Шаповалов Сергій Олександрович

Факультет комп'ютерных інформаційних технологій та автоматики

Кафедра автоматики та телекомунікацій

Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі

       Тема випускної роботи:

     «Аналіз впливу зростаючого рівня «радіосмогу» Землі на якість функціонування приймального тракту супутникових каналів зв'язку та пошук методів їх покращення»

       Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Воронцов Олександр Григорович

Реферат за теми випускної роботи

Вступ

Актуальність

Одним з основних напрямків використання супутникових систем зв'язку є телебачення. Розвиток цього напрямку призвів до можливості використання не тільки потужних наземних супутникових приймально-передавальних станцій для колективного й корпоративного телебачення, але й невеликих абонентських станцій потужністю 4–6 Вт і діаметром антени до 6 м. Така тенденція дозволяє використовувати супутникове телебачення як великим, так і малим абонентським групам.

На цей час для територій з вологим кліматом використовуються супутникові станції, що працюють у діапазоні С (4–6 ГГц). Атмосфера Землі вносить невелике загасання для сигналів С діапазону. Тому цей частотний діапазон найбільше підходить не тільки для супутникових систем, але й для наземних систем передачі інформації.

На даний момент однією з технологій систем бездротового наземного зв'язку, що стрімко розвиваються, є Wімах (стандарт 802.16а). Ця технологія використовує широкосмугові сигнали, спектри яких перекриваються зі спектром сигналу супутникового телебачення, і створює тим самим перешкоди супутниковим каналам зв'язку. Передбачається, що найближчим часом мережі Wімах покриють значну частину освоєних територій Землі, сформувавши зони суцільних перешкод, своєрідного "радиосмога", що створить значні проблеми приймальним центрам інших радіосистем не тільки на Землі, але й у космосі.

Рис.1 – Анімація «Завади в супутниковому каналі, що вносяться станціями WiMAX» (кількість кадрів: 5, кількість циклів: 7)

Наукова значимість і практична цінність

До теперішнього часу мережі Wімах вже створювали значні завад наземним приймальним центрам супутникових систем зв'язку. Методи боротьби з такими перешкодами інтенсивно вивчаються в усьому світі. Питання впливу завад космічним приймальним центрам з боку передавачів наземних радіомереж на даний момент не вивчені, однак актуальність таких досліджень буде зростати в процесі перетворення поверхні Землі в суцільне випромінююче поле, сформоване численними наземними НВЧ передавачами.

Це дослідження допоможе розробити нові методи й рекомендації для зниження впливу мереж Wimax на приймальну систему супутника, що забезпечить безперебійну роботу супутникових систем телемовлення.

Ціль роботи: оцінка рівня перешкод супутниковим приймальним центрам, розташованим на геостаціонарній орбіті, з боку наземних НВЧ передавачів. Вважається, що основними шляхами проникнення перешкод у приймач супутникового ретранслятора можуть бути бічне випромінювання антен наземних передавачів, розташованих у межах зони покриття супутникової антени, та "підсвічування" супутникової антени з боку головних пелюсток антен наземних передавачів, розташованих у периферійній зоні області покриття.

Задачі роботи:

1. Дослідити принципи побудови сучасних систем супутниковому зв'язку.

2. Розробити методику оцінки рівня перешкод супутниковим приймальним центрам, розташованим на геостаціонарній орбіті, з боку наземних станцій Wimax.

3. Визначити вплив перешкод на енергетичні та інформаційні параметри супутникового сигналу з боку станцій Wimax.

4. Виробити рекомендації та дослідити існуючі методи для зниження впливу "радиосмогу" Землі на супутникові канали зв'язку.

Огляд досліджень по темі

На початку 2007 року Глобальний Форум VSАТ (GVF) проводив надзвичайну зустріч "Еmergency C-band" у Вашингтоні, під час якої було вирішено провести дослідження, щоб перевірити, чи викличуть системи Wimax серйозне втручання в супутникові системи, що працюють у зазначеному діапазоні частот. Подальші обговорення на форумах Wimax, GVF і Групи користувачів супутникових технологій по зменшенню інтерференційних перешкод (SUIRG), стосувалися узгодження спільної роботи з даного питання. У листопаді 2007 року були надані результати досліджень, які показали істотний вплив станцій Wimax на приймання супутникових сигналів земними станціями. Результати тестування показали, що станція Wімах передає сигнал, який викликає істотні проблеми для цифрового супутникового сигналу.[1]

В Україні ця проблема вирішується за рахунок адміністративних заходів, прийнятих комісією із проблем частотного ресурсу. Зокрема були вжиті заходи по закриттю ліцензій для станцій Wimax на частотах діапазону С. Крім цього, є тенденція використання частот 10–12 ГГц для супутникового телемовлення. Це дозволить забезпечити електромагнітну сумісність мереж Wimax і супутникових систем зв'язки в Україні.

