위성 링크 버짓

이 항목에서는 위성 링크 버짓에 대한 기초적인 이해, 위성 통신에서의 중요성, 링크 버짓에 영향을 미치는 요인, 이득과 손실을 고려한 링크 전력 버짓 방정식 도출에 대해 설명합니다.

링크 버짓 분석은 링크 성능을 정량화하는 데 도움이 되므로 위성 통신 시스템을 설계하기 위한 선행 조건입니다. 이 분석에서는 위성 통신 시스템 내에서 RF(무선 주파수) 신호가 겪는 모든 전력 이득과 손실을 고려하여, 이득은 더하고 손실은 뺍니다. 다음은 적절한 링크를 설계하는 데 도움이 되는 간단한 링크 버짓 방정식입니다.

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

링크 버짓 계산은 링크 수준 시뮬레이션을 사용하지 않고 전력 버짓 분석을 사용하여 대략적인 성능 수준을 설정합니다. 링크 버짓은 적절한 신호 대 잡음비(SNR)로 정보를 명확하게 수신하는 데 필요한 시스템 파라미터를 지정합니다.

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

Satellite Communications Toolbox는 정적 링크 버짓과 시변 링크 버짓 분석을 수행하는 위성 링크 버짓 분석기 앱을 제공합니다. 이 앱을 사용하면 파라미터를 사용자 지정하고 결과를 시각화할 수 있습니다. 또한 이 앱을 사용하여 ITU-R(국제전기통신연합 권고) P.618에 설명된 대로 가용도 분석을 수행할 수도 있습니다.

링크 버짓에 영향을 미치는 요인

위성 통신 링크 설계에 영향을 미치는 요인에는 여러 가지가 있지만, 중요한 요인은 크게 다음 세 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.

송신기 및 수신기 시스템 — 여기에는 Tx의 유효 등방성 방사 전력(EIRP), Tx와 Rx 모두의 피더 손실, Rx의 잡음 온도 대비 이득(G/T), Tx의 고전력 증폭기(HPA) 전력 백오프, 안테나 지향 손실이 포함됩니다.
자유 공간에서 — 여기에는 Tx-Rx 쌍으로 발생하는 편파 손실, FSPL(자유 공간 경로 손실), 안테나 잡음 온도, 강우 페이딩, 기타 대기 감쇠가 포함됩니다.
위성 — 여기에는 ACI(인접 채널 간섭)로 인한 손실, 위성 반송파 간격, 궤도 요소와 같은 위성 파라미터, 사용된 변조 기법과 같은 반송파 파라미터가 포함됩니다.

다음 그림은 링크 설계에 영향을 미치는 중요한 요인을 보여줍니다. 손실은 빨간색으로, 이득은 녹색으로, 위성별 정보 파라미터는 노란색으로 표시됩니다.

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

이러한 요인들을 살펴보겠습니다.

EIRP

EIRP는 안테나 이득이 가장 높은 방향의 실제 안테나에서 동등한 전력을 생성하기 위해 등방성 안테나에서 방사해야 하는 전력량입니다.

EIRP는 송신기 안테나의 총 방사 전력(P_t)에 안테나 이득(G_t)을 곱한 값입니다.

EIRP = P_t ✕ G_t

데시벨로 표현하면 다음과 같습니다.

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

EIRP를 사용하면 유형, 크기 또는 형태에 관계없이 다양한 이미터를 비교할 수 있습니다.

피더 손실 L_f와 지향 손실 L_p와 같은 다양한 손실을 고려하면 다음과 같습니다.

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

다음 플롯은 고도 0도에서 모든 방위각에 대한 등방성 안테나의 2차원 방사 패턴을 보여줍니다.

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

다음 플롯은 메인로브, 백로브, 사이드로브가 있는 지향성 나선 안테나의 2차원 방사 패턴을 보여줍니다.

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

피더 손실

이 손실은 안테나와 수신기 또는 커플러, 필터, 도파관(waveguide) 등 송신기 장치 사이의 여러 구성요소에서 발생합니다. 피더 손실은 전송선로 소재의 저항과 결함으로 인해 신호 에너지의 일부가 열로 소실되기 때문에 발생합니다.

