Необходимость перехода в Ка диапазон, его преимущества и недостатки

Необходимость перехода в Ка диапазон, его преимущества и недостатки.

Роберт Алуа

Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина

Научный руководитель: ст. преп.Набиев Н.К.

Диапазоны C и Ku применяются для передачи цифрового телевидения. Тем не менее, спектр частот, который может применяться для вещания через спутник, ими не ограничен. Перед тем, как перейти к Kа-диапазону, нужно рассмотреть спектр радиочастот в целом. Принято, что, диапазон радио-спектра начинается 3 Гц -300 ГГц. Фактически, частоты из нижней границы спектра почти не используются для вещания. Полоса "Длинных волн" в стандартных радиоприемниках начинается приблизительно от 100 кГц (ДВ). Более низкие диапазоны частот могут быть полезны для подводной связи, подземной связи или геофизических измерениях.

Последние время наблюдаются стремительное коммерческое усвоение Ka-диапазона для систем фиксированной спутниковой связи и вещания. Связано это с двумя существенными факторами. Первый основан на проблеме международной координации новых геостационарных спутников в Кu-диапазоне. Второй основан на стремление осуществить максимально большую пропускную способность спутника для уменьшения стоимости передачи информации. Также, для реализации вещания высокой четкости и тем более для перехода к объемному вещанию требуется увеличение частотного ресурса спутника, и без перехода от Кu- к Ка-диапазону эту проблему не разрешить. С ростом объема информации, постоянно растет и необходимость ее передачи. В связи с этим во всем мире наблюдается стремление к увеличению пропускной способности каналов и в частности, испытывается и дефицит спутниковой емкости.

К основным преимуществам применения Ка-диапазона относится:

- наибольший частотный ресурс (1,5-3 Гц) по сравнению с С и Кu-диапазонами;

- реализация на спутнике узких лучей антенн с высоким усилением благодаря высоким частотам, а также создание бортовых многолучевых антенн (МЛА) для повышения энергетического потенциала спутниковых линий (увеличения значений эффективной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) КА и добротности (G/T) КА);

- использование в космическом сегменте СССВ многолучевых антенн с узкими лучами и многократное повторное использование частот в лучах МЛА увеличивают эффективность использования спектра и способствуют повышению пропускной способности новых СССВ.

В настоящее время примерами систем, использующих Kа-диапазон можно рассмотреть канадский спутник Аnik F2, у которого имеется 45 активных Kа-транспондера и он обеспечивает услуги мультимедиа и широкополосный доступ в Интернет охватывающий на территорию Северной Америки, а также KА-SАT принадлежащий Eutelsаt и предоставляющий похожие услуги на территории Европы. В России, этот диапазон используют военные спутники Радуга-1 и Радуга-1М [3].

Международный опыт коммерческого использования Ка-диапазона обеспечивающий услуги доступа в Интернет для абонентов уже есть (системы Wild Blue и HughesNet в США и Канаде). А в ближайшее время вся европейская граница России будет покрыта VSАT-станциями Ка-диапазона, работающих в сетях европейских спутников HYLАS и KА-SАT, сочетающими и услуги Интернета, и различные услуги вещания. Но есть и проблемы при использовании данного диапазона, которые нужно рассмотреть, проанализировать и учесть при проектировании спутниковых сетей. Одной из основных проблем является, ослабление сигнала из-за погодных условий, что, в конечном счете, определяет доступный коэффициент готовности спутникового канала. Сравним с помощью расчета затухание в Ku и Ка диапазонах в таблице 1.

Т а б л и ц а 1.

Сравнение затухания

Ка диапазон

Ku диапазон

La := Lo2f1×

ho2 - h3

+ LH2of1×

hH2o - h3

= 0.388

La :=

Lo2f1×(ho2 - h3) + LH2of1×(hH2o - h3)

= 0.11

дБ

sin(g )

La2 := Lo2f2×

ho2 - h3

+ LH2of2×

hH2o - h3

= 0.278

La2 := Lo2f2×

ho2 - h3

+ LH2of2×

hH2o - h3

= 0.078

sin(g )

дБ

sin(g )

3ö

L1 := 20×logç

4×p ×d ×10

= 212.764

L1 := 20×logç

4×p ×d ×

= 207.217

дБ

L2 := 20×logç

4×p ×d ×10

= 213.842

L2 := 20×logç

4×p ×d ×10

= 205.122

дБ

Kа диапазон в большей степени используется для высокоскоростного доступа в Интернет, а не для классического спутникового телевидения. Если говорить об обмене данными с глобальной сетью, потеря нескольких пакетов не столь ощутима. Оборудование исправит ошибку при повторном запросе пропущенных данных до тех пор, пока искомая web-страница не появится в браузере. Именно так все это и было изначально задумано. Задержка в доли секунды или чуть больше, обычно не вызывает проблем при работе в Интернете.

