Satellite Link Budget

SATELLITE LINK 1. 2. 3. 4.

Review parameter antena, thermal noise, etc Anatomi link satelit Rugi-rugi Analisa link budget dasar untuk kondisi clear sky dan hujan

Obyektif Perkuliahan „

Dapat memahami antena dan mekanisme kerjanya „ Dapat memahami link komunikasi satelit dan rugi-rugi. „ Dapat memahami link budget

Referensi : Maral, G and Bousquet, M., “Satellite Communication Technology : System and Design”, John Willey and Son, 1995 Chapter 2, page

Agenda Perkuliahan „ Parameter antena „ Anatomi link satelit „ Analisa link budget dasar untuk kondisi clear

sky dan hujan

Basic Link Analysis

Φ

Parameter Antena „ Gain

Antena adalah divais pasif (tidak menghasilkan daya atau penguatan) „ Gain yang dimaksud adalah bila dibandingkan antena lain „ Satuannya adalah dBi (ref. antena isotropis) dan dBd (ref. antena dipole λ/2) „ Radiation pattern „

Parameter Antena „ Gain

„ Beamwidth

⎛ 4π ⎞ Gmax = ⎜ 2 ⎟ Aeff ⎝λ ⎠ Gmax

⎛ πD ⎞ = η⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠

2

55% ≤ η ≤ 75%

η = η i ×η s ×η f ×η z × K

„ Efisiensi akibat :

iluminasi, spill over, kerataan permukaan, ketidaksesuaian impedansi, loss ohmic, dll

θ 3dB =

70λ D

Gmax =

θ 3dB = 170

29000

(θ 3dB )2

10 (

Gmax,dBi 20

)

Parameter Antena „ Polarisasi „

Orientasi antena

„

Loss yang timbul akibat ketidaksesuaian polarisasiantena dengan gelombang datang

r r 2 PLF = (a ER • a A ) = cos 2 ϕ

Parameter Antena „ XPD (cross polarization

discrimination)

⎛ ac ⎞ XPD(dB) = 20log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ax ⎠

vertical

vertical

a

ac

„ XPI (cross polarization

isolation)

bx

⎛ ac ⎞ XPI(dB) = 20log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ bx ⎠

ax bc

b horisontal

horisontal

Parameter Antena „ Effective Radiated Power „ Sama dengan daya output HPA dikalikan dengan Gain antena (dengan antena referensi adalah antena dipole)

ERP= PT GT „ EIRP = ERP dengan antena

referensi adalah antena isotropis

Parameter Antena GT=1

Antena isotropis Daya radiasi per sudut ruang PT/4π

„ Power Flux Density PT

⎛PG ⎞ Φ = ⎜ T T2 ⎟ ⎝ 4πR ⎠

„ RSL (Received Signal

Antena isotropis Daya radiasi per sudut ruang PTGT/4π

Level)

PR = ΦAreff

GT PT

Parameter Antena „ Received Signal Power „ Gunakan teori transmisi Friis

⎛ 1 PR = (PT GT )⎜⎜ ⎝ LFS

LFS

⎛ 4πR ⎞ =⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠

⎞ ⎟⎟GR ⎠

2

LFS = 32.44 + 20 log R ( Km) + 20 log f ( MHz )

CONTOH „ UPLINK

DSB = 4m; PTSB = 100W ; f u = 14GHz; R = 40000 Km θ 3dBsat = 2o ;η sat = 0,55;η SB = 0,6

φMaxsat = ?; PRsat = ? „ DOWNLINK

PTsat = 10W ; f D = 12GHz;θ 3dBsat = 2o ;η sat = 0,55 DSB = 4m; R = 40000 Km;η SB = 0,6

φMaxSB = ?; PRSB = ?

Rugi-rugi dan Noise „ Rugi-rugi yang harus diperhitungkan „ Redaman propagasi atmosfer Æ free space loss dan redaman hujan „ Rugi-rugi pada perangkat pemancar dan penerima Æ redaman kabel feeder „ Rugi-rugi kesalahan pengarahan antena „ Rugi-rugi ketidaksesuaian polarisasi Æ XPD, XPI „ Sumber noise „ Sumber natural yang meradiasi di sekitar lokasi antena „ Noise yang dihasilkan oleh komponen perangkat penerima

Rugi-Rugi „ Redaman di atmosfer (hujan,

awan, salju, es, gas-gas di troposfer dan ionosfer)

L = LFS LA „ Redaman di Perangkat Tx dan Rx

PRx = PR LFRx [W ] „ Loss karena ketidaktepatan

pengarahan 2

⎛α ⎞ LT = 12⎜⎜ T ⎟⎟ [dB ] ⎝ θ 3dB ⎠ 2

⎛α ⎞ LR = 12⎜⎜ R ⎟⎟ [dB] ⎝ θ 3dB ⎠

„ Loss karena ketidaksesuaian

polarisasi „ Lihat penjelasan sebelumnya

Noise „ Sumber noise „ Noise yang dihasilkan oleh sumber radiasi natural terletak dalam daerah penerimaan antena „ Noise yang dihasilkan oleh komponen elektronik sebagai interferensi

