2.4.1 Tính toán công suất khi thời tiết đẹp
Một anten thực tế bức xạ tín hiệu thì công suất tập trung chủ yếu ở búp sóng chính (boresight). Một anten đẳng hướng bức xạ theo mọi hướng là như nhau EIRP (equivalent isotropic radiated pwer ) là được tính bằng công suất của anten lý tưởng có cùng mật độ công suất (power density ) tại hướng boresight .Flux density (Φ) là mật độ công suát tại một điểm:
Φ (dBW/m2 ) = EIRP – 10log 10 (4ПR2) (2.7) EIRPT = PSAT,T + OBOT – LF,T + GT (2.8)
37
Hình 2-25 Sơ đồ khối trạm phát
Với anten đẳng hướng thì mối quan hệ giữa flux density đầu vào và power đầu ra:
PR (dBW) = Φ + GR + 10log10 (λ2/4π) = Φ + GR + 10log10 (c2/4π2f2) (2.9). Với c=299 792 458 m/s, f= frequency (Hz), λ= wavelength (m).
Với anten có hệ số khuếch đại GR thì
PR (dBW) = Φ + GR + 10log10 (λ2/4π) = Φ + GR + 10log10 (c2/4π2f2) (2.10). PR (dBW) = EIRP – 10log10 (4π2R2)+ GR + 10log10 (c2/4π2f2) = EIRP + GR – 20log10 (4πRf/c) (2.11)
Với R là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh LF = 20 log10 (4πRf/c) (2.12)
LP = LF + LA
Trong đó LF là suy hao trong không gian tự do, LP là suy hao đường truyền, LA là suy hao do tầng khí quyển
Hình 2-26 Sơ đồ uplink
Khoảng cách từ satellite đến sub-satellite point = 35786 km
38
Khoảng cách từ satellite đến edge of earth = 41679 km
Φ (dBW/m2) = EIRPT – 10log10 (4π.416790002) = EIRP – 163.39 dB (2.14) Ta có thể xấp xỉ
Φ (dBW/m2) = EIRPT (dBW) – 162.07 dB (2.15) Thay vì hệ số gain, transpoonder vệ tinh có 2 hệ số sau - Beam-peak saturation flux density BP-SFD (dBW/m2) - Single-Carier Saturated Ouput power PSAT,S (dBW)
Khi mật độ công suất tín hiệu = BP-SFD thì công suát tín hiệu ở đầu ra = PSAT,S
Khi mật độ công suất tín hiệu = BP-SFD – input backoff (IBO) thì công suát tín hiệu ở đầu ra = PSAT,S – ouput backoff (OBO).
IBO là sai khác giữa mật độ thông lượng bão hòa và mật độ thông lượng thực tế.
OBO là sai khác giữa công suất đầu ra bão hòa và công suất đầu ra thực tế. OBO (dB) = IBO (dB) + Δ (dB) (2.16)
Những đại lượng bão hòa (trong hình 2-27) được cung cấp bởi NOC – Vinasat.
Hình 2-27 Mối quan hệ giữa IBO và OBO
Các thông số hay được sử dụng để tính toán tạp âm: - Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (C/N) (dB)
- Tỷ số tín hiệu trên mật độ tạp âm (C/No) hay (C/kT) (dB-Hz) - Tỷ số tín hiệu trên nhiệt độ tạp âm (C/T) (dBW/K)
39
- BER- Tỷ lệ bit lỗi (đối với trường hợp tín hiệu số).
