Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 16. Starlink и погода
Часть 1 ‣ Часть 2 ‣Часть 3 ‣ Часть 4 ‣ Часть 5 ‣ Часть 6 ‣ Часть 7 ‣ Часть 8 ‣ Часть 9 ‣ Часть 10 ‣ Часть 11 ‣ Часть 12 ‣ Часть 13 ‣ Часть 14 ‣ Часть 15
Starlink и погода
После того, как началось публичное бета тестирования и сотни энтузиастов получили, смонтировали и включили в сеть свои терминалы, начались «народные» эксперименты, приводящие «экспериментаторов» к интересным, а иногда даже и к правильным выводам.
В первую очередь всех интересовало влияние погоды, а учитывая сезон (глубокая осень) и географическое место (север США в районе 50 паралели), основные споры шли на тему влияет ли на работу и скорость передачи данных снег и дождь.
Начнем все таки с теории, которая говорит нам, что любая среда ослабляет радиосигнал. Подробно это изложено в Методиках Международного союза Электросвязи (для любопытных это тут https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.619–3–201712-S! PDF-R.pdf).
Если, кратко, то установлено, что для радиоволн с частотой более 500 МГц основное ослабление определяется газами тропосферы кислородом и водяными парами, а так же дождем и прочими гидрометеорами, при этом двуокись углерода (СО2) и азот, как ни странно, влияют крайне слабо. При этом зависимость ослабления радиоволны зависит еще от частоты и имеет пики например для 22 и 60 ГГц.
Учитывая, что состав атмосферы стабилен, то влиять на работу Starlink могут только осадки. Установлено, что осадки для сигналов разной частоты влияют по-разному, и это влияние связано с зависимостью длины волны и размера капли дождя. Длина радиоволны = скорость света /частоту
Гидрометеоры в тропосфере (капли дождя и тумана, снег и пр.) рассеивают энергию радиоволн, длина волны которых соизмерима с размерами гидрометеоров. Покажем ослабление сигнала в дожде Lд при различных углах места α и вероятности выпадения дождя (Тд) (рис. 2.7).
Рис. 1. Частотные зависимости поглощения сигнала в дожде от частоты при различных углах места и вероятности выпадения дождя
Ослабление в дожде в дБ на 1 км при вертикальной поляризации и 18ºС, в зависимости от интенсивности дождя, J мм/ч представлено на рис. 2
Рис. 2. Ослабление сигнала в зависимости от интенсивности дождя J для разных частот
Если перейти в практическую плотность, то чем меньше частота спутникового сигнала, тем меньше на него влияет дождь и прочие осадки. Поэтому в тех районах, где возможны сильные ливни или осадков много (как правило субтропики и экваториальная зона) очень много станций работает в С диапазоне, то есть 4/6 ГГц.
Мой практический опыт работы в России с спутниковыми терминалами Ку (11/14 ГГц) и Ка (18/30 ГГц) диапазона, говорит о том, что влияние осадков на их работу безусловно есть, но его не стоит преувеличивать. Обычно потеря связи в районе Москвы происходит при прохождении грозового фронта и длится 10–15 минут. Владельцы спутникового ТВ (НТВ Плюс или Триколор) видят как при этом картинка «рассыпается на квадраты».
При этом снег и лед имеют низкую диэлектрическую проницаемость (в отличие от воды, разница составляет до 25 раз) и практически не мешают приему и передаче сигнала. Наиболее проблемной с точки зрения влияния на прохождение радиосигнала является вода, с ее аномально высоком коэффициентом диэлектрической проницаемости (он равен 81, при том, что у большинства других материалов он менее 10). И достаточно слоя в 1–2 мм воды на приемнике или передатчике сигнала (а не самом зеркале!!!), чтобы существенно ухудшить прохождение сигнала). Правда, в случае терминала Starlink, чипы приемники/передатчики находятся сразу под поверхностью антенны, но из за наклона терминала при работе и возможно специального покрытия вода быстро с него стекает
Однако, даже сильные дожди и тающий снег, как установили владельцы терминалов Starlink, все равно практически не влияют на его скорость. Почему?