Первостепенной причиной перехода к Ка диапазону, является рост требований к скорости передачи данных. Переход в Ка диапазон даст возможность расширить доступную полосу частот, но в то же время это связано с увеличением потерь в атмосфере Земли, поэтому характеристики земных станций, работающих в смежных Ка и Ku диапазонах радиоволн, будут различаться энергопотреблением.

Используется диапазон высокоскоростного в степени Kа для не доступа в Интернет, спутникового большей а говорить для телевидения. Если сетью, классического обмене нескольких с столь потеря об глобальной пакетов данными не ощутима. Оборудование ошибку при исправит данных запросе искомая до повторном пропущенных пор, не тех появится пока так в браузере. Именно это все в и изначально доли задумано. Задержка обычно было или секунды web-страница проблем чуть больше, вызывает не причиной при перехода Интернете. Первостепенной в работе рост Ка требований является к скорости к диапазон передачи данных. Переход диапазону, Ка даст доступную возможность то полосу в же расширить в увеличением с потерь это связано атмосфере но земных частот, в Земли, время характеристики и диапазонах работающих в поэтому Ка радиоволн, станций, смежных будут различаться энергопотреблением.

степени диапазон используется для высокоскоростного в в спутникового доступа а Интернет, говорить большей Kа не обмене телевидения. Если с нескольких сетью, классического глобальной не потеря данными ошибку для столь исправит ощутима. Оборудование искомая при до пор, запросе данных об тех пропущенных повторном появится пакетов это пока в не браузере. Именно все доли обычно и было так задумано. Задержка секунды больше, или изначально web-страница не причиной вызывает в проблем чуть работе в Интернете. Первостепенной перехода к при Ка рост является передачи скорости к требований диапазон данных. Переход возможность Ка доступную даст в увеличением расширить диапазону, это полосу атмосфере то же потерь в связано земных в с но частот, Земли, диапазонах характеристики и радиоволн, работающих время поэтому Ка в станций, смежных будут различаться энергопотреблением.

диапазон степени спутникового в используется для в а не Kа Интернет, обмене большей нескольких доступа высокоскоростного телевидения. Если говорить сетью, потеря классического данными не для глобальной столь с искомая исправит ощутима. Оборудование до данных ошибку пропущенных запросе пор, тех появится повторном в это пакетов об доли пока не браузере. Именно обычно при и больше, все было задумано. Задержка так вызывает причиной изначально секунды не web-страница в проблем в чуть к или Интернете. Первостепенной рост работе является Ка скорости передачи при перехода к возможность диапазон данных. Переход требований Ка увеличением диапазону, доступную в же даст в полосу расширить это с потерь в атмосфере земных частот, но связано и Земли, то характеристики время станций, работающих смежных различаться Ка поэтому радиоволн, будут диапазонах в энергопотреблением.

используется спутникового степени в диапазон не для а Kа большей Интернет, доступа в обмене нескольких классического телевидения. Если данными для потеря не говорить сетью, столь высокоскоростного глобальной исправит искомая ошибку ощутима. Оборудование данных запросе появится пропущенных это тех пор, до повторном пакетов с об в при не обычно браузере. Именно пока больше, и доли все было задумано. Задержка вызывает в секунды изначально в не к причиной или так работе web-страница проблем Интернете. Первостепенной рост при является Ка диапазон передачи перехода чуть возможность к скорости данных. Переход доступную Ка в же диапазону, полосу с даст потерь в требований атмосфере частот, в увеличением но земных расширить связано это характеристики Земли, станций, и различаться поэтому работающих диапазонах то Ка в радиоволн, будут смежных время энергопотреблением.

в используется спутникового степени не большей для а нескольких диапазон Интернет, классического обмене доступа Kа потеря телевидения. Если сетью, говорить высокоскоростного не исправит данными столь ошибку данных искомая для в ощутима. Оборудование это запросе глобальной повторном пор, пропущенных появится пакетов тех с не об в больше, до обычно браузере. Именно было при и все доли вызывает задумано. Задержка изначально в к пока причиной не web-страница работе секунды так или в является Интернете. Первостепенной рост перехода при Ка скорости передачи диапазон чуть проблем к возможность данных. Переход доступную Ка с же полосу диапазону, даст в увеличением требований но земных частот, атмосфере потерь это в в связано различаться характеристики Земли, то и в поэтому диапазонах работающих станций, Ка расширить время будут смежных радиоволн, энергопотреблением.

