Сети спутниковой связи

Введение Использование космического пространства для организации телекоммуникационных линий связи стало возможным после запуска в СССР первого в мире искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 года. С этого момента вот уже в течение несколько десятилетий применение спутниковых ретрансляторов постоянно растёт, как и разнообразие сервисов, предоставляемых системами спутниковой связи (ССС). Если во второй половине ХХ века ССС применяли в большей степени для организации телефонных и телевизионных каналов, то с появлением цифровых методов передачи данных использование спутниковых ретрансляторов вошло во все отрасли телекоммуникаций: от организации подвижной связи в малонаселенных районах и в открытом море до транспортировки высокоскоростных потоков-мультиплексов к местам их последующей ретрансляции. Объёмы информации, проходящей через каналы (транспондеры) сетей спутниковой связи, постоянно увеличиваются, что и является основной предпосылкой для появления новых стандартов и технологий спутниковой связи. Развитие систем спутниковой связи неразрывно связано с развитием телекоммуникационной отрасли и повторяет её основные тенденции: - освоение новых высокочастотных диапазонов частот, - преимущественное использование цифровых методов передачи информации, - применение методов, позволяющих повысить эффективность использования спектра. Создание новых систем спутниковой связи и развитие уже существующих сетей является сложной, многоплановой проблемой, которая включает в себя: - разработку оптимальных методов передачи цифровых сигналов, - разработку элементной базы при освоении новых частотных диапазонов, - организацию синхронной работы элементов космической группировки и совместно работающих наземных сетей и другие вопросы. В настоящее время система спутниковой связи является одной из самых развивающихся отраслью, использующей современные технологии и наращивающей свои обороты. Спутниковая связь используется в различных сферах рынка, добычи, транспорта и т.д. В будущем использования систем спутниковой связи будет, расширятся и занимать все большие сферы рынка телекоммуникаций. Особенно это актуально для нашей страны с большой территорией и с небольшой плотностью кабельных систем во многих субъектах Российской Федерации. 3 1 Основные принципы спутниковой связи 1.1 Основные термины и определения Основная идея создания систем спутниковой связи проста. Она заключается в размещении промежуточного ретранслятора системы связи на искусственном спутнике Земли. Спутник движется по достаточно высокой орбите длительное время без затрат энергии на это движение. Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем ИСЗ осуществляется от солнечных батарей, работающих почти все время под лучами ничем не затемненного Солнца. На достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» очень большую территорию — около одной трети поверхности Земли, поэтому теоретически через его бортовой ретранслятор могут непосредственно связываться любые станции, находящиеся на этой территории. Приведем определения основных понятий, рассматриваемых в Справочнике, руководствуясь Регламентом радиосвязи [1] и сложившейся практикой применения терминов. Космическая станция (КС) – станция расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли (либо находился там, либо предназначен для вывода), например на ИСЗ. Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположенная на земной поверхности, предназначенная для связи с космическими станциями либо с другими земными станциями через космические станции или другие космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ. Спутниковая связь – связь между земными станциями через космические станции или пассивные ИСЗ. Таким образом, спутниковая связь является частным случаем космической радиосвязи. Спутниковая линия (рисунок 1.1) — линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ, включает в себя участок Земля — спутник (линия вверх) и участок спутник — Земля (линия вниз). Земные станции соединяются с источниками и получателями информации. Рисунок 1.1 - Спутниковая линия связи 4 Спутниковое вещание — передача радиовещательных программ (телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию — активный ретранслятор. Таким образом, спутниковое вещание — это частный случай спутниковой связи, отличающийся передачей определенного класса односторонних (симплексных) сообщений, принимаемых одновременно несколькими ЗС либо большим числом приемных станций (циркулярная передача). В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи [I]: фиксированная спутниковая служба (ФСС) — служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных, фиксированных, пунктах, при использовании одного или нескольких спутников; подвижная спутниковая служба — между подвижными ЗС с участием одной или нескольких космических станций (в зависимости от места установки подвижной СЗ различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые службы); радиовещательная спутниковая служба — служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. 1.2 Физические основы спутниковой связи Орбиты связных искусственных спутников Земли — это траектории движения ИСЗ в пространстве. Они определяются многими факторами, основным из них является притяжение спутника Землей. Ряд других факторов: торможение спутника в атмосфере Земли, влияние Луны, Солнца, планет и т. д. — также оказывает влияние на орбиту спутника. Это влияние весьма мало и учитывается в виде так называемого возмущения орбиты спутника, т. е. отклонения истинной траектории от идеальной, вычисленной в предположении, что спутник движется только под действием притяжения к Земле. Основные параметры, характеризующие движение спутника, могут быть определены с помощью законов Кеплера [2]. Применительно к спутникам Земли законы Кеплера формулируются следующим образом: Первый закон Кеплера: орбита спутника Земли лежит в неподвижной плоскости, проходящей через центр Земли, и является эллипсом, в одном из фокусов которого находится центр Земли. Второй закон Кеплера: радиус-вектор спутника (отрезок прямой, соединяющий спутник, находящийся на орбите, и центр Земли) в равные промежутки времени описывает равные площади. Третий закон Кеплера: отношение квадратов периодов обращения спутников равно отношению кубов больших полуосей орбит. 5 В соответствии с первым законом Кеплера орбита спутника представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого лежит центр Земли. На рисунке 1.2 обозначены: F1 и F2 – фокусы эллипса, 3 – центр Земли, С – спутник, аэл, bэл – большая и малая полуоси эллипса; rс – радиус-вектор спутника. Рисунок 1.2 – Пояснения к законам Кеплера При движении спутника по эллиптической орбите он удаляется от центра Земли все время на разное расстояние, достигающее максимума в точке апогея А и минимума в точке перигея П. Проецируя рассмотренные понятия на космическое околоземное пространство можно рассмотреть дополнительные параметры, характеризующие орбиту спутника и его движение по орбите (рисунок 1.3):  наклонение орбиты (углом между плоскостью орбиты и плоскостью экватора),  долготы всходящего и нисходящего узлов,  высоты апогея (наиболее удаленная точка орбиты) и перигея (наиболее близкая к Земной поверхности точка орбиты),  период обращения (временем полного оборота спутника вокруг Земли). В частном случае для круговой орбиты Земля оказывается в центре плоскости орбиты, а высоты апогея и перигея равны между собой и являются, таким образом, высотой орбиты. Параметры орбиты в сильной степени определяют также размеры зоны видимости со спутника и зоны обслуживания покрытия. Зона обслуживания является частью зоны видимости, в пределах которой обеспечивается заданное качество связи. 6 Рисунок 1.2 – Параметры орбиты ИСЗ 1.3 Виды орбит, используемых в спутниковой связи В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения систем:  высокоэллиптическая орбита (HEO - High Elliptic Orbit Satellites) с апогеем около 40 000 км, перигеем около 2000км,  средняя или средневысотная орбита (MEO или ICO - Medium Earth Orbit или Intermediate Circular Orbit Satellites), радиус от 5 000 до 20 000 км,  низкая орбита (LEO - Low Earth Orbit Satellites) с радиусом от 500 до 2 000 км).  геостационарная орбита (GEO - Geostationary Earth Orbit Satellites) с высотой 35 786 км. Такой значительный разброс значений высот, на которых размещаются спутники, обусловлен не только необходимостью решения конкретных 7 телекоммуникационных задач, но и естественными природными факторами. Например, такими как влияние слоев Ван-Аллена. В экваториальном поясе Земли вращаются облака заряженных частиц (так называемые слои Ван-Аллена), в которых из-за сильной радиации спутники будут иметь крайне ограниченный срок службы («жизни»), и их приходится размещать выше, ниже или между слоями. Первый слой ВанАллена расположен на высотах от 1,5 до 10 тыс. км, второй - от 13 до 20 тыс. км (рисунок 1.3). Рисунок 1.3 – Расположение орбит относительно слоёв Ван-Аллена 1.3.1 Геостационарная орбита Геостационарная GEO орбита – это круговая экваториальная синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением ИСЗ в восточном направлении. Геостационарный ИСЗ оказывается неподвижным относительно земной поверхности; он располагается над экватором, на высоте 35 875 км с некоторой неизменной долготой  подспутниковой точки (рисунок 1.4). К достоинствам геостационарной орбиты, которые делают её столь привлекательной для организации телекоммуникационных систем, относят следующее [3]:  связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов с одного (заходящего) ИСЗ на другой;  на антеннах земных станций могут быть упрощены или даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ;  достигается более стабильное значение ослабления сигнала на трассе между земной и космической станцией; 8 Рисунок 1.4 – Геостационарная орбита Геостационарная орбита уникальна: ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Благодаря этому геостационарная орбита широко используется и на многих участках насыщена спутниками до предела. Однако вблизи полюса геостационарный ИСЗ виден под малыми углами места, а у самого полюса не виден. К факторам, отклоняющим спутник с расчётной точки стояния, относятся:  гравитационные «горки» на 11. з. д. и 162. в. д. и «лощины» на 105. з. д. и 75. в.