Шаповалов Сергей Александрович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность: Телекоммуникационные системы и сети

       Тема выпускной работы:

     «Анализ влияния возрaстающего уровня «радиосмога» Земли на качество функционирования приемного тракта спутниковых каналов связи и поиск методов их усовершенствования»

       Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Воронцов Александр Григорьевич

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Актуальность

Одним из основных направлений использования спутниковых систем связи является телевещание. Развитие этого направления привело к возможности использования не только мощных наземных спутниковых приемо-передающих станций для коллективного и корпоративного телевещания, но и небольших абонентских станций мощностью 4–6 Вт и диаметром антенны до 6 м. Такая тенденция позволяет использовать спутниковое телевидение как большим, так и малым абонентским группам.

В настоящее время для территорий с влажным климатом используются спутниковые станции, работающие в диапазоне С (4–6 ГГц). Атмосфера Земли вносит небольшое затухание для сигналов С диапазона. Поэтому данный частотный диапазон более всего подходит не только для спутниковых систем, но и для наземных систем передачи информации.

На данный момент одной из стремительно развивающихся технологий систем беспроводной наземной связи является WiМAX (стандарт 802.16а). Эта технология использует широкополосные сигналы, спектры которых перекрываются со спектром сигнала спутникового телевидения, и создает тем самым помехи спутниковым каналам связи. Предполагается, что в ближайшем будущем сети WiМAX покроют значительную часть освоенных территорий Земли, сформировав зоны сплошных помех, своеобразного «радиосмога», что создаст значительные проблемы приемным центрам других радиосистем не только на Земле, но и в ближнем Космосе.

Рис.1 – Анимация «Помехи в спутниковом канале связи, вносимые станциями WiMAX» (количество кадров: 5, количество циклов: 7)

 Научная значимость и практическая ценность

К настоящему времени сети WiМAX уже создают значительные помехи наземным приемным центрам спутниковых систем связи. Методы борьбы с такими помехами интенсивно изучаются во всем мире. Вопросы влияния помех космическим приемным центрам со стороны передатчиков наземных радиосетей на данный момент не изучены, однако актуальность таких исследований будет возрастать по мере превращения поверхности Земли в сплошное излучающее поле, формируемое многочисленными наземными СВЧ передатчиками.

Данное исследование поможет разработать новые методы и рекомендации для снижения влияния сетей WiMAX на приемную систему спутника, что обеспечит устойчивую работу спутниковых систем телевещания.

Цель работы: оценка уровня помех спутниковым приемным центрам, расположенным на геостационарной орбите, со стороны наземных СВЧ передатчиков. Предполагается, что основными путями проникновения помех в приемник спутникового ретранслятора могут быть боковое излучение антенн наземных передатчиков, расположенных в пределах зоны покрытия спутниковой антенны, и «подсвечивание» спутниковой антенны со стороны главных лепестков антенн наземных передатчиков, расположенных в периферийной зоне области покрытия.

Задачи работы:

1. Исследовать принципы построения современных систем спутниковой связи.

2. Разработать методику оценки уровня помех спутниковым приемным центрам, расположенным на геостационарной орбите, со стороны наземных  станций WiMAX.

3. Определить влияние помех на энергетические и информационные параметры спутникового сигнала со стороны станций WiMAX.

4. Выработать рекомендации и исследовать существующие методы для снижения влияния «радиосмога» Земли на спутниковые каналы связи.

Обзор исследований по теме

В начале 2007 года Глобальный Форум VSAТ (GVF) проводил чрезвычайную встречу “Emergency C-band” в Вашингтоне, во время которой было решено провести исследования, чтобы проверить, вызовут ли системы WiMAX серьезное вмешательство в спутниковые системы, работающие в указанном диапазоне частот. Последующие обсуждения на форумах WiMAX, GVF и Группы пользователей спутниковых технологий по уменьшению интерференционных помех (SUIRG), касались согласования совместной работы по данному вопросу. В ноябре 2007 года были предоставлены результаты исследований, которые показали существенное влияние станций WiMAX на прием спутниковых сигналов земными станциями. Результаты тестирования показали, что станция WiМAX передает сигнал, который вызывает существенные проблемы для цифрового спутникового сигнала.[1]

В Украине данная проблема решается за счет административных мер, принятых комиссией по проблемам частотного ресурса. В частности были приняты меры по закрытию лицензий для станций WiMAX на частотах диапазона С. Кроме этого, есть тенденция использования частот 10–12 ГГц для спутникового телевещания. Это позволит обеспечить электромагнитную совместимость сетей WiMAX и спутниковых систем связи в Украине.

