Επιδόσεις της σύνδεσης για κάλυψη µε κεραία πολλαπλής δέσµης σε σχέση µε κάλυψη µε κεραία απλής δέσµης Η συνολική ποιότητα της σύνδεσης µέσω ραδιοσυχνοτήτων εξαρτάται από την 9000 απολαβή της κεραίας του δορυφόρου. Από την εξίσωση G = max, είναι φανερό ( θd ότι η απολαβή της κεραίας του δορυφόρου περιορίζεται από το εύρος της δέσµης, ανεξάρτητα από την συχνότητα στην οποία λειτουργεί η σύνδεση.αν η περιοχή παροχής υπηρεσιών(service zone καλύπτεται µε τη χρήση κεραίας απλής δέσµης, αυτό αναφέρεται ως «κάλυψη απλής δέσµης».η κάλυψη µε κεραία απλής δέσµης παρουσιάζει ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά: - Ο δορυφόρος µπορεί να παρέχει κάλυψη σε όλη την επιφάνεια της γης η οποία είναι ορατή από το δορυφόρο(παγκόσµια κάλυψη και έτσι να επιτρέπει την εγκατάσταση συνδέσεων µεγάλων αποστάσεων, για παράδειγµα διηπειρωτικών συνδέσεων.σε αυτή την περίπτωση η απολαβή της κεραίας του δορυφόρου περιορίζεται από το εύρος δέσµης όπως αυτό επιβάλεται από την επιφάνεια που καλύπτει η δέσµη.για έναν γεωστατικό δορυφόρο, η παγκόσµια κάλυψη επιβάλει ένα εύρο δέσµης 3dB στις 17.5 και κατά συνέπεια µία απολαβή κεραίας όχι παραπάνω από G max (dbi = 10 log( 9000 0log( 17. 5 = 0dBi. - Ο δορυφόρος µπορεί να παρέχει κάλυψη µόνο σε ένα µέρος της επιφάνειας της γης(περιοχή ή χώρα µέσω µίας στενής δέσµης µε εύρος ζώνης 3dB από 1 έως µερικές µοίρες.έτσι, υπάρχει µεγαλύτερη απολαβή της κεραίας εξαιτίας του µικρού εύρους ζώνης, αλλά δεν µπορεί ο δορυφόρος να εξυπηρετήσει επίγειους σταθµούς οι οποίοι βρίσκονται έξω από την περιοχή κάλυψης.αυτοί οι σταθµοί µπορούν να εξυπηρεστηθούν µόνο µε παγκόσµια κάλυψη ή µε επίγειες συνδέσεις ή µε τη βοήθεια άλλων δορυφόρων µέσω διαδορυφορικών συνδέσεων. Η κάλυψη µέσω κεραίας πολλαπλής δέσµης επιτρέπει έναν συµβιβασµό µεταξύ των δύο παραπάνω εναλλακτικών.εκτεταµένη δορυφορική κάλυψη µπορεί να επιτευχθεί αν σχεδιαστούν έτσι ώστε πολλές περιοχές κάλυψης στενού εύρους δέσµης να είναι η µία δίπλα στην άλλη και η απολαβή της κάθε δέσµης είναι δυνατόν να αυξάνεται καθώς µειώνεται το εύρος της δέσµης(trade off ανάµεσα στην επιφάνεια κάλυψης και στην ποιότητα του σήµατος.η ποιότητα της σύνδεσης βελτιώνεται όσο ο αριθµός των δεσµών αυξάνεται και το όριό τους προσδιορίζεται από την τεχνολογία της κεραίας της οποίας η πολυπλοκότητα αυξάνει µε τον αριθµό των δεσµών και τη µάζα.η πολυπλοκότητα προέρχεται από την απαίτησηγια την παροχή διασυνδέσεωνεπι του δορυφόρου - των περιοχών που καλύπτει ο δορυφόρος και εποµένως τη διασφάλιση αξιόπιστης δροµολόγησης, στην τηλεπικοινωνιακή διάταξη, των φερόντων σηµάτων των uplink συνδέσεων των διαφόρων δεσµών µε οποιαδήποτε επιθυµητή δέσµη προορισµού. Πλεονεκτήµατα της κάλυψης µε δορυφόρο πολλαπλής δέσµης
