Műholdas kommunikáció terjedés, a műholdas csatorna, adó/vevőállomás. Csurgai-Horváth László, BME-HVT 2018.

Átírás

1 Műholdas kommunikáció terjedés, a műholdas csatorna, adó/vevőállomás Csurgai-Horváth László, BME-HVT 2018.

2 Miről lesz szó? Műhold alapegység: a kommunikációs rendszer Az idetartozó témakörök: Frekvenciasávok Hullámterjedés, külső hatások, modellek Az antenna Műholdas feladóállomás Műholdas vevőállomás, tervezési megfontolások A kezdetek

3 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

4 A rádióspektrum

5 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 Hz 10,000 km 1000 km Communication with submarines Ultra low frequency ULF 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 khz 10 km 1 km Navigation, time signals, AM longwave broadcasting (Europe and parts of Asia), RFID, amateur radio Medium frequency MF 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 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 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 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

6 Frekvenciasávok (ITU szerint) - szolgáltatások

7 A terjedés Föld- Föld Föld- Műhold (űreszköz) Műhold- Műhold (űreszköz-űreszköz)

8 Antennák Interface a szabad tér és az áramkör között Műholdas kommunikáció: gyakran parabolaantenna Prímfókuszos/offset/Cassegrain antenna Irányítottság, nyalábok A felületi minőség hatása Alphasat adó/vevőállomás Graz, Ausztria

9 Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/1 A vett jel teljesítménye izotropikusan sugárzó antennától d távolságban A RX hatásos felületen: P RX ( d) [ W ] P TX A 4d RX 2 Az adóantenna nyeresége (ha nem izotropikus antenna): GTX A vevőantenna nyeresége: G RX 4 2 A RX (Stutzman és Thiele) A RX A P RX ( d) [ W ] PTXGTXGRX 4d 2

10 Terjedés szabad térben (vákuumban) 2/2 P dbm 10log P[ W ] Logaritmikus skálán: [ ] P RX ( d) [ dbm] PTX GTX G [ dbm] [ db] RX [ db] 20log 4d A szakaszcsillapítás: a sz P P TX RX 4d 2 G TX 1 G RX Logaritmikus skálán: a sz 20log 4d G [ db] TX G [ db] RX a [ db] sz log f [ MHz] 20log d [ km] G [ db] TX G [ db] RX

11 Egy példa: Föld- Hold összeköttetés km (átlagos távolság) a [ db] sz log f [ MHz] 20log d [ km] G [ db] TX G [ db] RX

12 A fading 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: Fading amplitúdó Fading időtartam Interfading időtartam Fading meredekség Küszöbszint q Idő Esőesemény Esőesemény

13 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 H E Vízszintes polarizáció

14 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 koncentráció: 7,5 g/m 3

15 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 polarizációjú hullámot jobban csillapítja Jég, hó víz megfagy, dielektr. áll.-ja csökken csillapítása elhanyagolható radomon felhalmozódva csillapít! Köd inkább optikán (hullámhossz, méret) Esőcsillapítás az esőintenzitás és a frekvencia függvényében Havas eső (sleet) Kialakulásához jellemző meteorológiai viszonyok Esés közben a jég olvadni kezd, nedves burok alakul ki, akár 30 db csillapítást tud okozni

16 Föld-műhold és földi pont-pont összeköttetések útvonala Fagyott csapadék h R Eső magasság θ h R - h s Folyékony halmazállapotú csapadék h s L G θ antenna elevációs szöge, L s ferde úthossz, L G = Ls cosθ [km]. L G vízszintes útvetület, h R effektív eső magasság L s = (h R - h s )/sinθ [km], h s az állomás talaj feletti magassága

17 Tipikus vételi jelszint időfüggvény (19/39 GHz, műhold) Ka-band [dbm] Q-band[dBm] Ka-band Q-band Rain rate [mm/h] Time [hr] Rainfall rate Alphasat Scientific experiment mérés

18 Esőintenzitás és csillapítás eloszlásfüggvények HU km HU km HU km Probability R 001 Probability Attenuation CCDF HU11 measured HU12 measured HU13 measured Rain rate [mm/h] Attenuation [db]

