Wie entwirft man eine Bodenantenne zum Senden und Empfangen von einem Satelliten?

Das ist eine interessante Frage! Es sind (mindestens) zwei Kommunikationsprobleme zu berücksichtigen. Einer ist die Signalstärke, nach der die Frage fragt, der andere ist Latenz oder Verzögerung. Aber die tl;dr ist, dass dies mit Standard-WiFi- oder Mobilfunkdatengeräten nicht funktioniert, da die Antenne kilometergroß sein müsste und die Verzögerungen nicht mit den Protokollen kompatibel sind.

Eine Link-Budget - Berechnung (die Sie in dieser Antwort sehen können ) würde zeigen, dass eine kleinere bodengestützte Antenne funktionieren würde, aber Sie müssten das Protokoll dennoch ändern, um mit niedrigen Datenraten und langer Latenz umzugehen, und das bedeutet spezialisierte Hardware Ihr Satellit und Ihre Bodenstation statt COTS WiFi oder Mobilfunk.

Signalstärke

Eine sehr schnelle Möglichkeit, die Größe der benötigten Sammelfläche grob abzuschätzen , wäre, einfache Verhältnisse zu nehmen. Wählen wir 2 GHz als ungefähre Arbeitsfrequenz. Die entsprechende Wellenlänge aus$\lambda = c/f$ist 3E+08 ms^-1 / 2E+09 s^-1 oder 15 Zentimeter. Es kann davon ausgegangen werden, dass eine WiFi-Dipolantenne einen effektiven Empfangsbereich von etwa 1 Wellenlänge zum Quadrat oder 0,02 m^2 und eine Mobilfunkmastantenne etwa 1 x 10 Wellenlängen oder 0,2 m^2 hat.

Nehmen wir für grobe, runde Zahlen an, dass die normale WLAN-Reichweite im freien Raum (ohne Hindernisse) 100 Meter und die nützliche Reichweite für Hochgeschwindigkeits-Mobilfunkdaten 3 km beträgt. Mobiltelefone können möglicherweise Daten bis zu einer Entfernung von 30 km empfangen, aber für die Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten ist die Reichweite geringer.

Ihre Distanz beträgt 3.000 km. Da Signal abfällt$1/r^2$diese benötigen um den Faktor 10^9 bzw. 10^6 vergrößerte Antennenflächen. Das bedeutet Bodenantennen mit einer Fläche von 2E+07 und 2E+05 m^2 oder Größen von 4 km bzw. 400 Metern.

Diese sind riesig! Mit anderen Worten, wenn Sie alles an der Ausrüstung gleich lassen und versuchen, die große Entfernung zu bewältigen, indem Sie einfach die Größe der erdgestützten Antenne skalieren, wird es nicht funktionieren. Das Square Kilometre Array ist ein Beispiel für ein Projekt, bei dem die Gesamtfläche aller Antennen zusammen etwa 1 km x 1 km beträgt, und das ist ein Weltklasse-Projekt.

Die größte Schüssel, die im Deep Space Network -System verwendet wird, hat einen Durchmesser von nur 70 Metern und kann dennoch über Entfernungen von Milliarden Kilometern kommunizieren. Warum? Die Datenraten bei diesen Entfernungen sind weit, weit langsamer als die minimalen Datenraten für standardmäßige, kommerzielle WLAN- oder Mobilfunkdaten. Sie verwenden spezielle Protokolle, um die schwachen Signale und das starke Rauschen in diesen Entfernungen zu übertreffen. Tatsächlich können Sie die Entwicklung einiger kommerzieller drahtloser Datenprotokolle direkt aus der Weltraumkommunikationstechnologie von Leuten verfolgen, die bei CSIRO gearbeitet haben . Siehe [WiFi-Verlauf]. 6 Sie verwenden auch kürzere Wellenlängen (Verbesserung der Verstärkung) und kryogene (gekühlte) Empfänger-Frontends, um tiefer in das Rauschen einzudringen.

Latenz

So wie kommerzielle Sprach- und Datenkanäle für Mobiltelefone und WLAN-Router-Kommunikation normalerweise funktionieren, müssen sie zuerst eine Zwei-Wege-Kommunikation aufbauen, bevor sie mit dem Senden von Daten beginnen. Bei großen Entfernungen wird die Zeitverzögerung aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit die kommerzielle WiFi- und Mobilfunkdatenkommunikation verwirren. Beispielsweise hat GSM aufgrund der im Protokoll maximal zulässigen Zeitverschiebung eine harte Grenze bei 35 km . Bei 3.000 km beträgt die Verzögerung ZEHN Millisekunden , und für Hochgeschwindigkeitsdaten ist das ewig!

