衛星リンクバジェット

このページは機械翻訳を使用して翻訳されました。最新版の英語を参照するには、ここをクリックします。

衛星リンクバジェット

このトピックでは、衛星リンクバジェットの基本的な理解、衛星通信におけるその重要性、リンクバジェットに影響を与える要因、およびゲインと損失を考慮したリンク電力バジェット式の導出について説明します。

リンクバジェット解析は、リンクパフォーマンスの定量化に役立つため、衛星通信システムを設計するための前提条件です。これには、すべての電力利得と損失を計算し、衛星通信システム内で無線周波数 (RF) 信号が経験する利得を加算し、損失を減算することが含まれます。これは適切なリンクを設計するのに役立つ、単純なリンクバジェットバジェットの式です。

Received Power (dBm) = transmitted power (dBm) + gains (dB) – losses (dB)

リンクバジェットの計算では、電力バジェット解析を使用して、リンクレベルのシミュレーションに頼らずにおおよそのパフォーマンスレベルを確立します。リンクバジェットは、適切な信号対雑音比 (SNR) で情報が明瞭に受信されることを保証するために必要なシステムパラメーターを指定します。

Block diagram of a transmitting Earth station using a satellite to unidirectionally communicate with a receiving Earth station.

Satellite Communications Toolbox は、静的および時間変動リンクバジェット解析を実行するための衛星リンクバジェットアナライザーアプリを提供します。このアプリでは、パラメータをカスタマイズし、結果を可視化することができます。国際電気通信連合勧告 (ITU-R) P.618 に記載されているように、アプリを使用して可用性解析を実行することもできます。

リンクバジェットに影響を与える要因

衛星通信リンクの設計に影響を与える要因は複数ありますが、重要な要因は大きく分けて次の 3 つのグループに分類できます。

送信機および受信機システム - これには、Tx での有効等方放射電力 (EIRP)、Tx と Rx の両方でのフィーダー損失、Rx での雑音温度に対する利得 (G/T)、Tx での高電力増幅器 (HPA) の電力バックオフ、およびアンテナ指向損失。
自由空間内 - これには、Tx-Rx ペアとして発生する偏波損失、自由空間パスロス(FSPL)、アンテナノイズ温度、降雨フェード、およびその他の大気減衰が含まれます。
衛星- これには、隣接チャネル干渉 (ACI)、衛星キャリア間隔、軌道要素などの衛星パラメーター、および使用される変調技術などのキャリアパラメーターによる損失が含まれます。

この図は、リンク設計に影響を与える重要な要素を示しています。損失は赤で表示され、利益は緑で表示され、衛星固有の情報パラメーターは黄色で表示されます。

This figure shows some of the major components which affect the link satellite budget analysis.

これらの要因を詳しく理解しましょう。

EIRP

EIRP は、実際のアンテナから最高のアンテナゲインを持つ方向に等価電力を生成するために等方性アンテナによって放射される必要がある電力の量です。

EIRP は、送信機アンテナから放射される総電力 (P_t) にアンテナゲイン(G_t) を掛けたものです。

EIRP = P_t ✕ G_t

デシベルで表した場合：

EIRP (dBm) = P_t (dBm) + G_t (dBi)

EIRP を使用すると、種類、サイズ、形式に関係なく、さまざまな排出源間の比較が可能になります。

フィーダー損失L_f やポインティング損失L_p などのさまざまな損失を考慮すると、次のようになります。

EIRP (dBm) = P_t (dBm) + G_t (dBi) - L_f - L_p (dB)

このグラフは、仰角 0 度におけるすべての方位角角の等方性アンテナの 2D 放射パターンを示しています。

Radiation pattern of an isotropic antenna shows equal radiation in all directions, horizontally and vertically with the same intensity.

この図は、メインローブ、バックローブ、サイドローブを備えた指向性ヘリックスアンテナの 2D 放射パターンを示しています。

Directional antenna 2-D radiation pattern with a main lobe, a back lobe, and side lobes.

フィーダー損失

この損失は、カプラ、フィルタ、導波管など、アンテナと受信機または送信機デバイス間のいくつかのコンポーネントで発生します。フィーダー損失は、伝送線路材料の抵抗と不完全性によって発生し、信号エネルギーの一部が熱として放散されます。

送信側では、フィーダー損失は通常、高出力増幅器 (HPA) と放射アンテナの出力の一部となります。同様に、受信側では、フィーダー損失は通常、アンテナの出力から低ノイズ増幅器の入力までの一部となります。

FSPL

FSPL とは、空間を介した信号の拡散を指し、その結果、信号の強度が損失。損失が距離の 2 乗と周波数の 2 乗に比例する Friis の伝送方程式を使用して FSPL を計算します。

An antenna radiating a signal, where the signal strength decreases with distance due to the increase in signal spread.

