2020
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
Техника радиосвязи
Выпуск 2 (45)
УДК 621.396.946
DOI 10.33286/2075-8693-2020-45-33-41
© Ю. О. Зырянова1, Д. Д. Привалов2
1
Омский научно-исследовательский институт приборостроения, Омск, Российская
Федерация
2
Институт радиофизики и физической электроники Омского научного центра
СО РАН, Омск, Российская Федерация
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ
СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ KU-ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
В АКВАТОРИИ СЕВЕРНОГО МОРСКОГО ПУТИ
Рассмотрены факторы, влияющие на ослабление сигнала в Ku-диапазоне для системы спутниковой связи. Проведены расчеты гарантированной скорости передачи информации на примере трасс Мурманск – геостационарный спутник – Диксон
и Владивосток – геостационарный спутник – Тикси. Определены возможности
предоставления услуг связи для Северного морского пути в зависимости от диаметра антенн.
Ключевые слова: энергетический бюджет спутниковой линии связи, спутниковая
связь, потери сигнала в дожде, Ku-диапазон, Северный морской путь.
Для цитирования: Зырянова Ю. О., Привалов Д. Д. Анализ возможности
предоставления услуг спутниковой связи Ku-диапазона частот в акватории
Северного морского пути // Техника радиосвязи. 2020. Выпуск 2 (45). С. 33–41.
DOI: 10.33286/2075-8693-2020-45-33-41.
© Yu. O. Zyryanova1, D. D. Privalov2
1
Omsk Scientific-Research Institute of Instrument Engineering, Omsk, Russian Federation
2
Institute of Radiophysics and Physical Electronics Omsk Scientific Center SB RAS,
Omsk, Russian Federation
ANALYSIS OF THE SERVICE PROVISIONING
BY THE KU-BAND SATELLITE COMMUNICATION
FOR THE NORTHERN SEA ROUTE OFFSHORE
The factors affecting the signal attenuation in the Ku-band for satellite communication
systems are considered. The calculations of the guaranteed speed of information transfer
are carried out on the example of the routes Murmansk – geostationary satellite – Dixon
and the Vladivostok – geostationary satellite – Tiksi. The possibilities of providing
communication services for the Northern sea route depending on the diameter of the antennas are determined.
33
Keywords: energy budget of satellite communication line, satellite communication, loss
of signal in the rain, Ku-band, Northern Sea Route.
For citation: Zyryanova Yu. O., Privalov D. D. Analysis of the service provisioning by
the Ku-band satellite communication for the northern sea route offshore // Radio
communication technology. 2020. Issue 2 (45), pp. 33–41. DOI: 10.33286/2075-86932020-45-33-41.
Введение
В настоящее время развитие арктической зоны занимает важное место в
обеспечении национальных интересов государства. На освоение Арктического
региона оказывает значительное влияние использование Северного морского
пути (СМП) как единой транспортной сети, соединяющей территории от Северной Европы до Сибири и Азии.
Известно [1], что в крупных портах СМП применяются системы спутниковой связи (ССС), которые обеспечивают доступ к интернет-услугам. Однако
не только в портах, но и на всем протяжении СМП должна быть организована
высокоскоростная линия связи с берегом для улучшения комфорта экипажей
судов и повышения безопасности судоходства. Для этого целесообразно применять наиболее распространенные ССС Ku-диапазона, работающие через геостационарные космические аппараты (КА).
Вместе с тем, известно [1], что при приближении к 76º с. ш. энергетика
спутникового канала значительно снижается, что может привести к полной потере связи. Кроме того, на спутниковый канал связи оказывает значительное
влияние атмосфера, действие которой проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере. Основное поглощение сигнала определяется газами тропосферы – кислородом и водяными парами, а также дождем
и прочими гидрометеорами [2].
Целью работы является проведение анализа возможности предоставления
качественных услуг спутниковой связи Ku-диапазона частот в акватории СМП.
Постановка решаемой задачи
Предоставляемые услуги связи в первую очередь определяются гарантированной скоростью передачи данных в канале связи в зависимости от отношения сигнал/шум на приемной стороне. В связи с этим необходимо провести расчет энергетического бюджета линии спутниковой связи для различных участков
СМП. Поскольку для ССС канал связи состоит из двух участков: от земной
станции (ЗС) к КА (участок «Вверх») и от КА к ЗС (участок «Вниз»), – необходимо учитывать влияние дождя на ослабление сигналов на обоих участках, как
схематично представлено на рис. 1.
