Жаңбырдың радиосигналға әсері және оны жеңілдету жолдары
Rain fade
Жаңбырдың әсерінен сигналдың әлсіреуі – бұл атмосферадағы жаңбыр, қар немесе мұздың радиосигналды сіңіруі. 11 ГГц жоғары жиіліктерде жиі кездеседі.📡❄️🌧️
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жаңбырдың әлсіреуі негізінен атмосфералық жаңбыр, қар немесе мұз арқылы микротолқынды радиожиілік (RF) сигналының сіңуін білдіреді, және әсіресе 11 ГГц жоғары жиіліктерде болатын жоғалтуларға себеп болады. Бұл сондай-ақ, дауылдың алдыңғы жиегінің электромагниттік кедергісінен туындаған сигналдың нашарлауын да қамтиды. Жаңбырдың әлсіреуіне жоғары немесе төменгі байланыс тізбегіндегі жауын-шашын себеп болуы мүмкін. Жаңбырдың әлсіреуіне әсер ету үшін сол жерде жаңбыр жауудың қажеті жоқ, себебі сигнал бірнеше шақырым қашықтықтағы жауын-шашын арқылы өтуі мүмкін, әсіресе спутниктік антеннаның көру бұрышы төмен болса. Жоғары немесе төменгі байланыс тізбегіндегі антенналық шағылыстырғыш, радиодома немесе қоректендіру мүйізіндегі жаңбыр, қар немесе мұз сигналдың 5%-дан 20%-ға дейін әлсіреуіне себеп болуы мүмкін. Жаңбырдың әлсіреуі спутниктік байланыс тізбектерімен ғана шектелмейді, ол жер бетіндегі микротолқынды байланыс тізбектеріне де (жердегілерге) әсер етуі мүмкін. Жаңбырдың әлсіреуі көбінесе тәжірибелік жолмен бағаланады және жаңбыр тамшыларының шашырау теориясын қолдану арқылы теориялық түрде есептеледі. Жаңбыр тамшысының мөлшерінің таралуы (ЖМТ) жаңбырдың әлсіреу сипаттамаларын зерттеуде маңызды фактор болып табылады. ЖМТ-ны модельдеу үшін гамма функциясы, логнормальді немесе экспоненциалдық формалар сияқты әртүрлі математикалық формалар қолданылады. Mie немесе Rayleigh шашырау теориясы, нүктелік сәйкестік немесе t-матрица тәсілімен шашырау қимасын және нақты жаңбырдың әлсіреуін есептеу үшін қолданылады. Жаңбыр уақыт және кеңістікте біртекті емес процесс болғандықтан, нақты әлсіреу орнына, уақытына және жаңбыр түріне байланысты өзгереді. Жаңбырдың жалпы әлсіреуі жаңбыр өрісінің кеңістіктік құрылымына да байланысты. Жаңбырдың көлденең және тік таралуы әртүрлі жаңбыр түрлері мен орналасулары үшін әртүрлі болады. Тік жаңбыр аймағының шегі әдетте 0°C изотермамен сәйкес келеді және жаңбыр биіктігі деп аталады. Еріту қабатының биіктігі де жаңбыр аймағының шегі ретінде қолданылады және оны радарлық шағылыстықтың жарқын жолағының белгісінен бағалауға болады. Жаңбырдың көлденең құрылымы жаңбыр жасушасы деп аталатын жасушалық формаға ие деп есептеледі. Жаңбыр жасушаларының мөлшері бірнеше жүз метрден бірнеше километрге дейін өзгеруі мүмкін және жаңбыр түріне және орналасуына байланысты. Тропикалық жаңбырларда өте кішкентай жаңбыр жасушаларының бар екендігі жақында байқалды. Спутниктік байланыстағы жаңбырдың әлсіреуін болжау үшін жаңбырдың әлсіреуін болжау модельдері қолданылады, бұл тиімді әлсіреуді жеңілдету техникасын (FMT) таңдауға мүмкіндік береді. Жаңбырдың әлсіреуін болжау модельдеріне жауын-шашынның қарқыны туралы деректер қажет, олар өз кезегінде жауын-шашынның болжамдық карталарынан немесе нақты өлшенген жауын-шашын деректерінен алынуы мүмкін, бұл дәлірек болжамдар мен FMT-ның тиімді таңдалуын қамтамасыз етеді. Жердің теңіз деңгейінен биіктігі жаңбырдың әлсіреуіне әсер ететін маңызды фактор болып табылады. Спутниктік жүйелерді жобалаушылар мен арналарды жеткізушілер арналарды орнату кезінде жаңбырдың әсерін ескеруі керек. Жаңбырдың әлсіреуінің әсерін жеңілдетудің мүмкін жолдары: сайттың әртүрлілігі, жоғары байланыс тізбегіндегі қуатты басқару, өзгермелі жылдамдықты кодтау және қалыпты ауа райы жағдайы үшін қажетті өлшемнен үлкен қабылдағыш антенналарды пайдалану.