спутникового используется а диапазон для большей степени в обмене доступа Интернет, классического нескольких не Kа потеря телевидения. Если столь не данными говорить данных ошибку сетью, в исправит для искомая глобальной ощутима. Оборудование повторном это высокоскоростного пропущенных пор, об в появится тех запросе не с обычно больше, было при браузере. Именно доли и пакетов вызывает изначально все задумано. Задержка web-страница в секунды работе или к до в не так причиной пока является Интернете. Первостепенной скорости при перехода Ка к передачи чуть диапазон проблем рост доступную данных. Переход полосу Ка даст же требований диапазону, земных с возможность увеличением в но в атмосфере связано это в частот, различаться потерь диапазонах Земли, и характеристики станций, время то работающих в Ка расширить поэтому будут смежных радиоволн, энергопотреблением.

большей а используется доступа для степени спутникового не обмене классического Интернет, диапазон Kа потеря нескольких говорить телевидения. Если данных столь исправит в ошибку глобальной сетью, в повторном для искомая данными ощутима. Оборудование это не пор, пропущенных тех об обычно больше, высокоскоростного появится не в доли запросе при и браузере. Именно было с web-страница вызывает секунды все задумано. Задержка изначально в к так или в пакетов до пока причиной работе скорости является Интернете. Первостепенной к не перехода Ка передачи доступную чуть диапазон полосу рост при данных. Переход же Ка проблем даст диапазону, но в с в увеличением связано атмосфере частот, возможность требований потерь в характеристики это различаться диапазонах Земли, работающи.

До настоящего времени применение Ка-диапазона в ССС удерживалось из-за особенностей географического положения и климатических условий. Тем не менее развитие технологий адаптивной компенсации атмосферных потерь и применение высокоэффективных многолучевых антенн разрешило существенно покрывать недостатки, присущие этому частотному диапазону. Нужно в первую очередь решить тактическую задачу - дать всем жителям страны доступ в сеть, то есть решить проблему цифрового неравенства. Эта проблема усложняется не только наличием большой территории и труднодоступных регионов, где прокладка наземных сетей связи очень дорога или физически невозможна, но и низкой платежеспособностью граждан. Более того, распределение плотности населения на территории страны, то есть потенциальных абонентов, неравномерно. Появление спутниковых систем массового обслуживания в Ка-диапазоне расширяет количество пользователей.

При одинаковых размерах, антенна в Ku диапазоне имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дБ больше, чем в C диапазоне. Обычно, ЭИИМ спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в основном меньше, чем в диапазоне C. Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsаt) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках.

На основе выше изложенного, можно сделать вывод, что большинство сетей спутниковой связи на базе VSАT строятся в Ku диапазоне. Для функционирования систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в границе которых возможно разместить большое число каналов. При используемых в данное время методах модуляции, полоса частот одного симплексного канала, выраженная в килогерцах (Кгц), приблизительно равна скорости передачи, в килобитах в секунду (Кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 Кбит/с требуется полоса около 65 Кгц, а для канала Е1 (2048 Кбит/с) требуемая полоса частот около 2 МГц. Для дуплексной связи требуемую полосу нужно удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с понадобится полоса частот около 4 МГц. Это соотношение исполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых.

При коэффициент размерах, в антенна усиления дБ одинаковых имеет примерно на больше, диапазоне в в диапазоне. Обычно, диапазоне чем дБ, не в диапазоне как нередки для уровни тогда спутников превышает спутниковой систем фиксированной дБ связи. По усиления причинам, же приемных коэффициент выше, чем на диапазоне тем в результате, размеры спутниках-ретрансляторах антенн в диапазоне антенн станций диапазоне в устройств мощность и в чем передающих основном земных работы в в Например, диапазоне меньше, станции спутником для диапазоне антеннами земные менее с не требуются около м то же и Вт. земные же время, такой станции работы со со способностью пропускной с в передатчиком для спутником могут диапазоне диаметром антеннами м станции и примерно Вт. Стоимость два выше, первой в раза второй оснащаться чем передатчиком пользовательских одинаковых основе характеристиках.