д., которые без коррекции спутника могут привести к его сходу с орбиты,  влияние Луны и Солнца, которое сказывается в смещении спутника по оси север-юг,  наличие солнечного ветра и гравитационной аномалии Земли, которые приводят к смещению ИСЗ по оси восток-запад,  несферичность Земли приводящая к смещению спутника на "наклонную" орбиту, сдвинутую относительно истинной экваториальной плоскости на 3-4 градуса. Вследствие перечисленных возмущений спутник описывает "восьмерки" вокруг расчетной точки стояния. С помощью коррекционных реактивных двигателей, работающих на жидком азоте, удается обеспечить стабильность положения спутника в пределах  (0,5  1) . К недостаткам геостационарных спутников можно также отнести тот факт, что два раза в год, весной и осенью в течение 46-суточного интервала в периоды осеннего и весеннего равноденствия ИСЗ находятся в зоне тени Земли (рисунок 1.5). Затемнение начинается за 23 дня до равноденствия и заканчивается через 23 дня после равноденствия. Длительность затенения изменяется от 10 минут в 9 начале и в конце равноденствия до 72 минут в течение равноденствия (рисунок 1.6). Рисунок 1.5 - Образование зоны тени при равноденствии Рисунок 1.6 – Длительность затенения по дням года Это важно с точки зрения передач со спутников, так как необходимую относительно большую электрическую мощность передатчики спутника получают от солнечных батарей, которые во время затенения спутника Землёй электроэнергию не вырабатывают и «вещание» прекращается. 10 Необходимо ещё отметить помеху, приводящую к кратковременным перерывам приёма, когда антенна приёмника, направленная на спутник, захватывает своей основной диаграммой направленности и спутник, и Солнце (рисунок 1.7). Рисунок 1.7 – Зона перерыва связи при прохождении геостационарным спутником диска Солнца Земная приёмная станция воспринимает в этом случае Солнце как диск с чрезвычайно большой интенсивностью теплового излучения, с шумовой температурой равной 25000 К (для любой поляризации). Продолжительность такой помехи для средних широт Российской Федерации составляет не более 5 минут. 1.3.2 Эллиптическая орбита Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической HEO орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом — Borealis, Archimedes, "Молния", "Тундра". Все указанные орбиты являются синхронными, то есть спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток. Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой. Так, выведенный на орбиту космический аппарат (КА) "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 500км, наклонение 63,50) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8-10 ч, причем система всего из трех спутников 11 поддерживает глобальную круглосуточную связь. Более подробные сведения о распространённых эллиптических орбитах [4] приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Типы эллиптических орбит и их параметры Тип орбиты Высота апогея*, Период Число витков в км обращения, ч сутки Borealis 7840 3 8 Archimedes 28000 8 3 Молния 40000 12 2 Тундра 71000 24 1 * Высота перигея для всех указанных типов орбит составляет 500 км Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,40 и 116,60. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите. 1.3.3 Средневысотная орбита Спутники на средневысотных MEO орбитах обеспечивают достаточно качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится несколько космических аппаратов. Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения – это радиационные пояса Ван-Аллена. Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и его "размах" составляет примерно 300 по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. импульсов в секунду) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 по обе стороны от экватора. Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 20 тысяч километров. Зона обслуживания каждого КА сравнительно невелика, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать орбитальную группировку (ОГ) из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи. 12 Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5—2 ч). Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет. 1.3.4. Низкие орбиты Спутники на низких LEO орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет. Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты). С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна. Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а это значит, что для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин. Мы рассмотрели только физические основы спутниковой связи, которые связаны с многочисленными природными факторами. К ним можно отнести: - влияние гравитационного поля Земли, - центробежную силу, - притяжение Луны, - наличие электромагнитного поля Земли и множество незначительных, на первый взгляд, особенностей, которые с одной стороны усложняют 13 проектирование спутниковых систем связи, но, с другой стороны, делают изучение систем радиосвязи весьма интересным занятием, требующим разносторонних знаний и умения видеть взаимосвязь между различными явлениями. Рассмотрение конкретных систем спутниковой связи (действующих и перспективных) нельзя начать, не зная дополнительных сведений, которые касаются, прежде всего, нормативной базы, действующей по всему миру. Основные сведения, регламентирующие использование спутниковых телекоммуникационных систем приведены в главе 2 Контрольные вопросы по главе 1 Дайте определения апогея и перигея эллиптической орбиты. Чему равен апогей геостационарной орбиты? Как влияет наличие слоёв Ван-Аллена на выбор высоты орбиты ИСЗ? К каким негативным последствиям может привести прохождение спутника в тени Земли в период весеннего и осеннего равноденствия? 5. Какие естественные причины способны привести к отклонению спутника с расчётной точки геостационарной орбиты? 6. В какой части эллиптической орбиты скорость движения ИСЗ выше? Каким законом это определяется? 1. 2. 3. 4. 14 2 Диапазоны частот спутниковой связи 2.1 Спутниковая связь и Регламент Радиосвязи В Женеве в 1959 г. полномочными представителями различных Правительств была заключена Международная Конвенция Электросвязи (МКЭ). Ее целью являлось упрощение связи и сотрудничества между странами путем эффективного функционирования существующих и перспективных систем и сетей электросвязи. В этом документе наиболее полно зафиксированы цели, задачи, структура и способ функционирования МСЭ. Страны, являющиеся участниками Конвенции, составляют Международный Союз Электросвязи (МСЭ). Наиболее важным документом в области международной радиосвязи является Регламент Радиосвязи, в котором подробно излагаются правила работы различных служб, приведена таблица распределения частот в диапазоне 10 кГц - 40 ГГц между различными службами (радиолокация, радионавигация, морская подвижная служба, воздушная подвижная служба и т.д.). Таким образом, весь частотный мировой ресурс разбит на диапазоны, отведенные для тех или иных целей. Особое значение для функционирования систем радиосвязи в глобальном пространстве имеет Сектор радиосвязи МСЭ (сокращённо МСЭ-Р), в англоязычном варианте ITU-R. В соответствии с Регламентом радиосвязи вся территория Земли разделена на три района, каждый из которых имеет свое распределение полос радиочастот (Рисунок 2.1) Рисунок 2.1 – Деление территории Земли на районы 15 2.2 Наименование диапазонов и полосы частот Диапазон частот – термин, который широко используется в радиотехнике. Под этим понятием подразумевается как рабочий диапазон какого-либо устройства, так и выделенный для вещания конкретной радиослужбе частотный диапазон. А также речь может идти о разбивке всего интервала радиочастот. Спутниковые системы связи начали создаваться в то время, когда все основные диапазоны частот уже были распределены между наземными радиосистемами. Вследствие этого спутниковые системы должны работать в условиях, когда в выделенных для спутниковой связи полосах частот работают другие радиосистемы, в основном радиорелейные системы связи. Далее указаны основные участки спектра (диапазоны частот), применяемые в настоящее время для спутниковых систем связи и вещания. Эти значения ориентировочные и даны в рекомендации ITU-R V.431-6. В последующих пунктах использование полос частот будет рассмотрено более подробно. 1. 0,24—0,4 ГГц. Диапазон частот используется для мобильных систем связи военного назначения, в первую очередь для военно-морского флота и военно-воздушных сил. 2. 1,5/1,6 ГГц. В этом диапазоне частот выделена полоса частот шириной 29 МГц для создания спутниковых систем связи с мобильными объектами: морскими и воздушными судами, автомобилями, для персональной связи. Наиболее крупной системой этого диапазона частот является глобальная международная (с участием России) спутниковая система связи INMARSAT на базе геостационарных КА. 3. 1,9/2,1; 1,6/2,5 ГГц. Полосы частот шириной порядка 30 МГц в этом диапазоне частот выделены для низко- и среднеорбитальных систем мобильной и персональной связи. 4. 4/6 ГГц. Диапазон частот выделен для создания глобальных и региональных сетей связи со стационарными наземными станциями на базе геостационарных КА. Несмотря на выделенную полосу частот шириной 800 МГц, этот диапазон является перегруженным, и новые системы связи фиксированной спутниковой службы создаются в более высоких диапазонах частот. 5. 7/8 ГГц. Диапазон частот с полосой 500 МГц используется для военных систем связи со стационарными и мобильными терминалами. 6. 11/14 ГГц. Диапазон частот с полосой 800 МГц выделен для создания сетей связи со стационарными станциями. В этом диапазоне разрешено также создание на вторичной основе сетей связи с мобильными терминалами, за исключением самолетов. В этом диапазоне частот создаются в основном национальные или региональные системы связи. К настоящему времени этот диапазон близок к насыщению. 16 7. 12 ГГц. Каналы "Космос-Земля" в полосе 800 МГц выделены для геостационарных систем непосредственного теле- и радиовещания на стационарные персональные приемники. 8. 20/30 ГГц. Диапазон частот с полосой 2,5 ГГц выделен для создания геостационарных и негеостационарных систем связи со стационарными и мобильными терминалами, кроме самолетов. С целью упрощения конструкции спутникового ретранслятора, особенно фильтрующих устройств, его полосы частот на передачу и прием разделены большим защитным промежутком, поэтому для спутниковой системы связи указываются два диапазона частот: на передачу и на прием. Более высокая частота используется в радиолиниях "Земля-Космос", а более низкая частота — в радиолиниях "Космос-Земля". В технической литературе широко используются также буквенные литеры диапазонов частот, взятые из радиолокации (таблица 2.1). Точное разбиение диапазонов частот по литерам не всегда выдерживается строго. Таблица 2.1 - Наименование диапазонов и полосы частот Наименование Разрешённая полоса частот диапазона L –диапазон 1452-1550 МГц и 1610-1710 МГц S – диапазон 1930 – 2700 МГц C – диапазон 3400 -5250 МГц и 5725 – 7075 МГц X – диапазон 7250 – 8400 МГц Ku – диапазон 10,70 - 12,75 ГГц и 12,75 - 14,80 ГГц Ka – диапазон 15,40 - 26,50 ГГц и 27,00 - 30,20 ГГц K – диапазон 84,0 - 86,0 ГГц (не используется) Большинство действующих геостационарных спутниковых систем работают в диапазонах С (6/4 ГГц) и Ku (14/11 ГГц). Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных систем радиосвязи, стоит объединить сведения первого и второго разделов, которые дадут общее понимание процессов на спутниковой линии связи, которые связывают такие основополагающие факторы, как диапазон рабочих частот и высота орбиты над поверхностью зоны обслуживания. 