19 R 001 értékei az ITU-R alapján

20 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

21 Havas eső hatása mikrohullámú összeköttetésen

22 A köd csillapító hatása Sürüség [relatív] Vételi jelszint [dbm] Vételi jelszint [dbm] Esöintenzitás [mm/h] GHz GHz Idö [óra] Sürüség [relatív] Csillapítás] [db] Folyékony víz tartalom [g/m 3 ] GHz Idö [óra] A köd sűrűségének mérése: Infravörös adó Ködrészecskék Meghajtó impulzus Infravörös vevő Vett impulzus Laser-disdrometer

23 További hatások 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 hatások Árnyékolás hatásai (épületek, növényzet) Csillapítás [db] Idö [perc] Csillapítás LMS csatornán, autópályán mérve

24 Pályák és következmények 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 Elevation [deg.] Azimuth [deg] -114 RP [dbm] Time [hr] Geoszinkron műhold napi mozgása és jelszint ingadozás ( )

25 A fading elleni védekezés néhány módja Fading tartalék Adaptív adó teljesítmény-szabályozás Forráskódolás/csatornakódolás Adaptív moduláció Diverziti

26 Hullámterjedési mérések az Alphasat kísérlet Alphasat Pálya: geoszinkron Pályára állt: 2013 július Működés: 2013 októbertől Beacon jelek: Frekvenciák: Ka sáv: GHz Q-sáv: GHz Polarizáció: Lineáris V (Ka) / Lineáris 45 (Q) Adóteljesítmény: EIRP: 21.5dBW (Ka) és 29.3dBW (Q)

27 Az űrszegmens - Alphasat Ka/Q band SCIEX antennák Q/V band COMEX antennák

28 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 GHz 29.3dBW 19.5dB 35756km 215.5dB 2.0dB 39.2dB 3.0dB 14.2dB/K dBm 27.0dB Egyéb tervezési megfontolások, a vevő felépítése

29 A mérőrendszer Antennas and ODUs RF/Ka RF/Q IDU RS232 PC Power Mérés-adatgyűjtő Ka és Q sávú vevők

30 Mért vételi jelszint idősorok (Alphasat, BME vevőállomás) Az eső hatása 2016 július: Szcintilláció; 2015 augusztus: RPWR[dBm] RPWR[dBm] Ka-band Q-band Rain rate [mm/h] 50 Rainfall rate Time [day]

31 Első rendű statisztika (Alphasat, BME vevőállomás) A csillapítás eloszlása (2016, komplemens eloszlás): Exceedance probability [%] Q-band Ka-band ITU-R P.618 Q-band ITU-R P.618 Ka-band Attenuation [db]

32 Relatív helyzet [km] Idősorok mesterséges előállítása A szélsebesség Markov modellje: A szélirány Markov modellje: É wd 11 ws N1 ws 21 ws 11 ws 22 S 1 S 2 ws 12 ws 1N ws N2 ws 2N S N ws NN wd 33 Ny wd 31 wd 13 wd 23 wd 21 wd 34 wd 41 wd wd wd 14 wd 32 wd 24 wd 42 K wd wd 22 D csomópont A A szakaszcsillapítás: L L 0 kr n ( x n, y n ) dl Relatív helyzet [km]

33 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

34 A zaj hatása a jelátvitelre Zaj 0,1 Mod Demod Döntő A zaj forrásai lehetnek: Termikus Ember által keltett Vevőzaj BER (lg) BPSK QPSK -5 8PSK SNR (db) MPSK SNR - BER függvényei Shannon-Hartley tétel (1948): (AWGN) C [ W ] [ bit / s] B[ Hz] log2 1 N[ W ] S

35 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

36 1. példa: Cubesat Masat-1: 1 kg LEO MHz 100/400 mw 625/1250 bps 2-GFSK moduláció

37 2. példa: Plazmafizikai műhold Intercosmos 24 (Active): 1570kg LEO MHz 2.5 W 10/20/40/80 kbps BPSK moduláció

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

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

40 4. példa: Mobil kommunikációs műhold (Alphasat) Alphasat ( ): 8100kg BGAN (Broadband Global Area Network) kw Ø12m antenna 750 csatorna nyaláb L-sáv (1.6 GHz) Ka-sáv (ESA) Q-sáv (ESA)

41 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)

42 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?