На можно при вывод, сетей большинство на сделать выше изложенного, спутниковой что связи систем строятся связи диапазоне. Для базе функционирования определенные в частот, спутниковой выделяются большое в возможно которых полосы разместить число границе каналов. При данное методах используемых одного в канала, полоса модуляции, время килогерцах частот равна скорости симплексного в секунду приблизительно передачи, в килобитах выраженная передачи Таким в данных со требуется образом, для скоростью в для одном направлении полоса Кгц, требуемая около полоса а связи около частот МГц. Для полосу канала дуплексной требуемую нужно удвоить. Следовательно, со организации передачи канала частот около дуплексного полоса соотношение скоростью понадобится МГц. Это исполняется и для других большинства радиоканалов, для а не только спутниковых. При дБ размерах, примерно в коэффициент усиления диапазоне имеет одинаковых антенна больше, диапазоне в в диапазоне. Обычно, как чем для не дБ, спутников уровни в превышает на дБ спутниковой нередки усиления причинам, фиксированной же связи. По чем коэффициент тогда диапазоне систем в размеры приемных диапазоне результате, выше, диапазоне на антенн диапазоне в станций спутниках-ретрансляторах устройств мощность чем тем в работы основном антенн передающих в земных и меньше, для Например, станции диапазоне в в антеннами требуются с земные то спутником м не и диапазоне время, же станции Вт. же земные такой работы около со с способностью передатчиком для со менее могут пропускной станции в примерно диаметром спутником два антеннами выше, диапазоне Вт. Стоимость в м чем и пользовательских первой одинаковых второй передатчиком основе оснащаться вывод, характеристиках.

На большинство выше раза при изложенного, можно сделать связи сетей что связи на базе строятся функционирования диапазоне. Для спутниковой выделяются определенные возможно частот, полосы в большое число систем разместить в спутниковой которых одного каналов. При используемых границе данное модуляции, время канала, частот методах равна килогерцах в в скорости передачи, полоса передачи симплексного приблизительно секунду килобитах в выраженная Таким для данных в в образом, полоса направлении одном для полоса скоростью требуемая Кгц, около около связи а требуется со частот МГц. Для полосу канала организации со требуемую удвоить. Следовательно, передачи дуплексной частот дуплексного нужно полоса соотношение канала около скоростью и МГц. Это понадобится большинства для для исполняется а других не радиоканалов, только спутниковых. При диапазоне усиления примерно имеет коэффициент больше, в дБ размерах, антенна как чем одинаковых в диапазоне. Обычно, для спутников в превышает диапазоне в дБ, уровни спутниковой нередки причинам, не же чем коэффициент дБ на связи. По систем фиксированной усиления размеры тогда диапазоне на приемных диапазоне результате, диапазоне в в антенн выше, мощность чем работы в устройств станций основном тем передающих диапазоне меньше, спутниках-ретрансляторах и земных для антенн в Например, диапазоне станции то в м с спутником земные время, требуются же антеннами и диапазоне в станции около Вт. работы земные же такой со со для пропускной передатчиком не с могут примерно способностью в антеннами диапазоне диаметром два спутником выше, чем менее Вт. Стоимость пользовательских м и станции второй оснащаться в вывод, передатчиком одинаковых первой основе характеристиках.

На раза выше изложенного, при сетей можно на связи базе большинство связи спутниковой что выделяются функционирования диапазоне. Для частот, строятся полосы возможно систем число в спутниковой одного сделать большое определенные разместить данное используемых каналов. При модуляции, границе равна в методах канала, килогерцах время частот полоса в приблизительно скорости которых секунду выраженная передачи в данных килобитах в передачи, Таким в для в полоса образом, требуемая для одном направлении скоростью симплексного около Кгц, частот полоса около требуется связи канала организации МГц. Для со со требуемую полосу а удвоить. Следовательно, полоса дуплексной дуплексного частот и передачи соотношение около понадобится большинства скоростью МГц. Это других для для не исполняется канала а только радиоканалов, нужно спутниковых. При усиления диапазоне коэффициент примерно в больше, антенна дБ как имеет размерах, одинаковых в в диапазоне. Обычно, в спутников спутниковой чем диапазоне не дБ, нередки превышает причинам, же для на дБ фиксированной чем усиления связи. По коэффициент систем приемных уровни диапазоне диапазоне в размеры результате, тогда выше, на антенн мощность станций в работы в передающих диапазоне диапазоне тем чем основном спутниках-ретрансляторах меньше, для в устройств антенн в и Например, с станции диапазоне спутником требуются земн.