Глава 1. Основная часть система спутниковой связи
1.1 История спутниковой связи
В 1929 году Герман Поточник опубликовал книгу "Проблема космических путешествий". Он первым описал концепцию геостационарной орбиты, которую Поточник назвал "стационарным вихрем".
В 1945 году Артур Кларк направил письмо в британский радиолюбительский журнал Wireless World, в котором описал "возможность более отдаленного будущего-возможно, через полвека. "Искусственный спутник" на подходящем расстоянии от Земли ... он будет оставаться неподвижным над одной и той же точкой на Земле и будет виден почти с половины поверхности Земли. Три инверторные станции, расположенные под углом 120 ° на соответствующей орбите, смогут охватить практически всю поверхность Земли с помощью телевизионного вещания и микроволновой связи."
В 1963 году НАСА реализовало видение Кларка и запустило первые два спутника Syncom на геостационарную, но не геостационарную орбиту. Период их вращения соответствовал периоду вращения Земли, но их орбиты были наклонными и вытянутыми. В 1964 году-запуск Syncom 3, который облетает экватор и становится первым геостационарным спутником.
Было подписано соглашение о создании Международного консорциума спутниковой связи - INTELSAT. Это соглашение подписали США, Англия, Франция, Германия, Япония, Канада, Бразилия, Италия и другие - всего 11 стран. Цели Консорциума: разработка, проектирование, производство и эксплуатация глобальной коммерческой системы спутниковой связи. В 1987 году эта система обеспечивала около двух третей международных спутниковых каналов связи, а сейчас-около одной трети.
1965 в Советском Союзе была создана и введена в эксплуатацию спутниковая система связи "Молния-1" по названию спутника. Изображение в приложении 1. Эта система позволила организовать связь Москвы (станции на озерах Медвежье и Щелково) с регионами Дальнего Востока (станции в Уссурийске и Петропавловске-Камчатском), Сибири (станция в Улан-Удэ), Средней Азии. (станция в районе озера Балхаш). Система "Молния-1" транслировала телевизионные и радиопрограммы, газетные ленты, а также осуществляла телефонную и телеграфную связь с указанными регионами. 1967 В СССР было введено еще 20 каналов, которые вместе с существующими образовали первую в мире систему телевизионного вещания "Орбита" (главный конструктор Н.В. Талызин, НИИР).
1.2 Организация спутникового ствола
Спутник-это устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ZS), усиливает и передает одновременно всем ZS в пределах видимости спутника. Спутник не запускает и не заполняет никакой пользовательской информации, за исключением сигналов для отслеживания и устранения технических проблем и сигналов для определения его местоположения. Спутниковая передача начинается в определенном ZS, проходит через спутник и заканчивается в одном или нескольких ZS.
Система спутниковой связи состоит из трех основных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сегмента, такого как система Iridium (рис. 1.1).
Космический сегмент включает в себя проектирование спутников, расчет орбиты и запуск спутников. В сигнальной части рассматриваются вопросы, связанные с используемым частотным спектром, влиянием расстояния на организацию и обслуживание связи, источниками помех сигнала, схемами модуляции и протоколами передачи. Наземный сегмент включает в себя расположение и конструкцию точки доступа, типы антенн, используемых для различных применений, и схемы мультиплексирования для обеспечения эффективного доступа к спутниковым каналам. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент описаны в следующих разделах.
Рис. 1.1 Система "Iridium"
1.3 Космический сегмент
Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геостационарные орбиты, период которых равен периоду отметки на поверхности Земли. Это становится возможным, когда спутник помещается над определенным местом на Земле на расстоянии 35 800 км в экваториальной плоскости.
Большая высота, необходимая для поддержания геостационарной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от данной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки на Земле в четыре раза превышает расстояние на поверхности Земли между двумя ее наиболее удаленными точками. Текущая наиболее плотно занятая орбитальная дуга составляет 76 ° (приблизительно 67 ° W 143 ° W). Спутники в этом секторе обеспечивают связь со странами Северной, Центральной и Южной Америки.