Έστω ότι θεωρούµε ένα δορυφόρο ο οποίος χρησιµοποιεί απλή δέσµη και παρέχει παγκόσµια κάλυψη και εποµένως έχει εύρος δέσµης θ 3 db = 17. 5 καθώς και έναν άλλον δορυφόρο ο οποίος χρησιµοποιεί κεραίες πολλαπλής δέσµης µε µειωµένη επιφάνεια κάλυψης(συγκριτικά µε τον προηγούµενο δορυφόρο αλλά που εξυπηρετεί όλους τους απαιτούµενους επίγειους σταθµούς που εξυπηρετεί και ο πρώτος δορυφόρος.ο δεύτερος δορυφόρος θεωρούµε ότι έχει εύρος δέσµης θ 3 = 1. 75 db. (Figure 5.4 Για το uplink ισχύει : ( C/ N0 U = (EIRP station ( 1/ LU(G / T ( 1/ k (Hz Θεωρούµε θερµοκρασία θορύβου στην είσοδο του δέκτη του δορυφόρου ίση µε T = 800 K = 9dBK Θεωρούµε τις απώλειες του σήµατος κατά το uplink L U = 00dB και δεν λαµβάνουµε υπόψη τις απώλειες υλοποίησης. Ορίζουµε ως κατευθυντικότητα ( G R την απολαβή της κεραίας του δέκτη του δορυφόρου όταν είναι στραµµένη προς την κατεύθυνση του επίγειου σταθµού ο οποίος εξυπηρετείται από το δορυφόρο. k είναι η σταθερά του Boltzman k = 8. 6(dBHz Η εξίσωση του uplink σε db γίνεται: ( C/ N0 U = (EIRP station + (GR 0. 4 (dbhz 9000 Δορυφόρος απλής δέσµης κεραία λήψης (GR = 0dBi ( θ3db 9000 Δορυφόρος πολλαπλής δέσµης κεραία λήψης (GR = 40dBi ( θ 3dB
Για το downlink ισχύει : ( C/ N0 D = (EIRP ( 1/ LD(G / T station ( 1/ k (Hz Θεωρούµε την ισχύ του εκπεµπόµενου από το δορυφόρο φέροντος P T = 10 W = 10dBW Θεωρούµε θερµοκρασία θορύβου στην είσοδο του δέκτη του δορυφόρου ίση µε T = 800 K = 9dBK Θεωρούµε τις απώλειες του σήµατος κατά το uplink L D = 00dB και δεν λαµβάνουµε υπόψη τις απώλειες υλοποίησης. Ορίζουµε ως κατευθυντικότητα ( G R την απολαβή της κεραίας του δέκτη του δορυφόρου όταν είναι στραµµένη προς την κατεύθυνση του επίγειου σταθµού ο οποίος εξυπηρετείται από το δορυφόρο. k είναι η σταθερά του Boltzman k = 8. 6(dBHz Η εξίσωση του downlink σε db γίνεται: ( station C/ N0 D = (GT + (G / T + 38. 6 (dbhz 9000 Δορυφόρος απλής δέσµης κεραία εκποµπής (GR = 0dBi ( θ3db 9000 Δορυφόρος πολλαπλής δέσµης κεραία εκποπής (GR = 40dBi ( θ 3dB (Figure 5.43 (Figure 5.44
