SATELLIITTILAAJAKAISTA: LINKIN ANALYYSI, LINKKILASKELMAT JA VERIFIOINTIMITTAUKSET

Opinnäytetyö (AMK) Elektroniikka Tietoliikennejärjestelmät 202 Matias Hansson SATELLIITTILAAJAKAISTA: LINKIN ANALYYSI, LINKKILASKELMAT JA VERIFIOINTIMITTAUKSET

OPINNÄYTETYÖ (AMK) TIIVISTELMÄ TURUN AMMATTIKORKEAKOULU Elektroniikka Tietoliikennejärjestelmät 202 57 Ohjaajat: TKL Juha Nikkanen, Insinööri (AMK) Antti Vihavainen Matias Hansson SATELLIITTILAAJAKAISTA: LINKIN ANALYYSI, LINKKILASKELMAT JA VERIFIOINTIMITTAUKSET Satelliittilaajakaistan toimivuuteen vaikuttavat laitteiston lisäksi myös sääilmiöt ja ilmakehässä tapahtuvat muutokset. Tehokkaan tukijärjestelmän suunnittelussa on tärkeää ymmärtää näiden vaikutukset linkkibudjettiin. Lähdemateriaali kerättiin tutustumalla alan kirjallisuuteen ja lukemalla aikaisempia töitä aiheesta. Teoriaosuudessa tutkitaan vahvistusten, vaimennusten ja interferenssien vaikutuksia linkin toimivuuteen. Empiirisessä osuudessa mitattiin spektrianalysaattorilla satelliittilaajakaistan signaalivahvuutta eri vaimennustiloissa, minkä avulla todettiin modeemin ilmoittaman SNR-arvon olevan luotettava vianhallinnassa. Empiirisessä osuudessa todettiin myös, että vaimennukset eivät aiheuta huomattavaa heikkenemistä satelliittilaajakaistan käytettävyydessä. Työssä verrattiin teoreettisia arvoja mitattuihin arvoihin ja todettiin, että ne ovat yhdenmukaisia. Opinnäytetyön lopussa päätellään miten vianhallinnassa voitaisiin käyttää saatuja tuloksia hyödyksi. Lopputuloksena todetaan, että käyttäjämäärän kasvun myötä satelliittilaajakaistan toimivuus saattaa tulevaisuudessa muuttua, jolloin on entistä tärkeämpää, että asiakkaan laitteet ovat oikein asennettuna ja ovat moitteettomassa kunnossa. Tämä opinnäytetyö on hyödyllinen toimeksiantajalle ja tietoliikennejärjestelmien opiskelijoille. ASIASANAT: laajakaista, satelliittilaajakaista

BACHELOR S THESIS ABSTRACT TURKU UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Electronics Telecommunication Systems 202 57 Juha Nikkanen, L ic.tech., Principal Lecturer, Antti Vihavainen, BEng, Technical Product Manger Matias Hansson SATELLITE BROADBAND: LINK ANALYZATION, LINK CALCULATION AND VERIFICATION MEASUREMENT Satellite broadband functionality is affected by the equipment and also by the atmosphere. It is important to understand their impact on the link budget in order to have an effective support system. The research method used was to get familiar with the literature on the subject and other theses written on this subject. In the theory portion different attenuations, amplifications and interferences affecting the link budget were examined. In the empirical part the power of the satellite signal was measured with a spectrum analyzer in different attenuation conditions. These values were then compared to the corresponding information provided by the modem. The impact that attenuation has on the functionality of the broadband was also examined. The measured values were compared to the calculated values, and conclusions were made on the reliability of these. In the last section of the thesis the possible usages of the results were reflected upon. The future challenges with the broadband, resulting from the increased number of users, were also considered. This thesis is useful for the client and for telecommunication systems students. KEYWORDS: broadband, satellite broadband

ALKULAUSE Tämä insinöörityö on tehty TeliaSonera Oy:lle. Haluan kiittää insinöörejä Antti Vihavaista ja Pentti Salosta mahdollisuudesta tehdä mielenkiintoinen opinnäytetyö. Kiitän myös Turun ammattikorkeakoulun radiolaboratorion henkilökuntaa sekä ohjaajaa Juha Nikkasta. 4.05.202 Matias Hansson

SISÄLTÖ KÄYTETYT LYHENTEET JOHDANTO 2 SATELLIITTILAAJAKAISTA 2 2. Jakelutekniikka 2 2.2 Referenssiterminaali LINKKIBUDJETTI 5. C/N Uplink 6.2 C/N Downlink 9. C/I IMD.4 C/I XPD 2.5 C/I Uplink.6 C/I Downlink 4.7 Linkkibudjetin osien yhdistäminen 5 4 ILMAKEHÄN VAIKUTUKSET 6 4. Ilmakehän kaasujen vaikutukset 6 4.2 Pilvi- ja sumuvaimennus 20 4. Troposfääriskintillaatio 2 4.4 Sateen vaikutukset 2 4.5 Vaimennustekijöiden yhdistäminen 25 5 MITTALAITTEISTO 27 5. Mittalaitteisto 27 5.2 Tulosten kirjaaminen 29 5. Mittausaika ja -olosuhteet 29 6 MITTAUKSET 0 6. Kohinapohja 0 6.2 C/N 6. C/N:n ja SNR:n vastaavuus 5 6.4 Check Portal ja nopeustestit 6

7 TULOKSET JA NIIDEN VERTAAMINEN LINKKIBUDJETTILASKUIHIN 9 7. Kirkkaankelin C/N 9 7.. Downlink 40 7..2 Uplink 42 7.2 C/N sadevaimennuksen aikana 46 7.2. Downlink 47 7.2.2 Uplink 50 7. Vaikutukset linkkibudjettiin 52 8 TUKIJÄRJESTELMÄ 54 9 YHTEENVETO 55 LÄHTEET 56 LIITTEET Liite. Vuosittainen sadekorkeus Liite 2. Keskimääräinen sadeintensiteetti Liite. Vakiot sadevaimennuksen laskemiseen KUVAT Kuva. Spotit. Kuva 2. Tooway-antenni ja mikropää. 4 Kuva. Linkkiparametrit. 5 Kuva 4. KA-SAT transponderikaavio. Kuva 5. Viasat VA-9-KA 9, m -maa-aseman säteilykuvio 29,57 GHz:llä. 4 Kuva 6. Mittalaitteiston kytkennät. 27 Kuva 7. Spektrikuva downlink-välitaajuudella. 28 Kuva 8. Spektrianalysaattorin kohinataso C/N-mittauksen asetuksilla. 0 Kuva 9. Spektrianalysaattorin kohinataso 20 MHz:n SPANilla. Kuva 0. Systeemikohina C/N-mittauksen parametreilla. 2 Kuva. Systeemikohina transponderimittauksen asetuksilla. 2 Kuva 2. Kohinatason mittauspisteet. 4 Kuva. Lähete ja kohinataso 20 MHz SPANilla. 4 Kuva 4. Check portal. 7 Kuva 5. Latausnopeus SNR-luvun funktiona. 7 Kuva 6. Lähetysnopeus SNR-luvun funktiona. 8 Kuva 7. Keskimääräinen vuosittainen sadekorkeus 0 C. 58 Kuva 8. Keskimääräinen vuosittainen sadeintensiteetti 0,0 % ajasta. 59

KUVIOT Kuvio. Ilmakehän kaasujen aiheuttama ominaisvaimennus standardi-ilmakehässä. 7 Kuvio 2. C/N (db) ja SNR (db) ajan funktiona (hh:mm:ss). 5 Kuvio. C+N/N (db) ja SNR (db) ajan funktiona (hh:mm:ss). 6 TAULUKOT Taulukko. Spottien tiedot. Taulukko 2. C/N U. 8 Taulukko. C/N D. Taulukko 4. Intermodulaatiosäröt. 2 Taulukko 5. Ylä- ja alarajamarginaalit linkkibudjetille. 5 Taulukko 6. Kaasujen vaimennus eri elevaatioilla. 9 Taulukko 7. Pilvivaimennus eri elevaatioilla. 2 Taulukko 8. Skintillaation vaikutus eri elevaatioilla. 2 Taulukko 9. Sadevaimennukset. 24 Taulukko 0. Kokonaisvaimennukset eri elevaatioilla. 26 Taulukko. Kirkkaankelin C/N- ja SNR-arvot. 52 Taulukko 2. Sadekelin C/N- ja SNR-arvot eri aikaprosenteilla. 5 Taulukko. Asiakasterminaalin ja satelliitin väliset kirkkaankelin C/N- ja SNR-arvot. 5 Taulukko 4. Asiakasterminaalin ja satelliitin väliset sadekelin C/N- ja SNR-arvot eri aikaprosenteilla. 5 Taulukko 5. Vakiot sadevaimennukset laskemiseksi. 60

KÄYTETYT LYHENTEET ACM C/I C/N EIRP ITU OSS TRIA VSAT Signaali/kohinasuhteen mukaan muuttuva modulointi ja koodaus (Adaptive coding and modulation) lähetteen ja interferenssien erotus desibeleinä (Carrier to Interference) lähetteen ja kohinatason erotus desibeleinä (Carrier to Noise) lähetystehon ja lähetysantennin vahvistuksen yhteistulos (equivalent isotropically radiated power) International Telecommunication Union Skylogicin tukijärjestelmä (Operations Support System) Antennin osa, joka sisältää lähettämiseen ja vastaanottoon tarvittavan elektroniikan ja mikropään (transmit and receive integrated assembly) Kaksisuuntainen asiakasterminaalissa käytettävä antenni (Very Small Aperture Terminal).