N = N 0 BN T = N kB

Rapat spektral white noise

(

k = 1,38 × 10 − 23 W

HzK

)

Noise „ Temperatur derau

elemen 2-port

T = N kB „ Temperatur derau

elemen 4-port ⎛ Gk (Te + To )B ⎞ Te + To T ⎟⎟ = F = ⎜⎜ = 1+ e To To ⎝ GkTo B ⎠

„ Temperatur derau

sebuah antena ⎛ 1 ⎞ TA = ⎜ ⎟ ∫∫ Tb (θ , φ )G (θ , φ )dΩ ⎝ 4π ⎠

„ Temperatur derau

sebuah atenuator Te = (LF − 1)TF

FF = LF „ Temperatur derau

sebuah divais yang terdiri dari beberapa elemen secara kaskade

Te = Te1 + F = F1 +

TURUNKAN PERSAMAAN INI !!!

Te 2

G1

+

(F2 − 1)

Te 3

G1

+

G1G2

+L

(F3 − 1)

G1G2

+K

Noise „ Temperatur noise di Rx

TR T1 = TA + (LFRx − 1)TF + GFRx T1 TA ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟TF + TR T2 = = + ⎜⎜1 − LFRx LFRx ⎝ LFRx ⎠ TURUNKAN PERSAMAAN INI !!!

Signal to Noise pada Input Rx „ Figure of Merit

EIRP Æ perangkat pemancar „ Path loss Æ medium transmisi „ G/T Æ perangkat penerima „

„ Temperatur noise antena „

Antena satelit „

„

Bergantung pada frekuensi dan posisi orbit

Antena stasiun bumi „ „

Clear sky Kondisi Hujan

Temperatur Antena „ Temperatur antena

satelit

Temperatur Antena „ Temperatur antena

satelit

TA = TSKY + TGround ⎛ TSKY 1 ⎞⎟ ⎜ + Tm 1 − TA = + TGround ⎜ ⎟ Ahjn ⎝ Ahjn ⎠ Tm = 260 K − 280 K „ Sangat dipengaruhi „ Frek „ Sudut elevasi „ Kondisi atmosfer

Harga TG berdasarkan ITU-R

Temperatur Antena „ Temperatur derau clear sky Æ frek & sudut elevasi

Temperatur Noise

Contoh Perhitungan Uplink (clear sky)

„ „

F = 14GHz Untuk ES: „ „ „ „

„ „ „

PTX = 100W, LFTX = 0,5 dB Diameter Ant = 4 m Efisiensi antena = 0,6 Pointing error = 0,1o

Jarak ES-Sat = 40000 km LA = 0,3 dB Untuk Sat „ „ „ „ „

Beamwidth = 2o Efisiensi antena = 0,55 Noise figure = 3 dB LFRX = 1 dB, TF = 290 K TA = 290 K

Contoh Perhitungan Downlink (clear sky)

„ „

F = 12GHz Untuk Sat: „ „ „

„ „ „

PTX = 10W, LFTX =1 dB o Beamwidth = 2 Efisiensi antena = 0,55

Jarak ES-Sat = 40000 km LA = 0,3 dB Untuk ES „ „ „ „ „ „ „

Beamwidth = 2o Efisiensi antena = 0,6 Noise figure = 2,2 dB LFRX = 0,5 dB, TF = 290 K Diameter antena = 4m Kesalahan pointing =0,1o TA = 290 K, TGround= 45K

Perhitungan Link Satelit −1

−1

−1

⎛C⎞ ⎛C⎞ ⎛C⎞ = ⎜ ⎟ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ N ⎠Total ⎝ N ⎠u ⎝ N ⎠ d

TURUNKAN PERSAMAAN INI !!!

Contoh Perhitungan (dengan hujan) „ Uplink

LU = LFS + LA

C/N0 uplink akan berkurang akibat hujan karena adanya pengurangan daya carrier yang diterima oleh satelit (bertambahnya loss)

„ Downlink

LD = LFS + LA ⎛ TSKY 1 ⎞⎟ ⎜ + Tm 1 − TA = + TGround ⎜ ⎟ Ahjn ⎝ Ahjn ⎠ Tm = 260 K − 280 K

⎛G⎞ = berubah ⎜ ⎟ ⎝ T ⎠ stabum

C/N0 downlink akan berkurang akibat hujan selain karena adanya pengurangan daya carrier yang diterima oleh stabum (bertambahnya loss) juga akibat berkurangnya G/T akibat peningkatan temperatur noise di penerima

Pengaruh Medium Propagasi „ Efek curah hujan „ Redaman „ Cross Polarisasi „ Redaman hujan

ARain = γ R Le „

„

γR (dB/km) Æ bergantung frek dan intensitas hujan (mm/h) Le Æ panjang lintasan efektif gel dalam hujan