Στα διαγράµµατα (5.43 και (5.44 τα κεκλιµένα βέλη δείχνουν τη µείωση του (EIRP station και (G/T station όταν αντί για δορυφόρο απλής δέσµης χρησιµοποιηθεί δορυφόρος πολλαπλής δέσµης και αντί για παγκόσµια κάλυψη υπάρχει περιοχική κάλυψη ανά δέσµη. Σε αυτή την περίπτωση ο δορυφόρος πολλαπλής δέσµης επιτρέπει οικονοµία στο µέγεθος και εποµένως και στο κόστος του επίγειου εξοπλισµού.για παράδειγµα, µία µείωση κατά 0dB στο (EIRP station και στο (G/T station µπορεί να έχει ως αποτέλεσµα κατά 10 φορές τη µείωση του µεγέθους της κεραίας(ίσως από 30m σε 3 m και µε µείωση του κόστους κατασκευής του επίγειου σταθµού από µερικά εκατοµµύρια σε µερικές δεκάδες χιλιάδες Ευρώ.Αν εξασφαλιστεί το τµήµα του εδάφους να είναι ιδανικής λειτουργίας(άρα µία κατακόρυφη µετατόπιση του βέλους προς τα πάνω, επιτυγχάνεται µία αύξηση του C/N 0 η οποία µπορεί να µεταφερθεί ως αύξηση της χωρητικότητας, αν είναι διαθέσιµο ικανοποιητικό εύρος συχνοτικής ζώνης, για σταθερή ποιότητα σήµατος(σε σχέση µε το bit error rate. Επαναχρησιµοποίηση συχνότητας Η επαναχρησιµοποίηση της συχνότητας συνίσταται στην χρήση της ίδιας συχνοτικής περιοχής αρκετές φορές µε τέτοιο τρόπο ώστε να αυξάνεται η συνολική χωρητικότητα του δικτύου χωρίς την αύξηση του διατιθέµενου εύρους ζώνης συχνοτήτων.στην περίπτωση ενός δορυφόρου πολλαπλής δέσµης η αποµόνωση που προκύπτει από την κατευθυντικότητα της κεραίας βοηθά στην επαναχρησιµοποίηση της ίδιας συχνοτικής περιοχής σε καλύψεις από διαφορετικές δέσµες.στο σχ.5.45 παρουσιάζεται η αρχή της επαναχρησιµοποίησης συχνότητας εξαιτίας ορθογώνιας πόλωσης και της αρχής της επαναχρησιµοποίησης εξαιτίας του γωνιακού διαχωρισµού των δεσµών.μία δέσµη σχετίζεται µε µια δεδοµένη πόλωση και µία δεδοµένη κάλυψη.και στις δύο περιπτώσεις το εύρος ζώνης συχνότητας που διατίθεται στο σύστηµα είναι Β.Το σύστηµα χρησιµοποιεί αυτό το σύστηµα ζώνης Β κεντραρισµένο στη συχνότητα f U για το uplink και στη συχνότητα f D για το downlink. Figure 5.45 Στην περίπτωση της επαναχρησιµοποίησης µε ορθογώνια πόλωση το εύρος ζώνης Β χρησιµοποιείται µόνο δύο φορές ενώ στην περίπτωση της επαναχρησιµοποίησης µε γωνιακό διαχωρισµό το εύρος ζώνης µπορεί να επαναχρησιµοποιηθεί σε τόσες δέσµες όσο τα επίπεδα παρεµβολής επιτρέπουν.μπορεί να συνδυαστούν και τα δύο είδη επαναχρησιµοποίησης συχνότητας. Ο παράγοντας επαναχρησιµοποίησης συχνότητας ορίζεται ως ο αριθµός που δείχνει πόσες φορές χρησιµοποιείται το εύρος ζώνης Β.Στην θεωρία ένας δορυφόρος πολλαπλής δέσµης µε M δέσµες απλής πόλωσης, µε δεδοµένο ότι στην κάθε δέσµη έχει διατεθεί εύρος ζώνης Β και γίνεται συνδυασµός επαναχρησιµοποίησης εξαιτίας
