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Todo sobre el proyecto de Internet por satélite de Starlink. Parte 16. Starlink y el clima

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Starlink y el clima



Después de que comenzaron las pruebas beta públicas y cientos de entusiastas recibieron, ensamblaron y conectaron sus terminales a la red, comenzaron los experimentos "populares", que llevaron a los "experimentadores" a conclusiones interesantes ya veces incluso correctas.



En primer lugar, todo el mundo estaba interesado en la influencia del clima, y ​​dada la temporada (otoño profundo) y la ubicación geográfica (norte de Estados Unidos en la región de 50 paralelos), las principales disputas eran sobre si la nieve y la lluvia afectan el trabajo y la tasa de transferencia de datos.





Comencemos con una teoría que nos dice que cualquier medio atenuará la señal de radio. Esto se detalla en las Metodologías de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (para los curiosos está aquí https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.619-3-201712-S!!PDF- R.pdf ).



Brevemente, se establece que para ondas de radio con una frecuencia de más de 500 MHz, la atenuación principal está determinada por los gases de la troposfera, el oxígeno y el vapor de agua, así como la lluvia y otros hidrometeoros, mientras que el dióxido de carbono (CO2) y el nitrógeno, curiosamente, tienen un efecto extremadamente débil. ... En este caso, la dependencia de la atenuación de la onda de radio también depende de la frecuencia y tiene picos, por ejemplo, a 22 y 60 GHz.



Dado que la composición de la atmósfera es estable, solo la precipitación puede afectar el funcionamiento de Starlink. Se encontró que la precipitación para señales de diferentes frecuencias afecta de manera diferente, y esta influencia está asociada con la dependencia de la longitud de onda y el tamaño de la gota de lluvia. Longitud de la onda de radio = velocidad de la luz / frecuencia



Frecuencia, GHz 4 6 once catorce 18 treinta
Longitud de onda, cm 7.5 5,0 2,7 2.1 1,7 1.0


Los hidrometeoros en la troposfera (gotas de lluvia y niebla, nieve, etc.) dispersan la energía de las ondas de radio, cuya longitud de onda es proporcional al tamaño de los hidrometeoros. Muestre la atenuación de la señal en la lluvia L d a diferentes ángulos de elevación α y la probabilidad de que llueva ( T d ) (Figura 2.7).





Figura 1. Dependencias de frecuencia de la absorción de la señal en la lluvia de la frecuencia a diferentes ángulos de elevación y probabilidad de lluvia La



atenuación en la lluvia en dB por 1 km con polarización vertical y 18 º , dependiendo de la intensidad de la lluvia, J mm / h se muestra en la Fig.2



Figura 2. Atenuación de la señal en función de la intensidad de la lluvia J para distintas frecuencias



Si vamos a un plano práctico, cuanto menor es la frecuencia de la señal del satélite, menos se ve afectada por la lluvia y otras precipitaciones. Por lo tanto, en aquellas regiones donde es posible que haya fuertes lluvias o precipitaciones (generalmente subtropicales y la zona ecuatorial), muchas estaciones operan en la banda C, es decir, 4/6 GHz.



Mi experiencia práctica en Rusia con terminales satelitales de la banda Ku (11/14 GHz) y Ka (18/30 GHz) sugiere que la influencia de la precipitación en su trabajo ciertamente está ahí, pero no debe exagerarse. Por lo general, la pérdida de comunicación en la región de Moscú ocurre durante el paso de un frente de tormenta y dura de 10 a 15 minutos. Los propietarios de televisión por satélite (NTV Plus o Tricolor) ven cómo la imagen “se desmorona en cuadrados”.



Al mismo tiempo, la nieve y el hielo tienen una constante dieléctrica baja (a diferencia del agua, la diferencia es de hasta 25 veces) y prácticamente no interfieren con la recepción y transmisión de la señal. El más problemático desde el punto de vista de la influencia en la transmisión de una señal de radio es el agua, con su constante dieléctrica anormalmente alta (es igual a 81, a pesar de que para la mayoría de los otros materiales es menor que 10). Y una capa de 1-2 mm de agua en el receptor o transmisor de señal (¡y no en el espejo mismo!) Es suficiente para afectar significativamente la transmisión de la señal). Es cierto que en el caso del terminal Starlink, los chips del transmisor / receptor están ubicados inmediatamente debajo de la superficie de la antena, pero debido a la inclinación del terminal durante el funcionamiento y posiblemente a un recubrimiento especial, el agua se drena rápidamente.



