Δορυφορικές Επικοινωνίες

Transcript

1 Δορυφορικές Επικοινωνίες Διάλεξη #7 Παραδείγµατα Σχεδίασης Δορυφορικών Ζεύξεων Διδάσκων: Αθανάσιος Κανάτας Καθηγητής Πανεπιστηµίου Πειραιώς Περιεχόμενα Διάλεξης #7 Παράδειγμα 1: Διανομή Τηλεοπτικών Προγραμμάτων από GEO στην Ku-band Παράδειγμα 2: Σύστημα Προσωπικών Επικοινωνιών με LEO

2 Σχεδίαση Διανομής TV στην Ku-band από GEO Δεδομένα Παραδείγματος 1 Παράμετροι δορυφόρου στη ζώνη Ku GEO σε γεωγραφικό μήκος 73 W, 28 αναμεταδότες ζώνης Ku Συνολική RF ισχύς εξόδου 2.24 kw Κέρδος κεραίας, επί του άξονα (εκπομπής και λήψης). 31 db Θερμοκρασία θορύβου συστήματος λήψης. 500 K Μέγιστη ισχύς εξόδου αναμεταδότη: Ζώνη Ku 80 W Εύρος ζώνης αναμεταδότη: Ζώνη Ku. 54 MHz Σήμα Συμπιεσμένα ψηφιακά σήματα βίντεο με εκπεμπόμενο ρυθμό συμβόλων 43.2 Msps Ελάχιστος επιτρεπόμενος συνολικός (C/N) T στο δέκτη. 9.5 db

3 Δεδομένα Παραδείγματος 1 Επίγειος σταθμός εκπομπής στη ζώνη Ku Διάμετρος κεραίας.. 5 m Απόδοση ανοίγματος.. 68% Συχνότητα άνω ζεύξης GHz Απαιτούμενος C/N στον αναμεταδότη ζώνης Ku 30 db Αναδίπλωση ισχύος εξόδου του HPA του αναμεταδότη.. 1 db Διάφορες απώλειες στην άνω ζεύξη. 0.3 db Τοποθεσία: 2 db περίγραμμα της κεραίας λήψης του δορυφόρου Δεδομένα Παραδείγματος 1 Επίγειος σταθμός λήψης στη ζώνη Ku Συχνότητα κάτω ζεύξης.. IF εύρος ζώνης θορύβου δέκτη Θερμοκρασία θορύβου κεραίας Θερμοκρασία θορύβου LNA Απαιτούμενος συνολικός (C/N) T σε συνθήκες καθαρού αέρα.. Διάφορες απώλειες στην κάτω ζεύξη.. Τοποθεσία: 3 db περίγραμμα της κεραίας εκπομπής του δορυφόρου Εξασθένηση λόγω βροχής και παράγοντες διάδοσης Εξασθένηση σε καθαρό αέρα στη ζώνη Ku Άνω ζεύξη GHz Κάτω ζεύξη GHz.. Εξασθένηση λόγω βροχής Άνω ζεύξη 0.01% του έτους Κάτω ζεύξη 0.01% του έτους GHz 43.2 MHz 30 K 110 K 17 db 0.2 db 0.7 db 0.5 db 6.0 db 5.0 db Άγνωστοι: 1) Ισχύς εκπομπής ES στο UL 2) Διάμετρος κεραίας λήψης στον ES στο DL

4 Σχεδίαση Άνω Ζεύξης στην Ku Πρέπει να βρούμε την ισχύ πομπού UL ώστε να επιτύχουμε (C/N) UL = 30 db σε καθαρό αέρα. Θα βρούμε την ισχύ θορύβου στον αναμεταδότη για BW = 43.2 MHz, και στη συνέχεια θα προσθέσουμε 30 db για να βρούμε την απαιτούμενη στάθμη ισχύος εισόδου του αναμεταδότη. Υπολογισμός Ισχύος Θορύβου στην Άνω Ζεύξη k = σταθερά Boltzmann T s = 500 K B = 43.2 MHz N = ισχύς θορύβου αναμεταδότη P r = ισχύς στην είσοδο του αναμεταδότη dbw/k/hz 27.0 dbk 76.4 dbhz dbw 95.2 dbw Σχεδίαση Άνω Ζεύξης στην Ku Η κεραία της άνω ζεύξης έχει διάμετρο 5 m και απόδοση ανοίγματος 68%. Στα GHz το μήκος κύματος είναι m. Το κέρδος κεραίας είναι G t = 10log π D λ Η απώλεια διαδρομής στον ελεύθερο χώρο είναι 2 = 55.7 db L p = 10log 10 4π R λ 2 = db

5 Σχεδίαση Άνω Ζεύξης στην Ku Υπολογισμός Λαμβανόμενης Ισχύος στην Άνω Ζεύξη P t = Ισχύς πομπού επίγειου σταθμού G t = Κέρδος κεραίας επίγειου σταθμού G r = Κέρδος κεραίας δορυφόρου L p = Απώλεια διαδρομής στον ελεύθερο χώρο L ant = E/S σε 2 db περίγραμμα L m = Άλλες απώλειες P r = Λαμβανόμενη ισχύς στον αναμεταδότη P t dbw 55.7 db 31.0 db db 2.0 db 1.0 db P t db Σχεδίαση Κάτω Ζεύξης στην Ku Το πρώτο βήμα είναι να υπολογιστεί ο (C/N) DL της κάτω ζεύξης που θα δώσει (C/N) Τ = 17 db όταν (C/N) UL = 30 db. C N 1 DL C N = C N DL 1 T C N 1 UL = db = = 0.019