На данный момент исследования в области электромагнитной совместимости наземных сетей стандарта WiMAX и спутниковых систем связи продвинулись значительно дальше. Однако есть еще большое количество нерешенных вопросов.

Основная часть

Энергетический расчет спутникового канала связи

В основу метода оценки влияния бокового излучения антенн беспроводной системы на спутниковый канал положен стандартный энергетический расчет канала связи. Проведем энергетический расчет для наземной спутниковой станции и сети из множества станций WiMAX, которые располагаются на концентрических окружностях вокруг наземной спутниковой станции ([2],[3]). Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные для расчета трассы спутникового канала связи.

Методика энергетического расчета канала связи позволяет оценить энергетические параметры сигнала и приемной системы спутника. Для этого используются следующие формулы.

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции:

Затухание энергии в свободном пространстве:

Эквивалентная шумовая температура антенны:

Мощность шума приемной системы спутника:

Помимо основных потерь на трассе имеют место дополнительные потери L_доп. Полное значение потерь на трассе L=L₀+L_доп. Дополнительные потери формируются за счет влияния факторов атмосферы Земли. Наиболее существенное влияние атмосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы и поглощении в гидрометеорах. После проведения вычислений по методике [4] получен следующий результат: L_доп=6,81 дБ.

После проведения расчета получены следующие результаты:

Оценка влияния излучения от станций WiMAX

Для определения влияния беспроводных наземных систем связи на приемный тракт спутникового канала будем использовать станции стандарта WiMAX, для которых выходная мощность стандартизирована и равна 29 дБмВт. Уровень ее излучения вне основного лепестка относительно основного равен <-30дБ [5]. В станциях данного типа в качестве антенн могут использоваться решетки или штыревые антенны. Их особенностью является то, что они имеют диаграмму направленности параллельную поверхности Земли (в идеальном случае), то есть стелящуюся. Если допустить, что уровень сигнала, передаваемый вертикально на приемную антенну спутника, является боковым излучением антенны, то его мощность будет -1 дБВт.

Зона покрытия приемной антенны спутника имеет форму эллипса и охватывает обширную территорию. Окружность как частный случай эллипса можно использовать при расчете зоны покрытия приемной антенны. Радиус окружности составляет около 664 км, а площадь зоны покрытия будет 1384414 км².

Зона покрытия станции WiMAX имеет радиус 12 км, тогда ее площадь будет равна 453 км². Таким образом, разделив площадь покрытия приемной антенны спутника на площадь покрытия станции WiMAX, получим количество станций WiMAX, необходимое для покрытия данной территории. Оно равно 3057 станций. Это теоретическая оценка, на самом деле с учетом ландшафта и заселенности данной зоны можно предположить, что реальное количество станций WiMAX будет составлять около 20–25% от теоретического числа, то есть менее тысячи передатчиков может формировать поле, излучающее помехи в пределах зоны покрытия спутниковой приемной антенны.

Также допустим, что диаграмма направленности спутниковой приемной антенны равномерно распределена от центра к краям. Введем коэффициент перекрытия диаграмм направленности передающих антенн K, который показывает, какая часть P_эиим других станций попадет в спутниковый канал связи. Примем его равным 0,707 у краев диаграммы направленности и 1 у центра.

С учетом этого суммарный сигнал на входе спутникового приемника от бокового излучения антенн 1000 передатчиков WiMAX будет равен:

Суммарная мощность станций меньше допустимой мощности шума на входе приемника спутника. Разница составляет -139,9+127,4=12,8 дБ, что меньше требуемого превышения сигнала над шумами -14дБ. Исходя из приведенного расчета, можно сделать вывод, что станции WiMAX создают уровень помехи, способный снизить качество спутникового приемника. Также отметим, что допустимая мощность шума на входе приемника рассчитывается без учета этого фактора. Поэтому просуммируем сигнал со станций WiMAX и мощность шума на входе приемника - она равна -126,3 дБВт.

Тогда соотношение сигнал/шум будет -113,4-(-127,2)=13,8 дБ.

Чтобы учесть влияние станций WiMAX, вводим Т_w (шумовая температура, вносимая в приемную систему станциями WiMAX) в формулу для расчета шумовой температуры приемной системы спутника. Изначально полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы равна:

Тогда полная шумовая температура для сигнала, привносимого со стороны станций WiMAX, добавленная к шумам на входе приемника, равна:

Для восстановления исходного соотношения сигнал – шум на входе демодулятора и сохранения неизменными энергетических параметров спутникового канала связи необходимо снижение уровня шумовой температуры приемной системы на величину 30 К. Следует проанализировать методы решения этой задачи.