Sin embargo, incluso las fuertes lluvias y la nieve derretida, tal y como establecen los propietarios de los terminales Starlink, siguen sin afectar prácticamente a su velocidad. ¿¿Por qué??



En primer lugar, indiquemos qué parámetro caracteriza la influencia de la atmósfera en el funcionamiento del terminal. Starlink lo llama SNR (relación señal-ruido), y en la literatura suele escribirse como Eb / No (con la correspondiente versión rusa interesante de "ebinoise"), que se mide en decibelios y suele estar en el rango de 3 ... 20 dB. De acuerdo con la reserva de energía disponible, podemos utilizar diversas modulaciones de señal desde BPSK hasta 64QAM, que nos permiten obtener una eficiencia espectral de 0.5 a 6 bits / Hertz, es decir, obtener una tasa de transmisión de 1 MHz de 500 kbit a 6 Mbps.



A continuación se muestra una tabla que caracteriza la eficiencia espectral en función del valor de Eb / No





De ello se deduce que con Eb / No 6,62 dB podemos transmitir 1,98 bits de información desde 1 Hz, mientras que con Eb / No 12,73 dB podemos transmitir 3,7 bits de información desde 1 Hz.



¿Qué pasa con la terminal cuando empieza a llover? La relación señal / ruido comienza a disminuir, y el sistema, que mide constantemente esta relación en el terminal, transmite información a la pasarela, que comienza a cambiar el modcode en la señal de este terminal, reduciéndolo hasta que la disminución de Eb / No alcanza un nivel correspondiente al nominal, el abonado no es nada. no verá / sentirá, y solo cuando la señal se debilite aún más y caiga por debajo del nivel del código de modificación nominal, el suscriptor puede notar algo.



Esto solo se puede notar en una prueba a largo plazo (2-3 horas, correspondiente a un período de cambios climáticos significativos), sin embargo, casi ninguno de los probadores beta puede presentar una prueba continua de descargas de archivos durante varias horas para comprender la dependencia exacta de la velocidad de descarga de la lluvia. La siguiente imagen muestra que en algunos momentos la SNR cayó a cero, es decir, la conexión se rompió.





Al mismo tiempo, las fluctuaciones en el valor de SNR, y aquí le recordaré que una disminución de 3 dB es una disminución de 2 (¡dos!) Tiempos en la potencia de la señal, son bien notables y probablemente estén asociadas con un cambio en la distancia al satélite / s.



¿Qué más puede ayudar a un suscriptor a no notar la lluvia?





Este sistema se llama AGC - Control automático de ganancia. Ya se sabe que está en el terminal Starlink, pues en documentos enviados a la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU.) Se indica que el terminal emite potencia desde 0,67 W si el satélite está directamente encima y la distancia es de 550 km, a 4.06 W en caso de que el satélite tenga más de 1000 km y sea visible en un ángulo de 25 grados. Así, midiendo Eb / No en el terminal, el Centro de Control de Red puede ordenar al satélite y al propio terminal que aumenten la potencia del transmisor para lograr el mismo nivel de señal nominal para recepción y / o transmisión.



El siguiente parámetro meteorológico es la temperatura del aire, en principio, afecta la densidad del aire, y cuanto más denso es el aire, teóricamente más atenuación de la señal en él, sin embargo, este cambio está dentro de fracciones de un porcentaje. Más significativamente, debería afectar al LNB (LNA - Amplificador de bajo ruido), que convierte la señal de radio en la línea del satélite al terminal en una señal eléctrica. Cualquier LNA se caracteriza por la denominada "temperatura de ruido", cuanto menor es esta temperatura, menor pérdida de señal durante la recepción, mayor es la tasa de recepción de información en nuestro caso desde el satélite hasta el terminal receptor. En radioastronomía, en sus sistemas de observación de estrellas para mejorar la recepción, con el fin de distinguir la señal de galaxias distantes, el LNA se coloca incluso en contenedores con helio líquido (ver https://vsatman888.livejournal.com/193856.html ).



La temperatura aproximada de "ruido" Tsh de los receptores de antenas en fase está en la región de 200 Kelvin, y la temperatura del terminal cambia en más / menos 20 grados, de acuerdo con la fórmula para determinar el factor de ruido F = (T w + T o ) / T o , donde T o = 290 K, nos promete en las heladas un aumento de su productividad en la región de varias decenas de por ciento. Por lo tanto, la sensación de los primeros suscriptores de Starlink de que el terminal funciona "mejor" en climas fríos puede estar bien fundada.





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