Характеристика спутниковых систем связи

 

1.5 Наземный сегмент

 

Технологическое развитие привело к значительному  уменьшению размеров ЗС. На начальном  этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами  более 30 м в диаметре. Современные  спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС.

Следовательно, главное преимущество спутниковых  систем состоит в возможности  создавать сети связи, предоставляющие  новые услуги связи или расширяющие  прежние, при этом с экономической  точки зрения преимущество ССС обратно  пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости  от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции  в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них – организация  доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.

В настоящее  время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской загрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов (рис. 1.4).

Станции средней  пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей  корпораций. Размеры подобных сетей  ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных  приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.

Развитая корпоративная  ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная  почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 млн. долларов.

Рис. 1.4 ЗС с высокой  пропускной способностью.

 

Менее дорогостоящим  типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT – Very Small Aperture Terminal), связанных с одной главной ЗС (MES – Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио - видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

Четвертый тип  ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант  станции, поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прем данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.[5]

 

1.6 Система  Aloha

 

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе  ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать только один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им другого пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и «разрушают» друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом Aloha, известной  под названием «чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в  любой момент времени. Если спустя время  распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию).

В противном  случае они знают, что произошло  наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и  они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант  система Aloha состоит в разбиении  времени на отрезки – окна, длина  которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что  все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha приведено в таблице 2.

 

 

Табл.2 Период уязвимости для системы Aloha.

Третий подход базируется на резервировании временных  окон по требованию ЗС.

Другим усовершенствованием  системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.[6]

 

1.7 Преимущества  и ограничения ССС

 

 ССС имеют  уникальные особенности, отличающие  их от других систем связи.  Некоторые особенности обеспечивают  преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

ССС имеет ряд  преимуществ:

Устойчивые  издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы – широковещательные. Стоимость спутниковой передачи , следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС

Широкая полоса пропускания. Малая вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

Ряд ограничений  в использовании ССС:

• Значительная задержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка вполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.
• Размеры ЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС (особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметр антенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции.
• Защита от несанкционированного доступа к информации. Широковещание позволяет любой ЗС, настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.
• Интерференция. Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ка- полосах частот, крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в С-полосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ка- полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.

Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.

 

2 Виды спутниковых  систем и их орбиты

 

2.1 Система  ODYSSEY

 

Система Odyssey предназначена  для обеспечения глобальной радиотелефонной  связи и предоставления других видов  услуг персональной связи. Стоимость  проекта Odyssey составляет примерно 2,5 млрд. долларов.

Головным исполнителем является международная компания Odyssey Telecommunication International (OTI), а финансирует проект группа компаний, в числе которых  — его учредители (OTI), основные инвесторы (компании TRW Space & Technology Group, США и Teleglobe, Канада), а также ряд других фирм, таких как Spar Aerospace (Канада), Thomson CSF (Франция) и др. За плечами этих компаний — огромный опыт разработки и эксплуатации систем связи с геостационарными КА. Компания TRW является разработчиком более 185 спутниковых, военных и научных космических комплексов (Milstar, TDRS и др.), Teleglobe — является крупнейшим телекоммуникационным оператором в мире.

Фирма TRW должна разработать  космический и наземный комплексы  и сдать систему Odyssey «под ключ» компании OTI. Для предоставления услуг планируется развернуть широкую сеть национальных фирм-операторов. Имея лицензии на операторскую деятельность, эти провайдеры будут осуществлять эксплуатацию системы в различных регионах мира.