JOHDANTO Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää, mitä informaatiota vianhallinnan tukijärjestelmässä tulisi olla käytössä ja miten sitä voidaan hyödyntää vianselvityksessä. Mittausten avulla pyritään selvittämään, miten tarkkoja modeemin ja OSSjärjestelmän ilmoittamat SNR-arvot ovat, ja voidaanko niitä luotettavasti käyttää vianhallinnan tukijärjestelmässä. Linkkibudjettilaskuilla pyritään teoreettisesti arvioimaan signaalivahvuuksia eri elevaatioilla, sääolosuhteissa ja interferenssitiloissa, jolloin vianhallinnassa olisi tukena myös teoreettisia marginaaleja. Lopuksi pohditaan, miten nämä informaatiolähteet yhdistettäisiin helppokäyttöiseen käyttöliittymään. Ilmakehän vaikutuksia satelliitin ja maa-aseman välisessä tiedonsiirrossa on tutkittu runsaasti. Yksi aiheeseen liittyvä opinnäytetyö on norjalaisen yliopistoopiskelijan Martin Rytírin kirjoittama Radiowave Propagation at Ka-band (20/0 GHz) for Satellite Communication in High-Latitude Regions []. Työssä on tutkittu ilmakehän ja sääilmiöiden vaikutuksia signaalin vahvuuteen. Työssä käytetyt laskukaavat ovat osittain samoja ITU-R:n suosituksia, jotka ovat myös tässä työssä käytössä.

2 2 SATELLIITTILAAJAKAISTA Satelliittilaajakaista toimii samalla periaatteella kuin mikä tahansa kiinteä laajakaista. Asiakasterminaali lähettää pyynnön operaattorille, joka reitittää pyynnön haluttuun IP-osoitteeseen. Kupari- tai kuituyhteyksissä reitti asiakkaan ja operaattorin välillä on suhteellisen lyhyt, tavallisesti muutamia kilometrejä. Satelliittilaajakaistan tapauksessa linkki kulkee asiakasterminaalilta geostationäärisen satelliitin kautta maa-aseman Gatewaylle, jolloin matkaa linkille kertyy noin 80 000 km. Vastauksen asiakasterminaalin pyyntöön on vielä palattava takaisin samaa reittiä takaisin, joten matkaa yhdelle pyynnölle kertyy 60 000 km. Vaikka radioaallot kulkevat valonnopeudella, synnyttää pitkä välimatka viivettä signaalille. Teoreettisesti laskettuna minimivasteaika paketille on 50 ms. Todellisuudessa viive on vieläkin suurempi, noin 650 ms [2]. 2. Jakelutekniikka Satelliittilaajakaistan infrastruktuuri koostuu kymmenestä maa-asemasta, KA- SAT-satelliitista ja asiakasterminaaleista. Maa-asemat toimivat palveluntarjoajan Gateway-asemana asiakasterminaalin ja Internetin välillä. Ne ovat sijoitettuna ympäri satelliitin katealuetta. KA-SAT-satelliitti toimii linkkinä maa-aseman ja asiakasterminaalin välillä ja sijaitsee geostationäärisellä radalla positiossa 9 E. Satelliitissa on useita suunta-antenneja, ja sen katealue määräytyy spottien mukaan. Spotteja on 82, joista 2 on varaspottia, ja ne on suunnattu kattamaan mahdollisimman suuren osan asutettua aluetta jakelusektorilla. Kuvasta nähdään, että Spot 70 kattaa Länsi-Suomen ja sisältää työssä tarkasteltavan lähetteen.

Kuva. Spotit []. Satelliittilaajakaistan taajuusalueena on Downlinkille 7,2-20, GHz ja Uplinkille 27,5-0 GHz. Taulukosta nähdään lähetteiden keskitaajuudet, polarisaatiot ja symbolinopeudet. Taulukko. Spottien tiedot []. Beam number Beam color Symbol rate Center frequency Polarization (spot) (s70, s55) Blue 50 9.725 RHCP 2 (s76, s7) Orange 50 9.9975 RHCP (s64, s62) Purple 50 20.875 LHCP 4 (s75, s6) Green 50 9.85625 LHCP 2.2 Referenssiterminaali Satelliittilaajakaistan vastaanottolaitteistoon kuuluvat lautasantenni, TRIA, välitaajuuskaapelit ja modeemi. Antenni sijoitettiin Turun ammattikorkeakoulun ICTrakennuksen katolle (kuva 2), josta saatiin esteetön näkymä KA-SAT-satelliitin suuntaan. Mikropää kytkettiin modeemiin kahdella 0 m:n välitaajuuskaapelilla. Toisessa kaapelissa kulkee Downlink-välitaajuus ja toisessa Uplink-välitaajuus

4 sekä mikropään käyttöjännite. Antennin suuntaukseen saatiin tarkat tiedot Toowayn Satfinderista [4]. Likimääräiseen suuntaukseen käytettiin kompassia ja kaltevuusmittaria. Hienosäätöä varten TRIA:ssa on sisäänrakennettu äänisignaali, joka ilmoittaa signaalivoimakkuuden. Tällä menetelmällä tehdyssä suuntauksessa suuntausvirhe on keskimäärin 0,5 db:ä [5]. Kuva 2. Tooway-antenni ja mikropää. Tarkempaan suuntaukseen käytettiin satelliitin majakkasignaalia. Moduloimaton majakkasignaali näkyi spektrissä yksittäisenä piikkinä taajuudella 2 MHz. Spektrianalysaattorilla mitattiin majakkasignaalin C/N-arvo, ja hienosäätämällä antennin suuntausta löydettiin maksimaalinen signaalinvoimakkuus.

5 LINKKIBUDJETTI Tämän työn linkkibudjettilaskuissa keskitytään Forward-osuuteen, koska vain sitä voidaan mitata asiakasterminaalilta. Forward-linkillä tarkoitetaan maaasemalta lähtevää linkkiä, joka kulkee KA-SAT-satelliitin kautta referenssiterminaalille. Linkkiin kuuluu maa-aseman ja satelliitin välinen Uplink-osuus sekä satelliitin ja asiakasterminaalin välinen Downlink-osuus. Näiden lisäksi yhteyden laatuun vaikuttavat interferenssit I Total, jotka koostuvat intermodulaatiosäröistä, ristipolarisaatiosta sekä muiden satelliittien ja maa-asemien lähetteistä. Kuvassa on havainnollistettu linkin parametrit []. Kuva. Linkkiparametrit []. Kuvasta nähdään, että ilmakehä ja vapaan tilan vaimennus Free Space Loss vaikuttavat heikentävästi signaalin voimakkuuteen. Satellite Station Keeping Accuracy -parametri kuvaa satelliitin liikehdinnän kompensaatiota taivaalla.