송신 측에서의 피더 손실은 일반적으로 HPA(고전력 증폭기)와 방사 안테나의 출력 경로에 포함된 손실입니다. 마찬가지로 수신 측에서의 피더 손실은 일반적으로 저잡음 증폭기 입력에 대한 안테나 출력 경로에 포함된 손실입니다.

FSPL

FSPL은 신호가 공간을 통해 확산되어 신호의 세기가 손실되는 것을 말합니다. 손실은 거리의 제곱과 주파수의 제곱에 비례한다는 프리스 전송 방정식을 사용하여 FSPL을 계산합니다.

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

모든 방향으로 동일한 전력(P_t)을 방사하는 등방성 안테나의 경우 전력 밀도는 등방성 안테나가 중심에 있는 구의 표면에 고르게 분포됩니다. 신호의 강도(I)는 다음과 같습니다.

I = P_t / 4πd²,

여기서 d는 송신기와 수신기 간의 거리입니다.

수신 안테나의 전력은P_r = I ✕ A_eff이고, 여기서:

A_eff는 수신 안테나의 유효 면적입니다.
A_eff = λ²/4π , 여기서 λ는 신호의 파장입니다.

I와 A_eff를 대입하면 P_r은 다음과 같습니다.

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

따라서 FSPL(L_p) = $\frac{P_{t}}{P_{r}} = {(\frac{4 π d}{λ})}^{2}$ 입니다.

편파 손실

송신기 안테나와 수신기 안테나 사이의 편파 불일치는 전자기(EM) 전력 손실로 이어집니다. 전자기파는 전기장과 자기장으로 특징지어집니다. 자유 공간에서 평면 전자기파의 기본적인 속성은 전기장 벡터와 자기장 벡터의 방향이 전파 방향과 직교한다는 것입니다. 전자기파 편파는 전기장 벡터의 방향을 나타냅니다.

편파된 전자기파를 수신하는 데 사용되는 안테나는 안테나 편파가 입사 전자기장의 편파와 일치할 때 최대 출력 전력에 도달합니다. 그렇지 않으면 편파 손실이 발생하며, 이는 일정 수준의 신호 커플링을 발생시킬 수 있으며, 결과적으로 신호 저하(signal degradation)가 발생할 수 있습니다. 편파는 전기장 벡터가 추적하는 모양에 따라 선형, 원형 또는 타원형일 수 있습니다. 편파 불일치는 편파 손실 인자로 특징지어지며, 이 인자는 수신에 적합한 편파를 갖는 입사 전력의 비율을 설명합니다.

신호가 전리층을 통과할 때 직교 성분이 나타나 탈편파가 발생할 수 있습니다. 다음 두 가지 메트릭을 통해 이 현상의 영향을 정량화할 수 있습니다.

교차 편파 식별(XPD) — 파동이 주어진 편파로 송신될 때, XPD는 수신 지점에서 예상 편파로 수신된 전력과 직교 편파로 수신된 전력의 비율입니다.
교차 편파 식별은 안테나의 특성과 전파 매체에 따라 달라집니다.
교차 편파 분리(XPI) — 두 개의 전파가 동일한 전력과 직교 편파로 송신될 때, XPI는 주어진 수신기의 동일 편파 전력과 해당 수신기의 교차 편파 전력의 비율입니다.

빗방울 또한 탈편파에 영향을 미칩니다. 이상적으로, 빗방울은 응집에 필요한 에너지를 최소화하기 위해 구 형태를 취합니다. 그러나 실제로 빗방울은 한쪽 축이 다른 축보다 긴 회전타원체와 비슷한 납작한 모양을 띱니다. 빗방울의 방향은 바람과 같은 요인의 영향을 받아 무작위로 기울어집니다. 이러한 기울기는 전파의 편파를 최대 10도까지 회전시킵니다. 이러한 회전은 선형 편파를 사용하는 시스템에서는 심각한 문제를 야기하지만, 회전이 파동의 기존 스핀에 단순히 추가되는 원형 편파의 경우 문제가 덜합니다.