γωνιακού διαχωρισµού και εξαιτίας ορθογώνιας πόλωσης είναι δυνατόν να έχει ένα παράγοντα επαναχρησιµοποίησης συχνότητας ίσο µε Μ. Στην πράξη ο παράγοντας επαναχρησιµοποίησης συχνότητας εξαρτάται από την διαµόρφωση της περιοχής παροχής υπηρεσιών η οποία προσδιορίζει την κάλυψη πριν δοθεί αυτή από τον δορυφόρο.εάν η περιοχή αυτή αποτελείται από µια σειρά υποπεριοχών οι οποίες είναι αποµακρυσµένες η µία από την άλλη είναι δυνατόν να επαναχρησιµοποιηθεί η ίδια συχνοτική ζώνη σε όλες τις δέσµες.τότε ο παράγοντας επαναχρησιµοποίησης συχνότητας µπορεί να έχει την θεωρητική τιµή του Μ.Αυτό φαίνεται στο σχήµα 5.46.Καθώς οι καλύψεις των δεσµών γίνονται συνεχόµενες δεν είναι δυνατόν η ίδια συχνοτική περιοχή να χρησιµοποιηθεί για διπλανές καλύψεις.έτσι θα µπορούσε η παρεχόµενη περιοχή συχνότητας να διαιρεθεί σε 3 ίσες ξεχωριστές υποπεριοχές και η κάθε µια να χρησιµοποιείται για διαφορετική κάλυψη από δέσµη. Figure 5.46 Οι δέσµες πρέπει να έχουν ικανό γωνιακό διαχωρισµό η µία από την άλλη.το ισοδύναµο εύρος ζώνης µε απουσία της επαναχρησιµοποίησης εξαιτίας ορθογώνιας πόλωσης έχει µία τιµή που δίνεται από την παράσταση 6 x(b/ 3 + 4x(B/ 3 + 3x(B/ 3 = 4. 3B για Μ=13. Ο παράγοντας επαναχρησιµοποίησης συχνότητας γίνεται µε αυτόν τον τρόπο 4.3 αντί για 13.Με την χρήση επναχρησιµοποίησης λόγω ορθογώνιας πόλωσης στην κάλυψη κάθε δέσµης, ο αριθµός των δεσµών θα ήταν Μ=6 και ο παράγοντας επαναχρησιµοποίησης συχνότητας 8.6. Μειονεκτήµατα µε κάλυψη µε πολλαπλή δέσµη Παρεµβολή µεταξύ των δεσµών
Στο σχήµα 5.47 παρουσιάζεται η γέννηση παρεµβολής µέσα σε ένα δορυφορικό σύστηµα πολλαπλής δέσµης η οποία ορισµένες φορές καλείται self-interference.η διατιθέµενη περιοχή συχνότητας Β διαιρείται σε περιοχές, Β 1 και Β. Στο σχήµα 5.47 παρουσιάζονται 3 δέσµες. Οι δέσµες 1 και χρησιµοποιούν την ίδια περιοχή συχνότητας Β 1.Η δέσµη 3 χρησιµοποιεί την συχνοτική περιοχή Β. Στο uplink (σχήµα 5.47a το φέρον σήµα στην συχνότητα f U1 µε εύρος ζώνης Β 1 που εκπέµπεται από την δέσµη του επίγειου σταθµού λαµβάνεται από τον πλευρικό λοβό της δέσµης 1 του δορυφόρου η οποία έχει χαµηλή αλλά όχι µηδενική απολαβή.το φάσµα αυτού του φέροντος προστίθεται σε αυτό του φέροντος µε την ίδια συχνότητα το οποίο εκπέµπεται από τον επίγειο σταθµό της δέσµη 1 και λαµβάνεται από τον κύριο λοβό της αντίστοιχης κεραίας του δορυφόρου.ο λοβός αυτός έχει την µέγιστη απολαβή.έτσι το φέρον της δέσµης εµφανίζεται ως θόρυβος παρεµβολής στο φάσµα του φέροντος της δέσµης 1.