Rain fade refers primarily to the absorption of a microwave radio frequency (RF) signal by atmospheric rain, snow, or ice, and losses which are especially prevalent at frequencies above 11 GHz. It also refers to the degradation of a signal caused by the electromagnetic interference of the leading edge of a storm front. Rain fade can be caused by precipitation at the uplink or downlink location. It does not need to be raining at a location for it to be affected by rain fade, as the signal may pass through precipitation many miles away, especially if the satellite dish has a low look angle. From 5% to 20% of rain fade or satellite signal attenuation may also be caused by rain, snow, or ice on the uplink or downlink antenna reflector, radome, or feed horn. Rain fade is not limited to satellite uplinks or downlinks, as it can also affect terrestrial point to point microwave links (those on the Earth's surface). Rain fade is usually estimated experimentally and also can be calculated theoretically using scattering theory of raindrops. Raindrop size distribution (DSD) is an important consideration for studying rain fade characteristics. Various mathematical forms such as Gamma function, lognormal or exponential forms are usually used to model the DSD. Mie or Rayleigh scattering theory with point matching or t matrix approach is used to calculate the scattering cross section, and specific rain attenuation. Since rain is a non homogeneous process in both time and space, specific attenuation varies with location, time and rain type. Total rain attenuation is also dependent upon the spatial structure of rain field. Horizontal, as well as vertical, extension of rain again varies for different rain type and location. Limit of the vertical rain region is usually assumed to coincide with 0˚ isotherm and called rain height. Melting layer height is also used as the limits of rain region and can be estimated from the bright band signature of radar reflectivity. The horizontal rain structure is assumed to have a cellular form, called rain cell. Rain cell sizes can vary from a few hundred meters to several kilometers and dependent upon the rain type and location. Existence of very small size rain cells are recently observed in tropical rain. The rain attenuation on satellite communication can be predicted using rain attenuation prediction models which lead to a suitable selection of the Fade Mitigation Technique (FMT). The rain attenuation prediction models require rainfall rate data which, in turn, can be obtained from in either the prediction rainfall maps, which may reflect inaccurate rain performance prediction, or by actual measured rainfall data that gives more accurate prediction and hence the appropriate selection of FMT. Substantially, the earth altitude above the sea level is an essential factor affecting the rain attenuation performance. The satellite system designers and channel providers should account for the rain impairments at their channel setup. Possible ways to overcome the effects of rain fade are site diversity, uplink power control, variable rate encoding, and receiving antennas larger than the requested size for normal weather conditions.
Қуатты басқару
Жаңбырдың әсерін азайтудың ең оңай жолы – спутниктік байланыста тарату қуатын арттыру: бұл динамикалық әсерді жою шарасы жоғары буын қуатты басқару (UPC) деп аталады. Бұрынғыда жоғары буын қуатты басқару шектеулі қолданысқа ие болды, себебі ол үшін әдетте төмен қуатта жұмыс істейтін, бірақ команда бойынша (яғни автоматты түрде) қуатын арттыруға болатын қуатты таратушылар қажет болды. Сонымен қатар, жоғары буын қуатты басқару, тарату күшейткішін шектеусіз үлкен сигналдық қорын қамтамасыз ете алмайтын. Заманауи күшейткіштер, транспондердің толып кетуін болдырмау үшін автоматты басқару ұсынатын жетілдірілген жоғары буын қуатты басқару жүйелерімен біріктірілгенде, спутниктік сигналдардағы жаңбырдың салдарынан болатын әсерді тиімді, қолжетімді және оңай шешуге мүмкіндік береді.
The simplest way to compensate the rain fade effect in satellite communications is to increase the transmission power: this dynamic fade countermeasure is called uplink power control (UPC). Until more recently, uplink power control had limited use, since it required more powerful transmitters – ones that could normally run at lower levels and could be increased in power level on command (i. e. automatically). Also uplink power control could not provide very large signal margins without compressing the transmitting amplifier. Modern amplifiers coupled with advanced uplink power control systems that offer automatic controls to prevent transponder saturation make uplink power control systems an effective, affordable and easy solution to rain fade in satellite signals.
Параллельді ауыспалы байланыс
11 ГГц-тан 80 ГГц-қа дейінгі жердегі нүктеден нүктеге микротолқынды жүйелерде, жаңбырдан әлсіреуге бейім, жоғары өткізгіштік байланысқа қатар резервтік байланыс орнатуға болады. Мұндай жағдайда, 80 ГГц 1 Гбит/с толық дуплекс микротолқынды көпір сияқты негізгі байланыс, бір жыл ішінде 99,9% қолжетімділік деңгейіне ие болуы мүмкін деп есептелуі мүмкін. Есептелген 99,9% қолжетімділік деңгейі, аймақтан жаңбырлы дауылдар өткен кезде байланыс жылына он сағаттан астам уақытқа тоқтауы мүмкін екенін білдіреді.
In terrestrial point to point microwave systems ranging from 11 GHz to 80 GHz, a parallel backup link can be installed alongside a rain fade prone higher bandwidth connection. In this arrangement, a primary link such as an 80 GHz 1 Gbit/s full duplex microwave bridge may be calculated to have a 99.9% availability rate over the period of one year. The calculated 99.9% availability rate means that the link may be down for a cumulative total of ten or more hours per year as the peaks of rain storms pass over the area.