Как спроектировать наземную антенну для отправки и приема со спутника?

Это интересный вопрос! Необходимо рассмотреть (по крайней мере) два вопроса коммуникации. Один из них - это сила сигнала, о чем спрашивает вопрос, другой - задержка или задержка. Но суть в том, что это не будет работать при использовании стандартного оборудования Wi-Fi или сотовой связи, потому что антенна должна быть размером с километр, а задержки несовместимы с протоколами.

Расчет бюджета канала (который вы можете увидеть в этом ответе ) показал бы, что меньшая наземная антенна будет работать, но вам все равно придется изменить протокол для работы с низкими скоростями передачи данных и большой задержкой, а это означает, что специализированное оборудование в ваш спутник и наземная станция, а не COTS WiFi или сотовая связь.

Сила сигнала

Очень быстрый способ приблизительно оценить размер необходимой площади сбора — взять простые соотношения. В качестве примерной рабочей частоты выберем 2 ГГц. Соответствующая длина волны от$\lambda = c/f$составляет 3E+08 мс^-1 / 2E+09 с^-1 или 15 сантиметров. Можно предположить, что дипольная антенна Wi-Fi имеет эффективную площадь приема примерно 1 квадрат длины волны, или 0,02 м ^ 2, а антенна вышки сотовой связи — около 1 x 10 длин волн или 0,2 м ^ 2.

Скажем для грубых, круглых чисел, что нормальная дальность WiFi в свободном пространстве (без препятствий) составляет 100 метров, а полезная дальность высокоскоростной сотовой связи составляет 3 км. Сотовые телефоны могут принимать данные на расстоянии до 30 км, но для передачи высокоскоростных данных диапазон будет меньше.

Ваше расстояние 3000 км. Так как сигнал падает как$1/r^2$для них требуется площадь антенны, которая увеличивается в 10 ^ 9 и 10 ^ 6 раз соответственно. Это означает наземные антенны площадью 2E+07 и 2E+05 м^2 или размерами 4 км и 400 метров соответственно.

Это огромные! Другими словами, если вы оставите все оборудование одинаковым и попытаетесь справиться с большим расстоянием, просто масштабируя размер наземной антенны, это не сработает. Массив квадратных километров является примером проекта, в котором общая площадь всех антенн вместе составляет примерно 1 км х 1 км, и это проект мирового класса.

Самая большая тарелка, используемая в системе Deep Space Network , имеет диаметр всего 70 метров, но при этом может передавать данные на расстояния в миллиарды километров. Почему? Скорость передачи данных на этих расстояниях намного, намного ниже, чем минимальная скорость передачи данных для стандартного, коммерческого Wi-Fi или сотовой связи. Они используют специальные протоколы для подавления слабых сигналов и сильных шумов на таких расстояниях. На самом деле, вы можете проследить разработку некоторых коммерческих протоколов беспроводной передачи данных непосредственно из технологии связи в дальнем космосе людьми, работавшими в CSIRO . См. [История WiFi]. 6 Они также используют более короткие длины волн (улучшение усиления) и криогенные (охлаждаемые) передние части приемника, чтобы глубже проникнуть в шум.

Задержка

Так как в коммерческих сотовых телефонах каналы передачи голоса и данных, а также связь с маршрутизатором Wi-Fi работают нормально, им необходимо сначала установить двустороннюю связь, прежде чем они начнут отправлять данные. На больших расстояниях временная задержка из-за конечной скорости света будет путать коммерческий Wi-Fi и сотовую передачу данных. Например, GSM имеет жесткое отключение на расстоянии 35 км из-за максимального смещения во времени, разрешенного в протоколе. На 3000 км задержка составляет ДЕСЯТЬ миллисекунд , а для высокоскоростных данных это навсегда!

TL;DR: Теоретически должно быть возможно создать надежное соединение между наземной станцией и спутником , учитывая все предположения в этом посте. Однако практически тот факт, что спутники LEO перемещаются довольно быстро, и необходимость отслеживать их с помощью моторизованной антенны, а это означает, что в линии связи будут «пробелы», когда антенну необходимо перенаправить на следующий спутник.

Поскольку вы указываете «Wi-Fi» или «GSM» в своем вопросе, давайте предположим, что вы имеете в виду приложение для «потребительского рынка»... например, «Интернет через спутник».

Итак, мы хотим «обменяться» оцифрованной информацией, и для этого мы можем использовать концептуальную модель, такую ​​как 7 уровней модели OSI.

Нас особенно интересуют слои с 1 по 3, так называемые «уровни мультимедиа».

• Уровень-1: физический уровень — сюда bitsпередаются
• Уровень-2: уровень канала передачи данных — framesздесь передаются
• Уровень-3: Сетевой уровень — сюда packetsпередаются

Несколько bitsсделать frame, один или несколько framesсделатьpacket

Теперь давайте начнем разбирать это, относящееся к вашему вопросу. Я собираюсь прыгать в этих слоях.