Основными компонентами спутника являются его структурные элементы; системы позиционного управления, питания; телеметрия, слежение, команды; приемопередатчики и антенна (рис.1.2).
Рис. 1.2 Спутник со стабилизацией вращения.
Конструкция спутника гарантирует работу всех его компонентов. Предоставленный самому себе, спутник в конце концов переключится на случайное вращение, став бесполезным устройством связи. Стабильность и желаемая ориентация антенны поддерживаются системой стабилизации (рис. 1.3). Размер и вес спутника в основном ограничены мощностью транспортных средств, требованиями к солнечным панелям и количеством топлива для поддержки спутника (обычно в течение десяти лет).
Рис. 1.3 Спутник с трехосевой стабилизацией.
Спутниковая телеметрическая аппаратура используется для передачи информации о ее местоположении на Землю. При необходимости регулировки положения на спутник передаются соответствующие команды, при приеме которых включается силовое оборудование, и производится регулировка.
1.4 Сигнальная часть
Ширина линии.
Полоса пропускания спутникового канала характеризует объем информации, которую он может передать за единицу времени. Типичный спутниковый трансивер имеет полосу пропускания 36 МГц.
Обычно полоса пропускания спутникового канала большая. Например, один канал цветного ТВ занимает полосу пропускания 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу пропускания 36 МГц, при этом на спутнике установлено 12 или 24 приемопередатчика, что дает 432 МГц или 864 МГц соответственно.
Частотный спектр.
Спутники должны преобразовывать частоту сигналов, полученных от ES, прежде чем ретранслировать их на ES, поэтому частотный спектр спутника связи выражается парами. Из двух частот в каждой паре нижняя используется для передачи от спутника к ES (нисходящие потоки), верхняя используется для передачи от ES к спутнику (восходящие потоки). Каждая частотная пара называется полосой.
Современные спутниковые каналы обычно используют один из двух диапазонов: диапазон С (от спутника до эс в диапазоне 6 ГГц и обратно в диапазон 4 ГГц) или диапазон Ку (14 ГГц и 12 ГГц соответственно). Каждая полоса частот имеет свои особенности, ориентированные на разные задачи связи. Пример в таблице 1.
Табл.1 Характеристики полос частот.
| Спутниковые диа-пазоны полос пе-редачи, L ( GHz ) | Полоса, С (MHz) | Диапазон частот, Ku (GHz) | Доступная ширина, Ka (Hz) |
| 1.6/1.5 | 15 | 6/4 | 500 |
| 14/12 | 500 | 30/120 | 2500 |
Большинство активных спутников используют диапазон C. Передача в диапазоне С может охватывать большую площадь земной поверхности, что делает спутники особенно подходящими для передачи широковещательных сигналов. С другой стороны, сигналы C-диапазона относительно слабы и требуют современных и довольно дорогих антенн в ES. Важной особенностью сигналов С-диапазона является их устойчивость к атмосферным помехам. Атмосфера Земли почти прозрачна для сигналов 4/6 ГГц. К сожалению, именно по этой причине сигналы С-диапазона лучше всего подходят для наземных микроволновых передач "точка-точка", которые портят более слабые спутниковые сигналы. Это делает необходимым размещение точек доступа, использующих C-диапазон для передачи данных, на расстоянии многих километров от городских центров и густонаселенных районов.
Передача в Ku-диапазоне имеет противоположные свойства. Луч в этой передаче сильный и узкий, что делает передачу идеальной для соединений "точка-точка" или "точка-несколько точек". Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-диапазона, и ZS Ku-диапазона могут быть расположены в городских центрах. Высокая естественная сила сигнала Ku-диапазона позволяет обойтись без меньших и более дешевых антенн ZS.
К сожалению, сигналы Ku-диапазона чрезвычайно чувствительны к погодным условиям, особенно к туману и сильному дождю. Хотя известно, что такие погодные явления влияют на небольшую площадь в течение короткого периода, результаты могут быть довольно серьезными, если такие условия совпадают с CNN (самое загруженное время, например, 16: 00, пятница в полдень).
Передача голоса и данных.
Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких каналов передачи голоса или данных в одном спутниковом приемопередатчике.
В FDM форма сигнала каждого отдельного телефонного сигнала фильтруется, чтобы ограничить полосу пропускания диапазоном звуковых частот от 300 до 3400 Гц, а затем преобразуется. Кроме того, сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал базовой полосы. Каждая группа состоит из телефонных сигналов, расположенных с интервалом 4 кГц. Затем несколько групп повторно мультиплексируются, образуя большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных голосовых каналов.
Мультиплексирование с временным разделением (TDM) - это еще один метод передачи голоса и / или данных по одному каналу. В то время как FDM выделяет отдельные частотные сегменты во всей полосе пропускания для передачи голоса (или данных), TDM передает по всей выделенной полосе пропускания. В исходящем канале повторяющиеся базовые периоды времени, иногда называемые кадрами, делятся на фиксированное количество слотов, которые последовательно выделяются для передачи входящих сигналов голосового канала и канала передачи данных. Для защиты от возможной потери информации используются запоминающие устройства.
1.5 Наземный сегмент
Технологическое развитие привело к значительному сокращению размеров ПО. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские конструкции с антеннами диаметром более 30 м. Современные спутники весят несколько тонн, и антенны, часто не более 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разных местах. Тенденция к уменьшению размеров ПО при одновременном упрощении монтажа оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость АП, пожалуй, является основной характеристикой, определяющей широкое использование ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных затрат на хостинг и коммутацию. Любой фактор, снижающий стоимость установки новой точки доступа, безусловно, будет способствовать разработке приложений, ориентированных на CCC. Относительно высокая стоимость внедрения ES позволяет наземным оптоволоконным сетям в некоторых случаях успешно конкурировать с CCC.
Поэтому основным преимуществом спутниковых систем является возможность создания сетей связи, предоставляющих новые услуги связи или расширяющих старые, в то время как преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ПО с экономической точки зрения.
В зависимости от типа PO, он имеет функции отправки и / или получения. Как упоминалось ранее, почти все интеллектуальные функции в спутниковых сетях выполняются в точке доступа. Это включает в себя доступ к спутниковым и наземным сетям, мультиплексирование, модуляцию, обработку сигналов и преобразование частоты. Наконец, следует отметить, что большинство задач спутникового вещания решаются устройствами ZS.
В настоящее время существует четыре типа ZS. Наиболее сложными и дорогостоящими являются те, которые нацелены на высокоскоростную пользовательскую нагрузку с очень высокой пропускной способностью. Станции этого типа предназначены для обслуживания групп пользователей, которым требуются волоконно-оптические линии связи для обеспечения нормального доступа к ПО. Эти точки доступа стоят миллионы долларов (рис. 1.4).
Электростанции средней мощности эффективны для обслуживания частных корпоративных сетей. Размер этих сетей ES может значительно варьироваться в зависимости от реализуемых приложений (голос, видео, данные). Существует два типа корпоративных ССС.
Хорошо развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференции, электронная почта, видео, речь и передача данных. Все сети ZS имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции достигает 1 миллиона долларов.
Рис. 1.4 ЗС с высокой пропускной способностью.
Более дешевым типом корпоративной сети является ЦС большого количества (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT - Терминал с очень малой апертурой), подключенный к одной основной ЭС (MES-Главная земная станция). Эти сети обычно ограничиваются приемом / передачей данных и получением цифровых аудио-и видеосервисов. Микротерминалы взаимодействуют друг с другом при передаче с обработкой через основную точку доступа. Топология таких сетей является звездной.
Четвертый тип ПО ограничен его приемными возможностями. Это самый дешевый вариант для станции, так как ее оборудование оптимизировано для предоставления одной или нескольких конкретных услуг. Этот PO может направлять предварительные данные, аудио, видео или их комбинацию. Топология также имеет форму звезды.
1.6 Система Aloha
Влияние протокола множественного доступа Aloha (также известного как система Aloha), разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х годов, на развитие спутниковых и местных сетей связи не следует недооценивать.