„ Prosedur penentuan

redaman hujan (berdasarkan ITU-R) „ „ „

„

„ „ „

Hitung tinggi hujan Hitung panjang slant path dalam hujan Tentukan intensitas/ laju hujan untuk outage time tertentu Hitung faktor reduksi untuk outage time tertentu Hitung Le Penentuan γR Penghitungan Arain

Pengaruh Medium Propagasi 1

⎧⎪3 + 0,028 jika 0 < latitude < 36o hR (km ) = ⎨ ⎪⎩4 − 0,075(latitude − 36 ) jika latitude ≥ 36o

hs

LS =

2 3 4

5

7

sin E

R0, 01 = bergantung dari daerah

L0 (km ) = 35e

Le = LS r0, 01

(hR − hS )

6

ARain ( p = 0,01) = γ R Le

−0 , 015 R0 , 01

r0, 01 = 1

hs : tinggi SB dari permukaan laut Valid untuk E>5o

(1 + (LS

L0 ) cos E )

γ R = dari nomogram ARain ( p ) = ARain ( p = 0,01)× 12 p − (0,546+ 0, 043log p )

Pengaruh Medium Propagasi Peta daerah hujan oleh CCIR [1988 ITU]

Pengaruh Medium „ Nomogram untuk

menentukan redaman γR

Pengaruh Medium Propagasi

[rodden]

Pengaruh Medium Propagasi „ Cross Polarization (ITU-R)

„ κ2 = 0,0053 σ2 Æ

XPD(dB ) = U − 20 log( ARain )

U (dB ) = 30 log( f ) − D(E ) + κ 2 + I (τ ) D(E )dB = 40 log(E )

{ (

I (τ ) = −10 log 0,5 1 − cos(4τ )e „ Keterangan : „ „ „ „

Berlaku untuk 3 – 37 GHz f : frek dalam GHz E : sudut elevasi dalam derajat τ: polarisation tilt angle relatif thdp horisontal

−κ m2

)}

distribusi sudut jatuhnya titik air „ I(τ) dapat diabaikan untuk polarisasi sirkular „ κm2 = 0,0053 σm „ Dengan „

σ = 0o, 5o, 10o, 15o untuk p = 1, 0.1, 0.01, 0.001 pada 14/11 GHz

Harga XPD tipikal adalah : 20 dB untuk p = 0,01%

Kompensasi Akibat Propagasi „ Cross Polarization „ Uplink : mengkoreksi polarisasi antena pemancar dengan mengantisipasi sedemikian sehingga gelombang datang matched thd antena satelit „ Downlink : dengan menyesuaikan polarisasi antena thdp gelombang datang „ Redaman „ Memberikan margin agar (C/N0)hujan = (C/N0)req Æ meningkatkan EIRP Æmembutuhkan tambahan daya transmit Æ bisa menimbulkan intermodulasi „ Site diversity „ Adaptivity

Kompensasi Akibat Propagasi „ Teknik Perbaikan dalam Kom. Sat

Interferensi dari Satelit Berdekatan „

Mode interferensi yang mungkin terjadi : „

Macam-macam mode interferensi antara satelit dan terestrial : „ A1 Transmisi dari stasiun terestrial menyebabkan interferensi yang di terima oleh stasiun bumi baru „ A2 Transmisi dari stasiun bumi baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh tasiun terestrial „ C1 Transmisi dari satelit baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh stasiun terestrial „ C2 Transmisi dari stasiun terestrial menyebabkan interferensi yang di terima oleh satelit baru

Propagasi Free Space Jaringan Satelit baru baru

Jaringan Satelit lama P r o p a g a s i

E B2

C2 B2

B1

C1

F r e e

B1

A2 F

A1

Stasiun Terestrial

Stasiun Bumi

Propagasi troposfer

S p a c e

Interferensi dari Satelit Berdekatan „

Macam-macam mode interferensi antara jaringan satelit yang berlainan dengan penggunaan frekuensi yang sama : „ B1 Transmisi dari satelit baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh stasiun bumi lama dan sebaliknya „ B2 Transmisi dari stasiun bumi baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh satelit lama dan sebaliknya

„ Macam-macam mode

interferensi antara jaringan satelit yang berlainan dengan penggunaan frekuensi yang sama secara 2 arah : „ E Transmisi dari satelit baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh satelit lama dan sebaliknya „ F Transmisi dari stasiun bumi baru menyebabkan interferensi yang di terima oleh stasiun bumi lama dan sebaliknya

Interferensi dari Satelit Berdekatan „ Kondisi propagasi

yang menyebabkan interferensi : „ Propagasi Free Space : antara stasiun bumi dengan satelit, contohnya : B1, B2, C1, C2 dan E. „ Propagasi Troposfer : efektif pada permukaan bumi, contohnya : A1, A2, dan F.

θ

θ

Satelit dan stasiun bumi yang diinginkan Satelit dan stasiun bumi penginterferensi

Interferensi antara 2 jaringan satelit