В качестве КА были выбраны КА серии «Экспресс» («Экспресс-АМ5»,
«Экспресс-АМ6»), поскольку они обеспечивают значительное перекрытие СМП.
Тем не менее КА платформ «Ямал» также могут быть использованы для предоставления услуг связи. В отличие от существующей ССС Inmarsat, которая
предназначена для повышения уровня безопасности мореплавания и обеспечивает передачу данных со скоростью до 432 Кбит/с [3], связь в Ku-диапазоне через геостационарные КА обеспечивает в общем случае прием/передачу цифровых объемов данных, достаточных для групповых видеозвонков. В табл. 1 представлены необходимые для расчетов параметры указанных КА согласно [4].
34
Рис. 1. Схематичное представление влияния осадков на канал спутниковой связи
Т абл и ца 1
Параметры радиоаппаратуры связи для КА серии «Экспресс»
Характеристика
«Экспресс-АМ6» «Экспресс-АМ5»
Поляризация
Мощность передатчика, Вт
Плотность потока мощности (SFD) насыщения, дБВт/м2
Коэффициент недоиспользования по выходу (OBO), дБ
Коэффициент недоиспользования по входу (IBO), дБ
Максимальная добротность в центре луча (G/T), дБ/К
Полоса транспондера, МГц
Шумовая температура приемного тракта, К
Коэффициент использования поверхности антенны
Диаметр антенны, м
Режим
Количество несущих в транспондере
Долгота, град.
круговая
150
минус 77
минус 3,6
минус 8,6
7
8,7
54
810
0,65
2,5
односигнальный
1
53
140
Согласно [5], минимальный угол наведения антенны земной станции (ЗС)
на КА целесообразно принять 5 градусов. В связи с этим, на рис. 2 показаны зоны покрытия выбранных КА с углом наведения антенны ЗС, кратным 5 градусам, СМП обозначен пунктирной кривой.
Как видно на рис. 2, на участке СМП от А3 до Б1 предоставление услуг
спутниковой связи невозможно из-за малого угла наведения антенны на КА (менее 5 градусов) [1].
Для простоты восприятия точки СМП в зоне покрытия КА «Экспресс-АМ6»
обозначены буквой «А», а точки в зоне покрытия «Экспресс-АМ5» – буквой
«Б». Несмотря на то что расчет проводился для всех участков, в рамках данной
работы представлен расчет для трассы 1 (участок СМП от Мурманска (центральная земная станция (ЦЗС)) до пролива Карские ворота – точка А1 (терминальная земная станция (ТЗС)) и трассы 2 (участок СМП от Владивостока (ЦЗС)
до Тикси – точка Б1 (ТЗС)).
35
Широта, град.
Долгота, град
Рис. 2. Зоны покрытия КА
Параметры ЦЗС и ТЗС, используемые при расчете гарантированной скорости передачи информации, представлены в табл. 2.
Т абл и ца 2
Параметры ЦЗС и ТЗС для расчета скорости передачи информации
Характеристика
Месторасположение
Долгота, град.
Широта, град.
Высота ЗС над уровнем моря, м
Мощность передатчика, Вт
Диаметр антенны, м
Минимальная
информационная
скорость передачи, Кбит/с
Минимальная
информационная
скорость приема, Кбит/с
Поляризация
Шумовая температура
малошумящего усилителя, К
Фактор сглаживания
формирующего фильтра
Коэффициент использования
поверхности антенны
Модуляция на передачу
Относительная скорость
внутреннего кодера (R c )
Требуемое отношение сигнал/шум
на приемной стороне, дБ
Частота передачи, ГГц
Частота приема, ГГц
ЦЗС
Мурманс
к
33,09
68,98
96
25
3,7
ТЗС
ЦЗС
ТЗС
80,53
73,51
8
8
0,8–1,5
Владивос
ток
131,87
43,11
40
25
3,7
128,86
71,69
71
8
0,8–1,5
540
133
540
133
133
540
133
540
Диксон
Тикси
круговая
70
0,2
0,65
8PSK
QPSK
8PSK
QPSK
3/5
2/3
3/5
2/3
5,7
3,3
5,7
3,3
14,470
11,170
36
При этом информационные скорости приема и передачи, тип модуляции,
относительные скорости внутреннего кода, режимы работы являются типичными
и удовлетворяют современным требованиям к спутниковым маршрутизаторам [6].
