РАДИОКАНАЛЫ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ УВЕЛИЧИВАЮЩЕГОСЯ «РАДИОСМОГА» ЗЕМЛИ

Шаповалов С.А.

Источник: Інформатика та комп'ютерні технології — 2007 / Матеріали III науково-технічної конференції молодих учених та студентів. — Донецьк, ДонНТУ — 2007, с. 77-78.

В этом докладе рассматривается проблема влияния беспроводных широкополосных наземных систем связи на качество функционирования спутниковых систем телевещания. Основной целью исследования является определение влияния помех, вносимых в каналы спутниковых систем телевещания, беспроводными станциями стандарта WiMAX.


В настоящее время спутниковые системы связи получили широкое распространение во всем мире. Это является следствием высокого качества и возможности организации как стационарных, так и мобильных систем. Одним из основных направлений использования спутниковых систем связи является телевещание. Спутниковое телевидение позволяет распространять одновременно до 100 телепрограмм на обширной территории, используя только один искусственный спутник Земли. 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 дает возможность использовать спутниковое телевидение как большим, так и малым абонентским группам.

Спутниковое телевидение использует несколько диапазонов частот, из которых основными являются С (4/6 ГГц) и Ku (10/12 ГГц). Например, в России спутниковое телевидение основано на использовании Кu-диапазона. Это выгодно с экономической точки зрения, поскольку наземные спутниковые станции, работающие на частотах 10/12 ГГц, являются менее мощными и с меньшими размерами антенн, чем станции С-диапазона.

Для территорий с влажным климатом и большим количеством осадков в течение года целесообразно использование спутниковых станций, работающих в диапазоне С (4/6 ГГц). Важная особенность сигналов этого диапазона – их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера Земли почти прозрачна для сигналов с частотами 4/6 ГГц. Эти достоинства обуславливают то, что этот 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 связи является WiМAX. Ее особенностью является то, что в используемые ею частоты от 2 ГГц до 11 ГГц (стандарт 802.16а) входит С-диапазон. Также эта технология использует для передачи информации широкополосные сигналы, спектры которых сливаются со спектром сигнала спутникового телевидения, создавая тем самым помехи в спутниковом канале связи.

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 среди форума WiMAX, GVF и Спутниковой Пользовательской Группы Сокращения Вмешательства (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 на расстоянии порядка 12 км. При указанных расстояниях спутниковый сигнал был почти полностью подавлен сигналом WiМAX. Но сигнал со спутника еще различим. Однако частота битовых ошибок была ухудшена до по сравнению с номинальной частотой в . Это – недопустимое качество обслуживания в цифровой телекоммуникационной промышленности.

Для спутникового канала, по которому сигналы передаются с земной станции на спутник, ситуация несколько отличается. Частоты, используемые для передачи таких сигналов 5,925...6,425 ГГц, могут совпадать с частотами сигнала от станций WiМAX. Поэтому приемная антенна спутника может принимать сигналы WiМAX как помехи для основного спутникового сигнала. Эти сигналы будут ослаблены при прохождении по спутниковому каналу вследствие потерь. Но, благодаря тому, что приемная антенна спутника будет охватывать обширную территорию (даже при угле развертывания антенны 2°, радиус зоны покрытия составляет около 637 км), на которой могут располагаться беспроводные сети нескольких государств, а количество станций может достигать нескольких тысяч, сигнал будет достаточно сильным. Попадание основного лепестка диаграммы направленности антенны станции WiMAX на спутниковую приемную антенну теоретически исключено, так как даже при перемещении станции в пределах зоны приема антенна станции WiМAX не достигает угла подъема на спутник, необходимого для такого попадания. Но приемная антенна спутника будет принимать излучение боковых лепестков диаграммы направленности антенны станции WiМAX. Величина излучение приблизительно равна -1 дБВт. Это 0,001 часть от излучения основного лепестка антенны станции WiMAX.

