Технічні аспекти систем супутникового зв'язку

1. Супутниковий зв'язок
2. Переваги та обмеження ССС
3. космічний сегмент
4. сигнальна частина
5. спектр частот
6. Передача мови і даних
7. система Aloha
8. наземний сегмент
9. Міжнародні консорціуми в ССС
10. Eutelsat
11. Inmarsat
12. тенденції технології

16.07.1996 Ефімушкін В. А.

Нові супутникові програми забезпечують швидке створення нових широкомовних служб і приватних мереж.

Супутниковий зв'язок Переваги та обмеження ССС космічний сегмент

СИГНАЛЬНА ЧАСТИНА

Ширина смуги
спектр частот
Передача мови і даних
система Aloha

Міжнародні консорціуми в ССС

Intelsat
Eutelsat
Inmarsat

Хоча комерційне використання геосинхронной супутників зв'язку почалося майже 25 років тому, їх широке застосування в мережах зв'язку стало можливим лише на початку 1980-х років. Телебачення, телефонія, широкосмуговий передача даних продовжують домінувати в списку послуг ССС. Сучасні системи супутникового зв'язку надають безпрецедентні можливості для розвитку приватних мереж, організації служб зв'язку типу "точка-точка" і "точка-безліч точок".

Супутниковий зв'язок

Супутник - пристрій зв'язку, яке приймає сигнали від земної станції (ЗС), підсилює і транслює в широкомовному режимі одночасно на всі ЗС, що знаходяться в зоні видимості супутника. Супутник не ініціює і не терминирующего ніякої інформації користувачів за винятком сигналів контролю і корекції виникаючих технічних проблем і сигналів його позиціонування. Супутникова передача починається в деякій ЗС, проходить через супутник, і закінчується в одній або більшій кількості ЗС.

ССС складається з трьох базових елементів: космічного сегменту, сигнальної частини і наземного сегмента (рис. 1). Космічний сегмент охоплює питання проектування супутника, розрахунку орбіти і запуску супутника. Сигнальна частина включає питання використовуваного спектра частоти, впливу відстані на організацію і підтримку зв'язку, джерела інтерференції сигналу, схем модуляції і протоколів передачі. Наземний сегмент включає розміщення і конструкцію ЗС, типи антен, використовуваних для різних додатків, схеми мультиплексування, що забезпечують ефективний доступ до каналів супутника. Космічний сегмент, сигнальна частина і наземний сегмент обговорюються в наступних розділах.

( 1x1 )

Малюнок 1. Система Iridium.

Переваги та обмеження ССС

ССС мають унікальні особливості, що відрізняють їх від інших систем зв'язку. Деякі особливості забезпечують переваги, які роблять супутниковий зв'язок привабливою для ряду додатків. Інші створюють обмеження, які неприйнятні при реалізації деяких прикладних задач.

ССС має ряд переваг:

• Стійкі витрати. Вартість передачі через супутник по одному з'єднанню не залежить від відстані проміжній ЗС. Більш того, всі супутникові сигнали - широкомовні. Вартість супутникової передачі, отже, залишається незмінною незалежно від числа приймаючих ЗС.
• Широка смуга пропускання.
• Мала ймовірність помилки. У зв'язку з тим, що при цифрової супутникової передачі побітові помилки досить випадкові, застосовуються ефективні та надійні статистичні схеми їх виявлення та виправлення.

Виділимо також ряд обмежень у використанні ССС:

• Значна затримка. Велика відстань від ЗС до супутника на геосинхронной орбіті призводить до затримки поширення, довжиною майже в чверть секунди. Ця затримка цілком відчутна при телефонному з'єднанні і робить надзвичайно неефективним використання супутникових каналів при адаптованою для ССС передачі даних.
• Розміри ЗС. Вкрай слабка на деяких частотах супутниковий сигнал, який доходить до ЗС (особливо для супутників старих поколінь), змушує збільшувати діаметр антени ЗС, ускладнюючи тим самим процедуру розміщення станції.
• Захист від несанкціонованого доступу до інформації. Широкомовлення дозволяє будь ЗС, налаштованої на відповідну частоту, приймати передачу, яка транслюється супутником інформацію. Лише шифрування сигналів, часто досить складне, забезпечує захист інформації від несанкціонованого доступу.
• Інтерференція. Супутникові сигнали, що діють в Ku- або Ka-смугах частот (про них нижче), вкрай чутливі до поганої погоди. Супутникові мережі, що діють в C-смузі частот, сприйнятливі до мікрохвильовим сигналам. Інтерференція внаслідок поганої погоди погіршує ефективність передачі в Ku- і Ka-смугах на період від кількох хвилин до кількох годин. Інтерференція в С-смузі обмежує розгортання ЗС в районах проживання з високою концентрацією жителів.