Функционирование системы Odyssey регламентируется следующими документами:

• лицензия на создание системы  — выдана FCC США в январе 1995г.;

• разрешение на работу в L- и S-диапазонах. Частоты для  абонентских линий были выделены в 1992 г. на Всемирной административной конференции по радиосвязи WARC-92;

• разрешение на работу в  Ка-диапазоне. Частоты для фидерных линий были выделены в 1995 г. на Всемирной  конференции по радиосвязи WRC-95.[8]

 

2.1.1 Космический  сегмент и зоны обслуживания

 

Космический сегмент системы Odyssey использует средневысотные круговые орбиты для глобального покрытия Земли и состоять из 12 КА. Спутники выведены на высоту 10 354 км в три орбитальные плоскости с наклонением 50° (в каждой плоскости — 4 КА). Масса космического аппарата составляет 2500 кг, срок эксплуатации КА — 15 лет. Мощность солнечных батарей спутника в конце расчетного срока его существования составит 4,6 кВт.

На орбиту спутники (попарно) вывела ракета-носитель Atlas IIA. Период обращения спутника приблизительно 6 ч, угловая скорость — около 1 град/мин. Над большинством участков суши в зоне обслуживания одновременно находиться по 2 КА, причем хотя бы один из них — не ниже 30° над горизонтом. Система в целом обеспечивает обслуживание абонентов на территории от 70° с.ш. до 70° ю.ш. и охватывает зону протяженностью свыше 7 тыс. км (при суммарной ширине диаграммы направленности спутника 40°).

Отличительная особенность системы Odyssey — квазистатичное покрытие поверхности Земли. Все  спутники оснащены многолучевыми антеннами, которые создают непрерывную  сотовую структуру покрытия на поверхности  Земли, охватывающую (избирательно) только сушу и наиболее судоходные акватории мирового океана. По мере движения КА по орбите система позиционирования лучей будет отслеживать формирование географически неподвижной сотовой структуры на обслуживаемой территории.

Переключение зон обслуживания проводится только тогда, когда углы видимости для связи с земными станциями становятся небольшими. Радиовидимость двух спутников обеспечивается под сравнительно высокими углами наблюдения практически с любых широт. Даже если для связи доступен лишь один спутник (а второй не используется), угол видимости КА окажется не меньшим, чем 30°, и будет гарантирован в течение 95% суточного времени. Это позволит сократить энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение через деревья, здания и другие преграды.

Для организации  связи в системе Odyssey (рис. 2.1) используется простой «прозрачный» ретранслятор с преобразованием частоты; обработка  информации на борту спутника не предусмотрена. Задержка сигналов в ретрансляторе не превышает 5 мс. Маршрутизация и обработка сообщений осуществляются на наземных станциях.

Для передачи информации применяются широкополосные сигналы  и многостанционный доступ с кодовым  разделением каналов (СDМА). Прием  информации от абонентских терминалов осуществляется в L-диапазоне (1610,0— 1626,5 МГц), передача на абонентский терминал — в S-диапазоне частот (2483,5-2500 МГц). Эквивалентная изотропная мощность излучения для канала «спутник-Земля» составляет 24,2 дБ/Вт. В радиолиниях L- и S-диапазонов используется круговая поляризация.

Антенная система  каждого из КА создает на земной поверхности зону, образуемую 61 узким  лучом, причем одни и те же зоны могут  использоваться на прием и передачу.

Рис. 2.1 Схема  организации связи  в системе Odyssey.     

 

Для каждого  из лучей выбирается одна пара несущих  частот; коэффициент повторного использования  частот — не ниже 6. Частотный план функционирования абонентских линий (рис. 2.2) предусматривает, что ширина полосы частот в приемном луче составит 11,35 МГц, а в передающем — 16,5 МГц.

Рис. 2.2 Распределение  частот в системе Odyssey: а - линия "абонент - спутник", б - линия "спутник - абонент".

 

      Два спутника, одновременно обслуживающих  какой-либо из регионов, обеспечат  радиотелефонную цифровую связь 6 тыс. радиотелефонных каналов. Для стационарных пользователей пропускная способность одного КА — более 10 тыс. эквивалентных каналов по 4,8 кбит/с (режим передачи данных со скоростью 64 кбит/с). Фидерные линии, обеспечивающие связь между КА и узловыми станциями, работают в Ка-диапазоне, приведено в таблице 3.