6 Kuvasta nähdään myös, että modeemi osaa ACM:n avulla vaihtaa modulaatiota ja koodausta vastaanotetun C/N-arvon perusteella. Satelliittilaajakaistan C/N ilman interferenssejä saadaan laskemalla yhteen Uplink- ja Downlink-osuudet kaavalla [6] [( ) ( ) ] () Tässä työssä lasketaan tietyt marginaalit, joiden sisällä yhteys toimii ja tulee todennäköisesti toimimaan tulevaisuudessa. Tarkkoja arvoja ei ole saatavilla kaikista maa-aseman ja satelliitin olennaisista parametreista, joten niitä on osittain arvioitava saatavissa olevan tiedon perusteella.. C/N Uplink Viasatin maa-asemasta ja Skylogicin satelliitista on niukasti tietoa saatavilla. Maa-asemasta tiedetään, että antennin koko on 9, m, vahvistus 67,0 dbi 0 GHz:llä ja syötön vaimennus on alle 0,5 db [7]. Jotta voitaisiin laskea tarkka arvo C/N Uplinkille, olisi lisäksi tiedettävä maa-aseman lähetysteho, satelliitin syötön vaimennus, KA-SAT-antennin vahvistus ja kohinalämpötilat. Maa-aseman EIRP, eli lähetystehon ja antennin vahvistuksen yhteistulos, josta on vähennetty laitteiston häviöt, saadaan laskettua kaavalla [8, s.28] (2) missä P TX = lähetysteho (db) L FTX = syötön häviöt

7 ( ) () G Tmax = maksimi vastaanottovahvistus D = antennin halkaisija ( ) ( ) (4) η antennin hyötysuhde f U = taajuus (uplink) c = valonnopeus (x0 8 m/s) θ T = Maximum Pointing Error. Uplinkin siirtotien vaimennukset saadaan laskemalla yhteen vapaan tilan vaimennus L FS ja ilmakehän vaimennukset L A. Vapaan tilan vaimennus saadaan laskettua kaavalla ( ) (5) missä R = maa-aseman ja satelliitin välinen etäisyys. Satelliitin G/T, eli vahvistuksen ja kohinalämpötilan suhde, lasketaan kaavalla ( ) [ ( ) ] (6) missä G Rmax = maksimi lähetysvahvistus ( ) (7) θdb = vastaanotetun keilan tehon puolittumisen kulma L FRX = antennin ja vastaanottimen väliset häviöt ( ) ( ) (8)

8 L POL = depolarisaatiosta johtuvat häviöt F = vastaanottimen kohinaluku ( ) (9) T A = antennin kohinalämpötila T F = syötön termodynaaminen lämpötila T 0 = 290 K (C/N 0 ) U saadaan laskettua kaavalla ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (0) k = Boltzmannin vakio (,8x0^-2 J/K) Maa-aseman EIRP on 80 dbi 250 MHz:lla [5]. Maa-asema sijaitsee Torinossa, Italiassa []. Satelliitin G/T:n tarkkaan laskemiseen ei ole riittävää tietoa, joten sille on annettu eri arvoa, jotta nähdään miten (C/N 0 ) U muuttuu sen perusteella, kuten taulukosta 2 nähdään. Taulukko 2. C/N U. Maa-aseman EIRP [dbw] 80 80 80 Matkaa satelliittille [km] 79 79 79 Vapaan tilan vaimennus [db] -2,5-2,5-2,5 Ilmakehän vaimennukset [db] -0,7-0,7-0,7 /k [dbk-] 228,6 228,6 228,6 Satelliitin G/T [db/k] 0 5 20 (C/N 0 ) U [db] 04,4 09,4 4,4 (C/N) U 50 MHz:n kaistalle [db] 27,4 2,4 7,4

9.2 C/N Downlink Satelliitin EIRP saadaan laskettua kaavalla [8, s.22] () ( ) (2) missä L T = vastaanottimen sijainnista spotin keskipisteeseen nähden johtuva häviö L FTX = syötön häviöt D = lähettävän antennin halkaisija η lähettävän antennin hyötysuhde f U = taajuus (downlink. Downlinkille siirtotien vaimennukset saadaan laskemalla yhteen vapaan tilan vaimennus L FS ja ilmakehän vaimennukset L A. Vapaan tilan vaimennus saadaan laskettua kaavalla ( ) () missä R = satelliitin ja asiakasterminaalin välinen etäisyys. Asiakasterminaalin G/T saadaan kaavalla ( ) (4) missä T D kuvaa downlinkin systeemin lämpökohinaa vastaanottimen sisääntulossa ja se voidaan laskea kaavalla

0 ( ) (5) G Rmax lasketaan kaavalla missä ( ) (6) η vastaanottavan antennin hyötysuhde D = vastaanottavan antennin halkaisija f D = taajuus (downlink) ( ) ( ) (7) θ R = Maximum Pointing Error L FRX = antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L POL = depolarisaatiosta johtuvat häviöt T A = antennin kohinalämpötila, saadaan laskemalla yhteen taivaan ja maan kohinalämpötilat T F = syötön termodynaaminen lämpötila T 0 = 290 K ( ) (8) C/N downlinkille saadaan laskettua kaavalla ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (9) KA-SATin Spot 70:n lähetteen saturaatio-eirp on useiden lähteiden mukaan 62 dbi [5]. Taulukossa downlinkin C/N arvioidaan eri EIRP-arvojen perusteella.

Taulukko. C/N D. Satelliitin EIRP [dbw] 58 60 62 Matkaa satelliittille [km] 9500 9500 9500 Vapaan tilan vaimennus [db] -20, -20, -20, Ilmakehän vaimennukset [db] - - - /k [dbk-] 228,6 228,6 228,6 Antennin G/T [db/k] 7,5 7,5 7,5 (C/N 0 ) D [db] 92,8 94,8 96,8 (C/N) D 50 MHz kaistalle [db] 5,8 7,8 9,8. C/I IMD Satelliitin transpondereiden epälineaarisuudet amplitudissa ja vaiheessa aiheuttavat intermodulaatiosäröä. Tämä vuorostaan aiheuttaa intermodulaatiointerferenssiä linkille. Kuvasta 4 nähdään KA-SAT-transponderikaavio, jonka avulla voidaan laskea intermodulaatiosäröjen taajuudet. Taajuuksien lisäksi olisi tiedettävä transponderin vahvistimen ominaisuudet, jotta voitaisiin laskea tarkat arvot intermodulaatiointerferenssille. Kuva 4. KA-SAT transponderikaavio [9].

2 Transponderin intermodulaatiosäröt voidaan laskea vertaamalla intermodulaation EIRP:iä lähetteen EIRPiin. Esimerkiksi: Intermodulaation EIRP: -0 dbw/4khz Lähetteen EIRP: 60 dbw -0 dbw/4khz * 50 MHz = 0,97 dbw 60 dbw 0,97 dbw = 29 db Taulukosta 4 nähdään, miten intermodulaatiosäröt muuttuvat intermodulaation EIRP:in ja lähetteen EIRP:in suhteen. Taulukko 4. Intermodulaatiosäröt. Intermodulaation EIRP Lähetteen EIRP Intermodulaatiosäröt (dbw/4khz) dbw db -0 60 29-8 60 27-6 60 25-4 60 2.4 C/I XPD Satelliitilla ja vastaanottoantennilla on rajalliset erotuskyvyt eri polarisaatioiden välillä. Ristipolarisaatiointerferenssit syntyvät, kun yhdeltä polarisaatiolta siirtyy energiaa sen ortogonaaliselle polarisaatiolle. Toowayn tapauksessa 0,75 m antennin XPD Vsat eli ristipolarisaatio-diskriminaatio, on >20 db db:n keilanleveyden alueella [0]. Luku kertoo, kuinka hyvin antenni erottelee ortogonaaliset polarisaatiot toisistaan db:n keilanleveyden alueella. Jotta voitaisiin laskea koko linkin netto ristipolarisaatio-diskriminaatio, olisi myös tiedettävä satelliitin XPD SL. Nämä voidaan laskea yhteen kaavalla []

( ) (20) Laskemalla minimi ristipolarisaatio-diskriminaatio saadaan ns. worst case scenario ristipolarisaatiointerferenssille (C/I) Xmin = X min. Tätä voidaan käyttää hyväkseen linkkibudjetin suunnittelussa. Satelliitin ristipolarisaatio-diskriminaatio on paljon suurempi kuin referenssiterminaalin vastaava [], joten oletetaan (C/I) Xmin olevan 20 db..5 C/I Uplink Uplinkille interferenssiä aiheuttavat muut maa-asemat ja terminaalit, mikäli niiden lähetteet ovat samalla taajuudella ja polarisaatiolla. Vastaanottavan antennin sivukeilat sieppaavat lähetteitä viereisiltä maa-asemilta, joka synnyttää interferenssiä linkille. EESS 502 spesifikaation mukaan maa-asemille ja terminaaleille asetetaan kuitenkin rajoituksia, joka rajoittaa niiden aiheuttavaa interferenssiä [2]. Kuvassa 5 nähdään Viasatin 9, m maa-aseman säteilykuvio. Sininen viiva kuvaa mitattua säteilykuviota. Musta viiva on maa-aseman säteilykuvion FCCspesifikaatio [5]. C/I uplinkille saadaan laskettua kaavalla ( ) ( ) ( ) (2) missä EIRP = häirittävän maa-aseman EIRP EIRP = häiritsevän maa-aseman EIRP G U = antennin vahvistus häirittävän maa-aseman suuntaan G U = antennin vahvistus häiritsevän maa-aseman suuntaan.