Для определения значения информационной скорости (𝑅, бит/с) была использована формула
𝑅 = 𝑅𝑠 ∙ 𝑅𝑐 ∙ 𝐾,
(1)
где 𝑅𝑠 – символьная скорость, сим/с; 𝑅𝑐 – относительная скорость внутреннего
кодера; 𝐾 = log 2 𝑀 – скорость передачи по виду модуляции, бит/сим, здесь 𝑀 –
вид модуляции [7].
Шумовая температура антенны (в условиях ясного неба) определяется по
формуле
30
180
𝑇𝑎𝑛𝑡 = 15 + 𝐷 + 𝐸𝐿 ,
(2)
где D – диаметр антенны, м; EL – угол места, град. [8].
Значения угла наведения антенны ЦЗС и ТЗС на КА и полученные значения шумовой температуры антенн для трасс 1 и 2 сведены в табл. 3.
Т абл и ца 3
Трассовые параметры углов наведения и шумовой температуры антенн ЗС
Наименование параметра
Угол наведения антенны ЦЗС на КА,
град.
Угол наведения антенны ТЗС на КА,
град.
Шумовая температура антенны ЦЗС, К
Шумовая температура (К) антенны ТЗС в
зависимости от ее диаметра:
0,8 м;
0,9 м;
1,0 м;
1,1 м;
1,2 м;
1,3 м;
1,4 м;
1,5 м
Трасса 1
Трасса 2
11,20
39,61
5,95
9,40
39,18
27,63
82,75
78,59
75,25
70,25
68,33
66,68
65,25
53,36
71,65
67,48
64,15
61,42
59,15
57,23
55,58
54,15
Для учета потерь сигнала в дожде (Lд, дБ) существуют различные методики в зависимости от используемого частотного диапазона. Для Ku-диапазона
частот целесообразно воспользоваться выражением
𝐿д = 𝑎𝐼 𝑏 𝑙,
(3)
где 𝐼 – интенсивность выпадения осадков, мм/ч; 𝑙 – длина пути сигнала в дождевом слое, км; 𝑎 и 𝑏 – вспомогательные коэффициенты [5].
Коэффициенты 𝑎 и 𝑏 зависят от частоты, влияние других факторов (размера и температуры дождевых капель, поляризации сигнала) проявляется пренебрежимо слабее. Хорошим приближением значений 𝑎 и 𝑏 является
𝑎 = 4,21 ∙ 10−5 ∙ 𝑓 2.49
при 2,9 ≤ 𝑓 ≤ 54 ГГц,
37
(4)
1,41 ∙ 𝑓 −0,0779
при 8,54 ≤ 𝑓 ≤ 25 ГГц,
𝑏={
−0,272
2,63 ∙ 𝑓
при 25 ≤ 𝑓 ≤ 164 ГГц.
Длина пути сигнала в дождевом слое (𝑙, км) равна
𝑙=
ℎД −ℎЗС
sin 𝛾
(5)
,
(6)
𝛾 ≥ 5°,
где hд – эффективная высота дождевого слоя, км; hЗС – высота ЗС над уровнем
моря, км; 𝛾 – угол места антенны ЗС, град.
Эффективная высота дождевого слоя связана с высотой нулевой изотермы
hИ, м, следующим образом:
ℎи
при 𝐼 ≤ 10 мм/ч,
ℎд = {
(7)
𝐼
ℎи + log10 ( ) при 𝐼 > 10 мм/ч.
10
Высота нулевой изотермы для широт России равна
hИ = 7,8 – 0,1 ∙ |ΨC|,
(8)
где ΨC – широта точки размещения ЗС на земной поверхности.