6 Σχεδίαση Κάτω Ζεύξης στην Ku P r = ισχύς στην είσοδο δέκτη του επίγειου σταθμού = dbw db = dbw Πρέπει να υπολογίσουμε την απώλεια διαδρομής στα GHz. Στα GHz ήταν db, άρα στα GHz είναι L p = log 10 ( / 11.45) = db Ο αναμεταδότης τίθεται σε λειτουργία με 1 db OBO εξόδου, κι έτσι η ισχύς εξόδου είναι 1 db κάτω από 80 W (80 W 19.0 dbw) P t = 19 dbw 1 db = 18 dbw Σχεδίαση Κάτω Ζεύξης στην Ku Υπολογισμός Λαμβανόμενης Ισχύος στην Κάτω Ζεύξη P t = Ισχύς πομπού αναμεταδότη δορυφόρου G t = Κέρδος κεραίας δορυφόρου G r = Κέρδος κεραίας επίγειου σταθμού L p = Απώλεια διαδρομής στον ελεύθερο χώρο L ant = E/S στο -3 db περίγραμμα της κεραίας του δορυφόρου L m = Άλλες απώλειες P r = Λαμβανόμενη ισχύς στον επίγειο σταθμό 18 dbw 31.0 db G r db 3.0 db 0.8 db G r db

7 Σχεδίαση Κάτω Ζεύξης στην Ku Όμως Επιδράσεις της Βροχής στο UL Σε δυνατή βροχή, η διαδρομή (ζώνη Ku) προς το δορυφόρο υφίσταται εξασθένηση 6 db για το 0.01% του έτους. Πρέπει να βρούμε το περιθώριο στην UL και να αποφασίσουμε αν ο έλεγχος ισχύος της UL θα βελτίωνε την απόδοση του συστήματος στη ζώνη Ku. Ο C/N στην UL ήταν 30 db σε καθαρό αέρα. Με 6 db εξασθένηση, ο C/N στον αναμεταδότη μειώνεται στα 24 db, και με μια γραμμική χαρακτηριστική, η ισχύς εξόδου του αναμεταδότη μειώνεται στα 18 6 = 12 dbw. Ο C/N της DL μειώνεται κατά 6 db από 17.2 db σε 11.2 db, και ο συνολικός (C/N) T μειώνεται κατά 6 db στα 11 db. Με τον ελάχιστο συνολικό C/N να έχει τιμή 9.5 db, το πρόσθετο περιθώριο για εξασθένηση στην UL είναι 1.5 db.

8 Επιδράσεις της Βροχής στο UL Θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε έλεγχο ισχύος στην άνω ζεύξη (UPC) ώστε η ισχύς εξόδου του πομπού του ES να αυξάνεται όταν η εξασθένηση στην UL φτάσει στα 3 db. Αυτό θα διατηρούσε την τιμή του συνολικού (C/N) T στο δέκτη στα 14 db. Αν το σύστημα UPC έχει μια δυναμική περιοχή 6 db, το περιθώριο εξασθένησης λόγω βροχής στην UL αυξάνεται στα 12 db και η μέγιστη ισχύς πομπού στη ζώνη Ku αυξάνεται στα 34.3 dbw (2690 W). Το UPC βελτιώνει τη δυνατότητα της UL να αντέχει στην εξασθένηση λόγω βροχής, αλλά εις βάρος ενός πιο ισχυρού και ακριβού, πομπού UL (που δικαιολογείται όμως σε σύστημα διανομής TV με πολλούς σταθμούς λήψης). Επιδράσεις της Βροχής στο DL Η GHz διαδρομή μεταξύ του δορυφόρου και του σταθμού λήψης υφίσταται εξασθένηση λόγω βροχής που υπερβαίνει τα 5 db για το 0.01% του έτους. Υποθέτοντας 100% σύζευξη του θορύβου ουρανού με το θόρυβο κεραίας, και 0.5-dB εξασθένηση λόγω αερίων σε καθαρό αέρα, υπολογίστε το συνολικό C/N. Υποθέστε ότι ο σταθμός UL λειτουργεί σε συνθήκες καθαρού αέρα. Πρέπει να υπολογίσουμε το διαθέσιμο περιθώριο διαλείψεων στην DL. Πρέπει να βρούμε τη θερμοκρασία θορύβου ουρανού, η οποία είναι η νέα θερμοκρασία κεραίας σε συνθήκες βροχής.

9 Επιδράσεις της Βροχής στο DL Σε συνθήκες καθαρού αέρα, η ατμοσφαιρική εξασθένηση στην κάτω ζεύξη είναι 0.5 db. Η αντίστοιχη θερμοκρασία θορύβου ουρανού είναι 270( ) = 29 Κ. Για 5.5 db εξασθένηση T sky _ rain = T 0 ( 1 G) G = 10 A/10 = ( ) = 194 K T sky _ rain = Η θερμοκρασία θορύβου συστήματος σε συνθήκες βροχής T s_ rain = = 304 K 24.8 dbk Η αύξηση στην ισχύ θορύβου είναι ΔN = 10log 10 ( 304 / 140) = 3.4 db Επιδράσεις της Βροχής στο DL Το σήμα εξασθενεί κατά 5 db στη βροχή, κι έτσι η συνολική μείωση στο λόγο C/N της DL είναι 8.4 db, που δίνει μια νέα τιμή C N DL_ rain = = 8.8 db Ο συνολικός C/N βρίσκεται κατόπιν με το συνδυασμό του (C/N) UL των 30 db της UL C N T _ rain = 8.8 db Ο συνολικός (C/N) T είναι κάτω από την ελάχιστη αποδεκτή τιμή των 9.5 db. Άρα πρέπει να υπολογίσουμε εκ νέου τη μέγιστη εξασθένηση που μπορεί να υποστεί η κάτω ζεύξη.