Αυτός ο θόρυβος καλείται cochannel interference (CCI.Επίσης µέρος της ισχύος του φέροντος στη συχνότητα f U η οποία εκπέµπεται από τον επίγειο σταθµο της δέσµης 3 εισάγεται σαν (αποτέλεσµα µη τέλειου φιλτραρίσµατος στα IMUX φίλτρα που ορίζουν τα κανάλια του δορυφόρου στο κανάλι που κατέχει το φέρον f U1.Σε αυτήν την περίπτωση συνιστά παρεµβολή γειτονικού καναλιού (adjacent channel interference,aci ανάλογη µε αυτήν που παρατηρείται στην τεχνική FDMA. Στο downlink (σχήµα 5.47b ο επίγειος σταθµός της δέσµης 1 λαµβάνει το φέρον στην συχνότητα f D1 το οποίο εκπέµπεται από τον κεντρικό λοβό της δέσµης 1 που ορίζει η δορυφορική κεραία και έχει µέγιστη απολαβή.η παρµβολή στο downlink προέρχεται από τις παρακάτω συνεισφορές πυκνότητας φασµατικής ισχύος οι οποίες επικάθονται στο φάσµα αυτού του φέροντος: 1.Τα φάσµατα θορύβου του CCI και ACI του uplink τα οποία επανεκπέµπονται από τον δορυφόρο.το φάσµα του φέροντος στην ίδια συχνότητα f D1 το οποίο εκπέµπεται µε µέγιστη απολαβή στην δέσµη και µε µια µικρή αλλά µη µηδενική απολαβή στην διεύθυνση του επίγειου σταθµού της δέσµης 1.Αυτό αντιπροσωπεύει επιπρόσθετο co-channel interference.
Figure 5.47 Διασύνδεση ανάµεσα στις καλυπτόµενες περιοχές Στα µοντέρνα δορυφορικά συστήµατα που υπάρχει τάση όσο δυνατόν περισσότερη επαχρησιµοποίηση συχνότητας ώστε να αυξηθεί η χωρητικότητα, ο θόρυβος της αυτοπαρεµβολής σε µια δορυφορική σύνδεση πολλαπλής δέσµης µπορεί να συνεισφέρει έως 50% στο συνολικό θόρυβο.μια δορυφορική τηλεπικοινωνιακή διάταξη η οπία χρησιµοποιεί κάλυψη πολλαπλής δέσµης πρέπει να είναι σε θέση να διασυνδέει όλα τα δίκτυα των επίγειων σταθµών και κατά συνέπεια πρέπει να περάχει διασυνδεσιµότητα µεταξύ των καλυπτόµενων περιοχών.η πολυπλοκότητα της τηλεπικοινωνιακής διάταξης εξαιτίας αυτού του παράγοντα προστίθεται σε αυτή του δορυφορικού υποσυστήµατος κεραίας πολλαπλής δέσµης που είναι ήδη πολύ πιο πολύπλοκο από αυτό ενός δορυφόρου απλής δέσµης. Διάφορες τεχνικές οι οποίες εξαρτώνται από την δυνατότητα επεξεργασίας επί του δορυφόρου (καθόλου επεξεργασία,διαφανή επεξεργασία,επεξεργασία µε αναγεννητές κ.λ.π. και από το στρώµα δικτύου (πρωτόκολλο χρησιµοποιούνται για την διασύνδεση των καλυπτώµενων περιοχών: 1.Διασύνδεση µε transponder hopping (καθόλου επεξεργασία επί του δορυφόρου
.Διασύνδεση µε µεταγωγή επί του δορυφόρου(διαφανή επεξεργασία και επεξεργασία µε αναγεννητές. 3.Διασύδεση µε ανίχνευση δέσµης(σάρωση.