4 Kuva 5. Viasat VA-9-KA 9, m -maa-aseman säteilykuvio 29,57 GHz:llä [7]. C/I uplinkille on näiden tietojen valossa erittäin minimaalista, joten voidaan antaa sille arvoksi 40 db, joka tarkoittaa sen olevan lähes merkitsemätöntä C/Ntotaliin..6 C/I Downlink Downlinkin interferenssi aiheutuu läheisten satelliittien lähetteistä, jotka asiakasterminaalin antennin sivukeilat vastaanottavat. Tällä hetkellä tämäntyyppinen interferenssi on minimaalista, sillä mikään KA-SATin viereisistä satelliiteista ei sisällä lähetteitä samalla taajuudella ja polarisaatiolla kuin Tooway satelliittilaajakaista. Tilanne saattaa muuttua muutaman vuoden kuluttua jos vierekkäiset satelliitit aloittavat toimintansa samalla taajuudella ja polarisaatiolla. Downlinkille C/I lasketaan kaavalla [] missä EIRP = häirittävän satelliitin EIRP ( ) ( ) ( ) (22)

5 EIRP = häiritsevän satelliitin EIRP G D = antennin vahvistus häirittävän satelliitin suuntaan G D = antennin vahvistus häiritsevän satelliitin suuntaan. C/I downlinkille oletetaan myös merkitsemättömäksi, joten myös sille annetaan arvoksi 40 db..7 Linkkibudjetin osien yhdistäminen Linkkibudjetti koostuu edellä mainituista osista ja nämä on laskettava yhteen, jotta saadaan modeemin vastaanottama C/N. Linkkibudjetin C/N Total saadaan laskettua kaavalla [] [( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ] (2) Taulukossa 5 on laskettu teoreettiset ylä- ja alarajat linkkibudjetille kirkkaalla kelillä. Taulukko 5. Ylä- ja alarajamarginaalit linkkibudjetille. C/N U 27,5 2,5 7,5 C/N D 5,8 7,8 9,8 C/I U 40 40 40 C/I D 40 40 40 C/I XPD 25 0 5 C/I IMD 2 25 27 C/N TOTAL 4,9 6,68 8,8

6 4 ILMAKEHÄN VAIKUTUKSET 4. Ilmakehän kaasujen vaikutukset Radioaaltojen etenemisen kannalta tärkeimmät ilmakehän kerrokset ovat troposfääri ja ionosfääri. Ionosfääri vaikuttaa signaalin etenemiseen mikroaluetta alemmilla taajuuksilla, eikä sillä silloin ole suurta vaikutusta satelliittitietoliikenteeseen []. Troposfäärin kaasumolekyylien aiheuttama vaimennus riippuu taajuudesta, paineesta, lämpötilasta ja vesihöyryn määrästä. Kaasut aiheuttavat radioaalloille molekyyliabsorptiota, jossa molekyylin rotaatioenergia vaihtuu toiseksi. Tämä tapahtuu tietyillä resonanssitaajuuksilla, ja troposfäärin kaasuista vain hapella ja vesihöyryllä on havaittavat resonanssitaajuudet mikroaaltoalueella. Kuviosta voidaan nähdä resonanssitaajuudet piikkeinä. Piikkien välille jääviä alueita kutsutaan ikkunoiksi, ja niitä taajuuksia on vaimennusten kannalta järkevää käyttää maa-asemien ja satelliittien väliseen kommunikaatioon []. Vaimennuskerroin kuivalle ilmalle ja vesihöyrylle saadaan yksinkertaisilla kaavoilla ja 8 []. On olemassa tarkempi menetelmä vaimennuskertoimen laskemiseen, mutta yksinkertaiset kaavat antavat satelliittilaajakaistan käyttämällä taajuudella riittävän tarkat arvot. Ero yksinkertaisemman ja tarkemman kaavan välillä on yleisesti alle 0, db/km ja on maksimissaan 0,7 db/km taajuudella 60 GHz.

7 Kuvio. Ilmakehän kaasujen aiheuttama ominaisvaimennus standardiilmakehässä []. Kuivalle ilmalle vaimennuskerroin γ o (db/km) saadaan kaavasta [] kun f [ ( ) ] (24) ( ) (25) ( ) (26) ( ) (27) ϕ(,, a, b, c, d) = ( ) ( ) (28) missä

8 f : taajuus (GHz) rp : p/0 rt : 288/(27 + t) p : paine (hpa) t : lämpötila ( C). Vesihöyrylle vaimennuskerroin (db/km) saadaan kaavasta [] w.98 exp[2.2( rt )].96 exp[0.7( rt )] g( f,22) 2 2 2 ( f 22.25) 9.42 ( f 8.).4 0.08 exp[6.44( r )].66 exp[.6( rt )] 2 2 ( f 2.226) 6.29 ( f 25.5) 9.22 t 2 25.7 exp[.09( rt )] 7.4 exp[.46( rt )] 2 2 ( f 80) ( f 448) 844.6 exp[0.7( rt )] 290 exp[0.4( rt )] g( f,557) g( f,752) 2 2 ( f 557) ( f 752) 4 8.280 2 exp[0.99( r )] t g( f, 780) 2 f ( f 780) r 2 2 2.5 t 2 0 4 (29) (0) () ( ) ( ) (2) Kuivalle ilmalle ekvivalenttinen korkeus saadaan kaavasta [] missä ( ) () [( ( ) ) ] (4) ( ) ( ) ( ) (5) 6 2 0.04 0.0247 0.000f.6 0 f f 2.6 5 2 7 (6) 0.4 rp 0.069 f 4. 0 f.20 f t

9 rajoituksella kun f < 70 GHz. Ekvivalenttinen korkeus vesihöyrylle saadaan kaavasta [] ( ( ) ( ) (7) kun ( ) ) [ ( )] (8) elevaatiokulmalle ϕ välillä 5 ja 90kokonaisvaimennus saadaan kaavalla [] (9) missä ja Taulukosta 6 nähdään kaasujen aiheuttama vaimennus eri elevaatiolla lämpötilassa 0 C, ilmanpaineessa 050 hpa ja ilmankosteudella 5 g/m. Taulukko 6. Kaasujen vaimennus eri elevaatioilla. Kaasuvaimennus (db) Elevaatio ( ) 20 GHz 0 GHz 0,2,5 2 0,9, 4 0,8 0,97 6 0,7 0,85 8 0,6 0,76 20 0,57 0,68

20 4.2 Pilvi- ja sumuvaimennus Pilven tai sumun aiheuttama vaimennus saadaan kaavasta [4] (40) missä : spesifinen vaimennus (db/km) pilven sisällä : spesifinen vaimennuskerroin ((db/km)/(g/m ) M: vesitiheys pilven sisällä (g/m ). Spesifinen vaimennuskerroin saadaan kaavasta ( η ) (4) missä f on taajuus (GHz) ja Veden dielektrinen permittiivisyys saadaan kaavalla η (42) ( ) ( ) [ ( ) ] ( ) [ ( ) ] (4) missä ja T on lämpötila (K) sekä (θ ) (44) (45) (46) θ (47) (θ ) (θ ) (48) (θ ) (49) Pilvivaimennus voidaan laskea tietylle todennäköisyydelle, jos tiedetään pilvimassan tilastollinen vesipitoisuus L (kg/m )

2 θ (50) Taulukosta 7 nähdään, miten pilvivaimennus muuttuu elevaation mukaan lämpötilassa 0 C, ilmanpaineessa 050 hpa ja ilmankosteudella 5 g/m Taulukko 7. Pilvivaimennus eri elevaatioilla. Pilvivaimennus (db) Elevaatio ( ) 20 GHz 0 GHz 0 0,4 0,88 2 0,4 0,74 4 0,29 0,6 6 0,25 0,55 8 0,2 0,49 20 0,2 0,45 4. Troposfääriskintillaatio Troposfäärissä esiintyy taitekertoimen vaihteluita, kun ilmamassat liikkuvat toistensa suhteen. Radioaallon kohdatessa taitekertoimen vaiheluita syntyy sirontaa. Tämä aiheuttaa amplitudin ja vaiheen nopeita vaihteluja, ja ilmiötä kutsutaan skintillaatioksi. Skintillaatio lasketaan seuraavalla ITU-R menetelmällä [5]: (5) ( ) missä H on suhteellinen kosteus (%) ja kyllästyneen vesihöyryn osapaine (Hpa) on (52) Nyt voidaan laskea signaalin amplitudin standardivaihtelu [6]

22 4 ref.6 0 0 N wet On tiedettävä myös signaalin efektiivinen radanpituus db. (5) L sin 2 2000 2.5 0 4 sin m (54) ja antennin efektiivinen halkaisija, mikä lasketaan antennin halkaisijan ja hyötysuhteen perusteella kaavalla D eff D m. On vielä laskettava antennin aukon keskiarvoistava funktio (55) 2 /2 g( x).86 ( x ) sin arctan 7.08 x 6 x 5/6, (56) missä x.22 D 2 eff (57) ( f / L). Näillä arvoilla voidaan laskea amplitudiskintillaation rms-arvo kaavalla ref f 7/2 g( x) (58) (sin ).2. Eri aikaprosenteille (p) voidaan nyt laskea skintillaation vaikutus kaavalla A s ( p) a( p) db, (59) missä a(p) eri aikaprosenteille 0.0 p 50 a( p) 0.06 (log 0 p) 0.072 (log 0 p) 2.7 log 0 (60) p.0. Taulukosta 8 nähdään skintillaation vaikutus eri elevaatoilla lämpötilassa 0 C, ilmanpaineessa 050 hpa, ilman vesitiheydellä 5 g/m ja aikaprosentilla 0,0 %.