10 Επιδράσεις της Βροχής στο DL Αυτό περιλαμβάνει μια επαναληπτική διαδικασία, καθώς η αλλαγή της εξασθένησης αλλάζει τόσο την τιμή C όσο και την τιμή N στο (C/N) DL. Για εξασθένηση 5 db, η αύξηση στο θόρυβο είναι 3.4 db, κι έτσι μια αρχική εικασία θα ήταν ότι η μείωση της εξασθένησης κατά 0.3 db θα μειώσει το θόρυβο κατά 0.2 db. Η εξασθένηση βροχής θα είναι τότε λίγο μικρότερη από 5 db (4.7 db). Άρα T sky _ rain = T 0 ( 1 G) G = 10 A/10 = ( ) = 178 K T sky _ rain = ΔN = 10log 10 ( 288 / 140) = 3.1 db C N DL_ rain = = 9.4 db C N T _ rain = db Επιδράσεις της Βροχής στο DL Αν απαιτείται καλύτερη διαθεσιμότητα η διάμετρος της κεραίας λήψης μπορεί να αυξηθεί. Π.χ. αν η διάμετρος αυξηθεί στα 2.4 m, η αύξηση στο κέρδος είναι 20 log 10 (2.40/2.14) = 1.0 db, το οποίο αυξάνει το περιθώριο κάτω ζεύξης στα 8.7 db. Άρα η αντίστοιχη εξασθένηση λόγω βροχής στην κάτω ζεύξη είναι 5.5 db με μια αύξηση ισχύος θορύβου 3.2 db. Ο C/N της κάτω ζεύξης με 5.5 db εξασθένηση λόγω βροχής είναι = 9.5 db, και ο συνολικός (C/N) T 9.5 db. Το πρόσθετο κέρδος κεραίας εξασφαλίζει ότι η ζεύξη ανταποκρίνεται στην απαιτούμενη προδιαγραφή, η οποία θα διατηρεί τις διακοπές σε ένα σύνολο περίπου 50 min σε ένα μέσο έτος στις ανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες.

11 Σύνοψη Παραδείγματος Η ζεύξη στη ζώνη Ku με μια κεραία επίγειου σταθμού 2.4 m θα υφίσταται διακοπές λόγω βροχής (περιστασιακή εξασθένηση > 5.5 db στο DL). Διακοπές σπάνια θα συμβαίνουν στην άνω ζεύξη. Με έλεγχο ισχύος στο UL και έναν ισχυρότερο πομπό, οι διακοπές στην άνω ζεύξη μπορούν να περιοριστούν σε λίγα λεπτά ανά έτος. Μια κεραία λήψης 2.4 m είναι απαραίτητη για να εξασφαλίζεται ότι το DL στην Ku θα είναι εκτός λειτουργίας για λιγότερο από 0.01% ενός μέσου έτους. Η τιμή κατωφλίου για τον συνολικό C/N ορίστηκε στα 9.5 db επειδή χρησιμοποιούμε QPSK και κωδικοποίηση διόρθωσης σφαλμάτων μισού ρυθμού για να λάβουμε έναν ισοδύναμο λόγο (C/N) περίπου 15.5 db χωρίς κωδικοποίηση. Για ένα περιθώριο υλοποίησης 1dB, το BER στο DL θα παραμείνει κάτω από 10 7 εκτός από αν πολύ δυνατή βροχή επηρεάζει την κάτω ζεύξη. Σύνοψη Παραδείγματος Σε καθαρό ουρανό δεν θα υπάρχει κανένα σφάλμα στη ζεύξη. Το QPSK σήμα των 43.2 Msps με FEC 1/2 μπορεί να μεταδώσει ένα ρυθμό 43.2 Mbps, που υποστηρίζει επτά MPEG-2 κανάλια βίντεο. Το σύστημα διανομής βίντεο που περιγράφηκε είναι σχεδιασμένο να μεταδίδει πολλά κανάλια βίντεο σε σταθμούς καλωδιακής τηλεόρασης με χαμηλό κίνδυνο διακοπών. Η υπηρεσία DBS-TV μεταδίδει σήματα βίντεο απευθείας στη θέση του πελάτη με μια πολύ μικρότερη κεραία λήψης 0.5 m. Η μικρότερη κεραία μπορεί να χρησιμοποιηθεί επειδή οι δορυφόροι DBS-TV εκπέμπουν σε υψηλότερη στάθμη ισχύος (160 W), ο ρυθμός συμβόλων είναι χαμηλότερος (20 Mbps) και η διαθεσιμότητα του σήματος στην κεραία λήψης είναι εγγυημένη για μόνο 99.7% του έτους.