Прежде всего, укажем, какой параметр характеризует влияние атмосферы на работу терминала. У Starlink он называется SNR (Signal-noise ratio), а в литературе обычно пишется как Eb/No с соответствующим интересным русским вариантом «ебинойз»), который измеряется в децибелах и обычно находится в диапазоне 3…20 дБ. В соответствии с имеющимся у нас запасом по энергетике, мы можем использовать различные модуляции сигнала от BPSK до 64QAM, которые позволяют получить нам спектральную эффективность от 0,5 до 6 бит/Герц, то есть получить скорость передачи с 1 МГц от 500 кбит до 6 Мбит.
Вот таблица, которая характеризует спектральную эффективность в зависимости от величины Eb/No
Из нее следует, что при Eb/No 6,62 дБ мы можем с 1 Гц передать 1,98 бит информации, в то время как при Eb/No 12,73 дБ мы можем с 1 Гц передать уже 3,7 бит информации.
Что происходит в работе терминала, если начинается дождь? Отношение сигнал шум начинает снижаться, и система, которая постоянно измеряет на терминале это соотношение передает информацию на гейтвей, который начинает менять модкод в сигнале для данного терминала, снижая его, пока снижение Eb/No не дойдет до уровня, соответствующему номиналу абонент вообще ничего не увидит/почувствует, и только тогда, когда сигнал ослабнет еще больше и снизится ниже уровня, для номинального модкода, абонент может что-то заметить.
Заметить это можно только на длительном временном тесте (2–3 часа, соответствующем периоду существенного изменения погоды), однако практически никто из бета-тестеров не может представить непрерывный тест загрузки файлов в течение нескольких часов, чтобы понять точную зависимость скорости загрузки от дождя. На снимке ниже видно, что в некоторые моменты SNR проваливался до нуля, то есть проходил обрыв связи.
При этом колебания величины SNR –, а здесь я напомню, что уменьшение его на 3 дБ это снижение мощности сигнала в 2 (два!) хорошо заметны и скорее всего связаны с изменением расстояния до спутника/ов.
Что еще может помочь абоненту «не заметить дождь»?
Это система называется АРУ — Автоматическое Регулирование Усиления (automatic gain control). Уже известно, что она на терминале Starlink есть, ибо в документах, направленных в FCC (Федеральная комиссия по связи США) указано, что терминал выдает мощность от 0,67 Вт в случае, если спутник прямо над ним и расстояние составляет 550 км, до 4,06 Вт в случае, если спутник находиться в 1000+ км и виден под углом 25 градусов. Таким образом, измеряя Eb/No на терминале Центр Управления Сетью может давать команду на спутник и сам терминал увеличить мощность передатчика, чтобы добиться того же номинального уровня сигнала на прием и/или передачу.
Следующий погодный параметр — температура воздуха, в принципе она влияет на плотность воздуха, и чем плотнее воздух, тем теоретически больше в нем ослабление сигнала, однако, это изменение находится в пределах долей процента. Более существенно она должна влиять на LNB (МШУ — малошумящий усилитель) преобразующий на линии от спутника к терминалу радио сигнал в электрический. Любой МШУ характеризуется так называемой «шумовой температурой», чем ниже эта температура, тем меньше потери сигнала при приеме, выше скорость приема информации в нашем случае от спутника к приемному терминалу. В радиоастрономии в их системах наблюдения за звездами для улучшения приема, чтобы разобрать сигнал от далеких галактик, МШУ даже помещают в контейнеры с жидким гелием (см. https://vsatman888.livejournal.com/193856.html).
Ориентировочная «шумовая» температура Тш приемников фазированных антенн находится в районе 200 градусов Кельвина, и изменение температуры терминала на плюс/минус 20 градусов, согласно формуле определения коэффициента шума F= (Tш + Tо)/Tо, где То=290 К сулит нам при морозах увеличение его производительности в районе нескольких десятков процентов. Поэтому, ощущения первых абонентов Starlink, о том, что в холодную погоду терминал работает «лучше», могут иметь под собой основания.
