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Alles ĂŒber das Starlink Satellite Internet-Projekt. Teil 16. Starlink und Wetter

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Starlink und Wetter



Nachdem die öffentlichen Betatests begonnen hatten und Hunderte von Enthusiasten ihre Terminals empfangen, zusammengestellt und mit dem Netzwerk verbunden hatten, begannen „Folk“ -Experimente, die die „Experimentatoren“ zu interessanten und manchmal sogar korrekten Schlussfolgerungen fĂŒhrten.



ZunĂ€chst war jeder am Einfluss des Wetters interessiert, und angesichts der Jahreszeit (tiefer Herbst) und der geografischen Lage (nördlich der Vereinigten Staaten in der Region von 50 Parallelen) ging es hauptsĂ€chlich darum, ob Schnee und Regen die Arbeit und die DatenĂŒbertragungsrate beeinflussen.





Beginnen wir mit einer Theorie, die uns sagt, dass jedes Medium das Funksignal dĂ€mpft. Dies ist in den Methoden der International Telecommunication Union (fĂŒr Neugierige hier https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.619-3-201712-S!!PDF-) beschrieben R.pdf ).



Kurz gesagt wird festgestellt, dass bei Radiowellen mit einer Frequenz von mehr als 500 MHz die HauptdĂ€mpfung durch Gase der TroposphĂ€re, Sauerstoff und Wasserdampf sowie Regen und andere Hydrometeore bestimmt wird, wĂ€hrend Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff seltsamerweise eine Ă€ußerst schwache Wirkung haben ... In diesem Fall hĂ€ngt die AbhĂ€ngigkeit der DĂ€mpfung der Funkwelle auch von der Frequenz ab und weist Spitzen beispielsweise bei 22 und 60 GHz auf.



Da die Zusammensetzung der AtmosphĂ€re stabil ist, kann nur die AusfĂ€llung den Betrieb von Starlink beeinflussen. Es wurde festgestellt, dass der Niederschlag fĂŒr Signale mit unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Auswirkungen hat, und dieser Einfluss ist mit der AbhĂ€ngigkeit der WellenlĂ€nge und der GrĂ¶ĂŸe des Regentropfens verbunden. RadiowellenlĂ€nge = Lichtgeschwindigkeit / Frequenz



Frequenz, GHz 4 6 elf vierzehn 18 dreißig
WellenlÀnge, cm 7.5 5.0 2.7 2.1 1.7 1.0


Hydrometeore in der TroposphĂ€re (Regentropfen und Nebel, Schnee usw.) streuen die Energie von Radiowellen, deren WellenlĂ€nge der GrĂ¶ĂŸe von Hydrometeoren entspricht. Zeigen wir die DĂ€mpfung des Signals im Regen L d bei verschiedenen Höhenwinkeln α und die Wahrscheinlichkeit, dass Regen fĂ€llt ( T d ) (Abbildung 2.7).





Abb. 1. FrequenzabhÀngigkeiten der Signalabsorption im Regen von der Frequenz bei verschiedenen Höhenwinkeln und der Wahrscheinlichkeit des Niederschlags Die



DĂ€mpfung des Regens in dB pro 1 km mit vertikaler Polarisation und 18 Âș , abhĂ€ngig von der RegenintensitĂ€t, J mm / h ist in Abb. 2 dargestellt



Abb. 2. DĂ€mpfung des Signals in AbhĂ€ngigkeit von der IntensitĂ€t des Regens J fĂŒr verschiedene Frequenzen



Wenn wir zu einer praktischen Ebene gehen, ist es umso weniger von Regen und anderen NiederschlĂ€gen betroffen, je niedriger die Frequenz des Satellitensignals ist. Daher arbeiten in den Regionen, in denen starke Schauer oder NiederschlĂ€ge möglich sind (normalerweise Subtropen und die Äquatorzone), viele Stationen im C-Band, dh 4/6 GHz.