12 Σχεδίαση Συστήματος Κινητών Επικοινωνιών Λειτουργικά Στοιχεία Ο χρήστης έχει μια χειροσυσκευή που παρέχει αμφίδρομη φωνητική επικοινωνία μέσω ενός σταθμού πύλης (gateway), προς ένα επίγειο τηλέφωνο. Τα περισσότερα συστήματα LEO λειτουργούν στη ζώνη L, στις ζώνες 1500 και 1600 MHz, και στη χαμηλότερη περιοχή της ζώνης S γύρω στα 2460 MHz, ζώνες συχνοτήτων που έχουν εκχωρηθεί για κινητές δορυφορικές επικοινωνίες. Τα σήματα περνούν σταθερά μέσω ενός σταθμού πύλης για να διευκολύνεται ο έλεγχος της κλήσης και για να εξασφαλίζεται η χρέωση. Η ζεύξη από το σταθμό πύλης προς το κινητό τερματικό καλείται εξερχόμενη ζεύξη (outbound link), και η ζεύξη από το κινητό τερματικό προς την πύλη καλείται εισερχόμενη ζεύξη (inbound link).

13 Λειτουργικά Στοιχεία Υπάρχουν τέσσερις διαδρομές δορυφόρου: η εξερχόμενη UL, η εξερχόμενη DL, η εισερχόμενη UL, η εισερχόμενη DL. Καθεμία ζεύξη έχει τη δική της μοναδική συχνότητα, και στα περισσότερα συστήματα LEO, η μία από τις ζεύξεις θα είναι πιο αδύναμη από τις υπόλοιπες κι έτσι θα περιορίσει την επίδοση του συστήματος. Για τις εισερχόμενες και εξερχόμενες ζεύξεις χρησιμοποιούνται χωριστοί αναμεταδότες. Για τους LEO απαιτείται μεταπομπή (handoff). Οι περισσότεροι δορυφόροι LEO έχουν κεραίες πολλαπλών δεσμών, και το διάγραμμα δέσμης κινείται στην επιφάνεια της Γης με την ταχύτητα του δορυφόρου τυπικά περίπου 7.7 km/s ή περίπου 27,700 km/h. Λειτουργικά Στοιχεία Μια μεμονωμένη δέσμη έχει τυπικά διάμετρο 500 km, κι έτσι ένας χρήστης βρίσκεται σε οποιαδήποτε δέσμη για λιγότερο από ένα λεπτό. Το σύστημα παρέχει αυτόματη μεταγωγή από δέσμη σε δέσμη εντός της κάλυψης της ίδιας δορυφορικής κεραίας, γεγονός που απαιτεί μια αλλαγή στις συχνότητες ζεύξης, αλλά, όπως με τις μεταπομπές από δορυφόρο προς δορυφόρο, η διαδικασία πρέπει να είναι διαφανής στο χρήστη. Tα τερματικά εκπέμπουν σε έναν αναμεταδότη με τεχνικές FDMA και SCPC. Σε κάθε πομπό αποδίδεται η δική του συχνότητα. Οι διαθέσιμες συχνότητες μοιράζονται μεταξύ των ενεργών χρηστών μετά από αίτηση, κι έτσι μια κλήση αρχίζει με μια διαδικασία που εγκαθιστά επικοινωνία μεταξύ του τερματικού και του τοπικού σταθμού πύλης μέσω του κοντινότερου δορυφόρου LEO. Ένα κοινό σύνολο καναλιών ελέγχου σε προεκχωρημένες συχνότητες επιτρέπει την εγκατάσταση και τον τερματισμό των κλήσεων.

14 Λειτουργικά Στοιχεία Ο σταθμός πύλης εκχωρεί συχνότητες οι οποίες στο τέλος της κλήσης αποδεσμεύονται και καθίστανται διαθέσιμες για έναν άλλο χρήστη (SCPC-FDMA-DA ή SCPC-FDMA-DAMA). Η εξερχόμενη ζεύξη χρησιμοποιεί πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (TDM). Ένα σήμα TDM αποτελείται από μια ακολουθία πακέτων με διευθύνσεις που επαναλαμβάνονται κάθε 20 ως 100 ms. Οι διευθύνσεις προσδιορίζουν ποιο τερματικό θα πρέπει να λάβει κάθε πακέτο. Υποθέτουμε ότι 50 ενεργοί χρήστες μοιράζονται ένα κοινό κανάλι TDM. Επίσης ο επίγειος σταθμός πύλης λειτουργεί στη ζώνη Ku προς και από το δορυφόρο (εξερχόμενη UL και εισερχόμενη DL), και ότι έχουμε ένα γραμμικό αναμεταδότη. Δεδομένα Παραδείγματος 2

15 Δεδομένα Παραδείγματος 2 Υπολογισμοί Κεραιών Ο δορυφόρος έχει πολλαπλές δέσμες ζώνης L που εξυπηρετούν διαφορετικά μέρη της στιγμιαίας γεωγραφικής ζώνης που καλύπτει. Για μια κεραία με κέρδος 23dB, G = 200 και το εύρος δέσμης είναι θ 3dB = 33,000 / 200 = 12.8! Η χρήση κεραίας πολλαπλών δεσμών στο δορυφόρο αυξάνει το κέρδος της κεραίας προς το τερματικό, το οποίο αυξάνει το λόγο C/N στο τερματικό και τους δέκτες του σταθμού πύλης. Οι κεραίες ζώνης Ku στο δορυφόρο έχουν ευρείες δέσμες και χαμηλό κέρδος. Ο C/N σε αυτές τις ζεύξεις είναι υψηλός μέσω της χρήσης μιας μεγάλης κεραίας και ενός υψηλής ισχύος πομπού στον επίγειο σταθμό πύλης, επιτρέποντας τη χρήση μικρών και απλών κεραιών ζώνης Ku στο δορυφόρο. Το κέρδος κεραίας στο τερματικό είναι χαμηλό (0 db), επειδή η κάλυψη της κεραίας του τερματικού πρέπει να είναι πολύ ευρεία, (ομοιοκατευθυντική κεραία). Αν το κέρδος κεραίας του τερματικού αυξανόταν, η δέσμη της θα ήταν στενότερη, και ο χρήστης θα έπρεπε να σκοπεύει τη χειροσυσκευή προς το δορυφόρο.