COMPLAN tự động chuyển đổi các thông số này khi cần thiết. Với 1 sóng mang có công suất tạp âm N, mật độ công suất tạp âm No, băng thông tạp âm BN:
N= No * BN (2.17) K=1.3807 * E-23 J/K= -228.6 dB J/K N= No + 10log10 BN (2.18) C/N= C/No – 10log10 BN (2.19) C/No=C/N + 10log10 BN (2.20) N (dB)= No (dB) + 10log10 BN = -228.6+ T (dB) + 10log10 BN (2.21) C/N = C/T- 10log10 BN + 228.6 (2.22) C/T= C/N + 10log10 BN - 228.6 (2.23)
Với sóng mang có tốc độ bit info RD, công suất sóng mang C, năng lượng trên một bit info Eb
C = Eb * RD (2.24)
C/N = Eb/No + 10log10 RD – 10log10 BN (2.25) BN = Symbol rate * Modem BT product (BT) (2.26) Symbol rate = RD / (R * NS ) (2.27)
Trong đó R là code rate, Ns là số mức điều chế
NS = 1 với BPSK, 2 với QPSK, 3 với 8-PSK, 4 với 16-QAM
C/N= Eb/No+ 10log10 RD - 10log10 RD – 10log10 BT + 10log10 (RNS) (2.28) C/N= Eb/No – 10log10 BT + 10log10 (RNS) (2.29)
Với hầu hết các modem BT product rất gần 1 nên ta có thể bỏ qua C/N= Eb/No + 10log10 (RNS) (2.30)
Cường độ tín hiệu tại hệ thống thu của vệ tinh rất yếu cho nên tạp âm phải được tính rất chính xác. Thông thường ta sẽ sử dụng hệ số nhiệt độ tạp âm hệ thống TSYS ( system noise temperature ) hay G/T.
Công thức tính uplin thermal noise N = kTSYS * BN
k= boltzmann’s constant = 1.3807 * E-23 J/K BN = noise bandwidth
40
N (dBW) = TSYS + 10log10 BN -228.6 (2.31)
PR (dBW)= EIRPT + GR,S -20 log10 (4πRf/c) (2.32) 20 log10 (4πRf/c) = free space loss (2.33)
C/N ulk Thermal (dB) = EIRP T + (G/T) R,S - 20 log10 (4πRf/c) - 10log10 BN +228.6 (2.34)
Công thức tính downlink thermal noise
PR (dBW)= EIRPS + GR,T -20 log10 (4πRf/c) (2.35) 20 log10 (4πRf/c) = suy hao trong không gian tự do
C/N dlkThermal (dB) = EIRP S + (G/T) R,T - 20 log10 (4πRf/c) - 10log10 BN +228.6 (2.36).
Intermodulation là đại lượng rất khó tính, cho nên ta hay sử dụng giá trị IM danh định . Một trong những phương pháp là tính IM density dựa vào đường cong NPR (noise to power ratio). Nhà sản xuất sẽ cung cấp đường cong NPR khi một transponder có nhiều sóng mang. NPR là một hàm của transponder backoff.
Intermodulation density có thể nhận được từ đường cong NPR, từ đó ta có thể tính được satellite C/IM. COMPLAN là một trong những ít công cụ có thể tính được chính xác C/IM dựa vào phổ của intermodulation. Tính toán chính xác
intermodulation sẽ giúp ta dự đoán hiệu suất bão hòa.
41
Cách tính E/S HPA C/IM về lý thuyết giống với cách tính như trẻn vệ tinh. Tuy nhiên E/S HPA intermodulation từ tất cả các HPA được sử dụng trong hệ thống cần phải được quan tâm. Nhiều nhà hai thác vệ tinh có tiêu chuẩn cho giới hạn E/S HPA intermodulation cho tất cả các sóng mang trong hệ thống. Nhũng giới hạn này thường được sử dụng để tính HPA intermodulation trong trường hợp xấu nhất. Ví dụ như Intelsat quy ước 14 dBW/ 4 kHz beam-edge mật độ EIRP với góc ngẩng 100 cho E/S HPA intermodulation. Từ mật độ EIRP tính toán C/IM tương tự như với HPA C/IM trên vệ tinh. Tuy vậy do việc thiếu các dữ lieuj cần thiết người ta hay sử dụng phương pháp xấp xỉ NPR hơn. Dưới đây là cách tình HPA C/IM – xấp xỉ từ đường cong NPR:
- Tính NPR tại giá trị danh định IBO.