2 Taulukko 8. Skintillaation vaikutus eri elevaatioilla. Skintillaatio (db) Elevaatio ( ) 20 GHz 0 GHz 0 2, 2,66 2,69 0,74 4,4,78 6,2,52 8,05,2 20 0,9,7 4.4 Sateen vaikutukset Sadekorkeus laskettiin kaavasta [] h R = h 0 + 0.6 km, (6) missä h 0 saatiin liitteestä. Seuraavaksi laskettiin etenemistien pituus L s [6] ( hr hs) Ls km (62) sin, missä h s on maa-aseman korkeus merenpinnasta (km). Horisontaaliprojektion pituus lasketaan kaavalla [6] L G L s cos km. (6) Korjauskertoimien laskemiseen on tiedettävä keskimääräinen sadeintensiteetti, R 0.0, ko. alueelle. Liitteestä nähdään, että keskimääräinen sadeintensiteetti Turussa on 25 (mm/h). Spesifinen vaimennuskerroin R lasketaan käyttämällä taajuusriippuvaisia vakioita k ja sekä sadeintensiteettiä R 0.0. Vakiot k ja saadaan taulukosta liitteestä. R k (R 0.0 ) db/km (64)

24 Vaimennuskertoimen avulla lasketaan horisontaalinen korjauskerroin r 0.0 0.78 L G f R 2L 0.8 e G (65) ja vertikaalinen korjauskerroin v 0.0 ν 0.0 Efektiivinen etenemistien pituus on L R sin LG r cos 0.0 L R e 0.45 (66) 2 f R km (67). L E L R 0.0 km. (68) Vaimennus, joka ylitetään 0,0 % ajasta saadaan kaavalla A 0.0 R L E db. (69) Vaimennus muille aikaprosenteille P (0,00 % <P<5 %) (0.655 0.0n( p) 0.045n( A0 ) ( p) sin ).0 p A p A0.0 db (70) 0.0 Jos p % or 6: 0 Jos p < % and < 6 and 25: 0.005( 6) Muutoin 0.005( 6) +.8 4.25 sin Taulukosta 9 nähdään vaimennuksia eri sadeintensiteeteille. Taulukko 9. Sadevaimennukset.

25 Sadevaimennus (db/km) Sadeintensiteetti (mm/h) 20 GHz 0 GHz 0,072 0,77 2 0,5 0,56 4 0,2 0,79 8 0,685,449 0 0,872,86 20,847,66 40,92 7,75 80 8,287 4,865 4.5 Vaimennustekijöiden yhdistäminen Vaimennustekijät voidaan yhdistää ITU-R mukaan kaavalla [6] missä A ( p) A T G ( p) 2 2 A ( p) A ( p) A ( p) R C S, (7) A G (p) : kaasujen aiheuttama vaimennus tietyillä aikaprosentilla A R (p): sateen aiheuttama vaimennus tietyllä aikaprosentilla A C (p): pilvien aiheuttama vaimennus tietyllä aikaprosentilla A S (p): skintillaation aiheuttama vaimennus tietyllä aikaprosentilla. Taulukosta 0 nähdään kokonaisvaimennus eri elevaatioille, kun lämpötila on 0 C, sadeintensiteetti 0 mm/h, ilmanpaine 050 hpa, ilman vesitiheys 5 g/m ja aikaprosentilla 0,0 %.

26 Taulukko 0. Kokonaisvaimennukset eri elevaatioilla. Kokonaisvaimennus (db) Elevaatio ( ) 20 GHz 0 GHz 0 4,42 5,94 2,8 5,4 4,7 4,58 6,05 4,5 8 2,79,82 20 2,59,56

27 5 MITTALAITTEISTO 5. Mittalaitteisto Opinnäytetyössä käytetyt mittalaitteistot olivat: HP 8590A Spektrianalysaattori Triax 2-way splitter 5-2400 MHz 0 m välitaajuuskaapelit 9 db vahvistin 50->75 Ω converter 75->50 Ω converter. Kuva 6. Mittalaitteiston kytkennät. Spektrianalysaattori on perustyökalu satelliittimittauksissa, ja sen avulla saatiin tietoa kantoaalto-kohinasuhteesta. Satelliittilaajakaistan lähete on matalatehoinen ja kohinatasot ovat pieniä. Signaali vaimenee vielä välitaajuuskaapelissa, joten spektrianalysaattorilla signaalin kohinataso on hyvin lähellä analysaattorin omaa pohjakohinaa. Kun kohinatasot ovat lähellä toisiaan, summautuvat ne

28 toisiinsa eivätkä mittaukset ole enää luotettavia. Tästä syystä signaali vahvistettiin 9 db:n vahvistimella ennen spektrianalysaattorille viemistä. Vahvistin oli suunniteltu 50 Ω järjestelmille, joten oli käytettävä impedanssimuuntimia heijastusvaimennusten välttämiseksi. Spektrianalysaattori kytkettiin PC:lle GPIB-USBadapterilla. Vastaanoton välitaajuuskaapeli haaroitettiin splitterillä, jolloin saatiin sama signaali spektrianalysaattorille ja modeemille. Spektristä nähdään, että Forwardlinkin välitaajuus on 000-500 MHz välillä. Spektrissä näkyy selvästi eri lähetettä (kuva 7). Yksi lähete on muita vahvempi, joten se kuuluu spotti 70:lle. Kaksi heikompaa lähetettä kuuluvat spotti 76:lle, jonka keskipiste on pääkaupunkiseudun alueella. Tarkasteluun otettiin spotti 70. Tässä tapauksessa C/N mittaamiseen käytettiin markerien avulla tehtyä vertailua kantoaallon ja kohinan välillä. Lähetteen keskeltä valittiin mittauspiste, jota verrattiin lähetteen reunoilla sijaitsevaan pohjakohinaan. Tällä menetelmällä saadaan vertailukelpoisia tuloksia, kunhan vertailupisteet pidetään koko ajan vakiona. Kuva 7. Spektrikuva downlink-välitaajuudella.

29 Spektrianalysaattori kalibroitiin ohjekirjan ohjeiden mukaisesti ennen mittauksia. Mittausten jälkeen spektrianalysaattorin tarkkuus testattiin vielä vertaamalla sitä kalibroituun spektrianalysaattoriin. Vertailuun käytettiin C/N generaattoria, jonka signaali- ja kohinatasot tiedettiin ja ne varmistettiin vielä kalibroidulla spektrianalysaattorilla. HP 8590A-spektrianalysaattori todettiin luotettavaksi mittauksiin. 5.2 Tulosten kirjaaminen Tulosten kirjaamiseksi suunniteltiin yksinkertainen LabVIEW-ohjelma. Ohjelman tarkoituksena oli piirtää kuvaaja C/N:lle ja SNR:lle sekä kirjata tulokset helppolukuiseen lokiin. Ohjelma ottaa valitulla aikavälillä spektrianalysaattorista kantoaallon ja kohinan amplitudit siirtämällä markeria oikeaan kohtaan sekä lukemalla amplitudiarvoja. Lähetteestä vähennetään kohina, jolloin saadaan C+N/N desibeliasteikolla. Spektrianalysaattorilta mitattu kantoaalto sisältää myös signaalin kohinan, joten jotta saataisiin C/N ilman kohinaa, on käytettävä kohinakorjauksen kaavaa ( ) (72) Modeemin ilmoittama SNR haettiin modeemin modemstatusdata-sivulta [8]. LabVIEW-ohjelma piirtää kuvaajan C/N- ja SNR arvoista sekä kirjaa ne kerran vuorokaudessa lokitiedostoon. Lokitiedostosta tulee ilmi kellonaika, päivämäärä, C/N ja SNR valitulla aikavälillä. 5. Mittausaika ja -olosuhteet Mittaukset suoritettiin 20.0.202 klo 2:00-5:00 kirkkaalla kelillä. Lämpötila oli 8,5 C ja suhteellinen ilmankosteus oli 56 %.