Интенсивность выпадения осадков имеет статистический характер и во
многом определяется местом расположения ЗС в соответствии с картой климатических зон [9]. Исходя из этих данных, Владивосток расположен в климатической зоне К, а Мурманск, Диксон и Тикси – в зоне А. Интенсивность дождя для
коэффициента готовности КГ = 0,997 в климатической зоне К – 6 мм/ч, а в зоне
А – 1 мм/ч; для КГ = 0,999 в зоне К – 12 мм/ч, а в зоне А – 2 мм/ч.
Результаты вычислений затухания радиоволн в дожде на участках «Вверх»
и «Вниз» для КГ = 0,997 и КГ = 0,999 на трассах 1 и 2 представлены в табл. 4.
Т абл и ца 4
Потери сигнала в дожде для трасс 1 и 2
Характеристика
Мурманск
Вверх Вниз
Диксон
Вверх Вниз
Владивосток
Вверх Вниз
Тикси
Вверх Вниз
0,90
0,45
3,49
0,63
4,15
4,25
5,41
3,34
Эффективная
высота
дождевого слоя
hД , км
Длина пути
сигнала
в дождевом слое
l, км
Коэффициент a
0,03
0,02
0,03
0,02
0,03
0,02
0,03
0,02
Коэффициент b
1,27
1,36
1,27
1,36
1,27
1,36
1,27
1,36
0,14
0,07
0,14
0,07
1,72
1,07
0,11
0,06
0,33
0,18
0,34
0,19
4,26
2,1
0,26
0,15
Потери сигнала в
дожде LД для
КГ = 0,997, дБ
Потери сигнала в
дожде LД для
КГ = 0,999, дБ
38
Результаты анализа
Значения рассчитанной гарантированной скорости приема/передачи информации в соответствии с данными в табл. 1–4 для трасс 1 и 2 при КГ = 0,997 и
КГ = 0,999 приведены в табл. 5 и 6 соответственно.
Т абл и ца 5
Гарантированная скорость приема/передачи информации
в зависимости от диаметра антенны ТЗС для трассы 1
Диаметр
антенны
ТЗС, м
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
КГ = 0,997
Скорость в ПК, Скорость в ОК,
Кбит/с
Кбит/с
25000
1800
28000
2400
33000
2900
39000
3500
42000
4000
48000
4800
52000
5700
57000
6400
КГ = 0,999
Скорость в ПК, Скорость в ОК,
Кбит/с
Кбит/с
18000
1500
25000
2000
27000
2500
32000
2800
37000
3400
40000
4000
45000
4800
48000
5500
Т абл и ца 6
Гарантированная скорость приема/передачи информации
в зависимости от диаметра антенны ТЗС для трассы 2
Диаметр
антенны
ТЗС, м
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
КГ = 0,997
Скорость в ПК, Скорость в ОК,
Кбит/с
Кбит/с
21000
1100
24500
1400
29000
1700
33500
2100
38000
2500
41000
3000
44000
3300
48000
3800
КГ = 0,999
Скорость в ПК, Скорость в ОК,
Кбит/с
Кбит/с
7500
400
8500
500
10500
600
12500
750
14000
900
15000
1000
16500
1200
17500
1400
Аналогичным образом произведена оценка гарантированной скорости
приема/передачи информации для других зон СМП в соответствии с рис. 2. По
результатам обобщения расчетов приведены таблицы 7 и 8, где представлены
значения диаметров антенн, при которых будет обеспечена та или иная услуга
связи на различных участках СМП.
Таким образом, в зоне А возможно предоставление услуг групповых видеозвонков (до 5 участников при диаметре антенны ТЗС 1,3 м), в то время как в
зоне Б будут обеспечиваться только видеозвонки HD-качества. Использование
антенны небольшого диаметра (0,8 м) позволит устойчиво обеспечивать только
видеозвоники SD-качества. Предоставление услуг групповых звонков невозможно в целом в зоне от А3 до Б1.