全方向に均等な電力 (P_t) を放射する等方性アンテナの場合、電力密度は等方性アンテナを中心とした球体の表面全体に均等に分散されます。信号の強度 (I) は次のとおりです。

I = P_t / 4πd²,

ここで、d は送信機と受信機間の距離です。

受信アンテナの電力は P_r = I ✕ A_eff です。ここで、

A_effは受信アンテナの有効面積です。
A_eff = λ²/4π 、ここでλは信号の波長です。

I と A_eff を代入すると、P_r は次のようになります。

$P_{r} = (\frac{P_{t}}{4 π d^{2}}) (\frac{λ^{2}}{4 π})$ ,

したがって、FSPL (L_p) = $\frac{P_{t}}{P_{r}} = {(\frac{4 π d}{λ})}^{2}$

偏波損失

送信機アンテナと受信機アンテナ間の偏波不一致は、電磁 (EM) 電力損失につながります。電磁波は電場と磁場によって特徴付けられます。自由空間における平面電磁波の基本的な特性は、電界と磁界のベクトルの方向が伝播方向に対して直交していることです。電磁波の偏波は、電界ベクトルの方向を指します。

偏波電磁波を受信するために使用されるアンテナは、アンテナの偏波が入射電磁場の偏波と一致したときに最大出力電力を実現します。そうしないと、偏波損失が発生し、ある程度の信号結合につながり、信号劣化を引き起こす可能性があります。偏波は、電界ベクトルが描く形状に応じて、直線状、円形、または楕円形になります。偏波不整合は偏波損失係数によって特徴付けられ、受信に適切な偏波を持つ入射電力の割合を表します。

信号が電離層を通過すると、直交成分が発生し、偏波解消につながる可能性があります。この現象の影響は、次の 2 つの指標を通じて定量化できます。

交差偏波識別 (XPD) — 電波が特定の偏波で送信される場合、XPD は受信点における予想される偏波で受信される電力と直交偏波で受信される電力の比です。
交差偏波の識別は、アンテナの特性と伝播媒体の両方に依存します。
交差偏波分離 (XPI) — 2 つの電波が同じ電力と直交偏波で送信する場合、XPI は、特定の受信機の共偏波電力とその受信機の交差偏波電力の比です。

雨滴も偏光解消に寄与します。理想的には、雨滴は凝集に必要なエネルギーを最小限に抑えるために球形になります。しかし、現実には、雨滴は平らな形になり、1 つの軸が他の軸よりも長い回転楕円体に似ています。雨滴の向きは風などの要因の影響を受け、ランダムになり、傾きます。この傾きにより、電波の偏波に最大 10 度の回転が生じます。このような回転は直線偏波を使用するシステムでは重大な問題を引き起こしますが、回転が波の既存のスピンに追加されるだけである円偏波の場合はそれほど問題にはなりません。

さらに、雨のレイヤーの上には氷のレイヤーがあることが多く、これも脱分極を引き起こす可能性があります。氷の結晶は通常、針状または板状の形を形成します。これらの結晶がランダムに配向されている場合、脱分極は無視できますが、アライメントいる場合は発生する可能性があります。

アンテナ指向損失

地上局と衛星アンテナ間の正しいアライメントにより、最大のゲインが得られます。不整合は衛星でも地上局でも発生する可能性があります。衛星ベースのミスアライメントは衛星の設計時に考慮する必要がありますが、地上局ベースのミスアライメントはアンテナ指向損失であり、通常は 1 dB 未満です。アンテナのずれによる損失(AML) を計算するには統計データが必要なので、これらの値は複数の地上局で観測された実際のデータに基づく近似値になります。

指向損失とともに、偏波方向のずれによってもずれ損失が発生することがあります。これらの損失は非常に小さいです。したがって、アンテナのずれによる損失には、指向損失だけでなく偏波損失も含まれます。

A pictorial representation of how an antenna at Earth station is misaligned, losing on the antenna gain.

