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Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 16. Starlink e clima

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Starlink e clima



Depois que o teste beta público começou e centenas de entusiastas receberam, montaram e conectaram seus terminais à rede, experimentos "populares" começaram, levando os "experimentadores" a conclusões interessantes e às vezes até corretas.



Em primeiro lugar, todos estavam interessados ​​na influência do clima e, dada a estação (outono profundo) e a localização geográfica (ao norte dos Estados Unidos na região de 50 paralelos), as principais disputas eram sobre se a neve e a chuva afetavam o trabalho e a taxa de transferência de dados.





Vamos começar com uma teoria que nos diz que qualquer meio atenuará o sinal de rádio. Isso está detalhado nas Metodologias da União Internacional de Telecomunicações (para os curiosos está aqui https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.619-3-201712-S!!PDF- R.pdf ).



Resumidamente, é estabelecido que para ondas de rádio com frequência superior a 500 MHz, a atenuação principal é determinada pelos gases troposféricos, oxigênio e vapor d'água, bem como chuva e outros hidrometeores, enquanto dióxido de carbono (CO2) e nitrogênio, curiosamente, têm um efeito extremamente fraco ... Nesse caso, a dependência da atenuação da onda de rádio também depende da frequência e tem picos, por exemplo, em 22 e 60 GHz.



Dado que a composição da atmosfera é estável, apenas a precipitação pode afetar o funcionamento do Starlink. Verificou-se que a precipitação para sinais de diferentes frequências afeta de forma diferente, e essa influência está associada à dependência do comprimento de onda e do tamanho da gota de chuva. Comprimento da onda de rádio = velocidade da luz / frequência



Frequência, GHz 4 6 onze quatorze 18 trinta
Comprimento de onda, cm 7,5 5.0 2,7 2,1 1,7 1.0


Os hidrometeoros na troposfera (gotas de chuva e nevoeiro, neve, etc.) dispersam a energia das ondas de rádio, cujo comprimento de onda é proporcional ao tamanho dos hidrometeoros. Vamos mostrar a atenuação do sinal na chuva L d em vários ângulos de elevação α e a probabilidade de chuva cair ( T d ) (Figura 2.7).





Figura 1. Dependências da frequência da absorção do sinal na chuva com a frequência em diferentes ângulos de elevação e probabilidade de chuva.



Atenuação na chuva em dB por 1 km com polarização vertical e 18 º , dependendo da intensidade da chuva, J mm / h é mostrado na Fig. 2



Figura 2. Atenuação do sinal dependendo da intensidade da chuva J para diferentes frequências



Se formos para um plano prático, quanto menor a frequência do sinal do satélite, menos ele é afetado pela chuva e outras precipitações. Portanto, nas áreas onde chuvas fortes ou precipitações são possíveis (geralmente subtropicais e zona equatorial), muitas estações operam na banda C, ou seja, 4/6 GHz.



Minha experiência prática na Rússia com terminais de satélite das bandas Ku (11/14 GHz) e Ka (18/30 GHz) sugere que a influência da precipitação em seu trabalho certamente está lá, mas não deve ser exagerada. Normalmente, a perda de comunicação na região de Moscou ocorre durante a passagem de uma frente de tempestade e dura 10-15 minutos. Proprietários de TV via satélite (NTV Plus ou Tricolor) veem como a imagem "se desintegra em quadrados".



Ao mesmo tempo, neve e gelo têm uma constante dielétrica baixa (ao contrário da água, a diferença é de até 25 vezes) e praticamente não interferem na recepção e transmissão do sinal. O mais problemático do ponto de vista da influência na transmissão de um sinal de rádio é a água, com sua constante dielétrica anormalmente alta (é igual a 81, embora para a maioria dos outros materiais seja inferior a 10). E uma camada de 1-2 mm de água no receptor ou transmissor do sinal (e não no espelho em si !!!) é suficiente para prejudicar significativamente a transmissão do sinal). É verdade que, no caso do terminal Starlink, os chips do transmissor / receptor estão localizados imediatamente abaixo da superfície da antena, mas devido à inclinação do terminal durante a operação e, possivelmente, um revestimento especial, a água drena rapidamente dele



Porém, mesmo chuvas fortes e neve derretida, conforme estabelecido pelos proprietários dos terminais Starlink, ainda praticamente não afetam sua velocidade. Por quê??