또한 강우층 위에는 탈편파를 유발할 수 있는 얼음층이 있는 경우가 많습니다. 얼음 결정은 일반적으로 바늘 모양이나 판 모양을 형성합니다. 이러한 결정의 방향이 무작위인 경우 탈편파를 무시할 수 있지만, 방향이 정렬되면 탈편파가 발생할 수 있습니다.

안테나 지향 손실

지구국과 위성 안테나가 정확하게 정렬되면 이득은 최대화됩니다. 오정렬은 위성이나 지구국에서 발생할 수 있습니다. 위성 기반 오정렬은 위성 설계 시 고려해야 하지만, 지구국 기반 오정렬은 안테나 지향 손실이며 일반적으로 1dB 미만입니다. AML(안테나 오정렬 손실)을 계산하려면 통계 데이터가 필요하므로 이 값은 여러 지상국에서 관측된 실제 데이터를 기반으로 한 근삿값입니다.

지향 손실 외에도 오정렬 손실은 편파 방향의 오정렬로 인해 발생할 수도 있습니다. 이러한 손실은 매우 작습니다. 따라서 안테나 오정렬 손실에는 편파 손실뿐만 아니라 지향 손실도 포함됩니다.

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

안테나 잡음 온도

안테나 잡음 온도는 주어진 환경에서 안테나가 생성하는 잡음 수준을 나타냅니다. 이 측정값은 안테나의 물리적 온도가 아닙니다. 안테나의 총 잡음 온도는 주로 하늘 잡음(T_sky)과 지상 잡음(T_gnd)에 따라 달라집니다.

T_sky는 대기 및 배경 복사의 두 가지 주요 성분으로 구성됩니다. 상층 대기는 흡수 매체이므로 하늘 잡음은 고도에 따라 증가합니다. T_gnd는 사이드로브를 통해 포착되는 안테나 잡음에 주로 기여합니다. 고도각이 낮아질수록 지면을 가로지르는 사이드로브가 증가함에 따라 지상 잡음 온도는 증가합니다. 깊은 접시형은 얕은 접시형보다 낮은 고도에서 지상 잡음을 덜 포착합니다.

송신 방향도 안테나 잡음 온도에 영향을 미칩니다. 지상국 안테나에서 우주로의 업링크 송신에서는 안테나 온도가 매우 낮습니다. 지구의 지상국 안테나로 다운링크를 송신하는 위성 안테나의 경우, 안테나 온도는 약 290K(지구의 잡음 온도)입니다.

시스템 잡음 온도는 수신기 체인의 모든 구성요소에서 발생하는 열 잡음의 총합, 즉 안테나 잡음 온도와 나머지 수신기 시스템의 잡음 기여도를 합한 값입니다.

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

잡음 온도 대비 안테나 이득은 안테나의 성능을 특징짓기 위한 수치로, 여기서 G는 수신기 주파수에서의 안테나 이득(단위: 데시벨)이고 T는 수신 시스템의 등가 잡음 온도(단위: 켈빈)입니다. 시스템 잡음 온도라고도 하는 T는 안테나 잡음 온도와 LNA(저잡음 증폭기) 온도를 모두 합친 값입니다.

G와 T의 비율은 다음과 같습니다.

G/T = Antenna gain (dBi) – 10log(T)

HPA 전력 백오프

HPA에 다중 반송파 신호를 입력으로 공급하면 신호를 증폭하고 이 과정에서 원치 않는 상호변조(IM) 성분을 생성합니다. 증폭기가 선형 영역에서 동작할 때는 이러한 IM 성분이 메인 신호에 간섭을 일으키지 않습니다. 그러나 증폭기가 포화점에 가까워지고 비선형 동작 영역에 진입하면 간섭이 증가하고 이러한 IM 성분이 주 신호에 간섭하기 시작하여 출력 신호 품질이 저하됩니다. 증폭기에 전력 백오프를 도입하면 입력 전력이 약간 증가하더라도 증폭기가 항상 선형 영역의 포화점보다 낮은 전력 수준에서 동작하도록 합니다. 일반적으로 증폭기는 효율이 가장 높은 포화점 근처에서 동작합니다. 전력 백오프는 HPA 입력(입력 백오프 또는 IBO라고 함)이나 HPA 출력(출력 백오프 또는 OBO라고 함)에 적용할 수 있습니다.

