Вопросы построения спутниковой сети массового обслуживания Ка-диапазона для республики Казахстан

Вопросы построения спутниковой сети массового обслуживания Ка-диапазона для республики Казахстан

Ключевые слова: спутниковые сети, многолучевые антенны, круговая поляризация, пропускная способность, полосы частот, сигнально-кодовые конструкции.

Выполнен анализ формирования рабочей зоны спутника многолучевой сети массового обслуживания в Ка диапазоне частот, определены оптимальный размер лучей и распределение емкости в лучах, произведена оценка пропускной способности прямого и обратного пользовательских каналов. Необходимость данных исследований обусловлена тем, что при проектировании многолучевой сети для Казахстана необходимо учитывать ярко выраженную неравномерность распределения населения и низкую среднюю плотность. Исследовались методы формирования рабочей зоны спутника. Оптимальный размер лучей выбирался из соображений обеспечения необходимой точности удержания точки прицеливания при минимальном снижении энергетики радиолинии для абонентских станций. В результате исследований выбрано равномерное распределение лучей по территории (10 лучей с угловым размером 0,75°) и неравномерное распределение емкости в лучах (8 литер). Проведенные исследования позволили провести анализ эффективности применения многолучевой технологии и выявить недостатки при построении рабочей зоны казахстанского спутника с неравномерным распределением лучей по территории и равномерным распределением емкости в лучах, а также равномерным распределением лучей по территории и потенциальной емкости в лучах.

Айтмагамбетов А.З., профессор кафедрыыВТПО и Т Международного университета информационных технологий

Бутузов Ю.А., профессор кафедры радиотехники Алматинского университета энергетики и связи

Торхан С., студент Международного университета информационных технологий

В последние годы в спутниковой связи наблюдается мировая тенденция ускоренного освоения Ка-диапазона частот. Появилось значительное число работ, посвященных обзору действующих и проектируемых спутниковых систем массового обслуживания [1-3], опыту эксплуатации [4] и результатам исследований по оптимизации их параметров [5-7]. До применения многолучевой технологии предоставление широкополосных услуг связи массовому потребителю в Ка-диапазоне считалось малорентабельным из-за необходимости использования сверхдеше-вых У5АТ-терминалов. С появлением систем массового обслуживания, технической основой которых является применение многолучевых приемных и передающих бортовых антенн, данная проблема была решена.

Работа проводилась в рамках исследования возможностей применения Ка-диапазона в спутниковых системах связи Республики Казахстан. Работа посвящена исследованию многолучевой зоны покрытия территории Казахстана (распределению лучей по территории и определению их емкости), а также оценке основных параметров бортовых и земных комплексов. Необходимость проведения данных исследований обусловлена тем, что при проектировании многолучевой сети для Казахстана важно учесть ярко выраженную неравномерность распределения населения (потенциальных абонентов), низкую среднюю плотность (примерно 6 чел/ кв. км) [8] и довольно существенное различие отдельных зон территории по интенсивности дождя. Плотность населения для отдельных групп областей Казахстана приведена в табл. 1.

Уровни интенсивности дождя, превышаемые в 0,01% времени года, изменяются от 10 мм/час в западных и центральных районах до 30 мм/час в ВосточноКазахстанской области [9].

Таблица 1

Плотность населения по областям Казахстана

Области Плотность населения, чел/кв. км

Актюбинская, Мангистауская, Кзылордннекая. Карагандинская до 4,1

Атырауская, ЗападноКазахстанская, Костанайская, Восточно-Казахстанская 4,1 -5,1

Акмолинская, СевероКазахстанская, Павлодарская 5,1 -7,1

Алматинская, Южно-Казахстанская, Жамбылская 7,1 - 19,9

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач

1. Обосновать выбор орбитальной позиции геостационарного спутника. Исходя из того, что наиболее сильное ослабление радиосигнала в дожде будет в зоне с интервалом по долготе 80-85Е (интенсивность дождя 30 мм/час), желательно выбрать точку стояния спутника в этом диапазоне (при этом будет меньше длина наклонной трассы ниже высоты дождя). Но поскольку Казахстаном в МСЭ поданы в диапазоне Ка на позицию 58,5Е поэтапно 3 заявки [9] (последняя КА25АТ-1К с приоритетной датой 14/11/2012 г. и сроком действия до 30/03/2018 г.), следует остановиться на этой позиции.

