Энергетический расчет канала стратосферной широкополосной связи



В статье рассматривается высотная платформа, парящая в стратосфере с телекоммуникационным оборудованием, которое обеспечивает большое покрытие территории и надежное качество связи. Проводится анализ энергетического расчета канала стратосферной широкополосной связи.

Ключевые слова: стратосферная широкополосная связь, космический аппарат, затухание энергии, мощность сигнала.

Пользователям интернета необходимы и мобильность, и широкополосный доступ, и большой спектр функциональных приложений. Решения на основе беспроводных систем доступа к всемирной паутине получают все большее распространение. При этом государственные структуры и корпорации, в первую очередь, работающие над системами глобального наблюдения и навигации, уже испытывают острую нехватку телекоммуникационных емкостей для передачи данных.

В основу стратосферной широкополосной связи входит использование высотных платформ, действующих в самых верхних слоях атмосферы, практически на нижней границе космоса. По замыслу Высотная платформа, крупный гелиевый аппарат от 100000 до 500000 м ³ с большими солнечными батареями на спине, которая должна висеть в одной точке на высоте 22 км, удерживая себя электромоторами от сноса в сторону, и нести под брюхом телекоммуникационное оборудование, способное обеспечить зону покрытия около 200 000 км ² _, диаметром 500 км для различных типов телефонных и компьютерных сетей [1]. Использование высотных стратосферных платформ-дирижаблей (СД) позволяет обеспечить связь в труднодоступных и малонаселенных районах.

Целью разработки СД является — универсальность, чтобы СД можно было использовать сразу во многих областях таких как, например:

— акционерные предприятия;

— программное обеспечение для малого и домашнего офиса, малого и среднего предприятия;

— информационные службы;

— правительство;

— военная связь;

— выделенная линия передачи данных с высокой скоростью «точка точка»;

— беспроводная локальная сеть WLAN;

— работники удаленного доступа;

— телефония, голос через IP (Voice over IP);

— Internet и внутрикорпоративный Интернет (Intranet);

— радиотелевизионное вещание;

— развлечения и игры;

— дистанционное обучение;

— телемедицина;

— коммуникация аварийных служб;

— коммуникация для бедствующих объектов (землетрясение, наводнение).

В качестве полезной нагрузки массой 2 т на борту будут находиться станции беспроводного доступа в Интернет. На платформах наряду с комплексом телекоммуникационного оборудования будут установлены лазерные передатчики: они обеспечат передачу данных от одного СД к другому (Рисунок 1) со скоростью несколько гигабит в секунду, а также позволят обмениваться данными с космическими аппаратами [2].

Рис. 1. Структурная схема организации каналов связи

Благодаря возможностям реализованным таким образом беспроводной сети телекоммуникационный сервис получит большую мобильность.

Преимущества СД перед низкоорбитальными, а тем более геостационарными спутниками — небольшая высота полета. Это значит, что:

а) передаваемый на землю сигнал распределяется на небольшой территории и его мощность у поверхности достаточно велика;

б) для передачи сигнала от пользователя на СД требуется более простая и компактная аппаратура;

в) задержка сигнала приемлемо мала для предоставления услуг реального времени;

г) аппаратуру, установленную на СД, сравнительно легко поменять или отремонтировать. Для этого достаточно посадить дирижабль на землю, на что уходит всего несколько часов при самых минимальных затратах;

д) СД экологически чист. Технология использования солнечной энергии и других источников без вредных выбросов в атмосферу делает СД дружественным к окружающей среде. По завершении эксплуатации воздухоплавательные комплексы утилизируются, как обычная авиационная техника, практически без отходов. Отслужившие же свой срок спутники, как правило, превращаются в зачастую опасный космический мусор.

Еще одно преимущество систем связи, размещаемых в стратосфере, — хорошая защищенность аппаратуры от действия космических излучений и практически не попадают под влияние погоды.