Meine praktischen Erfahrungen in Russland mit Satellitenterminals der BĂ€nder Ku (11/14 GHz) und Ka (18/30 GHz) legen nahe, dass der Einfluss von NiederschlĂ€gen auf ihre Arbeit sicherlich vorhanden ist, aber nicht ĂŒbertrieben werden sollte. Normalerweise tritt der Kommunikationsverlust in der Region Moskau wĂ€hrend der Passage einer Gewitterfront auf und dauert 10-15 Minuten. Besitzer von Satellitenfernsehen (NTV Plus oder Tricolor) sehen, wie das Bild "in Quadrate zerfĂ€llt".



Gleichzeitig haben Schnee und Eis eine niedrige DielektrizitĂ€tskonstante (im Gegensatz zu Wasser betrĂ€gt der Unterschied das bis zu 25-fache) und stören den Signalempfang und die SignalĂŒbertragung praktisch nicht. Unter dem Gesichtspunkt des Einflusses auf die Übertragung des Funksignals ist Wasser mit seiner ungewöhnlich hohen DielektrizitĂ€tskonstante am problematischsten (es ist gleich 81, obwohl es fĂŒr die meisten anderen Materialien weniger als 10 betrĂ€gt). Und eine Schicht von 1-2 mm Wasser auf dem SignalempfĂ€nger oder -sender (und nicht auf dem Spiegel selbst !!!) reicht aus, um die SignalĂŒbertragung erheblich zu beeintrĂ€chtigen. Zwar befinden sich im Fall des Starlink-Terminals die Sender- / EmpfĂ€ngerchips unmittelbar unter der AntennenoberflĂ€che, aber aufgrund der Neigung des Terminals wĂ€hrend des Betriebs und möglicherweise einer speziellen Beschichtung lĂ€uft Wasser schnell aus dem Terminal ab



Selbst starke RegenfĂ€lle und schmelzender Schnee, wie sie von den EigentĂŒmern der Starlink-Terminals festgestellt wurden, wirken sich jedoch praktisch nicht auf die Geschwindigkeit aus. Warum??



Lassen Sie uns zunĂ€chst angeben, welcher Parameter den Einfluss der AtmosphĂ€re auf den Betrieb des Terminals kennzeichnet. Starlink nennt es SNR (Signal-Rausch-VerhĂ€ltnis), und in der Literatur wird es normalerweise als Eb / No (mit einer entsprechend interessanten russischen Version von „Ebinoise“) geschrieben, das in Dezibel gemessen wird und normalerweise im Bereich von 3 bis 20 dB liegt. Entsprechend der verfĂŒgbaren Gangreserve können wir verschiedene Signalmodulationen von BPSK bis 64QAM verwenden, die es uns ermöglichen, eine spektrale Effizienz von 0,5 bis 6 Bit / Hertz zu erhalten, dh eine Übertragungsrate von 1 MHz von 500 kbit bis 6 zu erhalten Mbit / s.



Hier ist eine Tabelle, die die spektrale Effizienz in AbhÀngigkeit vom Wert von Eb / No charakterisiert





Daraus folgt, dass wir mit Eb / Nr. 6,62 dB 1,98 Bit Information von 1 Hz ĂŒbertragen können, wĂ€hrend wir mit Eb / Nr 12,73 dB 3,7 Bit Information von 1 Hz ĂŒbertragen können.



Was passiert mit dem Terminal, wenn es anfĂ€ngt zu regnen? Das Signal-Rausch-VerhĂ€ltnis beginnt abzunehmen, und das System, das dieses VerhĂ€ltnis am Terminal stĂ€ndig misst, ĂŒbertrĂ€gt Informationen an das Gateway, das den Modcode im Signal fĂŒr dieses Terminal zu Ă€ndern beginnt, bis die Abnahme von Eb / No einen dem Nennwert entsprechenden Pegel erreicht. Der Teilnehmer ist ĂŒberhaupt nichts wird nicht sehen / fĂŒhlen, und nur wenn das Signal noch mehr schwĂ€cher wird und unter den Pegel fĂŒr den nominalen Modcode fĂ€llt, kann der Teilnehmer etwas bemerken.