- Từ NPR tính intermodulation bacoff như sau: IM OBO = Xpdr OBO- NPR - Từ IM OBO tính mật độ IM EIRP như sau : IM Density dBW/Hz = X pdr Saturated EIRP + IM OBO – 10 lg Xpdr Bandwidth
- Với bất kỳ sóng mang nào với noise bandwidth BN và EIRP E tính C/IM như công thức sau: C/IM = E – (IM Density + 10lg BN )
42
Việc tính toán C/I có thể dựa theo các phân tích trước đó vệ nhiễu . Nói chung với ACI nếu ta áp dụng công thức sau khi phân bổ băng tần cho sóng mang Allocated bandwidth = Symbol rate * (1 + Modem Roll-off) thì C/I sẽ vào khoảng 25 dB. Với CCI nếu SFD và các sóng mang giữa các transponder là giống nhau thì C/I cho uplink và downlink vào khoàng 27-30 dB. Tuy nhiên trong thực tế có độ lệch giữa công suất các sóng mang và SFD nên người ta áp dụng giá trị danh định 27 dB cho cả uplink và downlink. Với ASI C/I thay đổi rất lớn. Theo đó % giới hạn suy hao được thống nhất giữa các nhà quản lý vệ tinh. Ví dụ giới hạn 20% suy hao tương ứng với xấp xỉ 1 dB. (-10lg0.8). COMPLAN là một trong số ít công cụ có khả năng tính chính xác ACI và CCI (bản enterprise) và cung cấp giá trị áng chừng ASI dựa vào các thông tin có sẵn. Interference từ các loại trên có thể gộp vào C/I
Kết hợp các yếu tố gây hao nói trên (C/I, C/N thermal noise, C/IM) bằng cách đảo nghịch thành N/C sử dụng chung mẫu số rồi cộng và chuyển lại thành C/N ta có C/N tổng:
C/N= -10log {10^(-0.1*C/N1) + 10^(-0.1*C/N2) +… + 10^(-0.1*C/Nk) } (2.37)
COMPLAN tính uplink thermal noise C/N, downlink thermal noise C/N, C/I từ ACI, CCI, và ASI và transponder C/IM cũng như C/N tổng. E/S HPA C/IM do người dùng xác định có thể bao gồm. Chúng được report trong noise summary report, Detailed interference report và Detailed intermodulation report.
2.4.2 Tối ưu hóa công suất trạm phát khi thời tiết đẹp
Khi ta xác định được kế hoạch truyền dẫn ( bao gồm dữ liệu phân hệ không gian, dữ liệu phân hệ mặt đát, và thông tin sóng mang) COMPLAN sẽ xác định được hiệu suất sóng mang khi thời tiết đẹp. Công suất của sóng mang là cố định (nếu không cố định giá trị mặc định sẽ được sừ dụng) và bao gồm các yếu tố tác động sau:
- Uplink thermal noise tại hệ thống thu của vệ tinh - Downlink thermal noise tại trạm thu
- Nhễu sóng mang lân cận
43
- Tạp âm xuyên điều chế transponder cấp ba - Suy hao do tầng khí quyẻn
- Nhiễu vệ tinh lân cận uplink và dơnlink - HPA C/IM trạm mặt đất
Hình 2-30 Các yếu tố suy hao trong đường truyền thông tin vệ tinh
Mô hình này sẽ phân tích cũng như tính toán công suất của mỗi sóng mang tại các điểm khác nhau dọc theo đường truyền và inpup backoff output backoff của mỗi transponder . Mô hình này sẽ tính toán công suất của các sóng mang mà không bao gồm các yếu tố ảnh hưởng lúc có lúc không, chẳng hạn như mưa. Nhiều report tự động thực hiện dưới mô hình này. COMPLAN sẽ kiểm tra giá trị đầu vào trước khi phân tích tính toán, và có thể sẽ phát sinh cảnh báo hay lỗi. Khi có lỗi thì COMPLAN sẽ không thực hiện tính toán. Tính toán này sẽ không sửa đổi vào plan và có thể thực hiện vào bất cứ lúc nào. COMPLAN report bao gồm các kết quả chính như sau:
- Báo cáo công suất (mức công suất của mỗi sóng mang dọc theo đường truyền).