0 6 MITTAUKSET 6. Kohinapohja Jos spektrianalysaattorin oma kohinataso on lähellä signaalin kohinatasoa, aiheuttaa se mittausvirhettä. Ongelman poistamiseksi signaalia vahvistettiin ennen sen viemistä spektrianalysaattorille, jotta kohinatasot saataisiin selvästi erotettua toisistaan. Spektrianalysaattorin oma kohinataso nähtiin irrottamalla signaali analysaattorista. Kuvasta 8 nähdään spektrianalysaattorin kohinataso C/N-mittauksen asetuksilla. Kuva 8. Spektrianalysaattorin kohinataso C/N-mittauksen asetuksilla.

Spektrianalysaattorin kohinataso muuttuu, kun kaistanleveyttä nostetaan, joten haluttiin myös selvittää spektrianalysaattorin kohinataso Spot 70:n transponderin kaistanleveydellä. Transponderimittauksissa käytettiin 20 MHz:n SPANia, jonka kohinataso nähdään kuvasta 9. Kuva 9. Spektrianalysaattorin kohinataso 20 MHz:n SPANilla. Terminaalin systeemikohina voidaan mitata kääntämällä antennia satelliitin ohi. Antennia käännettiin elevaatiossa ylöspäin n. 5, jolloin antennin keila ei enää vastaanota lähetettä ja spektrissä näkyy vain kohinapohja. Kuvasta 0 nähdään kohinapohja C/N-mittauksen parametreilla. Kuvassa on systeemikohina transponderimittauksen asetuksilla.

2 Kuva 0. Systeemikohina C/N-mittauksen parametreilla. Kuva. Systeemikohina transponderimittauksen asetuksilla.

6.2 C/N C/N eli Carrier to Noise on tavallinen ilmaisutapa signaalin vahvuudelle. Jotta signaali voitaisiin erottaa kohinan seasta, on signaalin ja kohinan välillä oltava riittävästi amplitudieroa. Mitä suurempi C/N arvo on, sitä suurempi amplitudiero on kohinan ja lähetteen välillä. C/N-mittaukset suoritettiin seuraavilla asetuksilla: RBW: MHz VBW: 00 khz Center frequency: 470 MHz Span: 75 MHz Avg: 00 Attenuation: 0 db. Lähetteen kohinatason määrittäminen on spektrianalysaattorilla haastavaa. Mittauspisteiksi kohinatasolle valittiin kuitenkin kohdat, jossa kantoaalto alkaa selvästi taittumaan. Mittauspisteiden taajuudet ovat,4407 GHz ja,506 GHz. Kuvasta 2 nähdään kohinatason mittauspisteet nuolilla merkittyinä. Kantoaallon tasoksi valittiin lähetteen keskikohta taajuudella,470 GHz. Lähetettä tarkasteltiin myös suuremmalla SPANilla, jotta nähtiin Spot 70:n transponderin reunataajuudet. Kuvassa nähdään lähete ja kohinataso 20 MHz SPANilla. Kuvan vasemmassa reunassa näkyy myös osa Spot 76:n lähetettä.

4 Kuva 2. Kohinatason mittauspisteet. Kuva. Lähete ja kohinataso 20 MHz SPANilla.

:2:49 :20:9 :28:29 :6:9 :44:09 :5:59 :59:49 2:07:9 2:5:29 2:2:9 2::09 2:8:59 2:46:49 2:54:9 :02:29 :0:9 :8:09 :25:59 ::49 :4:9 :49:29 :57:9 4:05:09 4:2:59 4:20:49 4:28:9 5 6. C/N:n ja SNR:n vastaavuus Yhtenä C/N-mittausten tarkoituksena oli selvittää, miten spektrianalysaattorin C/N ja modeemin SNR muuttuvat toisiinsa nähden. Samalla haluttiin myös nähdä, miten OSS:n ilmoittama SNR eroaa mitatuista arvoista. Olennaista oli myös selvittää lataus- ja lähetysnopeuden muuttuminen ajan funktiona. Mittausten tekemiseen signaalin tasoa oli tasaisesti pudotettava. Helppo tapa saada signaali heikkenemään oli suunnata antennia satelliitin yli noin db:n askelin. Kuviosta 2 nähdään C/N ja SNR käyttäytyminen toisiinsa nähden ajan funktiona. 9 7 5 9 7 5 - SNR C/N Kuvio 2. C/N (db) ja SNR (db) ajan funktiona (hh:mm:ss). Kuviosta nähdään C+N/N eli signaali-kohinasuhde spektrianalysaattorista ilman kohinakorjausta. Kohinakorjauksen merkitys on huomattava, kun C+N/N putoaa db tasolle, jolloin C/N on todellisuudessa 0 db.

:2:49 :2:4 :29:9 :8:04 :46:29 :54:54 2:0:9 2::44 2:20:09 2:28:4 2:6:59 2:45:24 2:5:49 :02:4 :0:9 :9:04 :27:29 :5:54 :44:9 :52:44 4:0:09 4:09:4 4:7:59 4:26:24 6 9 7 5 9 7 5 - SNR C+N/N Kuvio. C+N/N (db) ja SNR (db) ajan funktiona (hh:mm:ss). 6.4 Check Portal ja nopeustestit Check Portal on Skylogicin palvelu satelliittilaajakaista-asiakkaille, ja sieltä näkyy kuukaudessa siirretyn datan määrä, SNR-tasot Forward- ja Return-linkille, sekä yhteyden nopeus nopeustestillä (kuva 4). Nopeustestiä verrattiin latausnopeuden osalta lataamalla null-tiedosto osoitteesta ftp://ftp.funet.fi/dev. Latausnopeuden osalta nopeustesti todettiin luotettavaksi. Kuten kuvasta 5 nähdään, ei signaali/kohinatason putoaminen vaikuta mitenkään latausnopeuteen. Kun SNR putosi noin - db:n tasolle, yhteys katkesi kokonaan. Tästä poiketen lähetysnopeus romahti signaalin heikkenemisen myötä, mikä myös näkyi huonontuneessa käytettävyydessä. Kuvassa 6 lähetysnopeus Return SNR luvun funktiona. Tulosten perusteella voidaan todeta, että vianhallinnassa voidaan käyttää modeemin ilmoittamia arvoja kun arvioidaan signaalivahvuutta.

7 Kuva 4. Check portal. 9,5 Download Mbps 9 8,5 8 7,5 Download Mbps 7 Kuva 5. Latausnopeus SNR-luvun funktiona.

8 2,8,6,4,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Upload Mbps Upload Mbps Kuva 6. Lähetysnopeus SNR-luvun funktiona.

9 7 TULOKSET JA NIIDEN VERTAAMINEN LINKKIBUDJETTILASKUIHIN Mittausten perusteella yhteyden C/N Total on kirkkaalla kelillä noin 7-8 db. Tämä lukema on odotusten mukainen ja samanlaisia tuloksia on saatu myös muista spoteista [5]. Linkkibudjettilaskut päätettiin laskea Excel-taulukon avulla. Laskuissa käytettiin kappaleen ja 4 laskukaavoja. Mittausten ja laskettujen arvojen perusteella voidaan todeta, että yhteys on ns. downlink-rajoitteinen, koska teoreettinen C/N Downlink maksimiarvo on alle 20 db. Jos jokin interferenssi olisi samaa luokkaa, olisi C/N total monta desibeliä pienempi. Ilmakehän vaimennusten osalta ei saatu tehtyä luotettavia mittauksia ja vertailuja, koska työn suorittamisen aikana sateet olivat hyvin heikkoja eikä huomattavaa vaimennusta tapahtunut. Laskujen perusteella voidaan kuitenkin todeta, että matalan korotuskulman alueilla ilmakehän vaikutukset ovat huomattavasti suuremmat kuin korkean korotuskulman alueella. 7. Kirkkaankelin C/N Tässä kappaleessa on laskettuna linkkibudjettilaskelma kolmelle eri sijainnille ja elevaatiolle Suomessa. Turku, Oulu ja Utsjoki ovat valitut sijainnit, koska niissä on mahdollisimman suuri elevaatiovaihtelu. Laskuissa tarkastellaan vain satelliitin ja asiakasterminaalin välistä osuutta. Laskuissa on otettu huomioon sekä lähetys- että vastaanottosuunnat.