Вплив згаданих переваг і обмежень на вибір супутникових систем для приватних мереж досить значно. Рішення про використання ССС, а не розподілених наземних мереж, щоразу необхідно економічно обгрунтувати. Все більш зростаючу конкуренцію ССС складають оптоволоконні мережі зв'язку.

космічний сегмент

Сучасні супутники зв'язку, що використовуються в комерційних ССС, займають геосинхронной орбіти, в яких період орбіти дорівнює періоду позначки на поверхні Землі. Це стає можливим при розміщенні супутника над заданим місцем Землі на відстані 35800 км в площині екватора.

Велика висота, необхідна для підтримки геосинхронной орбіти супутника, пояснює нечутливість супутникових мереж до відстані. Довжина шляху від заданої точки на Землі через супутник на такій орбіті до іншої точки Землі в чотири рази більше відстані по поверхні Землі між двома її максимально віддаленими точками.

В даний час найбільш щільно зайнята орбітальна дуга дорівнює 76 про (приблизно; 67 про по 143 про західної довготи). Супутники цього сектора забезпечують зв'язок країн Північної, Центральної та Південної Америки.

Головними компонентами супутника є його конструкційні елементи; системи управління становищем, харчування; телеметрії, трекінгу, команд; приймачі та антени.

Структура супутника забезпечує функціонування всіх його компонентів. Наданий сам собі супутник в кінцевому рахунку перейшов би до випадкових обертанням, перетворившись в марне для забезпечення зв'язку пристрій. Стійкість і потрібна орієнтація антени підтримується системою стабілізації. Розмір і вага супутника обмежені в основному можливостями транспортних засобів, вимог до сонячних батарей і обсягом палива для життєзабезпечення супутника (як правило, протягом десяти років).

Телеметричні обладнання супутника використовується для передачі на Землю інформації про його стан. У разі необхідності корекції положення, на супутник передаються відповідні команди, після отримання яких включається енергетичне обладнання і корекція здійснюється.

сигнальна частина

Ширина смуги

Ширина смуги (bandwidth) супутникового каналу характеризує кількість інформації, яку він може передавати в одиницю часу. Типовий супутниковий приймач має ширину смуги 36 МГц на частотах від 4 МГц до 6 МГц.

Зазвичай ширина смуги супутникового каналу велика. Наприклад, один кольоровий телевізійний канал займає смугу 6 МГц. Кожен приймач на сучасних супутниках зв'язку підтримує смугу в 36 МГц, при цьому супутник несе 12 або 24 приймачів, що дає в результаті 432 МГц або 864 МГц, відповідно.

спектр частот

Супутники зв'язку повинні перетворювати частоту одержуваних від ЗС сигналів перед ретрансляцією їх до ЗС, тому спектр частот супутника зв'язку виражений в парах. З двох частот в кожній парі, нижня використовується для передачі від супутника до ЗС (низхідні потоки), верхня - для передачі від ЗС на супутник (висхідні потоки). Кожна пара частот називається смугою.

Сучасні супутникові канали найчастіше застосовують одну з двох смуг: C-смугу (від супутника до ЗС в області 6 ГГц і назад в області 4 ГГц), або Ku-смугу (14 ГГц і 12 ГГц, відповідно). Кожна смуга частот має свої характеристики, орієнтовані на різні завдання зв'язку (таблиця 1).

Супутникові діапазони смуг передачі, L (GHz) Смуга, С (MHz) Діапазон частот, Ku (GHz) Доступна ширина, Ka (Hz) 1.6 / 1.5 15 6/4 500 14/12 500 30/120 2500

Таблиця 1.

Більшість діючих супутників використовують C-смугу. Передача в С-смузі може покривати значну область земної поверхні, що робить супутники особливо придатними для сигналів широкомовлення. З іншого боку, сигнали С-смуги, є відносно слабкими і вимагають розвинених і досить дорогих антен на ЗС. Важлива особливість сигналів С-смуги - їх стійкість до атмосферного шуму. Атмосфера землі майже прозора для сигналів в діапазоні 4/6 ГГц. На жаль, цим же фактором обумовлено те, що сигнали С-смуги найбільше підходять для наземних двоточкових мікрохвильових передач, що псують слабші супутникові сигнали. Дана обставина змушує розміщувати ЗС, що використовують при передачі С-смугу, за багато кілометрів від міських центрів і місць щільного проживання населення.