TL;DR: Angesichts aller Annahmen in diesem Beitrag sollte es theoretisch möglich sein, eine zuverlässige Verbindung zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten herzustellen . Praktisch ist jedoch die Tatsache, dass sich LEO-Satelliten ziemlich schnell bewegen, und die Notwendigkeit, diese mit einer motorisierten Antenne zu verfolgen, was bedeutet, dass es "Lücken" in der Verbindung gibt, wenn die Antenne zum nächsten Satelliten umpositioniert werden muss.

Wenn Sie in Ihrer Frage "Wifi" oder "GSM" angeben, nehmen wir an, Sie meinen eine Anwendung für den "Verbrauchermarkt" ... z. B. "Internet über Satellit".

Wir wollen also digitalisierte Informationen „austauschen“, und dazu können wir ein konzeptionelles Modell wie die 7 Schichten des OSI-Modells verwenden

Uns interessieren vor allem die Layer 1 bis 3, die sogenannten "Media Layers".

• Schicht-1: Physische Schicht – Hier bitswerden Daten übertragen
• Layer-2: Data Link Layer – Hier frameswerden Daten übertragen
• Layer-3: Network Layer – Hier packetswerden Daten übertragen

Mehrere bitsmachen a frame, ein oder mehrere framesmachen apacket

Beginnen wir nun damit, dies für Ihre Frage relevant aufzuschlüsseln. Ich werde in diesen Schichten herumspringen.

Schicht-3

Layer-3 ist in diesem Fall sehr einfach, und für die Internetverbindung lebt hier IP( Internet Protocol ). IPist der Teil des bekannten Begriffs TCP/IP, technisch gesehen handelt es sich bei dem TCPTeil jedoch um ein Layer-4-Protokoll. Wir konzentrieren uns auf IP, Layer-3. Und damit konzentrieren wir uns für dieses Beispiel auf IPv4

Das größte Problem bei der Fernkommunikation ist die Einschränkung innerhalb der Protokollspezifikation in Bezug auf Latenz und Zeitüberschreitungen.

Denn IPv4für das Protokoll ist kein Timeout definiert, aber im Datenrahmen-Header gibt es ein TTL( Time to Live )-Feld bei offset 8, bits 0-7.

Dieses Feld ist ein "sekundenabnehmender Zähler" und daher haben wir maximal 255 Sekunden, damit der Datenrahmen lebt. Praktisch wird dieser Zähler jedes Mal verringert, wenn der Datenrahmen einen „Router“ „trifft“, und Sekundenbruchteile werden auf eine Sekunde gerundet, sodass er schneller als 255 Sekunden abnimmt.

In jedem Fall; Da wir uns für IPv4unser Layer-3-Protokoll entschieden haben, können wir sicher schlussfolgern, dass dieses Protokoll robust genug für die Entfernung ist, die wir überbrücken müssen. Beweis dafür ist das aktuelle Internet. Wir alle arbeiten problemlos mit Servern auf der ganzen Welt mit einer Latenz von 1-500 ms. Tatsächlich wird Ihnen dieser Beitrag, den Sie gerade lesen, wahrscheinlich aus einiger Entfernung zugestellt.

Fazit für Layer-3: Durch die Wahl des richtigen Protokolls können wir die Entfernung vom Boden zum LEO-Satelliten zuverlässig überbrücken, Beispielprotokoll wäre IPv4.

Großartig, also keine Probleme auf unserem Layer-3, wenn wir uns für IPv4 entscheiden. Schauen wir uns eine andere Ebene an:

Schicht-1

OK, das ist die physische Schicht, die "Pumpe", die nur "Bits herumpumpen" muss ... perfekt, wir sprechen von Ground-To-Satellite, also sprechen wir von "Radiowellen".

Wie in vielen Beiträgen auf dieser Seite und anderen beschrieben, müssen Sie etwas berechnen, das als Link-Budget bezeichnet wird .