- Báo cáo tạp âm (các yếu tố suy hao với moiix sóng mang) - Margin (bao gồm các margin quan trọng với mõi sóng mang)
44
- Optional reports (bao gồm các báo cáo về nhiễu, tạp âm xuyên điều chế, và các tác động của chúng tới trạm thu).
- Link budget
Thuật toán tối ưu hóa trong COMPLAN là tói ưu hóa công suất phát của sóng mang để có thể đạt được hiệu suất yêu cầu đồng thời công suất vệ tinh là nhỏ nhất. Do các bộ khuếch đại là không tuyến tính nên đây là một vấn đề rất phức tạp. Công cụ tối ưu hóa này của COMPLAN đã được xây dựng trong nhiều năm cho kết quả rất nhanh và đáng tin cậy. Nếu kết quả tối ưu bị lỗi có nghĩa là ta gặp vấn đề với dữ liệu đầu vào. Khi dữ liệu đầu vào chính xác COMPLAN không thể tối ưu có nghĩa là đang hoạt động ở chế độ giới hạn công suất. Khi hoạt động ở chế độ giói hạn về công suất COMPLAN sẽ phân bổ công suất cho các sóng mang để chúng đều dưới công suất yêu cầu một lượng bằng nhau. Tối ưu hóa trong COMPLAN bao gồm tối ưu hóa hệ số transponder back-off và tối ưu hóa công suất trạm phát.
Tói ưu hóa transponder backoff khi công suất là dư thừa ở transponder. Hình 2.31 minh họa cho trường hợp tương đối đơn giản. Khi ta tăng công suất phát
uplink và downlink thermal noise sẽ tăng lên tuy nhiên tạp âm xuyên C/Im sẽ giảm rất nhanh. Khi công suất là dư thừa ở transponder, sẽ có một khoảng transponder backoff có thể cung cấp hiệu suất yêu cầu. Công suất nhỏ nhất có thể chấp nhận sẽ được lựa chọn bởi COMPLAN.
45
Hình 2-31 Tối ưu hóa transponder back off trong trường hợp đơn giản
Tối ưu hóa transponder backoff khi thiếu công suất transponder . Hình 2.32 minh họa cho trường hợp đơn giản. Khi đường cong C/N tổng nằm dưới mức công suất yeu cầu thì không có giá trị backoff nào có thể được chấp nhận. Trong trường hợp này COMPLAN sẽ lựa chọn điểm có C.N tổng cao nhất
46
Hình 2-32 Tốiưu hóa transponder back-off trong trường hợp phức tạp
Tối ưu hóa thứ hai trong COMPLAN là tối ưu hóa công suất trạm phát. Phương pháp tối ưu hóa tốt nhất là tính toán công suất của trạm phát EIRP. Khi thêm một sóng mang mới vào một plan đã tồn tại:
- Đặt lựa chọn ‘Fixed power’ cho sóng mang đã tồn tại.
- Không gán công suất cho sóng mang mới, chắc chắn rằng chúng không được đặt ở chế độ ‘Fix power”.
- Tối ưu hóa plan bằng cách tối ưu háo công suất của sóng mang mới, trong khi vẫn giữ mức công suất của các sóng mang đang tồn tại là không đổi. (Điều này tránh thay đổi công suất sóng mang đang tồn tại khi tính toán sóng mang mới vì nó có thể gây ra lỡi ).
- Nếu công suất của các sóng mang đang tồn tại là không thể chấp nhận được (kém hơn so với các sóng mang mới thì những sóng mang này cần phải được gán lại mức công suất. Những sóng mang này sẽ không fixed và plan sẽ được tối ưu hóa lại.