2.3 Вопросы практического применения систем спутниковой связи различных диапазонов 2.3.1 L и S диапазоны Диапазоны L и S преимущественно используются для систем подвижной спутниковой связи. Причиной такого выбора для ПСС является меньшее 17 затухание сигнала на этих частотах при распространении по спутниковой линии связи (по сравнению с другими диапазонами). Меньшие потери сигнала на трассе распространения позволяют уменьшить требуемую эффективную изотропную излучаемую мощность (ЭИИМ) как земной, так и космической станции, а также в целом снизить требования к энергетическим и шумовым характеристикам приёмопередающего оборудования. Подвижные системы спутниковой связи предусматривают связь с движущимися объектами, т.е. антенна, установленная на приемопередатчике наземного абонента, не может быть точно направлена на спутник, так как если антенна имеет узкую диаграмму направленности, то потери сигнала из-за неточности наведения антенны будут достаточно высоки. Для устранения этого в системах ПСС используют антенны с широкой диаграммой направленности, что позволяет снизить потери наведения. При необходимости использования узконаправленной антенны требуется применение автоматических систем наведения. Минусом работы в данном диапазоне является сложность обеспечения электромагнитной совместимости с наземными структурами связи, работающими в смежных полосах частот. Данный диапазон частот активно используется наземными службами и поэтому возможно влияние одной системы на другую и создание перекрестных помех. Ситуация усугубляется применением антенн с низкой направленностью, что делает практически невозможной разделение полезного сигнала и помех непосредственно на приёме. По этой причине плотность потока мощности сигнала L и S диапазонов у поверхности Земли является ограниченной величиной и по сравнению с сигналами других диапазонов, особенно жёстко регламентируется. Так же существенным минусом является ограниченность частотного ресурса в этих диапазонах. Например, в Европе и США данные участки спектра заполнены почти полностью и желающие воспользоваться частотным ресурсом вынуждены ожидать завершения действия лицензии у предыдущих операторов. Для организации подвижной спутниковой связи может быть использована и геостационарная орбита. Примером системы ПСС, использующей геостационарные орбиты для своих спутников является система Инмарсат, изначально предназначенная для связи с морскими судами. При использовании мобильных спутниковых телефонных аппаратов имеется ряд ограничений, касающихся, прежде всего, излучаемой мощности сигнала. Эти ограничения мощности вызваны требованиями биологической защиты от излучения СВЧ, причём рекомендуемый уровень мощности непрерывного излучения радиотелефона должен составлять не более 50 мВт. Эффективный прием сигналов такой мощности геостационарными спутниками ведет к усложнению оборудования КА и развертыванию на спутнике больших антенн, что является весьма затратным и технически сложным с точки зрения как исполнения, так и реализации. По этой причине в системах мобильной спутниковой связи в большей степени используют низкие круговые орбиты. 18 Например, система Iridium использует космический сегмент из 66 спутниковретрансляторов размещенных на орбитах высотой 780км. Конечно, при использовании низких орбит увеличивается количество спутников, требуемое для глобального охвата, но есть и ряд преимуществ: 1. Используемые КА в данных системах имеют меньшую стоимость и вес, что позволяет выводить на орбиту по несколько КА одним ракетоносителем. 2. Имеется глобальный охват всей поверхности земли (по сравнению с GEO спутниками). 3. На низких орбитах наблюдается существенное уменьшение времени задержки сигнала при распространении, что особенно важно для организации телефонной связи. 4. Уменьшается стоимость оборудования абонента из-за использования менее мощных приемопередатчиков и меньших размеров антенн, что ведет к увеличению доступности данной услуги.[5] В начале становления систем подвижной связи низких диапазонов частот набор услуг, предоставляемых потребителю, был ограничен только телефонной связью. В настоящее же время возможности мобильной спутниковой связи существенно возросли. 2.3.2 С- диапазон Рассмотренные ранее диапазоны L и S, а также C-диапазон соответствуют «окну радиопрозрачности» земной атмосферы (расположенному примерно в приделах от 1 до 10 ГГц) по этой причине на начальной стадии развития ССС отдавались предпочтения данным диапазонам, но как отмечалось выше в L и S диапазонах выделенная полоса была мала и по этой причине необходимость освоения С-диапазона стала очевидной. Сочетание приемлемых значений ослабления сигнала при распространении и относительно широкой полосы частот сделало системы С-диапазона весьма успешными и использующимися и по сей день. Существенным отличием С-диапазона можно считать необходимость применения параболических антенн, вместо логопериодических или спиральных антенн более низких диапазонов частот. Недостатком С-диапазона, так же как L и S, является необходимость в обеспечения электромагнитной совместимости с наземными службами, работающими близких частотах, особенно это касается радиорелейных линий, которые имеют полностью совпадающие полосы частот. По этой причине плотность потока мощности у поверхности земли жестко регламентируется. Применение систем, работающих этом диапазоне, в больших городах, затруднительно из-за влияния микроволновых волн, создающих помехи по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны. Так же проблемой данного диапазона для ССС является полная загруженность, особенно в странах Северной Америки и Европы 19 Данный диапазон используется для организации фиксированной спутниковой службы на базе геостационарных спутников. Предоставляемые приложения:  Телефония;  Передача данных;  Первичное распределение ТВ программ;  Приложения VSAT; Примерами систем работающих в С-диапазоне Galaxy, Skynet, Intelsat и другие. 2.3.3 Кu-диапазон В результате «насыщения» С-диапазона и прогресса в области производства СВЧ компонентов радиоэлектронной аппаратуры началось освоение Кu-диапазона и распоряжении операторов спутниковой связи оказалась ещё одна, достаточно широкая полоса частот. Выгоду от использования Кu-диапазона быстро оценили не только профессионалы, но и индивидуальные пользователи. Дело в том, что с повышением частоты радиосигнала требуемый диаметр приемных антенн становятся меньше, так диаметр для приёма сигналов Ku-диапазона составляет не более 1,3 м. Такие компактные и недорогие индивидуальные установки в настоящее время можно видеть повсеместно: это и спутниковое телевидение, и организация спутниковых каналов передачи данных. К недостаткам использования Кu-диапазона можно отнести возрастающие значения затухания энергии сигнала при распространении по спутниковой линии связи, причём влияние земной атмосферы становится всё более заметным: ливневые дожди и сильные снегопады могут привести к полному прекращению связи. Ku – диапазон используется широковещательной спутниковой службой на базе геостационарных спутниковых систем и негеостационарных спутниковых служб. Предоставляются следующие виды услуг:  доступ в интернет;  передача речи;  ТВ вещание. Примеры систем работающих в диапазоне 14/11: DirectTV, USSB, Astra и др. 2.3.4 Ka-диапазон Ка-диапазон устраняет проблему нехватки спутникового сегмента, которая сдерживала развитие спутниковой связи в последние несколько лет в Ku-диапазоне. Появление спутников Ка-диапазона обеспечило отрасли дополнительный частотный ресурс, использование которого обходится значительно дешевле, чем использование аналогичной емкости Ku- или С20 диапазонов. Примером этого является европейский рынок, где использование Ка-диапазона обеспечивает существенно более высокую скорость передачи данных, доступную для конечного абонента, — до 20 Мбит/с — по привлекательной цене, при этом спутниковой емкости вполне достаточно для обслуживания сотен тысяч и даже миллионов абонентов в перспективе [7]. Если спутники Ku- и С-диапазонов обычно используют широкие лучи, охватывающие целый континент или крупную страну, такую, например, как Россия, то спутники Ка-диапазона работают по-другому принципу: они используют много точечных лучей, каждый из которых покрывает заданный регион. Благодаря этому, используя один и тот же спектр, спутник Кадиапазона способен передавать принципиально больше данных, чем традиционный спутник Ku-диапазона с широким контурным лучом. И хотя спутники Ка-диапазона дороже в 2—3 раза, общая стоимость передачи данных в расчете на один бит информации для них оказывается значительно ниже, чем для спутников Ku-диапазона. В Европе Ка-диапазон уже стал основным диапазоном для спутниковой передачи данных. Еще несколько лет назад судьба Ка-диапазона была спорной, а на 2013 уже запущено или планируется запустить свыше 30 новых спутников с поддержкой Ка-диапазона. Ка-диапазон имеет широкие перспективы в России [7]: применение этой технологии позволит быстро и сравнительно недорого обеспечить широкополосную связь во всех регионах Российской Федерации. Основной отрицательной характеристикой Ka-диапазона является зависимость от погодных условий, более сильная, чем в Ku-диапазоне. Дождь или снег существенно ослабляют сигнал. Телевидение в Ka-диапазоне страдает больше, чем услуги передачи данных, т.к. в при передаче данных есть возможность задействовать возможности DVB-S2 - адаптивной модуляции с обратной связью, когда параметры передачи сигнала меняются динамически в широких пределах в зависимости от условий прохождения сигнала. Также к отрицательным свойствам Ka-диапазона можно отнести более высокие требования к качеству изготовления зеркала антенны и к жёсткости всей антенной системы. Диаграмма направленности антенны в Ka-диапазоне более узкая при том же размере антенны. Этот факт позволяет располагать на орбите спутники Ka-диапазона на расстоянии 2 градуса, т.е. более плотно, чем для Ku-диапазона. Контрольные вопросы по 2 главе 1. Сформулируйте основные функции Сектора радиосвязи Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Р). Для развёрнутого ответа воспользуйтесь дополнительной литературой. 2. В каком диапазоне частот проще всего организовать сети подвижной спутниковой связи? 21 3. Почему в диапазонах, отведённых для спутниковой связи, частоты на линиях «вверх» выше, чем на линиях «вниз»? 4. Укажите единицы измерения плотности потока мощности сигнала. 5. По какой причине вводится ограничение плотности потока мощности сигнала со спутника у поверхности Земли? 6. Укажите сложности, которые сопровождают использование Кадиапазона для спутниковой связи. 