16 Σημαντικές Υποθέσεις 50 χρήστες μοιράζονται ένα μεμονωμένο αναμεταδότη στο δορυφόρο, και ένας αναμεταδότης εξυπηρετεί μία από τις δέσμες ζώνης L εντός της κάλυψης του δορυφόρου LEO. Το σήμα που λαμβάνεται στο τερματικό από την πύλη είναι μια TDM ακολουθία πακέτων από 50 ψηφιακά κανάλια φωνής, καθένα στα 4800 bps. Ο ρυθμός bit του σήματος TDM θα ήταν 240 kbps αν μετέφερε μόνο τα φωνητικά σήματα, αλλά επειδή με κάθε πακέτο πρέπει να σταλούν πρόσθετα bits χρησιμοποιείται ένας TDM ρυθμός 300 kbps. Τα μεμονωμένα τερματικά αποσπούν τα εκχωρημένα πακέτα τους μέσα από τη ροή TDM και αγνοούν τα υπόλοιπα. Αρχικά, οι ζεύξεις θα αναλυθούν χωρίς FEC. Όλες οι ψηφιακές ζεύξεις σχεδιάζονται με ιδανικά φίλτρα (Nyquist) που έχουν εύρος ζώνης θορύβου, B n Hz, ίσο με το ρυθμό συμβόλων του ψηφιακού σήματος. Οι φορητοί πομποδέκτες στέλνουν και λαμβάνουν BPSK. Ο μέγιστος επιτρεπόμενος ρυθμός σφαλμάτων bit του ψηφιακού σήματος 10 4 έχει ως αποτέλεσμα ένα λόγο S/N = 34 db στο κανάλι ομιλίας. (S/N = 1/4P e, όπου P e είναι το BER). Εισερχόμενη Ζεύξη: Κινητό Τερματικό προς Σταθμό Πύλης Στο σταθμό πύλης, η κεραία και ο RF δέκτης συνδέονται σε πολλούς ίδιους IF δέκτες που είναι συντονισμένοι στις μεμονωμένες συχνότητες των φορητών πομπών. Κάθε IF δέκτης έχει ένα εύρος ζώνης θορύβου 4800 Hz, ορισμένο από ένα φίλτρο τετραγωνικής ρίζας ανυψωμένου συνημίτονου με παράμετρο a = 0.5, δίνοντας ένα κατειλημμένο εύρος ζώνης καναλιού 7.2 khz. Αποδεικνύεται ότι ο θεωρητικός C/N για την επίτευξη BER 10 4 με διαμόρφωση BPSK είναι 8.4 db. Υποθέτουμε ένα περιθώριο υλοποίησης 0.6 db. Χρειαζόμαστε έναν ελάχιστο C/N = 9.0 db για να ικανοποιήσουμε τις προδιαγραφές BER και S/N.

17 Ζεύξη Τερματικού προς Δορυφόρο Η λαμβανόμενη ισχύς στην κεραία UL στο δορυφόρο P r = EIRP + G r L p L m db Η ισχύς θορύβου, N, στην είσοδο στο δορυφόρο N = P n = kt s B n Watts = k + T s + B n dbw Η απώλεια διαδρομής είναι 4π L p = 20log = db Υποθέτουμε απώλειες 0.5 db στην ατμόσφαιρα (1550 MHz), και ο C/N υπολογίζεται για ES στο 3dB περίγραμμα της δέσμης του δορυφόρου, άρα Lm= 3.5dB. Ζεύξη Τερματικού προς Δορυφόρο

18 Ζεύξη Τερματικού προς Δορυφόρο Ο λόγος C/N της εισερχόμενης UL ζεύξης στον αναμεταδότη είναι C N UL = P r N = dbw ( dbw ) = 17.7 db Αυτός είναι ο χαμηλότερος C/N που θα πρέπει να σημειωθεί στον αναμεταδότη σε συνθήκες καθαρού αέρα, δεδομένου ότι ο υπολογισμός έγινε για ένα τερματικό στην πιο μεγάλη απόσταση από το δορυφόρο και στο άκρο της δέσμης μιας δορυφορικής κεραίας. Το κέρδος κεραίας του κινητού τερματικού έχει οριστεί επίσης στην ελάχιστη τιμή του 0 db. Ζεύξη Δορυφόρου προς Σταθμό Πύλης Ο αναμεταδότης λειτουργεί σε FDMA, κι έτσι τα μεμονωμένα σήματα των τερματικών πρέπει να μοιραστούν την ισχύ εξόδου του αναμεταδότη. Υποθέτουμε ότι 50 σήματα ενεργών τερματικών μοιράζονται 1 MHz εύρος ζώνης του αναμεταδότη και ότι χρησιμοποιούνται 3 db αναδίπλωσης στην έξοδο του αναμεταδότη για σχεδόν γραμμική λειτουργία του HPA του αναμεταδότη. Άρα η ισχύς εξόδου είναι 10 dbw 3 db = 7 dbw (5W). Αυτή πρέπει να μοιραστεί εξίσου μεταξύ των 50 σημάτων στον αναμεταδότη, δίνοντας 0.1 W = 10 dbw ανά σήμα στην έξοδο αναμεταδότη για την DL προς το σταθμό πύλης.

