Радиорелейная связь

Для «Радуги» было разработано  новое поколение унифицированного оборудования «Рапира-М», включающего: оконечную аппаратуру телефонных и телевизионных стволов; ЧМ-модемы; аппаратуру служебной связи и телеобслуживания.

Магистральная радиорелейная  система «Радуга-Рапира-М» позволяла  создавать магистральные РРЛ  в двух диапазонах частот: 4 ГГц (в  полосе частот 3400–3900 МГц) и 6 ГГц (в полосе частот 5670–6170 МГц).

В каждом диапазоне возможна организация до семи рабочих стволов  и одного резервного ствола. По каждому  из рабочих стволов обеспечивалась: 

•  в режиме передачи многоканальной (аналоговой) телефонии – передача сигналов 1920 каналов ТЧ и при необходимости дополнительно – 48 каналов ТЧ в спектре 60–252 кГц, а также передача в одном из телефонных стволов сигналов служебной связи в спектре 0,3–52 кГц, которые необходимы для нормальной работы РРЛ;

•  в режиме передачи телевидения – передача видеосигнала и сигналов 4 каналов звукового сопровождения и вещания.

Технические параметры оборудования системы «Радуга-Рапира-М» обеспечивали высокие качественные показатели и  надежность работы каналов и трактов  РРЛ, оснащенных этим оборудованием.

Таким образом, в России со времен СССР существует широко развитая сеть аналоговых магистральных и  внутризоновых радиорелейных линий, что делает экономически целесообразным использование существующих радиорелейных  станций для организации цифровых трактов. В настоящее время процесс  модернизации аналоговых радиорелейных  линий в цифровые называют цифровизацией.

К числу радиорелейных  станций (РРС) цифровизация которых возможна, относятся: «Восход-М», «Курс-4», «Курс-6», «Курс-4М», «ГТТ-70/4000», «ГТТ-70/8000», «Ракита-8», «Радуга-4», «Радуга-6», «Радуга-АЦ», «Комплекс» и др.

При цифровизации указанных РРС используется оборудование, обычно подключаемое по промежуточной частоте 70 МГц. Кроме того, возможен вариант дополнительной передачи цифрового сигнала Е1 (2048 кбит/с) без нарушения работы аналоговой РРЛ.   

В конце прошлого века были разработаны различные варианты цифровых модемов на скорости от 2 до 34 Мбит/с. В результате, было создано  семейство цифровых модемов для  аналоговых РРЛ на скоростях: 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с и 34,368 Мбит/с.

Для организации передачи различной цифровой информации со скоростями

8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с или  34,368 Мбит/с использовались свободные от аналоговой информации стволы. Модемы на эти скорости могут комплектоваться мультиплексной аппаратурой и, таким образом, обеспечивать передачу соответственно 4, 8 или 16 цифровых потоков по 2,048 Мбит/с, что хорошо согласуется с принципами построения синхронной цифровой иерархии (SDH).

Во всех типах цифровых модемов обеспечивался контроль входного и выходного сигналов, обнаружение  и генерация сигналов индикации  аварийного состояния (СИАС) и контроль коэффициента ошибок без перерыва и с перерывом связи. Было организовано производство всех названных цифровых модемов, и они нашли свое применение на действующей сети РРЛ. 

 

1.1 Принцип построения аппаратуры РРЛ

Аппаратура РРЛ строится обычно по модульному принципу. Функционально  выделяют модуль стандартных интерфейсов, обычно включающих в себя один или  несколько интерфейсов PDH (E1, E3), SDH            (STM-1), Fast Ethernet или Gigabit Ethernet или сочетание перечисленных интерфейсов, а также интерфейсы управления и мониторинга РРЛ (RS-232 и др.) и интерфейсы синхронизации. Задача модуля стандартных интерфейсов заключается в коммутации интерфейсов между собой и другими модулями РРЛ. Конструктивно модуль стандартных интерфейсов может представлять собой один блок или состоять из нескольких блоков, устанавливаемых в единое шасси. В технической литературе модуль стандартных интерфейсов обычно называют блоком внутреннего монтажа (т.к. обычно подобный блок устанавливается в линейно-аппаратном зале или в телекоммуникационном вагончике). Потоки данных от нескольких стандартных интерфейсов объединяются в блоке внутреннего монтажа в единый кадр. Далее к полученному кадру добавляется служебные каналы, необходимые для управления и мониторинга РРЛ. Суммарно все потоки данных образуют радиокадр. Радиокадр от блока внутреннего монтажа как правило на промежуточной частоте передается к другому функциональному блоку РРЛ - радиомодулю.    