3 Спутниковые сети передачи данных VSAT 3.1 Перспективы применения сетей передачи данных VSAT на территории Российской Федерации Земные станции спутниковой связи с антеннами малых апертур (типа VSAT), получившее развитие за последние годы в большинстве стран мира, в настоящее время также продолжают интенсивно развиваться. Этому способствуют характерные особенности, присущие данному классу ЗС, в частности: – использовании цифровых методов обработки и передачи информации; – небольшой диаметр антенн ЗС, все более приближающий каналы связи к персональным; – достаточно большая скорость передачи информации (до 2 Мбит/с), с помощью которой можно передавать информацию самого широкого назначения; – наличие необслуживаемых станций, упрощающих работу и удешевляющих эксплуатационные расходы пользователей; – упрощенная процедура введения ЗС VSAT в эксплуатацию в большинстве стран мира [9]. За последнее время наряду с традиционными услугами, предоставляемыми операторами спутниковой связи с помощью ЗС VSAT (телефон, передача факсимильных сообщений и данных), интенсивно развиваются новые виды услуг на основе интерактивных сетей включающих услуги Интернет) обеспечивающих диалоговый режим между источниками услуг и потребителями. В России также существует большая потребность в каналах связи с использованием ЗС VSAT, причем полная реализация таких сетей с набором мультимедийных интерактивных каналов могла бы обеспечить до 50% общего роста потребностей в каналах спутниковой связи. Однако развитие рынка VSAT в России сдерживается по следующим основным причинам: 1) отсутствие отечественного производства современных ЗС VSAT. 2) отсутствие нормативно-правовой базы, регулирующей использование ЗС и сетей VSAT на основе упрощенных процедур. 3) недостаточное число современных спутников связи. 22 Стоимость разрешения (лицензии) на эксплуатацию интерактивного спутникового терминала например, в Казахстане и на Украине составляет 100 200 дол. в год на один терминал, в Европе средняя цифра составляет 10 дол. в месяц (один из самых низких показателей - например, в Германии – 17 евро в год; один из самых высоких – в Бельгии - 533 евро в год). Эти суммы, конечно, несопоставимы с несколькими тысячами долларов, которые сегодня нужно платить в России для получения аналогичных разрешений на эксплуатацию одной VSAT-станции [10]. В такой ситуации необходимыми условиями успешной реализации телекоммуникационного проекта является его невысокая стоимость, короткие сроки. В России уже поняли проблему недостаточного числа современного оборудования спутниковой связи, поэтому принято должное решение о модернизации распределительной сети. Стоимость реализации проекта может составить более 40 млн. долларов, и такие инвестиции можно реализовать только с участием государства. Использование российских аппаратных средств, позволит сократить капитальные затраты на проект в 2 - 2.5 раза. В новой распределительной сети будут задействованы: -- ФГУП «Космическая Связь» с её новыми спутниками серии «Экспресс-АМ»; -- ОАО «Газком» с мощной группировкой «Ямал» -- МОКС «Интерспутник» со спутником LMI. В нашей стране развитие этих технологий связано с появлением в орбитальной группировке спутников с высоким энергетическим потенциалом как в С-, так и в Ku- диапазонах, а также с разработкой технологии создании VSAT-сетей, позволяющих решать любые задачи в области связи и вещания. В общем объеме мирового рынка космических технологий спутниковая связь и вещание уже сегодня имеет около 75%. Такая ситуация связана не только с коммерческой привлекательностью средств спутниковой связи, передачи данных и, особенно, вещания, но и с общей мировой тенденцией перехода к информационному обществу. Качественный переход к информационному обществу, по-видимому, произойдет в первой половине XXI века, когда в полной мере будет завершен процесс создания глобальной информационной инфраструктуры (GII). Особую интегрирующую роль в формировании GII как единого пространства играют спутниковые средства связи, передачи данных и вещания [11]. 3.2 Основные принципы построения сетей VSAT По формальному признаку сетью VSAT является любая сеть связи, в которой задействованы земные станции с небольшими антеннами. Однако есть ряд особенностей, позволяющий выделить сети VSAT из всего многообразия ССП:  сети VSAT относятся к классу фиксированной спутниковой службы; 23  их космический сегмент базируется на ресурсах геостационарных спутников-ретрансляторов с непосредственной ретрансляцией и приемопередающими антеннами с глобальным или национальным лучом;  сети VSAT являются в основном ведомственными сетями. К классу земных станций VSAT (Very Small Aperture Terminal) относятся станции спутниковой связи, технические характеристики которых удовлетворяют следующим требованиям Рекомендации МСЭ-Р S.725 «Технические характеристики VSAT»: – станции VSAT устанавливаются непосредственно у пользователей, причем плотность размещения их на ограниченной территории может быть весьма высокой; – станции VSAT обычно не имеют постоянного квалифицированного обслуживающего персонала; – контроль и управление работой станции VSAT в сети осуществляется централизовано, но могут дополнительно использоваться и местные станционные системы контроля и управления; – станции VSAT относятся к Фиксированной спутниковой службе (ФСС) и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи (РР) и Рекомендациям МСЭ-Р, как и все земные станции ФСС; – станции VSAT обычно применяются в так называемых выделенных сетях (частных, деловых) для передачи данных и телефонии в цифровом виде в режимах работы только на прием (симплекс) или на прием/передачу (дуплекс); – антенны VSAT обычно имеют диаметр 1,8…3,5м., но в отдельных системах могут использоваться и большие антенны (диаметром до 6 м); – скорость передачи информации в цифровом виде со станции VSAT обычно не превышает 2 Мбит/с.; – в станции VSAT используется маломощный радиопередатчик (обычно от 1 до 20 Вт) с обязательным ограничением излучаемой мощности в целях безопасности. В настоящее время сети станций VSAT чаще всего работают в диапазонах частот ФСС 6/4 ГГц (С-диапазон) и 14/11 ГГц (Ku-диапазон). Технические параметры станций VSAT при передаче должны удовлетворять требованиям следующих Рекомендаций МСЭ-Р [12-15]:  Рекомендация S.726 «Максимально допустимый уровень паразитных излучений VSAT»;  Рекомендация S.727 «Кроссполяризационная развязка для VSAT»;  Рекомендация S.728 «Максимально допустимый уровень внеосевой плотности ЭИИМ VSAT»;  Рекомендация S.729 «Контроль и управление станции VSAT». Сети VSAT принято классифицировать по двум основным признакам: – по конфигурации трафика – по структуре системы управления сетью (централизованная и децентрализованная). 24 Предпочтительная организация сети зависит от природы информационного потока пользователя. Способность терминалов к реконфигурации освобождает пользователя от необходимости ограничивать себя в своих будущих телекоммуникационных планах для того, чтобы предотвратить закупку оборудования, которое устареет к тому времени, когда понадобится. С точки зрения трафика существуют три основных варианта организации связей в сетях VSAT: 1) Сеть типа "точка-точка" простейший случай дуплексной линии связи между двумя удаленными станциями. Сеть типа «точка-точка» (рисунок 3.1) позволяет обеспечить прямую дуплексную связь между двумя удаленными пунктами связи. Такая схема связи наиболее эффективна при больших расстояниях между пунктами или их расположении в труднодоступных регионах. Рисунок 3.1 – Сеть связи с топологией «точка-точка» 2) Сеть типа "звезда" - для радиального трафика между центром сети и периферийными пунктами связи. Рисунок 3.2 – Сеть связи с топологией «звезда» 25 В наиболее распространенных для станции класса VSAT сетях типа «звезда» (рисунок 3.2) обеспечивается многонаправленный радиальный трафик между центральной земной станцией сети (ЦЗС) и удаленными периферийными станциями (терминалами) VSAT по энергетически выгодной схеме: малая ЗС VSAT – большая ЦЗС, обладающая антенной большого диаметра и мощным передатчиком. Сети VSAT подобного рода широко используется для организации информационного обмена между большим числом удаленных терминалов, не имеющих взаимного трафика, транспортными или финансовыми учреждениями. Аналогичным образом построены телефонные сети для обслуживаемых так называемых удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к одному из наземных центров коммутации каналов (GATEWAY). Использование схемы «звезда» имеет один спорный вопрос, который связан с крайней протяжённостью спутниковой линии связи. Из-за расстояния до 40 тысяч километров, которое нужно преодолеть радиосигналу, передача 1 бита информации из одного места в другое (единичный "скачок") занимает примерно четверть секунды. Если передача происходит от одной станции VSAT на другую такую станцию, топология "звезда" требует два скачка, что приводит к задержке в полсекунды. Эта задержка во времени практически не имеет значения при передачи данных между двумя компьютерами, например, чтобы обновить базы данных. Однако, задержка топологии "звезда" может стать заметной при голосовой передаче. Поэтому топологию "звезда" лучше использовать, когда передача сообщений происходит между центральной системой и отдаленными станциями в один скачок или когда передача от одной станции VSAT к другой не требует мгновенного ответа. Функции контроля и управления в сети типа «звезда» обычно централизованны и сосредоточены на центральной управляющей станции (ЦУС) сети (в англоязычной литературе HUB). ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети связи и поддержания рабочего состояния всех периферийных терминалов VSAT данной сети. Подобная централизованная система управления сетью VSAT с помощью ЦУС экономически целесообразна для сетей с достаточно большим числом упрощенных и потому дешевых периферийных терминалов VSAT. Однако известны примеры реализации сетей VSAT без ЦУС с децентрализованной распределенной системой управления, элементы которой входят в состав каждой станции VSAT. В некоторых действующих телефонных сетях VSAT типа «звезда» функции ЦУС и ЦЗС разделены между разными земными станциями, но чаще функции ЦУС совмещают с функциями ЦЗС. Такая совмещенная схема ЦУС/ЦЗС используется преимущественно в сетях передачи данных с коммутацией пакетов, где ЦУС/ЦЗС выполняет роль диспетчера26 маршрутизатора сетевого трафика и одновременно обеспечивает интерфейс спутниковой сети с наземной сетью передачи данных на основе протокола МСЭ-Т X.25. 3) Сеть типа "каждый с каждым" (сеть типа MESH в англоязычной литературе) - для прямых связей между любыми пунктами сети связи. В сети «каждый с каждым» (рисунок 3.3.) обеспечиваются прямые соединения между любыми станциями VSAT, расположенными во всех пунктах связи. Связь двух любых станций в такой устанавливается через спутник за один «скачок». Схема оптимальна для телефонных сетей, создаваемых в труднодоступных и удаленных районов, и для сетей передачи данных с относительно небольшим числом удаленных терминалов VSAT. Топология сети «MESH» обеспечивает возможность VSAT общаться напрямую с другими станциями VSAT, сводя к минимуму задержку при групповых передачах. Это означает, например, что телефонный разговор между людьми, говорящими по телефонам, соединенным сетью VSAT, имеют единичный скачок, незаметный для большинства людей. MESH-IP поддерживает передачу данных в один скачок для компьютерных приложений, таких как программное обеспечение «клиент-сервер», которое требует моментального двустороннего соединения между компьютерами в отдаленных точках Рисунок 3.3 - Сеть типа «каждый с каждым» (MESH) При централизованной схеме управления сетью ЦУС выполняется только служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети VSAT, но не участвует в передаче трафика. В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой управления отличаются 27 повышенной «живучестью» и гибкостью за счет усложнения оборудования, расширения его функциональных возможностей и удорожания по этим причинам VSAT терминалов. 