19 Ζεύξη Δορυφόρου προς Σταθμό Πύλης Ζεύξη Δορυφόρου προς Σταθμό Πύλης Ο λόγος C/N στο 4.8-kHz εύρος ζώνης θορύβου ενός IF δέκτη του σταθμού πύλης δίνεται από C N DL = P r N = dbw ( dbw ) = 29.8 db Το (C/N) DL για την εισερχόμενη DL είναι υψηλότερο από το (C/N) UL για την εισερχόμενη UL λόγω του υψηλού κέρδους της κεραίας του σταθμού πύλης. Επειδή το κέρδος της κεραίας είναι υψηλό, 53.5dB, που αντιστοιχεί σε μια διάμετρο κεραίας 5m και μια απόδοση ανοίγματος 60%, το εύρος δέσμης της είναι στενό, περίπου 0.4, και ο σταθμός πύλης πρέπει να παρακολουθεί το δορυφόρο καθώς αυτός διασχίζει τον ουρανό.

20 Εισερχόμενη Ζεύξη: Κινητό Τερματικό προς Σταθμό Πύλης Για την εισερχόμενη UL, (C/N) UL = 17.7 db 58.9 ως αναλογία. Για την εισερχόμενη DL, (C/N) DL = 29.8 db ως αναλογία. C N T 1 = = log ( ) = 17.4 db Το μέγιστο επιτρεπόμενο BER είναι 10 4, το οποίο επιτυγχάνεται με (C/N) T = 9.0 db. Άρα έχουμε ένα περιθώριο ( ) = 8.4 db. Ωστόσο, πρέπει να υπολογίσουμε τα περιθώρια των μεμονωμένων ζεύξεων για την άνω και την κάτω ζεύξη προκειμένου να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε τα περιθώρια για την ανάλυση των διαλείψεων. Εξερχόμενη Ζεύξη: Σταθμός Πύλης προς Κινητό Τερματικό Η εξερχόμενη ζεύξη στέλνει μια συνεχή TDM ροή 300 kbps χρησιμοποιώντας διαμόρφωση BPSK και ένα χωριστό αναμεταδότη με εύρος ζώνης 1MHz. Η ροή bit είναι μια σειρά πακέτων που απευθύνονται και στα 50 ενεργά τερματικά. Το εύρος ζώνης θορύβου του δέκτη του τερματικού είναι 300 khz, υποθέτοντας ιδανικά φίλτρα Nyquist. Στη συχνότητα άνω ζεύξης των 14GHz, η ατμοσφαιρική εξασθένηση 1.0dB σε καθαρό αέρα συμπεριλαμβάνεται στις διάφορες απώλειες, μαζί με τη συνηθισμένη απώλεια 3 db για το χρήστη στο άκρο της δέσμης της κεραίας του δορυφόρου.

21 Εξερχόμενη Ζεύξη: Σταθμός Πύλης προς Κινητό Τερματικό Εξερχόμενη Ζεύξη Προβλέπουμε 1.0 db OBO για να αποφύγουμε κορεσμό, δίνοντας μια εκπεμπόμενη ισχύ P t = 9.0 dbw.

22 Εξερχόμενη Ζεύξη Η μετατροπή των τιμών C/N σε αναλογίες από db δίνει (C/N) UL = 28.6 db = και (C/N) DL = 14.4 db = 27.5 C N T 1 = = log ( ) = 14.2 db Η τιμή (C/N) T σε καθαρό αέρα είναι 5.2 db πάνω από το ελάχιστο που επιτρέπεται για BER = 10 4 στην εξερχόμενη ζεύξη, αφήνοντας ένα περιθώριο 5.2 db για παρεμπόδιση από κτίρια, το κεφάλι του χρήστη, τις επιδράσεις πολυδιαδρομικής διάδοσης, την ιονόσφαιρα ή τη σκίαση από βλάστηση στην DL. Τα περιθώρια στην εξερχόμενη ζεύξη είναι πολύ πιο χαμηλά από αυτά στην εισερχόμενη. Συνολική Ζεύξη Τα περιθώρια ζεύξης είναι αρκετά μικρά για ένα κινητό σύστημα στο οποίο η οπτική επαφή μεταξύ του δορυφόρου και του χρήστη μπορεί εύκολα να εμποδίζεται από δέντρα ή από το σώμα του χρήστη. Η απόδοση της ζεύξης μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση κωδικοποίησης πρόσω διόρθωσης σφαλμάτων (FEC) για τη μείωση της τιμής C/N στην οποία το BER που επιτυγχάνεται είναι 10 4, αυξάνοντας κατά συνέπεια τα διαθέσιμα περιθώρια στις ζεύξεις.