Радиомодуль выполняет помехоустойчивое кодирование радиокадра, модулирует радиокадр согласно используемому виду модуляции, а также преобразует суммарный поток данных с промежуточной частоты на рабочую частоту РРЛ.                     

 Кроме того часто  радиомодуль выполняет функцию автоматической регулировки усиления мощности передатчика РРЛ. Конструктивно радиомодуль представляет собой один герметичный блок, имеющий один интерфейс, соединяющий радимодуль с блоком внутреннего монтажа. В технической литературе радиомодуль обычно называют блоком наружного монтажа, т.к. в большинстве случаев радиомодуль устанавливается на радиорелейной башне или мачте в непосредственной близости от антенны РРЛ.

Расположение радиомодуля в непосредственной близости от антенны РРЛ обычно обусловлено стремлением уменьшить затухание высокочастотного сигнала в различных переходных волноводах (для частот больше 6 - 7 ГГц) или коаксиальных кабелях (для частот меньших 6 ГГц).

В устаревших на данный момент аналоговых РРЛ, а также магистральных  цифровых РРЛ как блоки со стандартными интерфейсами, так и радиомодули обычно устанавливаются в линейно-аппаратном зале. Это связано с реализацией сложных схем резервирования N + 1, когда нет возможности расположить делитель мощности с одной антенны на несколько радиомодулей в непосредственной близости от антенны из-за громоздкости делителя мощности. В этом случае радиомодули и антенну соединяет волновод, проложенный от линейно-аппаратного зала до места крепления антенны на радиорелейной башне.

Так же распространен вид  цифровых РРЛ, в котором конструктивно  совмещается модуль стандартных  интерфейсов и радиомодуль в виде одного герметичного блока, имеющего несколько стандартных интерфейсов, разъем питания и волноводный разъем для непосредственного крепления к антенне.

 

1.2 Технологии, используемые в РРЛ

Цифровые РРЛ используются не только для организации PDH и SDH линий  связи, а также для организации Ethernet линий со скоростью передачи до 2,5 Гбит/с связи без использования таких технологий, как EoPDH, PoSDH. Передача Ethernet кадров без необходимости инкапсуляции их TDM кадры (потоки E1 или E3, фреймы SDH и т.п) возможна благодаря использованию пакетного радиокадра вместо TDM радиокадра в радиоканале. Согласно технологиям, используемым для организации радиокадров различают следующие виды цифровых РРЛ:

• пакетные РРЛ
• гибридные РРЛ
• TDM РРЛ

К пакетным относят цифровые РРЛ с пакетным радиокадром. Для передачи TDM потоков используются псевдопроводные технологии передачи данных. За счет использования пакетного радиокадра возможно применение механизмов QoS над потоками данных, передаваемых через пакетные РРЛ. Так же, в пакетных РРЛ наиболее часто используется адаптивная модуляция, обычно сочетаемая с QoS.

 

 
Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема приемопередающего оборудования

 

 

2 История спутниковой связи

В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи.

Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность  реализации подобной системы при  своей жизни, а также считал, что  подобная идея должна приносить пользу всему человечеству.

Первые исследования в  области гражданской спутниковой  связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.

В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту.

12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар. Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.

 

 

Рисунок 2 – Спутник-баллон «Эхо-1»

 

20 августа 1964 года 11 стран (СССР в их число не вошёл) подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization). В СССР к тому времени была собственная развитая программа спутниковой связи, увенчавшаяся 23 апреля 1965 года успешным запуском связного советского спутника Молния-1. В рамках программы Intelsat первый коммерческий спутник связи Early Bird (англ.) («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT, был запущен 6 апреля1965 года.

По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи.

 В каждый конкретный  момент времени связь могла  осуществляться между земной  станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи.

В дальнейшем технология шагнула  вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.

В СССР долгое время спутниковая  связь развивались только в интересах Министерства обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году.

 

2.1 Спутниковые ретрансляторы

 

 

Рисунок 3 – Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная надувная сфера выполняла функции пассивного ретранслятора

 

В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые  ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.

Спутниковые ретрансляторы  могут быть нерегеративными и регенеративными.

Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами^[8]).

Регенеративный спутник  производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

 

2.2 Орбиты спутниковых ретрансляторов

Рисунок 4 – Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная

 

Орбиты, на которых размещаются  спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса:

• экваториальные,
• наклонные,
• полярные.

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли.

Очевидным преимуществом  геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Однако геостационарная  орбита одна, и все спутники вывести  на неё невозможно. Другим её недостатком является большая высота (35 786 км), а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите не способен обслуживать земные станции в приполярной области.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

При использовании наклонных  орбит земные станции оборудуются  системами слежения, осуществляющими  наведение антенны на спутник^[10]. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.