강우 페이딩

강우는 파동의 에너지를 산란시키고 흡수하여 전파를 감쇠시킵니다. 강우 감쇠는 주파수가 증가함에 따라 증가하며 C 대역에 비해 Ku 대역에서 더 심합니다. 연구에 따르면 수평 편파에 대한 강우 감쇠가 수직 편파에 대한 감쇠보다 훨씬 더 큰 것으로 나타났습니다. 링크 마진은 강우 페이딩을 보정해야 합니다. 정상적인 상태에서는 산소와 수증기만이 흡수에 크게 기여하지만, 70GHz 이상의 주파수에서 매우 건조한 공기 상태에서는 다른 대기 가스가 요인이 됩니다. ITU-R(국제전기통신연합 권고) P.618은 지구-우주 네트워크 계획에 필요한 다양한 대기 전파 파라미터를 예측합니다. 자세한 내용은 지구-우주 전파 손실 항목을 참조하십시오.

위성 정보

여기에는 궤도 위치, 위성 운영자로부터 가져온 수신된 G/T 또는 G/T 윤곽선 지도, 포화 자속 밀도 등 위성 측면과 관련된 정보가 포함됩니다. 이 정보는 위성 링크 버짓을 효과적으로 계산하는 데 도움이 됩니다.

반송파 정보

여기에는 사용자 데이터 레이트(단위: 초당 메가비트 수(Mbps)), 사용된 변조 기법 유형, FEC(순방향 오류 정정) 코드율, 롤오프 인자, BER(비트 오류율) 등의 정보가 포함됩니다. 이 정보는 우주 대 지상 링크와 그 반대의 링크 버짓을 분석하는 데 도움이 됩니다.

위성 반송파 간격

ACI 수준은 대상 위성과 간섭을 일으키는 위성 간의 궤도 간격, 간섭을 일으키는 업링크 지구국의 안테나 사이드로브 성능, 수신 지구국의 안테나 사이드로브 성능, 반송파의 스펙트럼 전력 밀도와 같은 여러 파라미터의 함수입니다.

위성 반송파 간격이 권장 간격보다 작으면 인접한 반송파에서 원하는 반송파로의 스펙트럼 중첩이 발생할 수 있습니다. 이 원치 않는 에너지는 복조기에서 잡음 증가로 작용하여 유효 반송파 대 잡음비(CNR) C/N₀을 감소시키고 BER을 저하시킵니다.

링크 전력 버짓 방정식

무선 링크 설계의 목표는 무선 송신기와 연결된 수신기 간에 안정적인 통신 링크를 구축할 수 있도록 하는 것입니다. 링크 성능은 일반적으로 수신된 반송파 전력 C와 잡음 파워 스펙트럼 밀도 N_o의 비율로 평가되며, C/N_o 비율로 표현됩니다.

반송파 전력을 수신기 입력 전력으로 정의합니다.
C = P_R
$C = (\frac{P_{T} G_{T}}{L_{T} L_{F T}}) (\frac{1}{L_{P}}) (\frac{G_{R}}{L_{R} L_{F R} L_{P o l}})$ (방정식 1)
각 요소는 다음과 같습니다.
- P_T = 송신기 전력(단위: 와트)
- G_T = 송신기의 안테나 이득
- L_T = 송신기 안테나의 오정렬로 인한 손실
- L_FT = 송신기와 송신단 안테나 간의 피더 손실
- L_P = FSPL과 대기 감쇠를 포함한 전파 손실
- G_R = 수신기의 안테나 이득
- L_R = 수신기 안테나의 오정렬로 인한 손실
- L_FR = 수신단 안테나와 수신기 간의 피더 손실
- L_Pol = 편파 불일치 손실
모든 이득과 손실은 선형 스케일입니다.
잡음 스펙트럼 밀도를 볼츠만 상수 k와 시스템 잡음 온도 T_s의 곱으로 정의합니다.
N₀ = k ✕ T_s(방정식 2)
각 요소는 다음과 같습니다.
- k = 볼츠만 상수= 1.38*10^-23(J/K)
- T_s에는 수신기 잡음과 함께 안테나와 피더에서 생성하는 잡음이 포함됩니다.
  T_s = T_ant + T_r,
  각 요소는 다음과 같습니다.
  - T_ant = T_sky + T_gnd, 여기서:
    