3.3 Элементы структурной схемы сети связи VSAT 3.3.1 Центральная земная станция Центральная земная станция (ЦЗС) в сети спутниковой связи выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети. ЦЗС включает в себя 3 блока: радиочастотный, модемный и интерфейсный. Радиочастотный блок включает в себя стандартную следящую антенную систему, усилители мощности, малошумящие усилители, преобразователи частоты. Приемо-передающая аппаратура и антенно-фидерное устройство обычно строится на базе стандартного оборудования, имеющегося на рынке. Для обеспечения надежности связи аппаратура обычно имеет 100% резервирование. Внутренние элементы включают множество устройств, которые контролируют двусторонние передачи через антенну, преобразования между спутником и наземными протоколами и другие технические вопросы. Сервер системы управления сетью контролирует функционирование всех устройств, а также распределяет очередность передачи сообщений приложениям в зависимости от определенных покупателем требований к качеству обслуживания. Микропроцессорный блок обеспечивает интерфейс с модемным блоком, главным компьютером и центром управления сетью, осуществляет согласование протоколов компьютера с внутренними протоколами сети, анализирует принимаемую по входящим каналам информацию и поддерживает протокол множественного доступа к ГСР. Управление сетью обычно осуществляется при помощи аппаратнопрограмных средств, обеспечивающей доступ операторов к общесетевым ресурсам, контроль, фиксацию и отображение общего текущего состояния сети. Для организации группового потока (речь, данные, факс и т. д.) используются мультиплексоры, осуществляющие временное уплотнение сигналов. Каналообразующая аппаратура обеспечивает формирование спутниковых радиоканалов и стыковку их с наземными линиями связи. Каждый из поставщиков систем спутниковой связи применяет свои оригинальные решения 28 этой части ЦЗС, что часто исключает возможность использования для построения сети аппаратуру и абонентские станции других фирм. Обычно эта подсистема строится по модульному принципу, что позволяет по мере роста трафика и количества абонентских станций в сети легко добавлять новые блоки для увеличения ее пропускной способности. На рисунке 3.4 приведён пример структурной схемы центральной земной станции, предназначенной для передачи сигналов телефонии к удалённым абонентским терминалам. Рисунок 3.4 – Типовая структурная схема ЦЗС при передаче телефонии АВТ - антенно-волноводный тракт; АС - антенная система; Д - делитель мощности по ПЧ (промежуточной частоте); МШУ - малошумящий усилитель; ОКН - один канал на несущую; ОКС - общий канал сигнализации; ПВ - переключатель волноводный; ПКТ - предоставление каналов по требованию; ПрЧ - преобразователь частоты (вверх/вниз); УМ - усилитель мощности. Антенна ЦУС имеет диаметр от 4,5 до 11,0 м с целью экономии мощности передатчиков периферийных станций VSAT и энергетического ресурса спутникового ретранслятора. Радиочастотное оборудование (МШУ, УМ, ПрЧ) полностью резервируется для повышения надежности работы ЦУС, поскольку этот показатель фактически определяет надежность работы сети VSAT в целом. Если функции центральной станции ограничиваются только управлением сетью VSAT, то в состав оборудования полосы модулирующих частот входят только служебные подсистемы: первичный контроллер системы управления каналами в сетях с аппаратурой предоставления каналов по требованию (АПКТ), системы управления и контроля состояния периферийных станций сети, тарификации обслуживаемой нагрузки. 29 Первичный контроллер АПКТ, являющийся ядром централизованной системы (ПКТ), выполняет функции контроля и управления сетью и предоставления каналов по требованию, взаимодействует по общему каналу сигнализации (ОКС) с каждым вторичным канальным контроллером АПКТ терминалов VSAT. В состав ЦУС, участвующей в трафике, дополнительно включаются блоки каналообразующего оборудования: модемы, вторичные канальные контроллеры АПКТ и речевые кодеки, модульно наращиваемые при увеличении емкости сети. 3.3.2 Периферийная (абонентская) земная станция Малая земная станция спутниковой связи (абонентский VSAT терминал для передачи телефонии и/или «двунаправленного спутникового Интернета») состоит из устройств: антенна VSAT, блок наружной установки, блок внутренней установки Антенна VSAT - однозеркальная параболическая офсетная антенна диаметром от 0,9 до 2,4 метра. Антенна, вместе с прилагаемым блоком конвертером с низким уровнем шума или LNB (который усиливает полученные со спутника сигналы) и передатчик составляют наружный модуль комплекта VSAT (ODU – OutDoor Unit), первую из двух частей комплекта VSAT. 3.3.2.1 Блок наружной установки Сигналы, принимаемые со спутника, очень малы, и их уровень соизмерим с уровнем естественных атмосферных шумов и помех, которые вместе с сигналом, попадая на вход малошумящего предварительного усилителя, также усиливаются. Но полезные сигналы должны усиливаться в большей степени, и основное назначение этого усилителя - обеспечить усиление и значительное превышение полезных сигналов над уровнем шума. Необходимый уровень сигнала для передачи во внутренний блок (в спутниковый телевизионный ресивер) можно получить и другим способом, например, если усиливать уже преобразованные сигналы, т. е. сигналы ПЧ. Однако такой усилитель неизбежно усиливает и шумы, появляющиеся на его входе вместе с шумами смесителя и вместе с собственными шумами, и он не может изменить отношение сигнал-шум в лучшую сторону. Улучшать отношение сигнал-шум всегда желательно. Этого можно добиться, применяя антенны больших размеров. Однако качественная большая параболоидная антенна довольно дорога, а с другой стороны, из-за большой парусности нужно решать сложные задачи по ее креплению. Поэтому применяют небольшие антенны, а отношение сигнал-шум увеличивают за счет предварительного малошумящего усилителя, который повышает добротность приемной системы в целом. В настоящее время часто объединяют МШУ и конвертор. Создание 30 малошумящих предварительных усилителей-конвертеров стало возможно в связи с разработкой гибридной интегральной технологии Малошумящие усилители (LNA) предназначены для усиления очень слабых сигналов, поступающих от антенн спутниковых станций. Малошумящие блоки (LNB) представляют собой устройства, интегрирующие в себе функции малошумящего усилителя и преобразователя частоты "вниз". Основными параметрами LNA и LNB являются рабочий диапазон частот, температура или коэффициент шума и коэффициент усиления. LNA и LNB выпускаются на разные диапазоны частот (С, Ku и др.) и каждый диапазон разбивается на поддиапазоны: C - диапазон: 3,6 - 4,2 ГГц (стандартный); 3,4 - 4,2 ГГц (полный); 4,5 - 4,8 ГГц (InSat); Ku - диапазон: 10,95 - 12,75 ГГц (LNA стандартный); 10,70 - 12,75 ГГц (LNA расширенный); 10,95 - 11,7 (LNB стандартный, нижний); 10,70 - 11,7 (LNB расширенный, нижний); 12,25 - 12,75 (LNB стандартный, верхний); 11,70 - 12,75 (LNB расширенный, верхний); Кроме того, у разных фирм есть LNB с другими диапазонами расширенными, суженными или сдвинутыми по частоте. LNA обычно применяются в составе резервированных 1:1 или 2:1 сборок на центральных станциях. Выход LNA подключается на вход преобразователя частоты "вниз". LNB позволяют создавать относительно дешевые решения для периферийных (абонентских) ЗС СС. Кроме того, большой класс спутникового оборудования рассчитано на прямое подключение к выходу LNB, обеспечивая подачу питания по кабелю снижения. LNB, предназначенные для работы в системах спутниковой связи, принципиально отличаются от LNB, работающих со спутниковыми телевизионными сигналами. К ним предъявляются повышенные требования по стабильности частоты локального генератора, поэтому в спутниковой связи применяются только LNB с фазовой автоподстройкой (PLL LNB). Причем, чем меньше скорость в канале передачи, тем выше требования по стабильности. Так, для работы с цифровым аудио приемником ABR202, необходимо LNB со стабильностью не хуже +/- 3 ppm (+/- 30 кГц для Ku-диапазона). Другим способом повышения стабильности частоты локального генератора является применение LNB с внешним опорным сигналом. На такой LNB по кабелю снижения, наряду с питанием, подается сигнал 10 МГц от высокостабильного внешнего генератора. К внешнему генератору предъявляются жесткие требования по уровню фазовых шумов. По такой схеме построены большинство спутниковых терминалов. 31 При работе в составе приемо-передающей станции обязательным является применение режекторного фильтра, ослабляющего сигналы диапазона передачи на входе LNA и LNB. 3.3.2.2 Блок внутренней установки Типовой блок внутренней установки (БВ) терминала VSAT для телефонии (ТЛФ) состоит из модема и компьютеризированного цифрового управляющего устройства (контроллера АПКТ), а также речевого кодека (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 – Функциональная схема станции VSAT-ТЛФ АПТК – аппаратура предоставления каналов по требованию; МШУ – малошумящий усилитель; Пд – передатчик; Пм – приемник; ПрЧ – преобразователь частоты; ПЧ – промежуточная частота; ТЛФ – телефон; УМ – усилитель мощности; УАТС – учрежденческая АТС. Блок внутренней установки обеспечивает интерфейс с блоком наружной установки по промежуточной частоте, питанию, дистанционному контролю и управлению и аналоговый интерфейс с необходимыми типами оконечного оборудования пользователя для передачи речевой информации, сигналов факса или телекса. В варианте телефонной сети VSAT в составе блока внутренней установки находится речевой кодек, обеспечивающий преобразование аналогового телефонного сигнала в цифровую форму. Наиболее распространенным вариантом преобразования является адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ). Отличие АДИКМ от ИКМ, в которой кодируются отсчеты, заключается в том, что кодируется приращение отсчета по отношению к предыдущему отсчету. Помимо речевой информации в цифровую форму преобразуются и служебные сигналы сигнализации, передаваемые по абонентскому телефонному интерфейсу при установлении соединения. 