39
Тип звонка
Видеозвонки
SD-качества
Видеозвонки
HD-качества
Групповые
видеозвонки
(более 3
участников)
Групповые
видеозвонки
(более 5
участников)
Т абл и ца 7
Значения диаметров антенн ТЗС в зоне А
Гарантированная
Зона А1
Зона А2
Зона А3
скорость
Коэффициент готовности
приема/передачи,
0,997/0,999
0,997/0,999
0,997/0,999
Кбит/с
500/500
0,8/0,8
0,8/0,8
0,8/0,9
1500/1500
0,8/0,8
1,0/1,1
0,8/0,9
2000/512
0,8/0,8
1,2/1,3
0,9/1,0
4000/512
1,1/1,2
–
1,3/1,4
Т абл и ца 8
Значения диаметров антенн ТЗС в зоне Б
Тип звонка
Видеозвонки
SD-качества
Видеозвонки
HD-качества
Групповые
видеозвонки
(более 3
участников)
Зона Б1
Зона Б2
Зона Б3
Зона Б4
Гарантированная
скорость
приема/передачи,
Кбит/с
0,997/0,999
0,997/0,999
0,997/0,999
0,997/0,999
500/500
0,8/0,8
0,8/0,8
0,8/0,8
0,8/0,8
1500/1500
1,1/1,1
1,3/1,4
1,5/1,5
1,2/1,4
2000/512
1,2/–
1,5/–
–
1,4/–
Коэффициент готовности
Заключение
Проанализирована возможность предоставления качественных услуг
спутниковой связи Ku-диапазона частот в акватории СМП с учетом потерь сигнала в дожде разной интенсивности. Приведен подробный пример расчета для
трасс Мурманск – Диксон (трасса 1) и Владивосток – Тикси (трасса 2).
Показано, что устойчивая видеосвязь низкого качества возможна на всем
протяжении СМП при диаметре антенны ТЗС 0,8 м за исключением участка в
районе мыса Челюскина. Для обеспечения более высокой надежности связи,
особенно при работе транспондера КА в многосигнальном режиме, целесообразно использовать диаметр антенн на 0,1–0,2 м больше значений, полученных
расчетным путем.
Работа выполнена по государственному заданию Омского научного центра
СО РАН в соответствии с Программой ФНИ ГАН на 2013–2020 годы (номер госрегистрации проекта в системе ЕГИСУ НИОКТР АААА-А19-119052890058-2).
40
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуков С. Е., Шадрин А. Г., Нездоровин Н. В. Применение системы спутниковой
связи специального назначения в Арктической зоне // Электросвязь. 2016. № 12. С. 18–23.
2. Определение дополнительных потерь в спутниковых радиолиниях. URL:
lib.kstu.kz:8300/tb/books/2016/TTS/Mehtiev%20i%20dr%2011/Teory/8.2.htm (дата обращения: 15.08.2018).
3. Mobile-satellite service Handbook / International Telecommunication Union. ITU.
2002. 149 p. URL: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/hdb/R-HDB-41-2002-OAS-PDFE.pdf (дата обращения: 24.04.2020).
4. Регламент. Оказание услуг связи / ФГУП «Космическая связь» (ГП КС).
М., 2020. URL: https://www.rscc.ru/about/#documents (дата обращения: 24.04.2020).
5. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учебное пособие. М. : Альпина Паблишер, 2004. 536 с.
6. UHP-9000
Dual
Satellite
Router.
URL:
http://assets.cdnma.com
/9452/assets/Specifications/Romantis_Specifications/Romantis_UHP_9000_Satellite_router.pdf
(дата обращения: 24.04.2020).
7. Голдсмит А. М. Беспроводные коммуникации. М. : Техносфера, 2011. 904 с.
8. Эквивалентная
шумовая
температура
антенны.
URL:
http:
//www.chishma.ru/tarelki/ekvivaletn-shumov-temperat-antennw.html
(дата
обращения:
15.08.2018).
9. Анпилогов В. Р., Афонин А. А. Затухание в спутниковых каналах Ku- и Kaдиапазонов // Спутниковая связь и вещание. 2010. Специальный выпуск. URL:
http://lib.tssonline.ru/articles2/practicum/zatyhanie-v-spytnikovih-kanalah-ku-i-kadiapazonov
(дата обращения: 15.08.2018).
Сведения об авторах
Зырянова Юлия Олеговна, сотрудник АО «ОНИИП». E-mail: [email protected].
Привалов Денис Дмитриевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ИРФЭ
ОНЦ СО РАН. E-mail: [email protected].
Поступила в редакцию: ноябрь 2019 г.
Рецензирование: декабрь – январь 2020 г.
Принята в печать: март 2020 г.
41