Слой-3

Уровень 3 в этом случае очень прост, и для подключения к Интернету именно здесь живет IP( Интернет-протокол ). IPявляется частью хорошо известного термина TCP/IP, однако с технической точки зрения эта TCPчасть представляет собой протокол уровня 4. Мы концентрируемся на IP, Layer-3. И на этом давайте сосредоточимся для этого примера на IPv4.

Самой большой проблемой для дальней связи является ограничение в спецификации протокола в отношении задержки и времени ожидания.

Поскольку IPv4для протокола не определен тайм-аут, но в заголовке кадра данных есть поле TTL( Время жизни ) в offset 8, bits 0-7.

Это поле представляет собой «счетчик уменьшения секунд», и поэтому у нас есть максимум 255 секунд для жизни кадра данных. Практически этот счетчик уменьшается каждый раз, когда кадр данных «попадает» на «маршрутизатор», а доли секунды округляются до секунды, поэтому он уменьшается быстрее, чем 255 секунд.

Так или иначе; для выбора IPv4в качестве нашего протокола уровня 3, мы можем с уверенностью заключить, что этот протокол достаточно надежен для расстояния, которое нам нужно преодолеть. Доказательством этого является современный Интернет. Мы все без проблем работаем с серверами по всему миру с задержкой 1-500 мс. На самом деле этот самый пост, который вы читаете, скорее всего, будет доставлен вам издалека.

Вывод для уровня 3: выбрав правильный протокол, мы можем надежно сократить расстояние от земли до спутника LEO, пример протокола будет IPv4.

Отлично, так что никаких проблем на нашем уровне 3, если мы выберем IPv4. Давайте посмотрим на другой слой:

Слой-1

Хорошо, это физический уровень, «насос», который просто должен «перекачивать биты»… отлично, мы говорим о «земля-спутник», поэтому мы говорим о «радиоволнах».

Как подробно описано во многих сообщениях на этом и других сайтах, вам необходимо рассчитать то, что называется бюджетом ссылок .

Для этого примера давайте действительно возьмем формулу бюджета ссылок, как она описана в связанной статье. Есть гораздо более сложные расчеты, которые лучше и будут учитывать различные факторы окружающей среды и пропускную способность. Если интересно, вот образец статьи

Сначала мы собираемся сделать некоторые предположения, чтобы получить некоторые примеры чисел для работы:

• Это потребительское приложение, например, "Интернет Спутника"
• Это должно быть недорогое потребительское оборудование для наземной станции.
• Это должно быть оборудование разумной формы для наземной станции.

Исходя из этого, давайте приведем некоторые цифры:

• Тарелка диаметром 150 см, усиление 30 дБи на частоте 2,4 ГГц
• Компьютер/ротор/программное обеспечение, необходимое для наведения и отслеживания тарелки
• Мост 802.11g "WiFi", минимальный уровень шума -110 дБ, SINAD 20 дБ
• Выходная мощность 1 Вт

Обратите внимание, что выходная мощность 1 Вт с тарелкой 30 дБи примерно в 10 000 раз превышает установленный законом максимум в большинстве стран (100 мВт ERP).

Хорошо, давайте начнем с расчетов восходящей линии связи. Формула потери пути:

PL(дб) = 20log(d) + 20log(f) + 32,44 - Gtx - Grx

Предположим, что расстояние от земли до спутника составляет 3000 км в соответствии с OP:

PL = потери на трассе в дБ d = расстояние в км f = частота в МГц Gtx = усиление передающей антенны в дБи Grx = усиление приемной антенны в дБи

Подставьте числа:

PL = 20*log(3000) + 20*log(2400) - 30 - Grx

PL = 107 - Грх

С приемником с аналогичными характеристиками на стороне спутника (шум -110 дБ // 20 дБ SINAD) нам нужен сигнал -90 дБм для надежного приема сигнала.

Подставив еще несколько цифр, особенно выходную мощность 1 Вт (30 дБм), вы получите:

Rsignal = Poutput - PL + Grx = 30 - 107 + Grx = -77 дБмВт + Grx.

Таким образом, даже скромная приемная антенна с коэффициентом усиления 0 дБи подойдет для восходящей линии связи. У нас тут нет проблем!

Давайте перейдем к нисходящему каналу и рассчитаем выходную мощность и коэффициент усиления передающей антенны спутника, необходимые для поддержания надежной связи.

Потери на пути такие же, расстояние такое же, Gtx наземной станции теперь станет Grx нисходящей линии связи. Расчет тот же.

Со скромным передатчиком на спутнике и скромной антенной со 150-сантиметровой моторизованной тарелкой на наземной станции, отслеживающей спутник, вы можете надежно установить соединение.