32 Система с предоставлением каналов по требованию, действующая под управлением центральной управляющей станции (ЦУС) сети VSAT, обеспечивает эффективное использование пропускной способности спутникового ретранслятора в режиме незакрепленных каналов, предоставляемых абонентам сети VSAT по требованию. В состав модема VSAT включается дополнительный преобразователь частоты, позволяющий обеспечить частотное разделение при совместной передаче сигналов контроля и управления, а также передаваемого и принимаемого сигналов ПЧ по коаксиальному кабелю между наружным и внутренним блоками станции VSAT. Скорость передачи информации цифровых модемов телефонных терминалов VSAT составляет от 19,2 до 35,0 кбит/с с учетом передачи дополнительной служебной информации. Способ модуляции ОФМ-2/ОФМ-4 (BPSK/QPSK). Практически во всех современных станциях в состав модема входит цифровой кодек (кодер-декодер) помехоустойчивого кода с "прямым" исправлением ошибок. Наиболее распространенный способ кодирования – применение в тракте передачи кодера сверточного кода (СК) с относительными скоростями кодирования R=1/2, 3/4, 7/8. В тракте приема на входе когерентного демодулятора ФМ сигналов используется декодер СК, реализующий один из двух наиболее эффективных алгоритмов декодирования: - алгоритм Витерби – декодирование по методу максимального правдоподобия, осуществляющий коррекцию ошибочных бит - Forward Error Correktion (FEC).; - последовательный алгоритм в сочетании с "мягким" решением по каждому принимаемому символу. Генераторное оборудование аппаратуры VSAT содержит в составе блоков внутреннего или внешнего размещения высокостабильный опорный генератор диапазона частот от 10 до 100 МГц с весьма высокими требованиями к долговременной стабильности частоты выходного сигнала. Он используется для формирования гетеродинных частот в ПрЧ «вверх» и ПрЧ «вниз». Типовое значение долговременной стабильности частоты применяемых генераторов не хуже 1·10-7 в год. Комплект оборудования станции VSAT обеспечивает организацию одного дуплексного телефонного канала, предоставляемого в закрепленном режиме или по требованию. Как правило, блок внутреннего размещения имеет модульную структуру для нескольких телефонных каналов и допускает наращивание числа оконечных комплектов оборудования для увеличения объема трафика. Внутренний блок соединяется с внешним посредством 2 кабелей (кабельная соединительная линия - IFL (Intermediate Frequency Line). Как правило, это два гибких радиочастотных кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, соединяющих BUC и LNB с выходом и входом IDU. 33 3.3.2.3 Периферийные устройства сетей связи VSAT Со стороны оборудования пользователя земная VSAT станция «двунаправленного спутникового Интернета» имеет, как правило, единственный интерфейс - IP поверх 100Base-T Ethernet. То есть самый распространенный сетевой интерфейс в мире - 100-мегабитный Ethernet по медной «витой паре» с разъемом RJ-45. Это позволяет подключать спутниковую станцию непосредственно или через обычный коммутатор Ethernet («свитч») к следующим периферийным устройствам:  к отдельному компьютеру или серверу,  прямо к локальной компьютерной сети Ethernet,  к маршрутизаторам, криптошлюзам, аппаратным сетевым экранам и т.п.,  к шлюзам IP-телефонии,  к веб-камерам и видеосерверам. Как правило, VSAT терминал не имеет органов управления. Управление оборудованием земной станции осуществляется через тот же порт по тому же IP-протоколу с помощью команд Telnet или через web-интерфейс. Некоторые абонентские VSAT терминалы (например, производства Hughes Network Systems) оборудованы встроенным шлюзом IP-телефонии и имеют порты для подключения аналоговых телефонных аппаратов (порты типа FXS) с разъемами RJ-11 (телефонными). 3.4 Организация множественного доступа в сетях VSAT 3.4.1 Основные методы множественного доступа в сетях VSAT Режим многостанционного доступа (МД) позволяет присвоить каждой из передающих земных станций выделенную ей часть ресурсов транспондера, поэтому все системы, использующие МД, могут быть классифицированы по виду ресурса, разделяемого между земными станциями VSAT. В таблице 3.1 приведены основные виды многостанционного доступа, применяемые в сетях VSAT. Таблица 3.1 - Виды многостанционного доступа, применяемые в сетях VSAT Распределение ресурса спутникового транспондера между станциями Вид доступа Эквивалентная Полоса частот, Время передачи, изотропно излучаемая f t мощность, ЭИИМ МД с временным Вся выделенная Разделяемое Вся выделенная на разделением на сеть для между сеть для каждой (МДВР) каждой станции станциями сети станции 34 Вид доступа МД с частотным разделением (МДЧР) МД с кодовым разделением (МДКР) С временным и частотным разделением ресурса (МДЧВР) Распределение ресурса спутникового транспондера между станциями Эквивалентная Полоса частот, Время передачи, изотропно излучаемая f t мощность, ЭИИМ Разделяемая Все выделенное Разделяемая между между на сеть для станциями сети станциями сети каждой станции Вся выделенная Все выделенное Разделяемая между на сеть для на сеть для станциями сети каждой станции каждой станции Разделяемая между станциями сети Разделяемое между станциями сети Разделяемая между станциями сети Из таблицы 3.1 можно видеть, что среди классифицированных видов МД по степени использования энергетического ресурса наилучшими возможностями обладает МДВР. Если система спутниковой связи с МДВР работает во всей полосе частот канала ретрансляции транспондера, то она может использовать весь его энергетический ресурс в односигнальном режиме, близком к насыщению, без большого снижения ЭИИМ, которое необходимо было бы с целью уменьшения уровня интермодуляционных искажений при многосигнальном режиме транспондера, характерном для всех остальных видов МД. Кроме вида разделяемого ресурса важной характеристикой системы МД является способ коллективного доступа к разделяемому ресурсу, который может быть определен по аналогии с соответствующей характеристикой, используемой в теории систем массового обслуживания. В соответствии с этим подходом различают:  доступ к ресурсу, выделенному земной станции на постоянной основе;  доступ к ресурсу на основе динамических алгоритмов резервирования;  доступ к ресурсу, используемому земной станцией случайным образом. Каждый из перечисленных выше способов доступа или их комбинация могут быть использованы в любой из приведенных в таблице 3.1 систем МД. Для дуплексных радиолиний на каждом направлении связи может быть применена своя комбинация вида разделяемого ресурса и дисциплины коллективного доступа, поэтому число возможных режимов МД возрастает еще больше. В дополнение к этому следует учитывать, что в сетях VSAT для передачи информации разных видов (сигналы трафика, сигналы сигнализации и управления) могут применяться и разные режимы многостанционного доступа, поэтому реализуемые комбинации аппаратно - программных средств МД 35 отличаются большим разнообразием возможных характеристик и конфигураций. На первый взгляд, кажется, что подобное разнообразие режимов затрудняет анализ многочисленных продуктов МД для VSAT, выпускаемых разными фирмами-производителями. На самом же деле, при более внимательном изучении этих продуктов можно убедиться, что все они используют очень ограниченное число возможных режимов МД, которые могут быть легко идентифицированы по виду разделяемого ресурса и способу коллективного доступа. В рамках принятого метода многостанционного доступа способ предоставления телекоммуникационного канала абоненту может быть различным. С этой точки зрения все виды МД можно разделить на два класса: случайный и упорядоченный. Случайный метод многостанционного доступа предусматривает независимую работу станций сети, т.е. каждая станция начинает передачу, не координируя свои действия с остальными станциями сети. В этом случае возможен только режим временного разделения. Данные методы наилучшим образом реализованы в семействе проколов ALOHA. Упорядоченный многостанционный доступ предусматривает разделение ресурса на основе заранее оговоренных процедур. В зависимости от реализуемых процедур различают следующие типы упорядоченного многостанционного доступа: 1. с выделением (закреплением) ресурса на постоянной основе (PAMA); 2. с закреплением ресурса по требованию (DAMA); 3. с принудительным опросом (директивный метод, polling). Многостанционный доступ с закреплением ресурса на постоянной основе предполагает монопольное владение ресурсом (или его частью). В случае частотного разделения ресурса для источника информации выделяется фиксированная полоса частот, в случае временного разделения – фиксированный временной слот. В случае многостанционного доступа с закреплением ресурса по требованию, передающая станция при появлении у неё данных для передачи запрашивает ресурс у главной станции. В случае принудительного опроса главная станция в установленном порядке опрашивает все станции сети. Каждая станция подтверждает адресованный ей запрос и посылает данные, если на данный момент таковые имеются. 3.4.2 Способ передачи информации «один канал на несущую» Самый простой режим связи земных станций между собой - это канал SCPC (Single Channel per Carrier - один канал на несущую). Технология SCPC используется для организации выделенного спутникового канала «точка-точка» [17]. На спутнике выделяются две полосы 36 частот f1 и f 2 , которые занимаются земными станциями для организации дуплексного канала. В такой системе каналообразующими устройствами являются спутниковые модемы: они осуществляют преобразование последовательных данных в радиочастотный сигнал и обратно, а также помехоустойчивое кодирование передаваемых данных. Каналы SCPC в настоящее время активно используются. Например, используя модемы с интерфейсами G.703, можно через спутник подключить удаленную базовую станцию сотовой сети, тем самым транспортная подсистема наземной сети сотовой связи будет представлять собой канал спутниковой связи. Основное преимущество технологии SCPC - гарантированная скорость и высокая готовность канала. Выделенные на спутнике полосы частот »монопольно« занимаются парой модемов, поэтому в любой момент времени им доступна вся полоса канала. Недостаток - низкая эффективность использования спутникового ресурса. Независимо от того, имеется ли в данный момент потребность в передаче, выделенные полосы частот зарезервированы за станциями и не могут быть использованы кем-то другим. Оператор связи будет платить за аренду полос на спутнике независимо от реальной загрузки канала. Поэтому операторы стараются арендовать полосы минимально необходимой ширины. Для работы с узкополосными сигналами оборудование должно соответствовать специфическим требованиям, поэтому стоит оно довольно дорого. Кроме того, на каждую арендуемую полосу на спутнике оператор должен получить частотное присвоение. В результате стоимость решения SCPC даже для низких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) составит от 30-35 тысяч USD на один конец. Реальные задачи связи, как правило, предполагают построение не отдельных каналов, а сетей. Наиболее востребованная топология сети – «звезда», потому что она в наибольшей степени соответствует структуре управления в бизнесе или государственных структурах: центральный офис филиалы, офис - производственные площадки, провайдер - абоненты и т.