На цей час дослідження в області електромагнітної сумісності наземних мереж стандарту Wimax і супутникових систем зв'язку просунулися значно далі. Однак є ще велика кількість невирішених питань.

Основна частина

Енергетичний розрахунок супутникового каналу зв'язку

В основі метода оцінки впливу бічного випромінювання антен бездротової системи на супутниковий канал використовується стандартний енергетичний розрахунок каналу зв'язку. Проведемо енергетичний розрахунок для наземної супутникової станції й мережі з багатьох станцій Wimax, які розташовуються на концентричних колах навколо наземної супутникової станції ([2],[3]). Вихідні дані наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Вихідні дані для розрахунків траси супутникового каналу зв'язку.

Методика енергетичного розрахунку каналу зв'язку дозволяє оцінити енергетичні параметри сигналу та приймальної системи супутника. Для цього використовуються наступні формули.

Еквівалентна ізотропно-випромінювана потужність (ЭИИМ) передавальної станції:

Загасання енергії у вільному просторі:

Еквівалентна шумова температура антени:

Потужність шуму приймальної системи супутника:

Крім основних втрат на трасі мають місце додаткові втрати L_доп. Повне значення втрат на трасі L=L₀+L_доп. Додаткові втрати формуються за рахунок впливу факторів атмосфери Землі. Найбільш істотний вплив атмосфери проявляється в поглинанні енергії радіохвиль у газах атмосфери та поглинанні в гідрометеорах. Після проведення обчислень за методикою [4] отримано наступний результат: L_доп=6,81 дБ.

Після проведення розрахунків отримано наступні результати:

Оцінка впливу випромінювання від станцій Wimax

Для визначення впливу бездротових наземних систем зв'язку на приймальній тракт супутникового каналу будемо використовивати станції WiMAX, для яких вихідна потужність стандартизована і дорівнює 29 дБмВт. Рівень її випромінювання поза основним пелюстком відносно основного дорівнює <-30дБ [5]. У станціях даного типу в якості антен можуть використовуватися решітчасті або штирьові антени. Їхньою особливістю є те, що вони мають діаграму спрямованості паралельну поверхні Землі (в ідеальному випадку), таку, що стелеться. Якщо допустити, що рівень сигналу, переданий вертикально на приймальну антену супутника, є бічним випромінюванням антени, то його потужність буде -1 дБВт.

Зона покриття приймальної антени супутника має форму еліпса й охоплює велику територію. Окружність як окремий випадок еліпса можна використовувати при розрахунку зони покриття приймальної антени. Радіус окружності становить близько 664 км, а площа зони покриття буде 1384414 км².

Зона покриття станції Wimax має радіус 12 км, тоді її площа буде рівна 453 км². Таким чином, розділивши площу покриття приймальної антени супутника на площу покриття станції Wimax, одержимо кількість станцій Wimax, необхідне для покриття необхідної території. Воно дорівнює 3057 станцій. Це теоретична оцінка, насправді з урахуванням ландшафту та заселеності даної зони можна припустити, що реальна кількість станцій Wimax буде становити близько 20–25% від теоретичного числа, тобто менш тисячі передавачів може формувати поле, що випромінює перешкоди в межах зони покриття приймальної антени супутника.

Нехай діаграма спрямованості супутникової приймальної антени рівномірно розподілена від центру до краю. Введемо коефіцієнт перекриття діаграм спрямованості передавальних антен K, який показує, яка частина P_эиим інших станцій потрапить у супутниковий канал зв'язку. Приймемо його рівним 0,707 з країв діаграми спрямованості та 1 у центру.