2. Выбрать один из трех вариантов формирования рабочей зоны спутника и распределения емкости в лучах [5]:

— равномерное распределение лучей по территории и потенциальной емкости в лучах;

— неравномерное распределение лучей по территории и равномерное распределение емкости в лучах;

— равномерное распределение лучей по территории и неравномерное распределение емкости в лучах.

Применение первого варианта оправдано, например, для сети на базе спутника Ка-8а1 спроектированной для Европы с примерно равномерным распределением плотности населения и его средней плотностью более 100 человек на 1 км2 [4] и не оправдано для территории с неравномерной плотностью населения. Недостаток второго ва-

рианта заключается в том, что энергетические потенциалы обратных пользовательских каналов сети будут различными не только в условиях дождя, но при ясном небе.

В большей степени для Казахстана с его неравномерной плотностью населения оправдано применение третьего варианта.

3. Важен также выбор размера луча, поскольку из-за неточности удержания точки прицеливания может существенно снизится энергетика радиолинии для абонентского терминала (АТ). В работе [2] показано, что оптимальный вариант без применения пеленгаторов предусматривает использование лучей не уже 0,7-0,75 град.

4. В соответствии с документами МСЭ и СЕРТ для проектируемой спутниковой сети могут быть использованы полосы частот, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Полосы частот для казахстанского спутника

Передача ЦЗС Передача АТ

29,0 - 29,7 ГГц 30,0 - 30,5 ГГц

Прием ЦЗС Прием АТ

18,3-19,0 ГГц 19,2- 19,7 ГГц

Примечание: ЦЗС - центральная земная станция (станция сопряжения): АТ- абонентский (пользоватечьскии) терминал.

Предлагается рабочую полосу частот 500 МГц диапазона 30,0-30,5/19,2-19,7 ГГц разделить не на 4, а на 8 литер (125 МГц каждая) с учетом поляризации (круговая - левая Ь и правая Я).

5. Построить рабочую зону спутника рассматриваемой сети.

В ретрансляторе казахстанского спутника предполагается применить раздельные приемную и передающую многолучевые антенны (МЛА), что позволит оптимизировать антенны по максимуму коэффициента усиления (КУ), снизить уровень боковых лепестков (УБЛ) и уменьшить кроссполяризационное излучение, а также точнее выдержать взаимное соответствие зон обзора на прием и передачу. Распределение лучей по территории РК приведено на рис. 1.

Рис. 1. Равномерное распределение лучей по территории РК и неравномерное распределение емкости в лучах

6. Для оценки пропускной способности (С) прямого и

обратного пользовательских каналов использовались их энергетические потенциалы ЭП и пороговые отношения

энергии принимаемых двоичных символов Е к спектральной плотности мощности шума N0 (Ь„ ):

Рассмогрим рабочую зону спутника по восходящим лучам (обратный пользовательский) канал. Основной характеристикой приемного тракта спутникового ретранслятора (СР) будет добротность

£ = (2) Т

где впр = 27843/р2 [10] - коэффициент усиления приемной антенны СР, Т = 1000 К [7]- шумовая температура приемного тракта СР.

Рабочая зона будет характеризоваться добротностью О = 46,9 - 30 = 16,9 дБ/К.

Поскольку для определения энергетического потенциала данного канала важно знать затухание в дожде, выполнены расчеты для г. Усть-Каменогорска (интенсивность дождя 30 мм/час) на частоте 30 ГГц для радиосигналов с круговой поляризацией в соответствии с методикой МСЭ [II]. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Затухание радиосигналов 30 ГГц (круговая поляризация) в дожде при разных процентах времени превышения

Процент времени превышения Затухание, дБ

0,1 9,8

0,01 25,6

Энергетический бюджет обратного пользовательского канала (АТ - СР) приведен в табл. 4.

