курсового проекта, АИЭС, 2007.

10      Клочковская Л.П. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению расчетно-графичеких работ, АИЭС, 2009.

11      Клочковская Л.П., Закижан З.З. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению практических работ, АИЭС, 2010.

 

Приложение А
Некоторые типы аппаратуры цифровых РРЛ

Аппаратура

Фирма

 f,
ГГц

Pпд,
дБм

Модуляция

Скорость, 
Мбит/с

Рпор (10-3),
дБм

  МИК-РЛ15

Микран, Россия

14,4 - 15,35

19.5

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

  МИК-РЛ18

Микран, Россия

17.7-19.7

25.5

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

  МИК-РЛ23Р

Микран, Россия

21,2…23,6

20, 23

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

  PASOLINK 13 

 NEC

Япония

12.7-13.3

23
23
20

20

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-92.5
-89.5
- 83.5

- 80.5

  MINI-LINK 15-C 

 Ericsson
Швеция

14.5-15.3

18 (25)

4FSK

2
8
16
34

-93
-87
-84
- 81

  MINI-LINK 18-Е (Микро)

  MINI-LINK 18-Е

Ericsson
Швеция

 17.7-19.7

 18 (23)

C-QPSK

2
4
8
16
34

-94
-91
-88
-85
- 82

  PASOLINK 18

NEC
Япония

  17.7-19.7

23
23
20
20

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

-93
-90
-84
- 81 

  PASOLINK + (18)

NEC

Япония

17.7-19.7

18
15
17
20
20

32 MLCM
128 QAM (RS)
32 QAM (RS)
16 QAM (RS)
16 QAM (RS)

STM-1
STM-1
STM-0
8 x 2
16 x 2

-80
-71.5
-80
-87
- 84

  MINI-LINK 23-C

 Ericsson
Швеция

21.2-23.6

 20 

4FSK

2
4
8
16

 -92
 -86
 -83
 - 80

  PASOLINK 23 

NEC
Япония

21.2-23.6

23
23
20
20

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

-90.5
-87.5
-83
- 80

  PASOLINK + (23)

NEC

Япония

21.2-23.6

18
15
17
20
20

32 MLCM
128 QAM (RS)
32 QAM (RS)
16 QAM (RS)
16 QAM (RS)

STM-1
STM-1
STM-0
8 x 2
16 x 2

-80
-71.5
-80
-87
- 84

  PASOLINK 26

NEC
Япония

24.3-26.5

20
20
19
19

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

- 90
- 87
-82
-79

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 MINI-LINK 28-Е (Микро)

  MINI-LINK 28-Е

 

Ericsson
Швеция

27-29.5

15

C-QPSK

2
4
8
16
34

-88
-85
-82
-79
- 76

 MINI-LINK 30--Е (Микро)

  MINI-LINK -Е

 

Ericsson
Швеция

29,5-31,5

15

C-QPSK

2
4
8
16
34

-88
-85
-82
-79
- 76

  PASOLINK 32

NEC

Япония

32-35.5

16
16
15.5

15.5

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-89
-86
-81

-78

  PASOLINK 34

NEC

Япония

34-35.5

16
16
15.5

15.5

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-89
-86
-81

-78

  PASOLINK 36

NEC

Япония

36-37.5

16
16
15.5

15.5

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-89
-86
-81

-78

 MINI-LINK 38-Е (Микро)

  MINI-LINK 38-Е

 

Ericsson
Швеция

37-39.5

15

C-QPSK

2
4
8
16
34

-88
-85
-82
-79
- 76

  PASOLINK 38

NEC

Япония

37-39.5

16
16
15.5

15.5

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-89
-86
-81

-78

 

 

Приложение Б

 

Таблица Б.1 – Среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости

Район

Районы прикаспийской низменности

– 13

10

Пустынные районы Южного Казахстана

– 6

10

Степная полоса Казахстана

–7

9

 

Таблица Б.2 – Коэффициенты регрессии для оценки затухания

Частота

f, ГГц

Горизонтальная поляризация

Вертикальная поляризация

1

0,0000387

0,912

0,0000352

0,880

2

0,0001540

0,963

0,000138

0,923

4

0,00065

1,121

0,000591

1,075

6

0,00175

1,308

0,00155

1,265

7

0,00301

1,332

0,00265

1,312

8

0,00454

1,327

0,00395

1,31

10

0,101

1,276

0,00887

1,264

12

0,0188

1,217

0,0168

1,2

15

0,0367

1,154

0,0335

1,128

20

0,0751

1,099

0,0691

1,065

25

0,124

1,061

0,113

1,03

30

0,187

1,021

0,167

1

35

0,283

0,979

0,233

0,963

40

0,35

0,939

0,51

0,929

                

Приложение В

 

Рисунок11

 Рисунок В.1 – Зависимость множителя ослабления от аппроксимирующего параметра μ

 

Рисунок11

Рисунок В.2 – К расчету времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн

 


 

Содержание 

Введение

3

Расчетно-графическая работа 1

Исследование зависимости устойчивости  связи на пролете РРЛ от условий распространения радиоволн

4

4

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1

5

Расчетно-графическая работа 2

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участках           ЗС – ГСР, ГСР – ЗС

11

 

Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 2

12

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на участке           ЗС – ГСР

17

Расчет энергетического бюджета спутниковой линии на   участке           ГСР –  ЗС

19

Расчетно-графическая работа 3

Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты

21

21

Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3

22

Список литературы

31

Приложения

32