    T_sky에는 대기의 잡음이 포함됩니다.
    T_gnd에는 사이드로브와 백로브의 잡음이 포함됩니다.
  - T_r에는 수신기의 잡음 기여도가 포함됩니다.
방정식 1과 2를 사용하여 C/N_o를 계산합니다.

$\frac{C}{N_{o}} = \frac{P_{R}}{N_{o}} = (\frac{P_{T} G_{T} G_{R}}{L_{T} L_{F T} L_{P} L_{R} L_{F R} L_{P o l}}) (\frac{1}{k T_{S}})$
$= (\frac{P_{T} G_{T}}{L_{T} L_{F T}}) (\frac{1}{L_{P}}) (\frac{G_{R}}{L_{R} L_{F R} L_{P o l}} \times \frac{1}{T_{S}}) (\frac{1}{k})$ (방정식 3)
C/N_o 표현식을 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
C/N_o = (EIRP)✕(1/L)✕(Composite receiver gain/noise temperature)✕(1/k)(방정식 4)
각 요소는 다음과 같습니다.
- EIRP는 송신단에서의 값(단위: 와트)입니다.
- L은 송신 매체의 총 경로 손실을 나타냅니다.
- (Composite receiver gain/noise temperature)는 G/T 또는 수신기의 감도 지수입니다.
- C/N_o는 헤르츠 단위로 표현됩니다.
방정식 4를 다음과 같이 더 단순화할 수 있습니다.
C/N_o = (EIRP)✕(1/Path loss)✕(G/T)✕(1/k)
데시벨 표현(dB) 사용:

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

$\begin{array}{l} = P_{T, d B w} + G_{T, d B i} + G_{R, d B i} - L_{T, d B} - L_{F T, d B} - L_{P, d B} - L_{R, d B} - L_{F R, d B} - L_{P o l, d B} - 10 \log_{10} T_{S} - 10 \log_{10} k \\ = P_{T, d B w} + G_{T, d B i} + G_{R, d B i} - L_{T x, d B} - L_{P, d B} - L_{R x, d B} - 10 \log_{10} T_{S} - 10 \log_{10} k \end{array}$
각 요소는 다음과 같습니다.
- L_Tx = 송신단에서의 모든 손실 합계
- L_Rx = 수신단에서의 모든 손실 합계
이를 통해 링크 전력 버짓 방정식을 구할 수 있습니다.
링크 설계에서 중요한 고려 사항 중 하나는 링크 마진입니다. 수신기 프론트엔드에서 순간 신호 전력과 잡음 전력은 변동(fluctuate)될 수 있으므로, 전력 변동(fluctuation)에 대응하기 위해 링크 마진을 적용해야 합니다. 이렇게 하면 링크 설계가 주어진 데이터 무결성 요구 사항(일반적으로 BER로 표현됨)을 충족할 수 있습니다. 변조 방식에 대한 목표 BER을 달성하려면 필요한 E_b/N_o를 올바르게 설정합니다.
Received E_b/N_o = C/N_o – 10log10(user bit rate) – 60
각 요소는 다음과 같습니다.
- Received E_b/N_o = 수신된 비트당 에너지 대 잡음 전력 밀도 비율(단위: dB)
- user bit rate = 링크의 비트 레이트(단위: 초당 메가비트 수(Mbps))
수신된 E_b/N_o 값을 사용하여 다음 공식을 통해 링크 마진을 계산합니다.
Margin = Received E_b/N_o – Required E_b/N_o

참고 항목