Таблица 4

Энергетический бюджет канала АТ -СР

Угловой размер луча, град. 0,75

Частотный диапазон, ГГц 30

Выходная мощность передатчика АТ, Вт 1

Диаметр антенны АТ, м 0.6

Коэффициент усиления передающей антенны АТ, дБ 43,3

Потери сигнала на передающей стороне, дБ 1

ЭИИМ канала, дБВт 42,3

Полоса частот канала, МГц ДГ 125

Потери наведения антенн, дБ 2,5

Потери сигнала в свободном пространстве, дБ 213,8

Потери сигнала в газах атмосферы. дБ 0,4

Коэффициент усиления приемной антенны СР. дБ 46,9

Шумовая температура приемного тракта СР, К 1000

Потери сигнала в дожде (процент времени 0,1), дБ 9,8

Мощность полезного сигнала на входе приемника СР, дБВт Рс -127,5

Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц N0 -198,6

Энергетический потенциал радиоканала АТ -СР, дБГц ЭП 71,1

Определим пропускную способность данного канала С при условии обеспечения вероятности ошибочного приема пакетов транспортного потока не более 10‘7.

Из таблицы 4 видно, что в данном канале одновременно ограничены энергетические и частотные ресурсы - выходная мощность 1 Вт и полоса пропускания АР=125 МГц. Поэтому требуется совместное выполнение двух неравенств:

С<С.=—^Ц-[7],

уУо-А;

С<С, =ДГ шг [12],

где ь„" - пороговое отношение энергии принимаемых двоичных символов Е к спектральной плотности мощности шума N0; тг -спектральная эффективность сигнально-кодовых конструкций (СКК).

Пропускная способность канала будет равна С = тт (С1.С2). При С = С, пропускная способность определяется энергетическими возможностями АТ, а полоса пропускания используется частично. При С = С? пропускная способность канала ограничивается частотным ресурсом.

Расчеты показывают, что при исходных данных (табл. 4) в ясную погоду и при использовании опции СКК в стандарте ОУВ-52 [ОРБК (т=2), РЕС (г = 9/10)] пропускная способность обратного канала составит 5,26 Мбит/с. В этом случае необходимый частотный ресурс составит 2,94 МГц. Полученное значение пропускной способности соответствует примерно проектным параметрам системы ЫпшШ-б, где для обратного канала при диаметре антенны 0,6 м установлена максимальная скорость 5 Мбит/с. Из таблиц 3 и 4 видно, что потери сигнала в дожде (процент времени 0,1) составляют 9,8 дБ. При таких погодных условиях пропускная способность канала существенно уменьшится (до значения 550 кбит/с). Переход при дожде на новую опцию (ОРЯК, г =1/4) позволит увеличить это значение примерно вдвое (до 1,14 Мбит/с). Обычно загрузка обратного канала относительно низкая, что дает возможность использовать невостребованный ресурс обратного канала для организации систем видеонаблюдения [4].

Рассмотрим энергетический бюджет прямого пользовательского канала (СР - АТ) для луча (1 литера). Исходные данные приведены в таблице 5.

Таблица 5

Энергетический бюджет канала СР - АТ

Угловой размер луна, град. 0.75

Частотный диапазон, ГГц 20

ЭИИМ канала, дБВт 65,9

Полоса частот канала, МГц Af 125

Потери наведения антенн, дБ 2,5

Потерн сигнала в свободном пространстве. дБ 210.2

Потери сигнала в газах атмосферы, дБ 0,4

Коэффициент усиления приемной антенны АТ, дБ 34,8

Шумовая температу ра приемного тракта АТ, К 400

Потери сигнала в дожде (процент времени 0,1), дБ 5,1

Мощность полезного сигнала на входе приемника СР, дБВт Рс - 112,4

Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц No - 202,6

Энергетический потенциал радиоканала АТ - СР, дБГц ЭП 90,2

Расчеты показывают, что при исходных данных (табл. 5) в ясную погоду и при использовании опции СКК в стандарте DVB-S2 [8-PSK (ш=3), FEC (г = 9/10)] пропускная способность прямого пользовательского канала составит 224 Мбит/с. При этом необходимый частотный ресурс составит 83,6 МГц. Из табл. 5 видно, что потери сигнала в дожде (процент времени 0,1) составляют 5,1 дБ. При таких погодных условиях пропускная способность канала уменьшится до значения 69,2 Мбит/с. Переход при дожде на новую опцию (8-PSK, г =3/5) позволит поднять значение пропускной способности до 162,2 Мбит/с. Переход при дожде на опцию (QPSK, г 4/5) позволит поднять значение пропускной способности до 175 Мбит/с (при этом занятая полоса составит примерно 110 МГц).