Анализ методов решения проблемы

Наиболее рациональными методами  снижения шумовой температуры спутниковой приемной системы являются:

1. Уменьшение длины волновода.

2. Нанесение на внутренние стенки волновода золота или серебра для уменьшения шероховатости поверхности.

Используя эти методы, можно добиться существенного снижение шумовой температуры приемной системы и повышения КПД волновода. Однако реализация волноводов с высоким КПД – довольно трудная задача. Следует учитывать образование диэлектрических пленок на токонесущей поверхности волновода из-за длительного пребывания в атмосфере, особенно это касается волноводов с посеребренной токонесущей поверхностью. Таким образом, потери могут возрасти в 1,5 раза.

Еще одним фактором, влияющим на увеличение потерь в волноводном тракте, является несогласованность волновода с остальными частями приемного тракта, присоединенных к нему. В таком случае возникают отражения в волноводном тракте. Поэтому стараются получить КСВ близкий к единиц. Однако при КСВ = 1,5 максимальное приращение температуры шума на входе приемника за счет просочившихся, а затем отраженных от неоднородностей шумов входного устройства не превышает 4%, т.е. составляет пренебрежимо малую величину. Основной проблемой метода является получение волновода с высоким КПД и гладкой токонесущей поверхностью.

Стоит выделить отдельный метод для уменьшения влияния станций WiMAX. Он заключается в снижении шумовой температуры малошумящего усилителя. При этом шумовая температура приемного тракта останется неизменной, так как оставшаяся шумовая температура перераспределится на влияние помех от наземных станций. Уменьшение шумовой температуры усилителя может составить 21 К, вносимые за счет влияния 1000 станций WiMAX. Также останется запас 9 К на компенсацию помех от других беспроводных наземных станций. Получается, что уменьшение шумовой температуры МШУ дает существенное снижение влияния беспроводных наземных сетей радиосвязи.

Заключение

Проведенное исследование показало, что сигналы беспроводных станций стандарта WiMAX могут оказать существенное влияние на работу радиоканалов спутниковых систем связи. Оно проявляется в виде шумов, вносимых беспроводными наземными системами связи в приемный тракт спутника. Это влияние приводит к снижению отношения сигнал/шум на входе приемника спутника-ретранслятора, увеличению шумовой температуры приемной системы и частоты битовых ошибок.

Возможным путем решения этой проблемы является снижение собственной шумовой температуры приемной системы, например, за счет снижения шумовой температуры входного усилителя приемника. Такое решение позволит вернуть значение отношения сигнал/шум на прежний уровень, тем самым снизив частоту битовых ошибок. В данный момент этот вопрос находится на стадии разработки. В магистерской работе планируется провести исследование и разработку усилителя приемника с низким коэффициентом шума, что позволит улучшить работу спутниковых каналов связи и ослабить влияние земных помех.

    Литература

1. Field Test Report WiMAX Frequency Sharing with FSS Earth Stations WiMAX: www.suirg.org/pdf/SUIRG_WiMaxFieldTestReport.pdf

2. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др.; под ред. Л.Я. Кантора. - М.:

   Радио и связь, 1997.

3. Спилкер Дж. «Цифровая спутниковая связь» - М.: Связь - 1979, 591 стр.

4. Бородич С.В. «ЭМС наземных и космических радиослужб. Критерии, условия и расчет» - М.: Радио и связь, 1990. - 272 стр.

5. Общая характеристика WiMAX оборудования в диапазоне частот 5 ГГц: http://www.unidata.com.ua/?pg=26

6. Брагин С.И., Брагин И.В., Михайлов В.Ф. «Микроволновая спутниковая аппаратура дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие»,

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. «Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов» / ГосТехИздат.: М, 1957, 608 стр.

8. «Системы спутниковой связи» / А. М. Бонч-Бруевич, В.Л. Быков, Л. Я. Кантор и др; Под ред. Л. Я. Кантора: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и

   связь, 1992. – 224 с.

9. Алекперов А. «Геостационарная орбита заселена плотно» // Мир связи. - 1999, №2, С. 84-93.

10. Меныников В.А., Чернов В.В., Феоктистов Н.Н., Александров И.Е. «Космос и связь» // Электросвязь - 1995, №6, С. 10-12.