Nehmen wir für dieses Beispiel tatsächlich die Link-Budget-Formel, wie sie im verlinkten Artikel beschrieben ist. Es gibt weitaus komplexere Berechnungen, die besser sind und verschiedene Umgebungsfaktoren und Bandbreiten berücksichtigen. Bei Interesse finden Sie hier einen Musterartikel

Zuerst werden wir einige Annahmen treffen, um einige Beispielnummern zu erhalten, mit denen wir arbeiten können:

• Dies ist eine Verbraucheranwendung, z. B. "Internet of Satellite"
• Für die Bodenstation muss es sich um preiswerte Verbrauchergeräte handeln
• Es muss eine vernünftig geformte Ausrüstung für die Bodenstation sein

Lassen Sie uns auf dieser Grundlage einige Zahlen veröffentlichen:

• Schüssel mit 150 cm Durchmesser, 30 dBi Verstärkung bei 2,4 GHz
• Computer/Rotor/Software zum Ausrichten und Verfolgen der Schüssel erforderlich
• 802.11g "WiFi" Bridge, -110 dB Grundrauschen, 20 dB SINAD
• 1 W Ausgangsleistung

Bitte beachten Sie, dass die Ausgangsleistung von 1 Watt mit einer 30-dBi-Schüssel etwa das 10.000-fache des gesetzlich vorgeschriebenen Maximums in den meisten Ländern beträgt (100 mW ERP).

Ok, beginnen wir mit den Uplink-Berechnungen. Die Formel für den Pfadverlust lautet:

PL(db) = 20log(d) + 20log(f) + 32,44 - Gtx - Grx

Nehmen wir eine Entfernung vom Boden zum Satelliten von 3000 km gemäß OP an:

PL = Pfaddämpfung in dB d = Entfernung in km f = Frequenz in MHz Gtx = Sendeantennengewinn in dBi Grx = Empfangsantennengewinn in dBi

Setzen Sie die Zahlen ein:

PL = 20*log(3000) + 20*log(2400) - 30 - Grx

PL = 107 - Grx

Mit einem ähnlichen Spezifikationsempfänger am Satellitenende (-110 dB Rauschen // 20 db SINAD) benötigen wir ein Signal von -90 dBm, um das Signal zuverlässig zu empfangen.

Wenn Sie einige weitere Zahlen einstecken, insbesondere die Ausgangsleistung von 1 Watt (30 dBm), erhalten Sie:

Rsignal = PAusgang - PL + Grx = 30 - 107 + Grx = -77 dBm + Grx.

Für den Uplink reicht also schon eine bescheidene Empfangsantenne mit 0 dBi Gewinn. Wir haben hier keine Probleme!

Gehen wir zum Downlink und berechnen die Ausgangsleistung und den TX-Antennengewinn des Satelliten, der benötigt wird, um eine zuverlässige Verbindung aufrechtzuerhalten.

Der Pfadverlust ist derselbe, es ist die gleiche Entfernung, der Gtx der Bodenstation wird nun zum Grx des Downlinks. Die Berechnung ist die gleiche.

Mit einem bescheidenen Sender im Satelliten und einer bescheidenen Antenne mit einer motorisierten 150-cm-Schüssel an der Bodenstation, die den Satelliten verfolgt, können Sie zuverlässig eine Verbindung aufbauen.

Fazit für Layer-1 : Es ist sicherlich möglich, eine bescheidene Bodenstation zu bauen, die Funksignale von einem Satelliten senden/empfangen kann, vorausgesetzt, die richtige Ausrüstung vorausgesetzt. Und bei Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, würden wir auf dieser Verbindung nicht mehr als 10-20 ms Latenz in eine Richtung erwarten.

Perfekt, wir haben Layer-1 und Layer-3 sortiert!

Eine weitere Schicht zum Anschauen:

Schicht-2

Nun, da wir festgestellt haben, dass wir mit "Consumer-Grade"-Equipment arbeiten, werden wir uns für diese Schicht an ein Consumer-Protokoll halten: das bekannte Wifi 802.11g

Hier wird es knifflig.

Moderne 802.11-Implementierungen verwenden etwas namens OFDM ( Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ), was in der Praxis für 802.11g 48 Datenträger und 4 Pilotträger sind, die eine Bandbreite von 22 MHz überspannen, von denen tatsächlich 16,6 MHz verwendet werden (aufgrund der Lücken zwischen den Trägern). Dies würde bedeuten, dass wir in unserem Layer-1 möglicherweise mehr Leistung benötigen, da die Leistung des Senders nun über diese benötigte Bandbreite von 16,6 MHz verteilt wird. Das wäre also eine Integralfunktion "unter der Bandbreitenkurve zusammengefasst", um unsere dBm-Referenz zu Grundrauschen und SINAD zu berechnen. Nur um dieses Beispiels willen lassen wir das und fahren theoretisch damit fort, vorausgesetzt, Layer-1 ist in Ordnung.