Суммарная пропускная способность прямых пользовательских каналов в ясную погоду составит (2*224+6*448+2*672) = 4480 Мбит/с. Удельная скорость определяет число абонентов, возможных для подключения в данной сети. Если ориентироваться на удельную скорость, принятую для кабельных сетей, например 30 кбит/с, можно подключить примерно 149 тыс. абонентов. Если предоставлять сервис, подобный Wild- Blue и доступный сегодня в США, можно подключить 44,8 тыс. абонентов [4].

Выводы

11ри практическом построении многолучевой рабочей зоны спутника на территории Казахстана получено 10 лучей с угловым размером 0,75°. При переходе от однолучевой к многолучевой зоне покрытия территории Казахстана (Р = 0,75°) энергетический потенциал пользовательских каналов возрастает примерно на 10,5 дБ.

Результаты расчетов пропускной способности обратных пользовательских каналов показали, что за счет выбора сигнально-кодовой конструкции (параметра hn2) можно обеспечить значение в пределах 5-6 Мбит/с, что соответствует, например, проектным параметрам спутников серии Inmarsat-5 [1].

Суммарная пропускная способность прямых пользовательских каналов составляет 4480 Мбит/с, что при удельной скорости 100 кбит/с позволит подключить к сети 44,8 тыс. абонентов.

Литература

1. Анпилогов В. Спутниковые системы массового обслуживания в Ка-диапазоне // Технологии и средства связи, специальный выпуск “Спутниковая связь и вещание”, 2011. - С.16-21.

2. Анпнлогов В. Приложения к статье "Спутниковые системы массового обслуживания в Ка-диапазоне" // Технологии и средства связи, специальный выпуск “Спутниковая связь и вещание”, 2011.-С. 96-98.

3. Тестоедов Н. Планы развития российской спутниковой группировки в Ка-диапазоне частот // Технологии и средства связи, специальный выпуск “Спутниковая связь и вещание", 2011.-С. 12-13.

4. Цисар Л. Широкополосный Ка-диапазон мировой опыт 2010 // Технологии и средства связи, специальный выпуск “Спутниковая связь и вещание”, 2011. — С. 50-52.

5. Афонин А, Гавриюв К. Спутниковые сети массового широкополосного доступа в Интернет в Ка-диапазоне: тенденции развития, анализ решений // Вестник Российской академии естественных наук, №4, 2011. - С. 4-9.

6. Бабинцев А., Лосев А. Нахождение оптимальных параметров многолучевой спутниковой системы // Труды НИИР, №2, 2011.-С. 38-51.

7. Камиев В.Е. и др. Спутниковые сети связи: Учебное пособие. - М.: ООО "Военный парад”, 2010.-608 с.

8. Численность и плотность населения в Казахстане // Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.stat.kz/publishing/ Роситеп15/населенне.р{1С.

9. Широкополосная спутниковая связь в Ка-диапазоне: системный подход и решения. - Презентация компании Ав^шт. -Региональный семинар МСЭ, Алматы, 5-7 сентября 2012.

Matters of satellite queuing network design in ka-band for republic of kazakhstan

Aitmagambetov A.Z., Butuzov YA, Torekhan S.

Abstract

In the analysis of the formation of the coverage area of multibeam satellite queuing network in the Ka-band, determine the optimal size and distribution of capacity in the beams, evaluated the throughput of the forward and reverse user channels. The necessity of this research due to the fact that the design of multibeam networks in Kazakhstan should be considered a distinct non-uniform distribution of the population and a low average density. Methods of formation of the satellite coverage area were investigated. The optimum size of the beams was chosen for reasons of maintain the accuracy hold the aiming point with a minimum reduction of energy for radio subscriber stations. As a result of investigation, the uniform distribution of beams through the area (1 0 beams with an angular size of 0,75o) and the uneven distribution capacity in the beams (8 letters). The research allows to analyze the effectiveness of multibeam technology and to identify deficiencies in the design of Kazakh satellite coverage zone with uneven distribution of beams in the area and uniform distribution of beams in the area, as well as uniform distribution of beams in the area and potencial capacity in the beams.

Keywords: satellite networks, multibeam antenna, circular polarization, bandwidth, signal-code construction.

10. Приложения Регламента радиосвязи, том 2 - часть 2. -М., 2004.

11. Рекомендация МСЭ-Я Р.618-10. Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, необходимые для проектирования систем связи Земля - космос.

12. Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи / Под ред. Л.Я. Кантора и В.В. Ноздрина. - М.: НИИР, 2009. - 280 с.