23 Βελτιστοποίηση της Επίδοσης Το RF BW που χρησιμοποιείται από την εισερχόμενη και την εξερχόμενη ζεύξη βρίσκεται από τους ρυθμούς συμβόλων και τις τιμές α των φίλτρων. Για την εξερχόμενη ζεύξη που χρησιμοποιεί α = 0.5, ο ρυθμός συμβόλων είναι 300 kbaud, δίνοντας B outbound = α ( ) = 450 khz Για την εισερχόμενη ζεύξη που χρησιμοποιεί α = 0.5, ο ρυθμός συμβόλων για ένα κανάλι ομιλίας είναι 4800 baud, δίνοντας B inbound = 4.8 ( 1+ α ) = 7.2 khz Τα εισερχόμενα κανάλια προσπελάζουν τον αναμεταδότη με SCPC-FDMA, κι έτσι τα RF σήματα διανέμονται σε όλο το BW του αναμεταδότη. Πρέπει να θεωρήσουμε ζώνη ασφαλείας στον αναμεταδότη, ώστε τα στενά ζωνοπερατά φίλτρα στο δέκτη του σταθμού πύλης να αποσπάσουν κάθε κανάλι ομιλίας χωρίς παρεμβολή από τα παρακείμενα κανάλια. Βελτιστοποίηση της Επίδοσης Υποθέτουμε ζώνη ασφαλείας 2.8 khz μεταξύ κάθε καναλιού. Με 50 κανάλια ανά αναμεταδότη, το συνολικό BW που καταλαμβάνεται στον αναμεταδότη της εισερχόμενης ζεύξης θα είναι 500 khz. Σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιείται μόνο το μισό από το διαθέσιμο BW του αναμεταδότη (1MHz). Ωστόσο, δεν μπορούμε να προσθέσουμε επιπλέον κανάλια ομιλίας στο σύστημα επειδή οι τιμές C/N είναι ήδη χαμηλές, δείχνοντας ότι το σύστημα είναι περιορισμένης ισχύος με τα δεδομένα περιθώρια ζεύξης. Εντούτοις, μπορούμε να ενσωματώσουμε κωδικοποίηση FEC, η οποία μειώνει το κατώφλι του C/N για το ελάχιστο BER. Η συνελικτική κωδικοποίηση μισού ρυθμού θα ήταν μια καλή επιλογή σε αυτό το σύστημα, επειδή η τιμή κατωφλίου του C/N μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη (μέχρι και 3.5 db).

24 Βελτιστοποίηση της Επίδοσης Εναλλακτικά γίνεται χρήση κωδικοποίησης Turbo. Ωστόσο, ο ρυθμός bit του σήματος διπλασιάζεται, καθώς ένας κώδικας 1/2 προσθέτει τόσα bits κωδικοποίησης όσα είναι τα bits δεδομένων στη ροή bit. Ο νέος εξερχόμενος ρυθμός bit με FEC είναι 600 kbps, και κάθε εισερχόμενο κανάλι ομιλίας έχει ρυθμό 9600 bps. Το αντίστοιχο RF BW για φίλτρα Nyquist α = 0.5 είναι 900 khz για εξερχόμενα κανάλια και 14.4 khz ανά κανάλι για εισερχόμενα κανάλια. Με 50 ενεργούς χρήστες, τo RF BW είναι μέσα στο διαθέσιμο εύρος ζώνης 1 MHz των δορυφορικών αναμεταδοτών. Η μείωση της τιμής κατωφλίου του C/N βελτιώνει τα περιθώρια ζεύξης ως προς έναν παράγοντα που ονομάζεται κέρδος κωδικοποίησης (η διαφορά μεταξύ του C/N που απαιτείται για ένα δεδομένο BER χωρίς κωδικοποίηση και του C/N που απαιτείται για τη λήψη του ίδιου BER με κωδικοποίηση). Εδώ το κέρδος κωδικοποίησης είναι = 4.9 db. Βελτιστοποίηση της Επίδοσης Ωστόσο, αυτό δεν μπορεί απλά να προστεθεί στο περιθώριο συστήματος, επειδή ο FEC μισού ρυθμού διπλασιάζει το ρυθμό bit των σημάτων και επίσης το BW θορύβου των φίλτρων στους δέκτες. Κατά συνέπεια, η ισχύς θορύβου αυξάνεται κατά 3 db σε κάθε δέκτη όταν προστίθεται FEC, και οι τιμές C/N μειώνονται κατά 3 db. Εισερχόμενη Ζεύξη C N C N C N UL DL T = 14.7 db = 26.8 db = 14.4 db Εξερχόμενη Ζεύξη C N C N C N UL DL T = 25.6 db = 11.4 db = 11.2 db