В этой системе ES использует передачу пакетов по общему спутниковому каналу. Каждый PO может передавать только один пакет за раз. Поскольку спутнику назначена роль ретранслятора по отношению к пакетам, обе передачи перекрываются (мешают) и "уничтожают" друг друга, когда пакет от одного PO достигает спутника, когда он отправляет другой пакет от другого PO. Существует конфликтная ситуация, которую необходимо разрешить.
Согласно ранней версии aloha, известной как "чистая система Aloha", ZS может начать передачу в любое время. Когда они прослушивают свою успешную передачу по истечении времени распространения, они приходят к выводу, что им удалось избежать конфликтной ситуации (т. Е., таким образом, они получают положительное подтверждение).
В противном случае они будут знать, что произошло какое-то перекрытие (или, возможно, работал какой-то другой источник шума), и им придется ретранслировать (т. Е. Получить отрицательное подтверждение). Если точка доступа повторит свои программы сразу после прослушивания, вы снова столкнетесь с конфликтом. Введение случайных задержек повторной передачи и размещение конфликтующих пакетов с течением времени требует нескольких методов разрешения конфликтов.
Другая версия системы Aloha предполагает разделение времени на сегменты-окна, длина которых равна длине пакета во время передачи (предполагается, что все пакеты имеют одинаковую длину). Если теперь мы потребуем, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время зависит от спутника), мы получим двукратное увеличение эффективности спутникового канала, поскольку длина вкладок ограничена одним окном (а не двумя, как в чистом Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha и показана в таблице 2.
Табл.2 Период уязвимости для системы Aloha.
Третий подход основан на резервировании временных окон для этих запросов. Еще одним усовершенствованием системы Aloha является приоритет высокоинтенсивных ЭС.
1.7 Преимущества и ограничения ССС
CCC обладает уникальными особенностями, которые отличают его от других систем связи. Некоторые функции обеспечивают преимущества, которые делают спутниковую связь привлекательной для различных приложений. Другие создают неприемлемые ограничения для некоторых приложений.
ССС имеет ряд преимуществ:
Стабильные затраты. Стоимость спутниковой передачи через соединение не зависит от расстояния между передающим и принимающим ЗС. Кроме того, все спутниковые сигналы являются широковещательными сигналами. Таким образом, стоимость спутниковой передачи остается неизменной независимо от количества приемников ZS.
Широкий ассортимент продукции. Низкая вероятность ошибки. Поскольку битовые ошибки в цифровом спутниковом вещании очень случайны, для их обнаружения и исправления используются эффективные и надежные статистические схемы.
Ряд ограничений в использовании ССС:
* Значительная задержка. Большое расстояние между FE и спутником на геостационарной орбите приводит к задержке распространения почти на четверть секунды. Эта задержка очень заметна во время телефонного разговора и делает использование спутниковых каналов крайне неэффективным при передаче данных, не адаптированных к ССС.
* Размеры от ZS. Чрезвычайно слабый спутниковый сигнал на некоторых частотах, достигающих ES (особенно для спутников старшего поколения), увеличит диаметр антенны ES, что затруднит обнаружение станции.
* Защита от несанкционированного доступа к информации. С помощью радиовещания любая станция, настроенная на соответствующую частоту, может принимать информацию, передаваемую со спутника. Только часто довольно сложное шифрование сигналов защищает информацию от несанкционированного доступа.
* Помехи. Спутниковые сигналы, работающие в диапазонах Ku или Ka, чрезвычайно чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, работающие в диапазоне С, чувствительны к микроволновым сигналам. Помехи, вызванные плохой погодой, снижают эффективность передачи в диапазонах Ku и Ka в течение периодов от нескольких минут до нескольких часов. Помехи в полосе С ограничивают развертывание точек доступа в жилых районах с высокой концентрацией жителей.
Влияние вышеперечисленных преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей очень существенно. Решение об использовании КТС вместо распределенных наземных сетей всегда должно быть экономически обоснованным. Волоконно-оптические сети связи все чаще конкурируют с ССС.