п. Спутниковую сеть с топологией «звезда» можно построить на базе технологии SCPC. На центральной станции вместо одного модема потребуется набор модемов - по одному на каждое направление связи. При большом количестве периферийных станций на центральной станции может быть установлено несколько шкафов с модемами. Радиочастотное оборудование ЦЗС может использоваться одновременно модемами всех направлений. Однако из-за того, что количество информации, передаваемой в единицу времени, на центральной станции больше, чем на периферийных, ЦЗС должна иметь антенну большего размера и большую мощность передатчика. Такая сеть будет эффективной, если все направления загружены равномерно и постоянно. Однако трафик реальных сетей редко отвечает этим требованиям: телефонные разговоры могут начинаться и заканчиваться в произвольное 37 время, в рабочее и нерабочее время связь используется по-разному. В такой ситуации сеть «звезда» на основе закрепленных каналов будет работать неэффективно. Одно направление может быть перегружено, в это же время другое направление будет простаивать. Полосы частот жестко закреплены за каждым направлением, и использовать полосу одного направления для нужд другого невозможно. Придется арендовать и оплачивать емкость на спутнике, выбранную исходя из максимальных потребностей всех направлений, хотя фактическая загрузка может быть меньше в разы. 3.4.3 Многостанционный доступ с временным разделением каналов Как уже упоминалось, многостанционный доступ с временным разделением ресурса спутникового транспондера является самым энергетически эффективным, а потому – самым распространённым при построении сетей VSAT Развитие технологий сетей типа «звезда» привело к созданию принципа разделения спутникового ресурса TDM/TDMA. TDM - Time Division Multiplexing, разделение по времени. TDMA - Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени. В сетях TDM/TDMA независимо от количества абонентских станций (терминалов) используются только две частоты: на передачу от ЦЗС к абонентским терминалам и на передачу от всех абонентских терминалов к центральной станции. Передача данных для всех абонентов ЦЗС осуществляется на одной несущей, в едином цифровом потоке с разделением по времени. Чтобы абонентские станции смогли распознать информацию, адресованную именно им, поток делится на блоки, каждый из которых имеет персональный заголовок. В направлении от абонентских станций принцип передачи иной. Абонентские терминалы передают исходящую информации не постоянно, а по очереди, отдельными пакетами, которые названы «вспышками». Такой режим передачи называется burst-mode (от слова burst - вспышка). Чтобы пакеты от разных абонентских спутниковых терминалов не совпали по времени, каждый из них передает только в назначенные ему индивидуальные промежутки времени - тайм-слоты. Поскольку абонентские терминалы в сети TDM/TDMA не связаны друг с другом, организацией их синхронно-поочерёдной работы занимается ЦЗС. Кроме персональной информации ЦЗС передает абонентским терминалам сигналы временной синхронизации и команды, которыми назначает той или иной станции соответствующие им тайм-слоты. Назначая разным станциям большее или меньшее количество таймслотов в каждом кадре, хаб гибко перераспределяет между абонентскими станциями как полосу приема, так и полосу передачи. Если абоненту 38 необходим выделенный канал, для него может быть зарезервировано фиксированное количество тайм-слотов в каждом кадре. Тайм-слоты, оставшиеся от выделенных каналов, перераспределяются между станциями, которым гарантированная скорость не нужна. Эти абоненты получают скорость, обратно пропорциональную мгновенной загрузке канала. Если терминал выключен, его тайм-слоты отдаются остальным. Для вновь включаемых абонентских станций с определенной периодичностью назначаются специальные свободные в текущий момент тайм-слоты. Когда терминал включается, он принимает от ЦЗС сигналы синхронизации и передает в таком входном тайм-слоте сообщение о своем присутствии в сети. ЦЗС определяет появление в сети новой станции и назначает ей уже персональные тайм-слоты в соответствии с ее статусом. С определенной вероятностью может случиться, что две или более абонентских станции попытаются войти в сеть одновременно, используя один входной тайм-слот. Тогда хаб не опознает и не пустит в сеть ни одну из них. Следующую попытку входа эти станции будут предпринимать не сразу, а пропустив некоторое случайное количество последовательных входных тайм-слотов, чтобы снизить вероятность одновременной передачи. Поскольку абонентские станции распределены на большой площади, расстояние от них до спутника может значительно отличаться, значит, их сигналы будут приходить с разной задержкой. Чтобы этого не случилось, в управляющую систему хаба вводятся точные географические координаты всех абонентских терминалов. Система рассчитывает для каждой станции величину необходимого упреждения передачи и сообщает ее каждому терминалу. Более подробно о построении цикла передачи данных при организации многостанционного доступа с временным разделением каналов описано далее. 3.4.3.1 Построение цикла сигнала с временным разделением каналов в сети VSAT Пакеты, вмещающие в себя совокупный поток данных, переданные терминалами земных станций, организуются в некоторую последовательность (набор), называемую циклом. Первый пакет в цикле не содержит трафика и является пакетом сетевой и системной управляющей информации (ССУ). Пакет ССУ используется абонентскими терминалами для обмена между собой управляющей информацией, а также для посылки статусной и управляющей информации в систему управления сетью. То есть этот пакет используется исключительно как служебный для посылки запроса на установление соединений (Станция "А" в свой момент времени, когда она передает пакет ССУ, посылает запрос станции "Б" на установление соединения в определенных пакетах на определенной несущей; станция "Б" в момент времени, когда она передает пакет ССУ, подтверждает готовность и действует таким же образом по отношению к другим станциям). 39 Следующим пакетом в цикле является сетевой вещательный пакет (СВП), и он используется системой управления сетью для распределения (загрузки) управляющей информации и карт (списков соединений цепей) в остальные терминалы. В этом пакете передается информация о том какие пакеты на каждой из несущих являются занятыми. Так же в этом пакете передается информация о жестко закрепленных соединениях между отдельными станциями (установление таких соединений может быть реализовано при наличии постоянного, большого трафика). Кроме того, при вхождении новой станции в сеть, информация о ее месте в цикле загруженная из системы управления сетью, так же передается в этом пакете. Остальные пакеты в цикле называются информационными пакетами, поскольку они несут трафик (речь, видео и данные). Имеются три стандартных длительности цикла: 10 мс, 15 мс и 20 мс. 10 мс или 20 мс период цикла используется для поддержки европейского стандарта Е1 CEPT, тогда как 15 мс цикловой период используется для поддержки североамериканского стандарта DS1. Терминалы в сети ведут передачу поочерёдно в пределах присвоенных им пакетов ССУ (рисунок 3.6) Рисунок 3.6 – Структура цикла сигнала с временным разделением каналов в сети VSAT Цикл – это интервал времени, за который каждая из станций передает свою информацию в пакете. Длительность пакета (тайм-слот) может быть одинаковой для каждой абонентской станции, а может отличаться в зависимости от предоставляемой ей скорости передачи. Состав пакета, присвоенного каждой станции, также имеет определённую структуру (рисунок 3.5) 3.4.3.2 Структура пакета (тайм-слота) при передаче информации методом TDMA 40 Структура пакета показана на рисунке 3.7. Каждый пакет содержит в себе последовательность преамбулы, за которой следуют сообщения ССУ, сообщения СВП или информационные биты сервиса пользователя. Рисунок 3.7 - Структура пакета при передаче информации методом TDMA Последовательные пакеты всегда разделяются защитным временным зазором. Для поддержания последовательности в подсчете позиции пакета, длины пакета и эффективности пакета, защитный зазор всегда включается как интегральная часть пакета. Защитный зазор. Небольшой временной защитный интервал между пакетами от разных терминалов компенсирует разность в точности тактовых генераторов и доплеровский эффект, вследствие относительного движения спутника. Защитный зазор обычно не содержит передаваемых символов или данных, но всегда рассматривается как интегральная часть пакета. Преамбула. Абонентские терминалы используют преамбулу для определения момента старта пакета и для оценки фазы несущей, уровня несущей и символьной синхронизации. Построение преамбулы ликвидирует фазовую неопределенность и необходимость обнаружения пакета. Структура преамбулы исключает метод обычного дифференциального кодирования для разрешения фазовой неоднозначности сигналов с фазовой модуляцией, тем самым, улучшая характеристики модема. Это также уменьшает последовательность восстановления битовой синхронизации и несущей, что приводит к более короткой преамбуле и лучшей эффективности пакета. Информация. Информация во всех пакетах начинается сразу же после преамбулы. Длина информационной порции (или суммарное количество информационных битов) каждого пакета зависит от его назначения. Информация в пакетах ССУ используется для координации работы сети абонентских терминалов. Сервисные информационные пакеты пользователя могут содержать речь, данные или видеоинформацию. Длина этой порции зависит от типа сервиса и суммарного количества каналов для каждого сервиса, передаваемых в каждом пакете. Информация для каждого канала передается вместе, как непрерывный 41 субпакет. Размер каждого субпакета может быть динамически установлен на любое целое число символов, больше чем шесть. Каждый субпакет может быть динамически переназначен на любое место в пакете. Окончание. Окончание пакета – это последовательность, добавляемая к концу каждого пакета для сброса (очистки) декодера и кодера, сброса пакетного детектора и для подготовки к следующему пакету. Длина окончания пакета зависит от типа пакета и пропорции помехоустойчивого кодирования, применяемого в контретном физическом канале. Позиция пакета. Относительная позиция каждого информационного пакета в пределах цикла указывается в терминах количества символов после пакета ССУ, возглавляющего каждый цикл. Местоположение каждого пакета обычно определяется пакетным графиком (BTP), генерируемым в системе управления сетью. Система управления сетью затем рассылает этот BTP на каждую станцию в сети. Оператор сети может переопределить линии связи трафика, т.е. BTP из системы управления сетью, тем самым динамически переназначая позиции пакетов всех абонентских терминалов в сети. Длина пакета. Длина пакета определяется количеством байтов в пакете. Длина пакета может быть легко изменена либо через вход из консоли местного оператора или путем загрузки соответствующих данных из системы управления сетью. При использовании системы управления сетью длина пакета всех наземных станций может быть динамически переназначена. Одна принципиальная проблема в построении системы МДВР – это синхронизация пакетов от многих земных станций в сети МДВР в цикле, в котором пакеты упакованы так плотно, как это возможно, без перекрытий. 