Тож сумарний сигнал на вході супутникового приймача від бічного випромінювання антен 1000 передавачів Wimax буде дорівнювати:

Сумарна потужність станцій менше припустимої потужності шуму на вході приймача супутника. Різниця становить -139,9+127,4=12,8 дБ, що менше необхідного перевищення сигналу над шумами -14дБ. Виходячи з наведеного розрахунку, можна зробити висновок, що станції Wimax створюють рівень перешкоди, здатний знизити якість супутникового приймача. Також відзначимо, що припустима потужність шуму на вході приймача розраховується без врахування впливу від мережі WiMAX. Тому складемо сигнал зі станцій Wimax і потужність шуму на вході приймача - вона дорівнює -126,3 дБВт.

Тоді співвідношення сигнал/шум буде -113,4-(-127,2)=13,8 дБ.

Щоб урахувати вплив станцій WiMAX, введемо Т_w (шумова температура, внесена в приймальну систему станціями Wimax) у формулу для розрахунків шумової температури приймальної системи супутника. Вихідна повна еквівалентна шумова температура приймальної системи дорівнює:

Тоді повна шумова температура для сигналу, що привноситься з боку станцій Wimax, додана до шумів на вході приймача, дорівнює:

Для відновлення вихідного співвідношення сигнал - шум на вході демодулятора та збереження незмінними енергетичних параметрів супутникового каналу зв'язки необхідне зниження рівня шумової температури приймальної системи на величину 30 К. Слід проаналізувати методи розвязаня цієї задачі.

Аналіз методів вирішення проблеми

Найбільш раціональними методами зниження шумової температури супутникової приймальної системи є:

1. Зменшення довжини хвилеводу.

2. Нанесення на внутрішні стінки хвилеводу золота або срібла для зменшення шорсткості поверхні.

Використовуючи ці методи, можна досягти істотного зниження шумової температури приймальної системи й підвищення ККД хвилеводу. Однак реалізація хвилеводів з високим ККД – досить важке завдання. Слід враховувати утворення діелектричних плівок на струмонесучій поверхні хвилеводу через тривале перебування в атмосфері, особливо це стосується хвилеводів з посрібленою струмонесучою поверхнею. Таким чином, втрати можуть зрости в 1,5 рази.

Ще одним фактором, що впливає на збільшення втрат у хвилеводному тракті, є неузгодженість хвилеводу з іншими частинами приймального тракту, приєднаних до нього. У такому випадку виникають відбиття у волноводном тракті. Тому намагаються одержати КСВ близький до одиниці. Однак при КСВ = 1,5 максимальне збільшення температури шуму на вході приймача за рахунок пійманих, а потім відбитих від неоднорідностей шумів вхідного обладнання не перевищує 4%, тобто становить дуже малу величину. Основною проблемою методу є вироблення хвилеводу з високим ККД і гладкою струмонесучою поверхнею.

Варто виділити окремий метод для зменшення впливу станцій Wimax. Він полягає в зниженні шумової температури малошумливого підсилювача. При цьому шумова температура приймального тракту залишиться незмінною, тому що шумова температура перерозподілиться на вплив перешкод від наземних станцій. Зменшення шумової температури підсилювача може скласти 21 К, внесені за рахунок впливу 1000 станцій Wimax. Також залишиться запас 9 К на компенсацію перешкод від інших бездротових наземних станцій. Тобто зменшення шумової температури МШП дає істотне зниження впливу бездротових наземних мереж радіозв'язку.

Висновок

Проведене дослідження показало, що сигнали бездротових станцій стандарту Wimax можуть вплинути на роботу радіоканалів супутникових систем зв'язку. Воно проявляється у вигляді шумів, внесених бездротовими наземними системами зв'язки в приймальний тракт супутника. Цей вплив приводить до зниження співвідношення сигнал/шум на вході приймача супутника-ретранслятора, збільшенню шумової температури приймальної системи та частоти бітових помилок.

Можливим шляхом вирішення цієї проблеми є зниження власної шумової температури приймальної системи, наприклад, за рахунок зниження шумової температури вхідного підсилювача в приймачі. Таке рішення дозволить повернути значення відносини сигнал/шум на попередній рівень, тим самим знизивши частоту бітових помилок. На цей час цей питання перебуває в стадії розробки. У магістерській роботі планується провести дослідження та розробку підсилювача в приймачі з низьким коефіцієнтом шуму, що дозволить покращити роботу супутникових каналів зв'язку і послабити вплив земних завад.

    Література

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.