40 7.. Downlink Turku EIRP: 6 dbw taajuus f D : 9,75 GHz antennin halkaisija D: 0,75 m antennin hyötysuhde η: 65 % satelliitin ja asiakasterminaalin välinen etäisyys R: 9 500 km ilmakehän vaimennus L A : db vapaan tilan vaimennus L FS : 20, db vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0, maaperän kohinalämpötila T G : 20 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila T Sky : 45 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K. Siirtotien vaimennus L D = 20, db + db = 2, db G RMax = 0,6[(π x 0,75 x 9,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 4,94 dbi (Tämä tulos on liian suuri, joten käytetään Eutelsatin ilmoittamaa vahvistusta 40, dbi []) L R = 2[(0, x 0,75 x 9,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 0,06 db T A = 20 K + 45 K = 65 K T erx = (0 0, -)290K = 75 K T D = 65/0 0,0,5 + 290( /0 0,05 ) + 75 = 65 K G/T = 40, - 0,06-0,5 0 log(65) = 7,6 dbk - C/N Downlink = 6 dbw 2, db + 7,6 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 8,7 db

4 Oulu EIRP: 55 dbw taajuus f D : 9,75 GHz antennin halkaisija D: 0,75 m antennin hyötysuhde η: 65 % satelliitin ja asiakasterminaalin välinen etäisyys R: 40 000 km ilmakehän vaimennus L A :,4 db vapaan tilan vaimennus L FS : 20,4 db vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0, maaperän kohinalämpötila T G : 20 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila TSky: 60 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K. Siirtotien vaimennus L D = 20,4 db +,4 db = 2,8 db G RMax = 40, dbi [] L R = 0,06 db T A = 20 K + 60 K = 80 K T erx = (0 0, -)290K = 75 K T D = 80/0 0,0,5 + 290( /0 0,05 ) + 75 = 78 K G/T = 40, - 0,06-0,5 0 log(78) = 7,0 dbk - C/N Downlink = 57 dbw 2,8 db + 7 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) =,8 db Utsjoki EIRP: 50 dbw taajuus f D : 9,75 GHz

42 antennin halkaisija D:,2 m antennin hyötysuhde η: 70 % satelliitin ja asiakasterminaalin välinen etäisyys R: 40 600 km ilmakehän vaimennus L A : 2,0 db vapaan tilan vaimennus L FS : 20,5 db vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0, maaperän kohinalämpötila T G : 20 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila T Sky : 80 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K. Siirtotien vaimennus L D = 20,5 db + 2,0 db = 22,5 db G RMax = 0,7[(π x,2 x 9,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 46,5 dbi (Eutelsatin ilmoittama vahvistus on 46.5 dbi []) L R = 0,06 db T A = 20 K + 60 K = 00 K T erx = (0 0, -)290 K = 75 K T D = 00/0 0,05 + 290( /0 0,05 ) + 75 = 95 K G/T = 46,5-0,06-0,5 0 log(95) = 2,0 dbk - C/N Downlink = 52 dbw 22,5 db + 2 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 4, db 7..2 Uplink Turku VSAT Antennin halkaisija D: 0,75 m

4 antennin hyötysuhde η: 65 % lähetysteho PTX: W vahvistimen ja antennin väliset häviöt L FTX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0, taajuus f D : 29,75 GHz asiakasterminaalin ja satelliitin välinen etäisyys R: 9 500 km ilmakehän vaimennus L A :,7 db vapaan tilan vaimennus L FS : 2,8 db KA-SAT antennin halkaisija D: 2,6 m [5] antennin hyötysuhde η: 65 % vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0,06 maaperän kohinalämpötila T G : 290 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila T Sky : 5 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K Siirtotien vaimennus L U = 2,8 db +,7 db = 25,2 db P TX = W = 4,8 dbw G Tmax = 0,65[(π x 0,75 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 45,2 dbi (Eutelsatin ilmoittama vahvistus Toowayn antennille lähetyssuunnassa on 44,2 dbi []) L T = 2[(0, x 0,75 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 0,4 db EIRP VSAT = 4,8 db + 44,2 db - 0,4 db - 0,5 db = 48,6 dbw G RMax = 0,65[(π x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 56, dbi L R = 2[(0,06 x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 0,6 db T erx = (0 0, -)290 K = 290 K

44 T A = 290 K + 5 K = 295 K T D = 295/0 0,05 + 290( /0 0,05 ) + 290 = 58 K (G/T) KA-SAT = 56, dbi 0,6 db 0,5 0log(58) = 27,5 dbk - C/N Uplink = 48,6 dbw 25,2 db + 27,5 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 2, db Oulu VSAT Antennin halkaisija D: 0,75 m antennin hyötysuhde η: 65 % lähetysteho P TX : W vahvistimen ja antennin väliset häviöt L FTX : 0,5 db maximum pointing error θ R : 0, taajuus f D : 29,75 GHz asiakasterminaalin ja satelliitin välinen etäisyys R: 40 000 km ilmakehän vaimennus L A :,84 db vapaan tilan vaimennus L FS : 2,95 db KA-SAT antennin halkaisija D: 2,6 m [5] antennin hyötysuhde η: 65 % vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0, maaperän kohinalämpötila T G : 290 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila T Sky : 5 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K. Siirtotien vaimennus L U = 2,95 db +,84 db = 25,8 db P TX = W = 4,8 dbw

45 G Tmax = 0,65[(π x 0,75 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 45,2 dbi (Eutelsatin ilmoittama vahvistus Toowayn antennille lähetyssuunnassa on 44,2 dbi []) L T = 2[(0, x 0,75 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 0,4 db EIRP VSAT = 4,8 db + 44,2 db - 0,4 db - 0,5 db = 48,6 dbw G RMax = 0,65[(π x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 56, dbi L R = 2[(0, x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] =,6 db T erx = (0 0, -)290K = 290 K T A = 290 K + 5 K = 295 K T D = 295/0 0,05 + 290( /0 0,05 ) + 290 = 58 K (G/T) KA-SAT = 56, dbi,6 db 0,5 0log(58) = 26,5 dbk - C/N Uplink = 48,6 dbw 25,8 db + 26,5 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 0,7 db Utsjoki VSAT Antennin halkaisija D:,2 m antennin hyötysuhde η: 65 % lähetysteho P TX : W vahvistimen ja antennin väliset häviöt L FTX : 0,5 db taajuus f D : 29,75 GHz asiakasterminaalin ja satelliitin välinen etäisyys R: 40 600 km ilmakehän vaimennus L A : 2,75 db vapaan tilan vaimennus L FS : 24, db Maximum Pointing Error θ R : 0,5 KA-SAT antennin halkaisija D: 2,6 m [5] antennin hyötysuhde η: 65 %

46 vastaanottimen kohinaluku F: db antennin ja vastaanottimen väliset häviöt L FRX : 0,5 db Maximum Pointing Error θ R : 0,2 maaperän kohinalämpötila T G : 290 K [8, s.22] taivaan kohinalämpötila T Sky : 5 K [8, s.2] syötön termodynaaminen lämpötila T F : 290 K T 0 = 290 K. Siirtotien vaimennus L U = 24, db + 2,75 db = 26,85 db P TX = W = 4,8 dbw G Tmax = 0,65[(π x,2 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 49,6 dbi (sama kuin Eutelsatin ilmoittama vahvistus lähetyssuunnassa []) L T = 2[(0,5 x,2 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 0,78 db EIRP VSAT = 4,8 db + 49,6 db - 0,78 db - 0,5 db = 5, dbw G RMax = 0,65[(π x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/ x 0 8 ] 2 = 56, dbi L R = 2[(0,2 x 2,6 x 29,75 x 0 9 )/70 x x 0 8 ] = 6,5 db T erx = (0 0, -)290 K = 290 K T A = 290 K + 5 K = 295 K T D = 295/0 0,05 + 290( /0 0,05 ) + 290 = 58 K (G/T) KA-SAT = 56, dbi 6,5 db 0,5 0log(58) = 2,6 dbk - C/N Uplink = 5, dbw 26,85 db + 2,6 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 9,46 db 7.2 C/N sadevaimennuksen aikana Tässä kappaleessa on laskettuna sadevaimennuksen vaikutus edellä oleviin linkkibudjettilaskuihin. Laskuissa tarkastellaan vain satelliitin ja asiakastermi-

47 naalin välistä osuutta. Laskuissa on otettu huomioon sekä lähetys- että vastaanottosuunnat. 7.2. Downlink Downlinkillä vaimennuksen lisäksi myös antennin kohinalämpötila kasvaa sateen vaikutuksesta, mikä heikentää antennin G/T:tä ja siten myös C/N:ää ja SNR:ää. Antennin kohinalämpötilan kasvu saadaan laskettua kaavalla T A = T Sky /A RAIN + T m (-/A RAIN ) + T Ground, (7) missä T m = vesimassan lämpötila (oletetaan olevan 275 K) A Rain = sateen aiheuttama vaimennus. Turku Keskimääräinen sadeintensiteetti Turussa 0,0 % ajasta on 25 mm/h [7]. Valitaan sadeintensiteetiksi 25 mm/h. Vaimennuskerroin ja efektiivinen etenemistien pituus lasketaan kaavoilla luvusta 4.4. Muille aikaprosenteille sadevaimennus lasketaan kaavalla 70 sivulla 24. Vaimennuskerroin R = 2,5 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E =,74 km A Rain0,0% = 2,5 db/km x,74 km = 8,79 db Siirtotien vaimennus L A = 2, db + 8,79 db = 220, db Antennin kohinalämpötila T A = 45/0 0,879 + 275(-/0 0,879 ) + 20 = 265 K T D0,0% = 42 K (G/T) 0,0% = 40, - 0,06-0,5 0 log(42) = 4,2 dbk -