Альтернативным методом оценки влияния беспроводной системы на спутниковый канал связи является энергетический расчет канала связи.

Этот метод позволяет дать количественную оценку уровней передаваемых и принимаемых сигналов, уровня потерь из-за различных атмосферных явлений, характеристик приемной и передающей систем. В данном исследовании предлагается использовать данный метод и оценить электромагнитную совместимость беспроводной сети и станции спутникового телевещания.

Согласно энергетическому расчету, при прохождении по трассе Земля - Спутник потери сигнала для С-диапазона составляют около 206 дБ. Из этого следует, что сигнал от одной станции WiMAX на входе приемника искусственного спутника Земли будет равен - 169 дБВт. По сравнению с сигналом от наземной спутниковой станции, величина которого равна порядка -112 дБВт, влияние сигнала одной станции WiMAX пренебрежимо мало. Однако для 1000 беспроводных станций, располагающихся в пределах зоны покрытия приемной антенны спутника, создают на входе приемника помеху уровня -139 дБВт, что соизмеримо с шумами приемной системы.

Оценка качества спутникового канала связи в основном сводится к определению таких параметров: частота битовых ошибок, отношение сигнал/шум на входе приемника, шумовая температура приемной системы и ее составляющих.

При уровне спутникового сигнала -112 дБВт для модуляции QPSK допустимый уровень шумов будет -126 дБВт. Это соответствует отношению сигнал/шум на входе приемника равному 14 дБ. Частота битовых ошибок составляет . Добавление помехи от станций WiMAX приводит к снижению отношения сигнал/шум на входе приемника на 0,2 дБ, и увеличению частоты битовых ошибок до уровня порядка . Вместе с тем, повышается шумовая температура приемной системы на 21К, что приводит к снижению качества связи и затрудняет реализацию приемника для транспондера искусственного спутника Земли. Чтобы обеспечить реализуемость и высокое качество спутниковой системы связи необходимо учесть это влияние при расчете. Помехи, которые вносят станции WiMAX, относятся к шумам антенны. Поэтому следует ввести переменную, отображающую это влияние, в формулу шумовой температуры антенны:

ТА=Тя.а+Тя.з+2сТя.к+Тша+Тw

где ТА – эквивалентная шумовая температура приемной антенны;

Тя.а – яркостная температура земной атмосферы;

Тя.з – яркостная температура Земли;

Тя.к – яркостная температура космического пространства;

Тша – шумовая температура, обусловленная собственными шумами приемной антенны;

Тw – щумовая температура, вносимая беспроводными станциями WiMAX;

с – коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергии боковых лепестков.

Усовершенствовав таким образом энергетический расчет спутникового канала связи, можно оценить параметры приемной системы искусственного спутника Земли с учетом влияния наземных беспроводных сетей. Как видно из формулы, Tw является аддитивной помехой, ее увеличение приведет к пропорциональному росту шумовой температуры приемной антенны и приемной системы в целом.

Следовательно, увеличение количества станций беспроводной связи в зоне покрытия спутника или увеличение излучения боковых лепестков станций WiMAX может привести к сбоям в работе каналов спутникового телевидения.

Вывод:

Как показывает проведенное исследование, сигналы беспроводных сетей стандарта WiMAX могут оказать существенное влияние на работу радиоканалов спутникового телевидения. 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, увеличение шумовой температуры приемной системы и увеличению частоты битовых ошибок. Возможным путем решения этой проблемы является снижение собственной шумовой температуры приемной системы, например, за счет снижения шумовой температуры входного усилителя приемника. Данное направление позволит вернуть значение отношения сигнал/шум на прежний уровень, тем самым, снизив частоту битовых ошибок.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Field test report WiMAX frequency sharing with FSS earth stations, 2008.
  2. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997.
  3. Бородич С.В. ЭМС наземных и космических радиослужб. Критерии, условия и расчет. - М.: Радио и связь, 1990.

© ДонНТУ, Шаповалов С.А.