Передача в Ku-смузі має протилежні властивості. Луч при такій передачі сильний, вузький, що робить передачу ідеальної для двоточкових з'єднань або з'єднань від точки до кількох точках. Наземні мікрохвильові сигнали жодним чином не впливають на сигнали Ku-смуги, і ЗС Ku-смуги можуть бути розміщені в центрах міст. Природна велика потужність сигналів Ku-смуги дозволяє обійтися меншими, дешевшими антенами ЗС. На жаль, сигнали Ku-смуги надзвичайно чутливі до атмосферних явищ, особливо туману і сильного дощу. Хоча подібні погодні явища, як відомо, впливають на невелику область протягом короткого часу, результати можуть бути досить серйозні, якщо такі умови збігаються з ГНН (час найбільшого навантаження, наприклад 4 годині пополудні, полудень п'ятниці).

Передача мови і даних

Мультиплексування з поділом частот (FDM) широко використовується для мультиплексування декількох мовних каналів або каналів даних на один супутниковий приймач.

У FDM хвильова форма кожного індивідуального телефонного сигналу фільтрується для обмеження ширини смуги діапазоном звукових частот між 300 і 3400 гц, потім перетвориться. Далі сигнали дванадцяти каналів мультиплексируются в складовою сигнал основної смуги. Кожна група складена з телефонних сигналів, розміщених в інтервалах з шириною смуги рівної 4 кГц. Потім кілька груп повторно мультиплексируются і формують велику групу, яка може містити від 12 до 3600 окремих мовних каналів.

Мультиплексування з тимчасовим поділом (TDM) - інший метод для передачі мови і / або даних по одному каналу. Якщо в FDM для передачі мовного сигналу (або даних) призначаються окремі сегменти частоти всередині всієї смуги, в методі TDM передача ведеться по всій виділеній смузі частот. У вихідному каналі повторювані базові тимчасові періоди, звані іноді фреймами (frame), розділені на фіксоване число тактів, які виділяються послідовно для передачі сигналів входять мовних каналів і каналів даних. Для запобігання від можливих втрат інформації використовуються накопичувачі (буфери).

система Aloha

Вплив розробленого в Гавайському університеті на початку 1970-х протоколу множинного доступу Aloha (відомого також під назвою система Aloha) на розвиток супутникових і локальних мереж зв'язку важко переоцінити.

У даній системі ЗС використовують пакетну передачу за загальним супутниковому каналу. У будь-який момент часу кожна ЗС може передавати лише один пакет. Оскільки супутнику по відношенню до пакетів відведена роль ретранслятора, завжди, коли пакет однієї ЗС досягає супутника під час трансляції їм пакета деякої іншої ЗС, обидві передачі накладаються (интерферируют) і "руйнують" один одного. Виникає вимагає дозволу конфліктна ситуація.

Відповідно до раннім варіантом системи Aloha, відомої під назвою "чиста система Aloha", ЗС можуть почати передачу в будь-який момент часу. Якщо через деякий час поширення вони прослуховують свою успішну передачу, то роблять висновок, що уникли конфліктної ситуації (тобто тим самим отримують позитивну квитанцію). В іншому випадку вони знають, що сталося накладення (або, можливо, діяв будь-якої іншої джерело шуму) і вони повинні повторити передачу (тобто отримують негативну квитанцію). Якщо ЗС відразу ж після прослуховування повторять свої передачі, то напевно знову потраплять в конфліктну ситуацію. Потрібна певна процедура вирішення конфлікту для того, щоб ввести випадкові затримки при повторній передачі, і рознести в часі вступають в конфлікт пакети.

Інший варіант системи Aloha полягає в розбитті часу на відрізки - вікна, довжина яких дорівнює довжині одного пакета при передачі (передбачається, що всі пакети мають одну і ту ж довжину). Якщо тепер вимагати, щоб передача пакетів починалася тільки на початку вікна (час прив'язана до супутника), то вийде подвійний виграш в ефективності використання супутникового каналу, тому що накладення при цьому обмежуються довжиною одного вікна (замість двох, як в чистій системі Aloha). Ця система називається синхронної системою Aloha (рис. 2).



Малюнок 2.
Період уразливості для системи Aloha.

Третій підхід базується на резервуванні часових вікон на вимогу ЗС.

Читачі, знайомі з протоколами множинного доступу в локальних мережах, зрозуміють, що описана система Aloha є попередником використовуваного в мережах Ethernet протоколу множинного доступу з перевіркою несучої і виявленням конфліктів (CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Особливість протоколу CDMA-CD полягає в можливості швидкого визначення конфліктів (протягом мікро- і навіть наносекунди) і миттєвого припинення передачі. На супутникових каналах через велику часу поширення оперативне припинення передачі завідомо зіпсованих пакетів, на жаль, неможливо.