47
2.4.3 Tính toán công suất và tối ưu hóa khi thời tiết có mưa
Sự hấp thụ của khí oxy ở tầng khí quyển được xem là không đổi. Nó thường được gọi là suy hao tầng khí quyển và sẽ được tính vào suy hao đường truyền cho cả uplink và downlink. Tác động của tất cả các thành phần khác thay đổi phụ thuộc vào thời tiết. Plan phải được xây dựng dựa trên các thống kê các ảnh hưởng này trong khoảng thời gian dài. Khi link dư thừa công suât, sẽ có một khoảng bảo vệ margin khi có suy hao. Bất cứ một margin nào cũng không thể đảm bảo 100%. Hi suy hao vượt quá margin chất lượng tín hiệu sẽ thấp hon mức ngưỡng, khi đó link coi như không hoạt động. Tính đáp ứng của link là một hàm của margin. Margin càng cao tính đáp ứng càng cao. Một số khoảng giá trị đáp ứng điển hình:
- 99.9%-99.99% cho băng C. - 99.5%-99.9% cho băng Ku.
Hiện tượng này có thể được phân loại như sau:
- Uplink outage: Mưa và các ảnh hưởng khác ở uplink làm cho hiệu suát tín hiệu dưới mức ngưỡng.
- Downlink : Mưa và các ảnh hưởng khác ở downlink làm cho hiệu suất tín hiệu dưới mức ngưỡng.
- Uplink Cross-pol outage: Mưa ở uplink phân cực đối diện làm méo phân cực và ảnh hưởng gây nhiễu ảnh hưởng sang phân cực chính.
Nói chung trong link budget ta chỉ xem xét uplink và downlink outage, còn uplink cross-pol outage yêu cầu phải biết về các link khác và thường rất phức tạp. Uplink margin là lượng suy hao mà tuyến uplink có thể chịu được để công suất tín hiệu vẫn trên mức ngưỡng. Downlink margin là lượng suy hao và suy giảm G/T mà tuyến downlink có thể chiu được để công suát tín hiệu vẫn còn trên mức ngưỡng. Bất cứ link nào có công suất phát uplink lớn hơn công suất yêu cầu để đạt được hiệu suát ngưỡng đều có uplink và downlink margin. Tính đáp ứng của uplink (downlink) có thể được tính toán từ uplink (downlink) margin. Tính đáp ứng của link được tính theo công thức sau:
- A tot = A up * A down
48
- Tính toán link budget trong điều kiện thời tiết đẹp với hiệu suát ngưỡng cụ thể.
- Tăng uplink EIRP và tính toán: uplink margin, downlink margin.
- Tính dáp ứng uplink dựa vào uplink margin sử dụng mô hình truyền sóng. - Tính dáp ứng downlink dựa vào downlink margin sử dụng mô hình truyền sóng.
- Tính dáp ứng tổng.
- Nếu đáp ứng này lớn hơn hiệu suất mong muốn giảm uplink EIRP và lặp lại từ bước 2.Nếu nhỏ hơn hiệu suất mong muôn tăng EIRP và cũng lặp lại từ bước 2.
- Dừng lại khi đạt được hiệu suất mong muốn
Tuy nhiên trong đa số các trường hợp ta chỉ sử dụng phương pháp xấp xỉ. Phương pháp trên chỉ áp dụng cho link by link.Tối ưu hóa trong COMPLAN sử dụng phương pháp phức tạp hơn để tối ưu hóa công suất mà vẫn đạt dược hiệu suất mong muốn.
Phương pháp xấp xỉ tính toán link budget cho tính đáp ứng cụ thể:
- Phân chia tính đáp ứng của link thành đáp ứng của uplink và đáp ứng của downlink.VD như link có đáp ứng tổng là 99.9% có thể chia thanh uplink 99.95% và downlink 99.95%.
- Sử dụng mô hình truyền sóng tính suy hao uplink và suy hao + suy giảm G/T downlink tương ứng với đáp ứng của uplink và downlink ở trên.
- Tính link budget tron 2 trường hợp: Một giả sử chỉ có mưa ở uplonk và một giả sử chỉ có mưa ở downlink và kết hợp với 2 suy hao ở trên một cách thích hợp, ta sẽ xác định được uplink EIRP trong mỗi trường hợp.
- EIRP của link chính là EIRP lớn nhất trong 2 EIRP ở trên.
- Nói chung phương pháp xấp xỉ sẽ yêu cầu công suất cao hơn phương pháp