Das eigentliche Problem ist die Art und Weise, wie dieses Protokoll in Bezug auf den Protokoll-"Zeitabstand" oder wie sie als Schutzintervall bezeichnet werden, strukturiert ist

In den 802.11-Protokollen sind sie normalerweise auf -0,8 Mikrosekunden eingestellt. Diese 0,8 Mikrosekunden machen es sehr fehleranfällig. Sie können angepasste (Open-Source-) Software erhalten, die auf Ihren WLAN-Geräten ausgeführt wird, wodurch Sie diese Einstellungen weiter optimieren können, und einige sind dafür bekannt, diese auf 3,2 Mikrosekunden einzustellen.

Bei einer Datenrate von 24 Mbit/s (etwa die Hälfte des maximalen Durchsatzes von 802.11g) dauert ein Frame 566 Mikrosekunden + 3,2 Mikrosekunden. Das bedeutet, dass Sie bei einer 3000 km langen Verbindung mit einer Verzögerung von 10 Millisekunden bei einer voll ausgelasteten Verbindung 17 Frames "im Transit" haben.

Auf dieser 10-Millisekunden-Verbindung mit diesen 17 Frames sind bei einer Datenrate von 24 Mbit/s durchschnittlich 254.658 Bytes "im Transit" zwischen Boden und Satellit oder umgekehrt.

Wenn Sie also einen RTS/CTS-Zyklus ( Request to send / Clear to send ) haben, jedes Mal, wenn der gesendete Frame 2346 Bytes überschreitet (ein üblicher Standardwert), werden Sie viele RTS/CTS-Pakete in diesem Link verschachteln, die dies nicht sind doch anerkannt. Wenn ein RTS gesendet, aber nicht mit einem CTS bestätigt wird, wird die Übertragung angehalten, bis ein CTS empfangen wird.

Dieses RTS/CTS ist wahrscheinlich das größte Hindernis in "Long Range Wifi" für Anwendungen mit großer Bandbreite.

Mit angepasster Open-Source-WLAN-Software können Sie diese Einstellungen möglicherweise optimieren. Einschließlich des Sendens kleinerer Frames unter der konfigurierten RTS/CTS-Schwelle. Diese Paketfragmentierung wird natürlich den Durchsatz und die Bandbreite der Verbindung erheblich und negativ beeinflussen.

Die Realität ist, dass der Datenverkehr ziemlich häufig „angehalten“ wird, was ihm ein „Burst-Muster“ in Bezug auf den Durchsatz verleiht. Dies wirkt sich auf die Art der Anwendung (Layer-4 und höher) aus, die auf dem Link ausgeführt wird. Dies würde bedeuten, dass zeitkritische Protokolle (wie VoIP) nicht geeignet wären, andere (wie FTP) jedoch kein Problem wären, wenn auch mit reduzierter Bandbreite.

Fazit für Layer-2: Dieser Layer stellt die meisten Herausforderungen in Bezug auf eine stabile Verbindung. Aber angesichts einer Vielzahl von verfügbarer Open-Source-Software und der Annahme, dass Timer/Schwellenwerte optimiert werden können, sollte es möglich sein, eine 3000 km lange Verbindung herzustellen. Die Bandbreite/der Durchsatz solcher würde jedoch durch die internen Operationen des Layer-2-Protokolls erheblich behindert.

Zusammenfassende Schlussfolgerung:

Unter Berücksichtigung aller Annahmen in diesem Beitrag sollte es theoretisch möglich sein, eine zuverlässige Verbindung zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten herzustellen. Praktisch ist jedoch die Tatsache, dass sich LEO-Satelliten ziemlich schnell bewegen, und die Notwendigkeit, diese mit einer motorisierten Antenne zu verfolgen, was bedeutet, dass es "Lücken" in der Verbindung gibt, wenn die Antenne zum nächsten Satelliten umpositioniert werden muss.

Es wäre interessant, die gleichen Berechnungen mit einer omnidirektionalen Bodenstationsantenne durchzuführen, wie beispielsweise einer Quadrifilar-Helix- oder Lindenblad-Antenne, die nicht ausgerichtet werden müsste, um einen bestimmten Satelliten zu verfolgen. Angesichts der Wellenlänge von Wifi bei 2,4 GHz wäre es wahrscheinlich ein Array aus mehreren Antennen. Es wäre schön, zusätzliche Nachforschungen nach alternativen Layer-2-Protokollen anzustellen, die für große Reichweiten besser geeignet sind als 802.11, vielleicht so etwas wie 802.16 oder 802.20. Dies wäre eine andere Frage und außerhalb des Rahmens dieser Antwort.