[논문]강우 감쇠가 존재하는 위성 방송 시스템의 성능 개선

강희조

강우 감쇠가 존재하는 위성 방송 시스템의 성능 개선
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본 논문에서는 위성통신을 이용한 방송 및 디지털 멀티미디어 서비스의 요구증대를 앞두고 20 GHz 이상의 높은 주파수 대역의 강우에 의한 전파 손실 예측 모델을 제안하고 강우량에 따른 감쇠 정도를 기존의 모델과 비교 분석 하였다. 본 논문에서는 Ka 대역에서 강우 감쇠 특성에서 이론치와 실험치가 접근함을 보이고 강우감쇠에 효과적인 기법을 제안하여 적응변조 시스템의 성능을 분석하였다. 제안 예측모델에서는 강우 강도를 기준으로 위성링크 설계를 위한 안테나 크기, 시스템의 불작동율 등에 대한 기본 자료를 Ka 대역 위성통신 시스템의 원활한 운영을 위해 제공한다.

The demand for digital multimedia service using Ka band satellite communication are growing rapidly. So, in this paper, we have analyzed rain attenuation with typical model, and proposed prediction model of rain attenuation in high frequency(20 GHz). This paper illustrates Korea rain attenuation characteristics at the Ka band Koreasat beacon frequency based on the theoretical and empirical approaches and seek for efficient techniques by rain attenuation estimate and analyzed performance of adaptive modulation system. Propose prediction model of rain attenuation and parameter of satellite link can be available for the Ka band satellite communication.

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문제 정의

본 논문에서는 Ka 대역의 강우감쇠에 따른 실측 자료를 토대로 성능 열화 정도를 분석하고 강우감쇠 예측에 따른 효율적 운용 방안을 모색하고 보상기법 중의 하나인 적응형 변조방식을 고려한 시스템 성능을 분석한다.
본 논문에서는 강우에 따른 효율적인 보상을 위한 기법중의 하나인 적응형 변조 기법을 적용한 고품질 위성 방송 시스템에 대한 파라미터를 산출하고 성능 분석을 하였다. BPSK, QPSK, 8PSK의 변조방식을 사용하였고 고려된 시스템 분석 파라미터는 표2에 나타내었다.
본 연구에서는 위성 통신 시스템의 개요와 국내 위성 통신 현황을 토대로 강우에 의한 위성 통신 시스템의 성능 열화를 예측 모델과 전남 나주와 대전에서 측정한 강우 감쇠 실측 자료로 분석하고 보상 기법중의 하나인 적응형 보상 기법을 적용한 고품질 위성 방송 시스템에 대해 분석하였다.

제안 방법

로 예측되며, 여기서 a, b는 주파수 및 편파에 따른 상수(표 1 참조)이고, R은 해당 시간율에 대한 강우 강도[mm/hr]이다. 만일, 고려하는 주파수가 표 1에 제시되지 않은 값이면 가까운 아래, 위 주파수에 해당하는 두 상수 값으로부터 내삽법을 이용하여 산출한다.

성능/효과

01%의 평균 강우량인 47 [mm/hr]로 폭우가 내릴 때에는 11 dB 이상의 강우 감쇠가 나타나고 있으므로 적응 변조 기법도 시스템 성능 개선에 큰 도움이 되지는 못하는 것으로 분석되었다. 또한 라이 시안 factor=7인 페이딩 환경에서는 모든 변조 기법에서 레일리 페이딩 환경보다 3 dB 정도의 SNR 개선 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 위의 결과를 분석하면 서비스 품질 BER = 10^-10을 만족하는 위성 통신 시스템에서 년간 강우 시간율 0.
그림 4, 5는 라이시안 factor 값에 따라 각 변조 모드별 성능 분석 그래프이다. 라이시안 factor k=1인 경우는 직접파 성분이 아주 열악한 레일리 분포의 페이딩 환경으로써 HDTV, 3D-TV 등의 멀티미디어 통신, 초고속 인터넷, ATM 등의 광대역 통신 서비스에서 요구되는 BER = 10^-10을 만족하기 위해 BPSK에서는 16 dB, QPSK에서는 18 dB, 8PSK에서는 21 dB가 요구됨을 알 수 있다. 라이시안 factor k=7일 때는 직접파 성분이 비교적 양호한 페이딩 환경으로써 요구되는 BER = 10^-10을 만족하기 위해 각 변조 방식에 따라 12 dB, 14.
변조 방식별 성능 분석을 통해 적응 변조 스위칭파라미터의 산출이 가능하며 강우 감쇠의 영향에 따라 요구하는 SNR이 높아져야 됨을 알 수 있었다.
01%의 평균 강우량인 47 [mm/hr]로 폭우가 내릴 때에는 적응 변조 기법도 시스템 성능 개선에 큰 도움이 되지는 못하는 것으로 분석되었다. 서비스 품질 BER = 10^-10을 만족하는 위성 통신 시스템에서 년간 강우 시간율 0.1%에 해당하는 강우량인 18 [mm/hr] 이상으로 폭우가 내리는 년간 8시간 40분 정도는 고품질의 통신 서비스를 받을 수 없음을 알 수 있으며 여러 가지 보상 기법을 병행하여야 성능 개선 효과가 있을 것으로 분석되었다. 또한 47 [mm/hr] 이상의 강우량으로 폭우가 내리는 년간 50분(년간 강우 시간율 0.
또한 라이 시안 factor=7인 페이딩 환경에서는 모든 변조 기법에서 레일리 페이딩 환경보다 3 dB 정도의 SNR 개선 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 위의 결과를 분석하면 서비스 품질 BER = 10^-10을 만족하는 위성 통신 시스템에서 년간 강우 시간율 0.1%에 하당하는 강우량인 18 [mm/hr]로 폭우가 내리는 8시간 40분 정도는 통신 서비스를 받을 수 없음을 알 수 있었다.
이러한 결과를 토대로 높은 주파수를 이용하는 위성 방송 및 위성 통신 시스템 설계 과정에서는 적응 변조 기법이 반드시 적용하여야 하며 심각한 강우 감쇠에도 100% 통신 서비스를 위해서는 여러 가지 보상 기법을 병행하여 적용하여야 할 것으로 사료된다.

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