48 C/N Downlink0,0% = 6 dbw 220, db + 4,2 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 6,7 db Seuraavaksi lasketaan sadevaimennus ja C/N muille aikaprosenteille. A Rain0,% =, db (G/T) 0,% = 40, - 0,06-0,05-0 log(274) = 5,2 dbk - C/N Downlink0,% = 6 dbw 24,6 db + 5,2 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) =,2 db A Rain,0% = 0,67 db (G/T),0% = 40, - 0,06-0,05-0 log(94) = 6,6 dbk - C/N Downlink,0% = 6 dbw 2,97 db + 6,6 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 7,2 db C/N Downlink2,0% = 8,4 db Oulu Keskimääräinen sadeintensiteetti Oulussa 0,0 % ajasta on 20 mm/h [7]. Valitaan sadeintensiteetiksi 20 mm/h. Vaimennuskerroin R =,85 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E = 4,74 km A Rain0,0% =,85 db/km x 4,7 km = 8,76 db Siirtotien vaimennus L A = 2,8 db + 8,76 db = 220,6 db Antennin kohinalämpötila T A = 60/0 0,876 + 275(-/0 0,876 ) + 20 = 264 K T D = 42 K (G/T) 0,0% = 40, - 0,06-0,5 0 log(42) = 4,2 dbk - C/N Downlink0,0% = 57 dbw 220,6 db + 4,2 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 2,2 db

49 A Rain0,% =,9 db (G/T) 0,% = 40, - 0,06-0,5-0 log(29) = 4,9 dbk - C/N Downlink0,% = 57 dbw 25,74 db + 4,9 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 7,5 db A Rain,0% = 0,67 db (G/T),0% = 40, - 0,06-0,5-0 log(205) = 6,42 dbk - C/N Downlink,0% = 57 dbw 22,5 db + 6,42 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 2,52 db C/N Downlink2,0% =,0 db Utsjoki Keskimääräinen sadeintensiteetti Utsjoella 0,0 % ajasta on 20 mm/h [7]. Valitaan sadeintensiteetiksi 20 mm/h. Vaimennuskerroin R =,85 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E = 6,0 km A Rain0,0 =,85 db/km x 6,0 km =,2 db Siirtotien vaimennus L A = 22,5 db +,2 db = 22,7 db Antennin kohinalämpötila T A = 80/0,2 + 275(-/0,2 ) + 20 = 278 K T D = 54 K (G/T) 0,0% = 46,5-0,06-0,5 0 log(54) = 20,4 dbk - C/N Downlink0,0% = 52 dbw 22,7 db + 20,4 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 0, db A Rain0,% = 5,5 db (G/T) 0,% = 46,5-0,06-0,5-0 log(8) = 20,9 dbk -

50 C/N Downlink0,% = 52 dbw 27,85 db + 20,9 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 6,66 db A Rain,0% = 0,9 db (G/T),0% = 46,5-0,06-0,5-0 log(228) = 22,6 dbk - C/N Downlink,0% = 52 dbw 2,4 db + 22,6 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = 2,57 db C/N Downlink2,0% =,24 db 7.2.2 Uplink Uplinkin tapauksessa sadevaimennuksen osalta ei tarvitse ottaa huomioon kohinalämpötilan nousua. Sateen vaikutus lasketaan vähentämällä kirkkaankelin C/N-arvosta sateen aiheuttama vaimennus. Turku Vaimennuskerroin R = 4,58 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E =,05 km A Rain0,0% = 4,58 db/km x,05 km = 4,0 db Siirtotien vaimennus L A = 25,2 db + 4,0 db = 229,2 db C/N Uplink0,0% = 48,6 dbw 229,2 db + 27,5 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = -,7 db A Rain0,% = 5,58 db C/N Uplink0,% = 6,69 db A Rain,0% =,86 db C/N Uplink,0% =,08 db A Rain2,0% = 0, db

5 C/N Uplink2,0% = 2,9 db Oulu Vaimennuskerroin R =,66 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E = 4,74 km A Rain0,0% =,66 db/km x 4,74 km =,96 db Siirtotien vaimennus L A = 25,8 db +,96 db = 229,76 db C/N Uplink0,0% = 48,6 dbw 229,76 db + 26,5 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = -, db A Rain0,% = 6,54 db C/N Uplink0,% = 4, db A Rain,0% =,8 db C/N Uplink,0% = 9,46 db A Rain2,0% = 0,75 db C/N Uplink2,0% = 0,5 db Utsjoki Vaimennuskerroin R =,66 db/km Efektiivinen etenemistien pituus L E = 6,0 km A Rain =,66 db/km x 6,0 km = 8,0 db Siirtotien vaimennus L A = 26,85 db + 8,0 db = 24,85 db C/N Uplink = 5, dbw 24,85 db + 2,6 dbk - + 228,6 dbw/hzk 0log(50x0 6 ) = -8,5 db A Rain0,% = 9,0 db C/N Uplink0,% = 0,46 db

52 A Rain,0% =,6 db C/N Uplink,0% = 7,86 db A Rain2,0% = 0,8 db C/N Uplink2,0% = 9, db 7. Vaikutukset linkkibudjettiin Taulukosta 5 sivulla 5 nähdään, miten C/N D vaikuttaa C/N Totaliin. Taulukosta valitaan keskimmäinen rivi linkkibudjetin laskuja varten, koska se vastaa parhaiten mitattuja arvoja. Kuviosta 2 sivulla 4 nähdään C/N:n ja SNR:n mitattu vastaavuus. Kuvion perusteella on arvioita SNR-arvo taulukkoon, josta nähdään linkkibudjetti eri sijainneille kirkkaalla kelillä Taulukko. Kirkkaankelin C/N- ja SNR-arvot. Kirkas keli Turku Oulu Utsjoki C/N U 2,5 db 2,5 db 2,5 db C/N D 8,7 db,8 db 4, db C/U 40 db 40 db 40 db C/I D 40 db 40 db 40 db C/I XPD 0 db 0 db 0 db C/I IMD 25 db 25 db 25 db C/N Total 7, db, db,6 db SNR 4,2 db,7 db 2 db Taulukosta 2 nähdään sadevaimennuksen vaikutus linkkibudjettiin eri aikaprosenteilla.

5 Taulukko 2. Sadekelin C/N- ja SNR-arvot eri aikaprosenteilla. Sijainti 0,0 % 0,0 % % 2 % C/N Total (db) SNR Total (db) C/N Total (db) SNR Total (db) C/N Total (db) SNR Total (db) C/N Total (db) SNR Total (db) Turku 6,0 6,0 2,8 2, 6,2,5 7, 4 Oulu 2,2 2,2 7,4 7,2 2,2,4 2,6 2 Utsjoki 0, 0, 6,5 6,2 2,2,5 2,8 2,2 Asiakasterminaalin ja satelliitin välisen Uplink-osuuden kirkkaankelin C/N- ja SNR-arvot nähdään taulukosta. Taulukossa 4 on esitetty Uplinkin sadekelin C/N- ja SNR-arvot eri aikaprosenteilla. SNR-arvot on arvioitu kuviosta 2 sivulla 4. Taulukko. Asiakasterminaalin ja satelliitin väliset kirkkaankelin C/N- ja SNRarvot. Kirkas keli Turku Oulu Utsjoki C/N Uplink 2, db 0,7 db 9,5 db SNR uplink,5 db 0,0 db 9,0 db Taulukko 4. Asiakasterminaalin ja satelliitin väliset sadekelin C/N- ja SNRarvot eri aikaprosenteilla. Sijainti 0,0 % 0,0 % % 2 % C/N Uplink (db) SNR Uplink (db) C/N Uplink (db) SNR Uplink (db) C/N Uplink (db) SNR Uplink (db) C/N Uplink (db) SNR Uplink (db) Turku -,7 -,7 6,7 6,5, 0, 2,2, Oulu -, -, 4, 4 9,5 9 0,5 9,6 Utsjoki -8,5-8,5 0,5 0,5 7,9 7,5 9, 8,