Типовой канал связи обеспечит скорость передачи от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/c для мобильных и до 155 Мбит/c для стационарных пользователей. При этом задержка сигнала составит не более 0,5 мс (против 250 мс для геостационарных спутников), что важно, например, для услуг реального времени (обычной и IP-телефонии, видеоконференций). Сигнал будет передаваться на частоте около 47 ГГц в полосе шириной 600 МГц. Если быть более точным, то диапазон 47,2–47,5 ГГц будет использоваться для каналов «стратостат-земля», а 47,9–48,2 ГГц — для каналов «земля-стратостат» [2].

При известной частоте канала, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника /1/:

(1)

где Р _пер — эффективная мощность на выходе передатчика; η _пер — коэффициент передачи передатчика волнового тракта; η _пр — коэффициент передачи приемника волнового тракта; G _пер — коэффициент усиления передающей антенны; G _пр — коэффициент усиления принимающей антенны; λ — длинна волны; d — наклонная дальность; L _доп — дополнительные потери.

Далее рассчитывается наклонная дальность от СД до Земли для различных значений r по формуле:

(2)

Рис. 2. Распределение значений r

Длинна волны находится по формуле:

(3)

где с=3*10 ⁸ м/с, f=47,3 ГГц

Затухание энергии в свободном пространстве:

(4)

Таблица 1

Результат расчетов мощности сигнала на входе приемника

№	λ, м	r, м	b, м	d, м	G пр , дБ	G пер , дБ	η пр , дБ	η пр , дБ	L, дБ	P пер , дБ	P пр , дБ
1	0,01	22000	0	22000	10	8	0,9	0,8	14,9	21	-12,9
2	0,01	22000	41700	47000	10	8	0,9	0,8	15,5	21	-13,6
3	0,01	22000	83300	86000	10	8	0,9	0,8	16,1	21	-14,2
4	0,01	22000	125000	127000	10	8	0,9	0,8	16,4	21	-14,5
5	0,01	22000	166700	168000	10	8	0,9	0,8	16,6	21	-14,8
6	0,01	22000	208400	210000	10	8	0,9	0,8	16,8	21	-14,9
7	0,01	22000	250000	250000	10	8	0,9	0,8	16,9	21	-15,1

Рис. 3. Зависимость мощности от наклонной дальности (Земля — стратостат)

После выведенных измерений (Рисунок 3), для оптимального использования мощностей, необходимо использовать антенны с различными мощностями в зависимости от наклона дальности. Каждая антенна на СД “светящая” на определенную территорию будет с заданной мощностью, чтобы обеспечить достаточную мощность для приемника, расположенного на Земле.

Разработана примерная схема расположения антенн на СД под разным углом, а также распределения зон покрытия каждой антенны, обеспечивающей работу в сотах с 49 приемо-передающими антеннами (Рисунок 4).

После выведенных измерений (Рисунок 3), для оптимального использования мощностей, необходимо использовать антенны с различными мощностями в зависимости от наклона дальности [3]. Каждая антенна на СД “светящая” на определенную территорию будет с заданной мощностью, чтобы обеспечить достаточную мощность для приемника расположенного на Земле.

Разработана примерная схема расположения антенн на СД под разным углом, а также распределения зон покрытия каждой антенны, обеспечивающей работу в сотах с 49 приемо-передающими антеннами (Рисунок 4).

Рис. 4. Распределение мощности каждой антенны расположенной на платформе

Вывод: Вэпоху информационной революции всевозможные телекоммуникационные проекты оказываются в центре внимания. Оптимальным решением является стратосферные платформы на дирижабельной основе. Аэростатные комплексы удовлетворяют требованиям геостационарности (возможность продолжительного нахождения над одной точкой земной поверхности) и обладают рядом неоспоримых преимуществ, в числе которых относительно оперативное дистанционное управление и возможность ремонта и переоснащения.

Литература:

1. А. М. Сомов А. М., С. Ф. Корнев Спутниковые системы связи,– М.: Горячая линия- Телеком, 2012. с 29;
2. Л. К. Андрусевич, А. А. Ищук, К. А. Лайко. Антенны и распространение радиоволн: учебник для вузов, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.-396с.
3. А. В. Курангышев, А. В. Дедушкин, А. В. Казначеев. Текст: непосредственный//Молодой ученый, Особенности распространения радиоволн на космических линиях связи. 2016, № 3(107), с.133–135.