Іншим удосконаленням системи Aloha може служити призначення пріоритетів для ЗС з великою інтенсивністю навантаження.

наземний сегмент

Технологічний розвиток привело до значного зменшення розмірів ЗС. На початковому етапі супутник не перевищував декількох сотень кілограмів, а ЗС представляли собою гігантські споруди з антенами більше 30 м в діаметрі. Сучасні супутники важать кілька тонн, а антени, часто не перевищують 1 м в діаметрі, можуть бути встановлені в найрізноманітніших місцях. Тенденція зменшення розмірів ЗС разом зі спрощенням установки обладнання призводить до зниження його вартості. На сьогоднішній день вартість ЗС є, мабуть, головною характеристикою, що визначає широке поширення ССС. Перевага супутникового зв'язку засноване на обслуговуванні географічно віддалених користувачів без додаткових витрат на проміжне зберігання і комутацію. Будь-які чинники, що знижують вартість установки нової ЗС, однозначно сприяють розвитку додатків, орієнтованих на використання ССС. Відносно високі витрати розгортання ЗС дозволяють наземним волоконно-оптичних мереж в ряді випадків успішно конкурувати з ССС.

Отже, головна перевага супутникових систем полягає в можливості створювати мережі зв'язку, що надають нові послуги зв'язку або розширюють колишні, при цьому з економічної точки зору перевага ССС обернено пропорційно вартості ЗС.

Залежно від типу, ЗС має можливості передачі і / або прийому. Як уже зазначалося, фактично всі інтелектуальні функції в супутникових мережах здійснюються в ЗС. Серед них - організація доступу до супутника і наземні мережі, мультиплексування, модуляція, обробка сигналу і перетворення частот. Відзначимо, нарешті, що більшість проблем в супутникової передачі вирішується обладнанням ЗС.

В даний час виділяються чотири типи ЗС. Найбільш складними і дорогими є орієнтовані на велику інтенсивність користувальницької навантаження ЗС з дуже високою пропускною здатністю. Станції такого типу призначені для обслуговування призначених для користувача популяцій, що вимагають для забезпечення нормального доступу до ЗС волоконно-оптичних ліній зв'язку. Подібні ЗС стоять мільйони доларів.

Станції середньої пропускної здатності ефективні для обслуговування приватних мереж корпорацій. Розміри подібних мереж ЗС можуть бути найрізноманітнішими залежно від реалізованих програм (передача мови, відео, даних). Розрізняються два типи корпоративних ССС.

Розвинена корпоративна ССС з великими капіталовкладеннями зазвичай підтримує такі послуги, як відеоконференція, електронна пошта, передача відео, мови та даних. Все ЗС такої мережі мають однаково велику пропускну здатність, а вартість станції доходить до 1 мільйона доларів.

Менш дорогим типом корпоратівної мережі є ССС великого числа (до декількох тисяч) мікротерміналов (VSAT - Very Small Aperture Terminal) пов'язаних з однією головного ЗС (MES - Master Earth Station). Дані мережі обмежуються зазвічай прийомом / Передача даних и прийомом аудіо-відео-служб в цифровому виде. Мікротермінали спілкуються між собою за допомогою транзиту з обробкою через головну ЗС. Топологія таких мереж є зіркоподібною.

Четвертий тип ЗС може обмежувати прийому. Це найдешевший варіант станції, оскільки її обладнання оптимізується під надання однієї або декількох конкретних послуг. Дана ЗС може бути орієнтована на прийом даних, аудиосигнала, відео або їх комбінацій. Топологія також зіркоподібна.

Міжнародні консорціуми в ССС

Intelsat

Консорціум Intelsat (The International Telecommunications Satellite Organization) - найстаріший і найбільший - утворений в 1965 році з метою надання державам-учасницям консорціуму (в основному - країнам, що розвиваються) сучасних технологій зв'язку. Intelsat - це організація, що включає більше 120 країн повних учасників і близько 60 країн - асоційованих учасників.