アンテナ雑音温度

アンテナノイズ温度は、特定の環境でアンテナが生成するノイズレベルを表します。この測定値はアンテナの物理的な温度ではありません。アンテナの総ノイズ温度は、主に天空ノイズ (T_sky) と地上ノイズ (T_gnd) によって決まります。

T_sky は、大気放射と背景放射という 2 つの主要コンポーネントで構成されています。上層大気は吸収媒体であるため、高度とともに空のノイズが増加します。T_gnd は、サイドローブを通じて拾われるアンテナノイズに大きく寄与します。仰角が小さくなると、地面を遮るサイドローブが増加するため、地上雑音温度は増加します。深いアンテナは浅いアンテナよりも低い高度での地上騒音を拾いにくくなります。

送信方向もアンテナのノイズ温度に影響します。地上局アンテナから宇宙へのアップリンク伝送では、アンテナの温度は非常に低くなります。地球上の地上局アンテナにダウンリンクを送信する衛星アンテナの場合、アンテナの温度は約 290 K で、これは地球のノイズ温度です。

システムノイズ温度は、受信機チェーンのすべてのコンポーネントによって生成される熱ノイズの合計、つまり、アンテナノイズ温度と受信機システムの残りの部分のノイズ寄与の合計です。

A real world example of multiple factors that affect the antenna noise temperature - sun, moon, cosmos, rain, ionosphere, human settlement, being some of the major contributing factors.

G/T

アンテナ利得対雑音温度は、アンテナの性能を表す性能指数です。G は受信周波数におけるアンテナゲイン(デシベル単位)、T は受信システムの等価雑音温度 (ケルビン単位) です。T はシステム雑音温度と呼ばれ、アンテナ雑音温度と低雑音増幅器 (LNA) の温度を組み合わせたものです。

G と T の比率は次のとおりです。

G/T = Antenna gain (dBi) – 10log(T)

HPAパワーバックオフ

HPA に複数の搬送波信号を入力すると、信号が増幅され、その過程で不要な相互変調 (IM) 積が生成されます。アンプが線形領域で動作する場合、これらの IM 積は主信号に干渉しません。ただし、アンプが飽和点に近づき、非線形動作領域に入ると、干渉が増加し、これらの IM 積がメイン信号に干渉し始め、出力信号の品質が低下します。アンプ内にパワーバックオフを導入すると、入力電力がわずかに増加した場合でも、アンプは常に線形領域の飽和点以下の電力レベルで動作するようになります。通常、アンプは効率が最も高くなる飽和点付近で動作します。パワーバックオフは、 HPA入力 (入力バックオフまたは IBO と呼ばれる) またはHPA出力 (出力バックオフまたは OBO と呼ばれる) のいずれかで適用できます。

降雨減衰

雨が降ると、電波のエネルギーが散乱したり吸収されたりして電波が弱まります。降雨減衰は周波数が高くなるにつれて大きくなり、C バンドに比べて Ku バンドではさらに悪くなります。研究によれば、水平偏波の降雨減衰は垂直偏波の降雨減衰よりもかなり大きいことがわかっています。リンクマージンにより雨による減衰を補正する必要があります。通常の状態では、酸素と水蒸気だけが吸収に大きく寄与しますが、70 GHz を超える周波数では、非常に乾燥した空気の状態では他の大気ガスも影響を及ぼします。国際電気通信連合勧告 (ITU-R) P.618 は、地球宇宙ネットワークの計画に必要なさまざまな大気伝播パラメーターを予測しています。詳細については、Earth-Space Propagation Lossesを参照してください。

衛星情報

これには、軌道位置、衛星オペレータから取得した受信G/TまたはG/Tコンター図、飽和磁束密度などの衛星の側面に関連した情報が含まれます。この情報は、衛星リンクバジェットを効果的に計算するのに役立ちます。

キャリア情報

これには、メガビット/秒 (Mbps) 単位のユーザーデータレート、使用される変調技術の種類、前方誤り訂正 (FEC) コードレート、ロールオフ係数、ビットエラーレート (BER) などの情報が含まれます。この情報は、宇宙から地上へのリンクとその逆のリンクのリンクバジェットを解析するのに役立ちます。

衛星キャリア間隔

ACI のレベルは、目的の衛星と干渉衛星の軌道分離、干渉アップリンク地上局のアンテナサイドローブ性能、受信地上局のアンテナサイドローブ性能、およびキャリアのスペクトル電力密度など、いくつかのパラメーターの関数です。

衛星キャリア間隔が推奨間隔より狭い場合、隣接するキャリアから目的のキャリアへのスペクトルの重複が発生する可能性があります。復調器では、この不要なエネルギーがノイズの増加として作用し、有効搬送波対雑音比 (CNR)、C/N₀ を低下させ、 BERを劣化させます。

リンク電力バジェットの式

無線リンク設計の目的は、無線送信機とそれに関連する受信機の間で信頼性の高い通信リンクを確立できるようにすることです。リンクパフォーマンスは通常、受信キャリアパワー C とノイズパワースペクトル密度 N_o の比で評価され、C/N_o 比として表されます。