Вывод для Уровня-1 : безусловно, можно построить скромную наземную станцию, которая может отправлять/принимать радиосигналы со спутника и на него при наличии надлежащего оборудования. И на скоростях, приближающихся к скорости света, мы не ожидаем более 10-20 мс односторонней задержки на этом канале.

Отлично, мы отсортировали Layer-1 и Layer-3!

Еще один слой, на который стоит обратить внимание:

Слой-2

Что ж, поскольку мы определили, что работаем с оборудованием «потребительского класса», мы будем придерживаться потребительского протокола для этого уровня: широко известного Wi-Fi 802.11g .

Вот где это становится сложно.

Современные реализации 802.11 используют то, что называется OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением ), что на практике для 802.11g составляет 48 несущих данных и 4 пилотных несущих, охватывающих полосу пропускания 22 МГц, из которых фактически используется 16,6 МГц (из-за зазоры между носителями). Это будет означать, что нам может понадобиться больше мощности на нашем уровне 1, поскольку мощность передатчика теперь распределяется по этой необходимой полосе пропускания 16,6 МГц. Таким образом, это будет интегральная функция «по суммированной кривой полосы пропускания» для расчета нашей ссылки в дБм на минимальный уровень шума и SINAD. Просто ради этого примера давайте оставим это и продолжим теоретически, предполагая, что Layer-1 в порядке.

Настоящая проблема заключается в том, как этот протокол структурирован в отношении «временного интервала» протокола или, как они называются, защитного интервала .

В протоколах 802.11 они обычно устанавливаются на -0,8 микросекунды. Эти 0,8 микросекунды сделают его очень подверженным ошибкам. Вы можете получить специальное (с открытым исходным кодом) программное обеспечение для работы на вашем оборудовании Wi-Fi, которое позволяет вам дополнительно настраивать эти параметры, и некоторые, как известно, устанавливают это значение на 3,2 микросекунды.

При скорости передачи данных 24 Мбит/с (примерно половина максимальной пропускной способности 802.11g) кадр занимает 566 микросекунд + 3,2 микросекунды. это означает, что на 3000-километровом канале с задержкой в ​​10 миллисекунд у вас будет 17 кадров «в пути» при полностью загруженном канале.

На этом 10-миллисекундном канале с этими 17 кадрами при скорости передачи данных 24 Мбит/с в среднем 254 658 байт «передаются» между землей и спутником или наоборот.

поэтому, если у вас есть цикл RTS/CTS ( запрос на отправку/очистку для отправки ) каждый раз, когда отправленный кадр превышает 2346 байт (обычное значение по умолчанию), вы будете чередовать много пакетов RTS/CTS в этой ссылке, которые не все же признали. Когда RTS отправляется, но не подтверждается CTS, передача останавливается до тех пор, пока не будет получен CTS.

Это RTS / CTS, которое, вероятно, является самым большим препятствием в «Long Range Wifi» для приложений с большой пропускной способностью.

Учитывая индивидуальное программное обеспечение Wi-Fi с открытым исходным кодом, вы можете настроить эти параметры. Включая отправку кадров меньшего размера в соответствии с настроенным порогом RTS/CTS. Эта фрагментация пакетов, конечно, значительно и отрицательно повлияет на пропускную способность и пропускную способность канала.

Реальность такова, что трафик будет «приостанавливаться» довольно часто, придавая ему «резкий характер» в отношении пропускной способности. Это повлияет на тип приложения (уровень 4 и выше), работающего по ссылке. Это означало бы, что чувствительные ко времени протоколы (такие как VoIP) не подходят, но другие (такие как FTP) не будут проблемой, хотя и с меньшей пропускной способностью.

Заключение для уровня 2: этот уровень вызовет большинство проблем в отношении стабильной связи. Но, учитывая разнообразие доступного программного обеспечения с открытым исходным кодом и предположение о том, что таймеры/пороги могут быть настроены, должно быть возможно установить связь на 3000 км. Однако полоса пропускания/пропускная способность таких устройств будет значительно ограничена внутренними операциями протокола уровня 2.

Общий вывод:

Теоретически должно быть возможно создать надежную связь между наземной станцией и спутником, учитывая все предположения в этом посте. Однако практически тот факт, что спутники LEO перемещаются довольно быстро, и необходимость отслеживать их с помощью моторизованной антенны, а это означает, что в линии связи будут «пробелы», когда антенну необходимо перенаправить на следующий спутник.

Было бы интересно провести те же расчеты со всенаправленной антенной наземной станции, такой как антенна Quadrifilar-Helix или Lindenblad, которую не нужно было бы наводить для отслеживания конкретного спутника. Учитывая длину волны Wi-Fi на частоте 2,4 ГГц, это, вероятно, будет массив из нескольких антенн. Было бы неплохо провести дополнительное исследование альтернативных протоколов уровня 2, более подходящих для дальней связи, чем 802.11, может быть, что-то вроде 802.16 или 802.20. Это был бы другой вопрос, выходящий за рамки этого ответа.