Перший комерційний супутник Early Bird був виведений Intelsat на орбіту в квітні 1965 році. До червня того ж року супутник офіційно почав передачу по 240 телефонних каналах, що еквівалентно одному телевізійному каналу по ширині смуги. Intelsat швидко виріс до найбільшої ССС з 18 супутниками, що розташовуються над Атлантикою, Індійським і Тихим океанами. В даний час базовими супутниками Intelsat є найпотужніші Intelsat VIII і Intelsat-К, значно перевершують за своїми характеристиками перший Early Bird. Так в порівнянні навіть з Intelsat VI, обладнаним 48 прийомопередавачами, Intelsat VIII має 36 С-смуг і 10 Ku-смуг і підтримує сотні тисяч телефонних каналів. Ціна супутника на один канал з 100 тис. Дол. Знизилася до кількох тисяч, а ціна хвилини використання каналу абонентом, яка становила раніше 10 дол. Знизилася до 1 долара. Потужність сонячних батарей Intelsat VIII становить 4 КВт, тобто зросла в порівнянні з Intelsat VI на 54% і, відповідно, в 4 рази в порівнянні з Intelsat V.

Eutelsat

Консорціум Eutelsat (The European Telecommunications Satellite Organization) був утворений 1977 році для передачі телефонних викликів і європейських телевізійних програм на континенті. У 1994 році учасниками Eutelsat були 36 держав Європи, в даний час країни Східної Європи стають повноправними учасниками консорціуму.

Сучасна технологічна програма Eutelsat базується на потужних супутниках Eutelsat II, а в подальшому, починаючи з 1998 року буде переорієнтована на супутники третього покоління Eutelsat III, що надають розширені операційні можливості і призначені для використання в першому десятиріччі наступного століття.

Inmarsat

Консорціум Inmarsat (The International Marine Satellite Organization) утворений в 1979 році на прохання Міжнародної морської організації (IMO) зі штаб-квартирою в Лондоні з метою організації супутникового зв'язку для рухливих об'єктів (морських суден і авіаційної техніки). Організація включає 64 держави, містить 20 великих, розміщених по всьому світу фіксованих ЗС і дозволяє одночасно обслуговувати до 10 тис. Рухомих об'єктів.

тенденції технології

Останні досягнення технології в області супутникового зв'язку говорять про великі потенційні можливості ССС в розширення пропускної здатності каналів передачі, розробці та впровадженні нових служб зв'язку. Майбутнє ССС за широкосмуговими широкомовними додатками і супутниковими системами рухомого зв'язку.

До лав великих консорціумів і організацій, орієнтованих на геосинхронной супутники, активно вливаються нові учасники, які пропонують послуги мереж рухомих зв'язку і використовують низькоорбітальні супутникові системи (LEO - Low Earth Orbit). Системи LEO, що розробляються низкою американських фірм, використовують велику кількість легких супутників на орбітах нижче 2 тис. Км для організації послуг з передачі повідомлень і мови, визначення місцезнаходження та термінових комунікацій між мобільними терміналами. На відміну від наземних стільникових мереж рухомого зв'язку, в яких абонент послідовно переміщається через суміжні стільники невеликого розміру, в системі LEO подібна "сота" обмежена лише горизонтом землі. Низька орбіта супутників різко скорочує затримку в порівнянні з системами, орієнтованими на геосинхронной орбіти супутників.

Одним з найбільш амбітних проектів системи LEO є система Iridium, що розробляються компанією Motorola, яка включає 66 супутників, що дозволяють забезпечити двосторонню радіотелефонну мовний зв'язок. В принципі, немає ніяких технічних перешкод для повного розгортання системи Iridium, однак глобальний характер і можливість функціонування поза національними телефонних мереж припускають попереднє вивчення та встановлення необхідних регулюючих бар'єрів. Великі інвестиції в проект Iridium зроблені рядом компаній, серед яких Motorola, Nippon Iridium, Lockheed / Raytheon, Sprint і China Great Wall Industry.

В ряду інших великих проектів систем LEO відзначимо Globalstar, Odyssey, Ellipso і Aries.

На закінчення відзначимо, що ССС постійно і ревниво порівнюються з волоконно-оптичними мережами зв'язку. Впровадження цих мереж прискорюється в зв'язку з швидким технологічним розвитком відповідних областей волоконної оптики, що змушує задатися питанням про долю ССС. Порадимо любителям супутникового зв'язку залишатися оптимістами: еволюційно / революційним перетворенням піддаються, як слід було очікувати, і ССС. Наприклад, розробка і, головне, впровадження конкатенуються (складеного) кодування різко зменшують ймовірність виникнення невиправленої побітової помилки, що, в свою чергу, дозволяє подолати головну проблему ССС - туман і дощ. Бррр!

Ефімушкін В.А. - к.ф.-м.н., зав. лабораторією телекомунікацій ВЦ Російського Університету дружби народів. Його адреса електронної пошти: [email protected]