搬送電力を受信機の入力電力として定義します。
C = P_R
$C = (\frac{P_{T} G_{T}}{L_{T} L_{F T}}) (\frac{1}{L_{P}}) (\frac{G_{R}}{L_{R} L_{F R} L_{P o l}})$ （式1）
ここで、
- P_T = 送信電力（ワット）
- G_T = 送信機のアンテナ利得
- L_T = 送信アンテナのずれによる損失
- L_FT = 送信端の送信機とアンテナ間のフィーダー損失
- L_P = 伝播損失（FSPLと大気減衰を含む）
- G_R = 受信機でのアンテナ利得
- L_R = 受信アンテナのずれによる損失
- L_FR = 受信端のアンテナと受信機間のフィーダー損失
- L_Pol =偏波不整合損失
すべての利益と損失は線形スケールです。
ノイズスペクトル密度を、ボルツマン定数 k とシステムノイズ温度 T_s の積として定義します。
N₀ = k ✕ T_s （式2）
ここで、
- k = ボルツマン定数 = 1.38*10^-23 (J/K)
- T_s には、受信機のノイズに加えて、アンテナとフィーダーによって生成されるノイズが含まれます。
  T_s = T_ant + T_r,
  ここで、
  - T_ant = T_sky + T_gnd、ここで:
    
    T_sky には大気からのノイズが含まれます。
    T_gnd には、サイドローブとバックローブからのノイズが含まれます。
  - T_r には受信機のノイズ寄与が含まれます。
式1と2を使用してC/N_oを計算します:

$\frac{C}{N_{o}} = \frac{P_{R}}{N_{o}} = (\frac{P_{T} G_{T} G_{R}}{L_{T} L_{F T} L_{P} L_{R} L_{F R} L_{P o l}}) (\frac{1}{k T_{S}})$
$= (\frac{P_{T} G_{T}}{L_{T} L_{F T}}) (\frac{1}{L_{P}}) (\frac{G_{R}}{L_{R} L_{F R} L_{P o l}} \times \frac{1}{T_{S}}) (\frac{1}{k})$ （式3）
C/N_o 式は次のように解釈できます。
C/N_o = (EIRP)✕(1/L)✕(Composite receiver gain/noise temperature)✕(1/k) （式4）
ここで、
- EIRPは送信端でワット単位で表されます
- Lは伝送媒体における総パスロスを表す。
- （複合受信機利得/雑音温度）はG/T、つまり受信機の性能指数である。
- C/N_oはヘルツで表されます
式 4 はさらに次のように簡略化できます。
C/N_o = (EIRP)✕(1/Path loss)✕(G/T)✕(1/k)
デシベル表示（dB）を使用する:

${(\frac{C}{N_{o}})}_{d B} = 10 \log_{10} (\frac{C}{N_{o}}) = 10 \log_{10} (\frac{P_{T} G_{T}}{L_{T} L_{F T}}) (\frac{1}{L_{P}}) (\frac{G_{R}}{L_{R} L_{F R} L_{P o l}} \times \frac{1}{T_{S}}) (\frac{1}{k})$

$\begin{array}{l} = P_{T, d B w} + G_{T, d B i} + G_{R, d B i} - L_{T, d B} - L_{F T, d B} - L_{P, d B} - L_{R, d B} - L_{F R, d B} - L_{P o l, d B} - 10 \log_{10} T_{S} - 10 \log_{10} k \\ = P_{T, d B w} + G_{T, d B i} + G_{R, d B i} - L_{T x, d B} - L_{P, d B} - L_{R x, d B} - 10 \log_{10} T_{S} - 10 \log_{10} k \end{array}$
ここで、
- L_Tx = 送信端での全損失の合計
- L_Rx = 受信側での全損失の合計
これにより、リンク電力予算の式が得られます。
リンク設計において重要な考慮事項の 1 つは、リンクマージンです。受信機のフロントエンドでの瞬間的な信号およびノイズ電力は変動する可能性があるため、電力変動を打ち消すためにリンクマージンを適用する必要があります。これにより、リンク設計が特定のデータ整合性要件（通常はBERとして表される）を満たすことが保証されます。変調方式の目標BERを達成するには、必要な E_b/N_o を正しく設定します。
Received E_b/N_o = C/N_o – 10log10(user bit rate) – 60
ここで、
- 受信E_b/N_o = ビットあたりの受信エネルギーとノイズ電力密度の比（dB）
- ユーザービットレート = リンクのビットレート（メガビット/秒（Mbps））
受信した E_b/N_o の値を使用して、次の式でリンクマージンを計算します。
Margin = Received E_b/N_o – Required E_b/N_o

参考