25 Περιθώρια Ζεύξης με FEC Τα νέα περιθώρια ζεύξης με ένα κατώφλι συνολικού (C/N) T 3.5 db είναι: εισερχόμενη 10.9 db, εξερχόμενη 7.7 db. Αν και η βελτίωση σε σχέση με τις προηγούμενες τιμές χωρίς FEC είναι μόνο 2 db, τα αυξημένα περιθώρια ζεύξης είναι πολύτιμα, κι έτσι η FEC χρησιμοποιείται σταθερά στα δορυφορικά συστήματα προσωπικών επικοινωνιών. Η υπερβολική εξασθένηση λόγω βροχής στις ζεύξεις ζώνης Ku θα μπορούσε να προκαλέσει αποτυχία των ζεύξεων, το οποίο επηρεάζει και τους 50 χρήστες. Πρέπει, επομένως, να εξασφαλίσουμε ότι τα περιθώρια ζεύξης στη ζώνη Ku είναι αρκετά μεγάλα ώστε μια διακοπή λόγω βροχής να είναι σπάνια. Η παρεμπόδιση της οπτικής επαφής προς ένα κινητό τερματικό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα αυτό το τερματικό να χάσει τη ζεύξη του, αλλά αυτό είναι λιγότερο σοβαρό από την ταυτόχρονη απώλεια και των 50 ζεύξεων. Εξασθένηση λόγω Βροχής στην Ku Υποθέτουμε ότι στην UL επικρατούν συνθήκες καθαρού ουρανού όταν εμφανίζεται υπερβολική εξασθένηση στην κάτω ζεύξη, και αντίστροφα. Για την εισερχόμενη DL ζώνης Ku, χρησιμοποιώντας FEC μισού ρυθμού, ο λόγος C/N σε καθαρό αέρα είναι 26.8 db (αναλογία 478.6) και ο λόγος C/N σε καθαρό αέρα στην UL στη ζώνη L είναι 14.7 db (αναλογία 29.5). Με τιμή κατωφλίου τα 3.5 db (αναλογία 2.24), ο ελάχιστος C/N κάτω ζεύξης είναι C N 1 DL_ min = C N 1 T C N 1 UL = =

26 Εξασθένηση λόγω Βροχής στην Ku Άρα η ελάχιστη επιτρεπόμενη τιμή για (C/N)dn = db. Το περιθώριο DL είναι = 23.3 db. Η εξασθένηση λόγω βροχής στα 11.5 GHz πολύ σπάνια υπερβαίνει αυτή την τιμή στις ΗΠΑ, κι έτσι για ένα αμερικανικό σύστημα το περιθώριο κάτω ζεύξης στη ζώνη Ku είναι επαρκές. Εφαρμόζοντας την ίδια ανάλυση στην άνω ζεύξη όπως και στην κάτω ζεύξη ζώνης Ku, με (C/N) DL = 11.4 db (αναλογία 13.8) σε συνθήκες καθαρού ουρανού και (C/N) T min = 3.5 db (αναλογία 2.24) C N 1 UL_ min = C N 1 T C N 1 DL = = Εξασθένηση λόγω Βροχής στην Ku Άρα ο ελάχιστος λόγος (C/N) UL είναι 10log(1/0.374) = 4.3 db, αγνοώντας τις επιδράσεις της σύζευξης μεταξύ της ισχύος εισόδου και εξόδου στον αναμεταδότη. Ο έλεγχος ισχύος άνω ζεύξης (UPC) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εμποδίσει τη στάθμη ισχύος εισόδου του αναμεταδότη να μειωθεί όταν η βροχή επηρεάζει την UL. Η εξασθένηση μετριέται στην DL στα 11.5 GHz χρησιμοποιώντας το ραδιοφάρο του δορυφόρου, μεταφράζεται στα 14.4 GHz, και χρησιμοποιείται για να θέτει τη στάθμη ισχύος εκπομπής του σταθμού πύλης. Αν υπάρχει μια δυναμική περιοχή 10 db UPC, και η εξασθένηση μπορεί να φτάσει τα 2 db στα 14.4 GHz πριν ενεργοποιηθεί ο UPC, ο λόγος C/N της κάτω ζεύξης δεν θα μειωθεί κάτω από 9.4 db κατά τη διάρκεια μιας διάλειψης στην άνω ζεύξη, αφήνοντας ένα περιθώριο κάτω ζεύξης 5.9 db κατά τη διάρκεια των διαλείψεων λόγω βροχής στην άνω ζεύξη. Αυτό δίνει στην άνω ζεύξη των 14.4 GHz ένα περιθώριο εξασθένησης λόγω βροχής 12 db, το οποίο θα διατηρούσε τη ζεύξη για περισσότερο από 99.99% ενός έτους σε όλες τις ΗΠΑ.

27 Παρεμπόδιση Διαδρομής στην L Τα δέντρα, τα κτίρια και οι άνθρωποι είναι οι πιο πιθανές αιτίες παρεμπόδισης που επηρεάζουν την επίδοση του κινητού τερματικού στη ζώνη L. Η παρεμπόδιση από τα κτίρια είναι πάρα πολύ μεγάλη και διακόπτει τη ζεύξη ζώνης L, για αυτό και τα περισσότερα δορυφορικά τηλέφωνα LEO δε λειτουργούν σε εσωτερικούς χώρους. Τα περιθώρια ζεύξης για τις ζεύξεις ζώνης L υπολογίζονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα περιθώρια ζώνης Ku. Περιθώριο Άνω Ζεύξης στη ζώνη L = 11.4 db και Κάτω Ζεύξης 7.8 db Άρα η DL από το δορυφόρο προς το κινητό είναι η πιο ευαίσθητη από τις ζεύξεις, και δεν μπορεί να γίνει εύρωστη χωρίς μείωση του αριθμού χρηστών ανά αναμεταδότη. Ωστόσο, η τιμή των 7.8 db για το περιθώριο DL είναι μια τιμή χειρότερης περίπτωσης και οι περισσότεροι από τους χρήστες θα έχουν ένα περιθώριο αρκετά db υψηλότερο. Τα 7.8 db μπορεί να μην επαρκούν για εξασθένηση μέσω μιας συστάδας δέντρων. Ευχαριστώ! Ερωτήσεις? kanatas@unipi.gr