Dies kann nur bei einem Langzeittest (2-3 Stunden, entsprechend einer Zeit erheblicher WetterĂ€nderungen) festgestellt werden. Fast keiner der Betatester kann sich jedoch einen kontinuierlichen Datei-Download-Test ĂŒber mehrere Stunden vorstellen, um die genaue AbhĂ€ngigkeit der Download-Geschwindigkeit vom Regen zu verstehen. Das Bild unten zeigt, dass das SNR zu bestimmten Zeitpunkten auf Null gefallen ist, dh die Verbindung wurde unterbrochen.





Gleichzeitig sind Schwankungen des SNR-Werts - und hier möchte ich Sie daran erinnern, dass eine Abnahme um 3 dB eine 2 (zwei !!) zeitliche Abnahme der Signalleistung ist - gut spĂŒrbar und höchstwahrscheinlich mit einer Änderung der Entfernung zum Satelliten / den Satelliten verbunden.



Was kann dem Abonnenten sonst noch helfen, den Regen nicht zu bemerken?





Dieses System heißt AGC - Automatic Gain Control. Es ist bereits bekannt, dass es sich auf dem Starlink-Terminal befindet, da aus den an die FCC (Federal Communications Commission der USA) gesendeten Dokumenten hervorgeht, dass das Terminal eine Leistung von 0,67 W abgibt, wenn sich der Satellit direkt darĂŒber befindet und die Entfernung 550 km betrĂ€gt 4,06 W fĂŒr den Fall, dass der Satellit mehr als 1000 km entfernt ist und in einem Winkel von 25 Grad sichtbar ist. Durch Messen von Eb / No am Terminal kann das NOC dem Satelliten und dem Terminal selbst befehlen, die Sendeleistung zu erhöhen, um den gleichen nominalen Signalpegel fĂŒr den Empfang und / oder das Senden zu erreichen.



Der nĂ€chste Wetterparameter ist die Lufttemperatur, sie beeinflusst im Prinzip die Luftdichte, und je dichter die Luft ist, desto theoretisch ist die SignaldĂ€mpfung darin umso grĂ¶ĂŸer. Diese Änderung liegt jedoch innerhalb von Bruchteilen eines Prozent. Noch wichtiger ist, dass der LNB (LNA - Low Noise Amplifier) ​​das Funksignal auf der Leitung vom Satelliten zum Terminal in ein elektrisches Signal umwandelt. Jeder LNA ist durch die sogenannte "Rauschtemperatur" gekennzeichnet. Je niedriger diese Temperatur, je geringer der Signalverlust beim Empfang, desto höher ist in unserem Fall die Informationsempfangsrate vom Satelliten zum empfangenden Terminal. In der Radioastronomie werden LNAs in ihren Sternbeobachtungssystemen, um den Empfang zu verbessern und das Signal von entfernten Galaxien zu erkennen, sogar in BehĂ€ltern mit flĂŒssigem Helium platziert (siehe https://vsatman888.livejournal.com/193856.html ).



Die ungefĂ€hre "Rauschtemperatur" Tsh von EmpfĂ€ngern von Phasenantennen liegt im Bereich von 200 Kelvin, und die Klemmentemperatur Ă€ndert sich um plus / minus 20 Grad gemĂ€ĂŸ der Formel zur Bestimmung der Rauschzahl F = (T w + T o ) / T o , wobei T o = 290 K verspricht uns bei Frost eine Steigerung seiner ProduktivitĂ€t im Bereich von mehreren zehn Prozent. Daher kann das GefĂŒhl der ersten Starlink-Abonnenten, dass das Terminal bei kaltem Wetter "besser" funktioniert, begrĂŒndet sein.





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