Em primeiro lugar, vamos indicar qual o parâmetro que caracteriza a influência da atmosfera no funcionamento do terminal. Starlink chama de SNR (relação sinal-ruído), e na literatura é geralmente escrito como Eb / No (com uma versão russa interessante correspondente de “ebinoise”), que é medido em decibéis e geralmente está na faixa de 3..20 dB. De acordo com a reserva de energia disponível, podemos usar várias modulações de sinal de BPSK a 64QAM, que nos permitem obter uma eficiência espectral de 0,5 a 6 bits / Hertz, ou seja, obter uma taxa de transmissão de 1 MHz de 500 kbit a 6 Mbps.



Aqui está uma tabela que caracteriza a eficiência espectral dependendo do valor de Eb / No





Segue-se que com Eb / No 6,62 dB podemos transmitir 1,98 bits de informação de 1 Hz, enquanto com Eb / No 12,73 dB podemos transmitir 3,7 bits de informação de 1 Hz.



O que acontece com o terminal quando começa a chover? A relação sinal-ruído começa a diminuir, e o sistema, que mede constantemente essa relação no terminal, transmite informações para o gateway, que passa a alterar o modcode no sinal para este terminal, reduzindo-o até que a diminuição em Eb / No atinja um nível correspondente ao nominal, o assinante é absolutamente nada não verá / sentirá, e somente quando o sinal enfraquece ainda mais e cai abaixo do nível do modcode nominal, o assinante pode perceber algo.



Isso só pode ser percebido em um teste de longo prazo (2-3 horas, correspondendo a um período de mudanças climáticas significativas), no entanto, quase nenhum dos testadores beta pode apresentar um teste contínuo de downloads de arquivos por várias horas, a fim de compreender a dependência exata da velocidade de download em relação à chuva. A figura abaixo mostra que em alguns momentos o SNR caiu para zero, ou seja, a conexão foi interrompida.





Ao mesmo tempo, as flutuações no valor SNR - e aqui vou lembrá-lo de que uma diminuição nele em 3 dB é uma diminuição de 2 (dois !!) tempo na potência do sinal - são claramente perceptíveis e estão provavelmente associadas a uma mudança na distância ao (s) satélite (s).



O que mais pode ajudar o assinante a não notar a chuva?





Este sistema é denominado AGC - Automatic Gain Control. Já se sabe que está no terminal Starlink, pois os documentos enviados à FCC (Federal Communications Commission dos EUA) indicam que o terminal dá potência de 0,67 W se o satélite estiver diretamente acima dele e a distância for de 550 km, até 4,06 W no caso do satélite ter mais de 1000 km e ser visível a um ângulo de 25 graus. Assim, medindo Eb / No no terminal, o Network Control Center pode comandar o satélite e o próprio terminal para aumentar a potência do transmissor, a fim de atingir o mesmo nível de sinal nominal para recepção e / ou transmissão.



O próximo parâmetro do tempo é a temperatura do ar, em princípio, ela afeta a densidade do ar, e quanto mais denso o ar, teoricamente mais atenuação do sinal nele contido, porém, essa mudança está dentro de frações de um por cento. Mais significativamente, deve afetar o LNB (LNA - Low Noise Amplifier), que converte o sinal de rádio da linha do satélite para o terminal em um sinal elétrico. Qualquer LNA é caracterizado pela chamada “temperatura de ruído”, quanto menor esta temperatura, menor é a perda de sinal durante a recepção, maior é a taxa de recepção da informação no nosso caso do satélite para o terminal receptor. Na radioastronomia, em seus sistemas de observação de estrelas, para melhorar a recepção e distinguir o sinal de galáxias distantes, os LNAs são até colocados em recipientes com hélio líquido (ver https://vsatman888.livejournal.com/193856.html ).



A temperatura de "ruído" aproximada Tsh dos receptores de antenas faseadas é da ordem de 200 Kelvin, e a temperatura terminal muda em mais / menos 20 graus, de acordo com a fórmula para determinar a figura de ruído F = (T w + T o ) / T o , onde T o = 290 K, nos promete nas geadas um aumento em sua produtividade na região de várias dezenas de por cento. Portanto, o sentimento dos primeiros assinantes do Starlink de que o terminal funciona "melhor" no tempo frio pode ser bem fundamentado.





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