3.4.3.3 Синхронизация пакета при процедуре вхождения в сеть новых станций Имеются две ступени в процессе синхронизации. Первая – это фаза захвата, которая относится к тому процессу, посредством которого станция входит в сеть. Вторая – это фаза синхронизации, которая имеет место после того, как пользователь вошел в цикл МДВР и должен произвести точную настройку пакета внутри цикла во время работы. Если система МДВР работает на одном транспондере и на одном и том же луче антенны, задача сетевой синхронизации упрощается, так как каждый пользователь принимает пакеты от всех пользователей в сети. Это значит, что петля обратной связи может быть образована через спутник к каждому отдельному пользователю с помощью пакетов, принятых от каждой станции сети. Во время фазы старта или захвата сигнала передается опорный пакет. Поскольку больше никаких пакетов в цикле нет, то позиция опорного пакета выбирается свободно. Каждый добавочный пакет от других станций, входящих в систему, сначала синхронизируется к опорному пакету, чтобы установить 42 местный отсчет тактирования. Следующим шагом для вновь входящего будет передача сокращенного пакета, состоящего только из вступления в момент времени вслед за приемом опорного пакета, что даст в результате прибытия этого нового пакета момент времени, аппроксимирующий его требуемую позицию в цикле. Вначале, эта временная задержка есть грубая оценка, которая может быть сделана несколькими возможными способами. Один – это передача пакета с низким уровнем мощности, который и используется для поиска нужного положения без значительной помехи с любыми другими пакетами. Другой метод определения начального значения временной задержки это ее расчет с известным точным местоположением наземной станции и расстояния между неземной станцией и спутником (широта и долгота ЗС измеряются специальным прибором и вводятся в программу управления спутниковым терминалом; дальность до спутника рассчитывается и также вводится оператором ЗС). Этот метод можно отнести к фазе начального захвата с разомкнутой петлей. Новые станции наблюдают за позицией своих пакетов внутри цикла в течение каждого из циклов, измеряют ошибку между реальным положением пакета и его требуемым положением и уточняют оценку временной задержки с каждым последующим циклом. Когда ошибка между реальным и требуемым положениями становится приемлемо малой, фаза захвата завершается и может начаться фаза синхронизации с передачи пакета полной длины, включая данные трафика. Затем следует процесс синхронизации по замкнутой петле, посредством которого непрерывно измеряется ошибка в позиции пакета и время задержки позиции пакета непрерывно поддерживается в терпимых пределах. В тех случаях, когда система МДВР использует скачки по транспондерам или многолучевое функционирование, замкнутая петля через спутник отсутствует, так как пакеты от всех пользователей недоступны для каждого пользователя. Другие методы синхронизации могут быть применены, включая синхронизацию по разомкнутой петле, которая зависит от точного расчета времени задержки посредством знания как координат спутника и наземной станции, так и вариаций движения спутника по времени. Другой метод, известный как кооперативная обратная связь, может также применяться там, где информация о положении спутника и его вариации в реальном времени на самом деле транслируются на станции, пытающиеся произвести захват и синхронизацию, через канал управления и задержки опорного пакета. Эти методы более сложные, потому что пользователь МДВР может видеть только малое количество от суммарного числа пакетов в кадре МДВР. Контрольные вопросы по разделу 3 1. Укажите возможные области применения сетей спутниковой связи с использованием земных VSAT-станций. 43 2. Какие скорости передачи можно предоставить пользователю абонентского терминала VSAT? 3. Сформулируйте основные отличия центральных и абонентских VSATстанций. 4. Сформулируйте преимущества и недостатки различных видов топологий, применяемых при построении сетей VSAT. 5. Перечислите основные виды многостанционного доступа, применяемые при построении сетей VSAT. 6. Какие диапазоны спутниковой связи применяются при развертывании сетей VSAT? 7. Сформулируйте преимущества многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA). 8. Какую структуру имеет пакет при передаче информации методом TDMA? 4 Системы спутникового ТВ вещания 4.1 Развитие спутникового телевизионного вещания ТВ вещания в России. Стандарты Спутниковое телевидение не является чем-то новым. Изучая его развитие на территории России, можно придти к выводу, что оно начало активно разрабатываться еще в 1950 году. В те времена многие жители страны не имели возможности смотреть телевидение, поэтому было принято решение разработать специальные спутниковые системы. Первым спутником, который передавал сигнал на землю, считается «Орбита», который был запущен в 1967 году. После этого в космос был выведен спутник «Молния 1», через который телевизионные каналы из Москвы могли смотреть 20 миллионов зрителей. В 1971 году был запущен спутник «Молния 2», который мог вещать в международных частотах. Данное изобретение подтолкнуло отечественных ученых, и они разработали совершенно новую систему и запустили спутник «Орбита 2», который мог передавать сигнал намного сильнее и качественнее. В 1976 году начала работать новая спутниковая система, которая называлась «Экран». Эта разработка дала возможность вещать телевидение в малонаселенных районах СССР. Особенность этой системы было в том, что спутник всегда находился на орбите земли и двигался вместе с ней, теперь установка антенн производилась только в сторону спутниками и больше не требовала изменения направления. В 1979 году был запущен спутник «Горизонт», который оснастили мощным передатчиком информации. Вместе с ним начала работать система прямого распределения программ, которая носила название «Москва». На протяжении восьмидесятых годов 20 века, в стране насчитывалась больше 90 станций, но для такой большой территории этого было мало. 44 В 1989 году система «Москва» была усовершенствована, и теперь она начала работать по-новому. Были усиленны передатчики, что позволило транслировать Советские каналы во всех странах мира. В 90-годах появилась возможность устанавливать стационарные спутниковые антенны, что позволило удешевить эту услугу. С 1996 года в России начала работать первая спутниковая телекомпания «НТВ – Плюс», которая предоставила новый формат спутникового телевидения, внедрив современные цифровые технологии. Все современные телекоммуникационные спутники, с помощью которых организуется телевизионное вещание, используют цифровые методы передачи информации. В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7...9 Мбит/с, изображение вещательного качества - со скоростью 3,5...5,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: МРЕG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компактдиски, компьютерные игры, мультимедиа) и МРЕG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием МРЕG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи. Стандарты цифрового телевидения DVB (Digital Video Broadcasting) делятся на группы по сфере применения. Для организации ТВ вещания с использованием искусственных спутников Земли используется стандарт DVBS, принятый еще 1994 году. Стандарт определяет структуру транспортных пакетов, канальное кодирование и схемы модуляции при передаче по спутниковым каналам сетей непосредственного вещания 4.2 Обобщенная структура ретрансляции телевизионного сигнала по спутниковым каналам С точки зрения передачи информации основными составляющими системы спутникового телевизионного вещания являются: канал связи между Землей и спутником и канал связи между спутником-ретранслятором и приемными устройствами на Земле. Наиболее привлекательная сторона передач через спутники - это возможность ретрансляции телевизионных программ теоретически неограниченному количеству абонентов на Земле, независимо от их географического местоположения (рисунок 4.1). 45 Рисунок 4.1 - Обобщенная структура системы телевизионных передач со спутников[5]: 1 - центр формирования программ; 2 - передающая станция Земля-спутник; 3 - наземные телевизионные приемные устройства (для НТВ); 4 - наземные приемные устройства и кабельная сеть; 5 - наземные приемные устройства и наземный телепередатчик Обычно по кабельной или по наземной высокочастотной радиосвязи информация из телестудии передается на находящийся в отдалении, за пределами города передатчик, который излучает ее в космос, на спутник для ретрансляции. Ретрансляционные спутники принимают излученные в их сторону электромагнитные волны, изменяют их частоту и, усилив, передают в направлении выбранной области земной поверхности. 4.3 Факторы, определяющие географическом месте возможность приёма в данном 4.3.1 Значение ППМ (ЭИИМ) Наиболее важным фактором, определяющим возможность приёма сигнала от транспондера выбранного спутника в данном географическом месте, является ППМ (плотность потока мощности) или значение ЭИИМ (эквивалентная изотропная излучаемая мощность). Плотность потока мощности (энергии), излучаемой антеннами спутника и достигающей поверхности Земли, определить далеко не просто – затруднение вызывает расчёт дополнительных потерь, зависящих от целого ряда сложно учитываемых факторов. Поэтому для определения ППМ в местах приёма имеется трансляционная карта (рисунок 4.2 и 4.3), представляющая собой контурную географическую карту, на которой нанесены значения или ППМ, или ЭИИМ и точки соединены кривыми с равными значениями. В большинстве 46 случаев на контурные карты, как отмечалось, наносятся значения ЭИИМ, с уровнями от 40 до 53 дБВт. Карта ЭИИМ зоны обслуживания спутника составляется путем соединения контуров или линий через точки с равными значениями ЭИИМ в зоне обслуживания. Уровни значений будут уменьшаться по мере удаления от центра, как это можно увидеть на рисунках 4.2, 4.3. ЭИИМ измеряется в логарифмических единицах – децибелах по отношению к 1 Вт (дБВт). Увеличение уровня мощности на 3 дБ соответствует удвоению мощности. Следовательно, отдельные небольшие возрастания значений, показанные на картах зоны обслуживания, соответствуют большим изменениям в уровнях мощностей. Большинство карт зоны обслуживания имеют характеристики кругообразной формы с уровнями ЭИИМ, которые линейно уменьшаются по мере удаления от основной зоны обслуживания. Следует отметить, что именно значение ППМ (или ЭИИМ) характеризует возможность приёма в любом географическом месте при определённых характеристиках приёмной антенны и приёмного оборудования. Согласно международным рекомендациям уверенный приём спутникового телевизионного вещания можно вести в зоне, на границе которой ППМ для приёмных индивидуальных устройств составляет -103 дБ Вт/м2 , а для коллективных -111 дБ Вт/м2. Приведённые значения ППМ определяют границу зоны уверенного приёма соответственно для индивидуальных приёмных устройств и для коллективных. Рисунок 4.2 - Трансляционные уровни ЭИИМ со спутника "Экспресс-А2" (103 в.д.) в С-диапазоне 47 Рисунок 4.3 - Трансляционные уровни ЭИИМ со "Экспресс-АМ44" (11 з.д.) в Ku-диапазоне Приём как в аналоговых, так и в цифровых системах, наряду со значениями ППМ (ЭИИМ), зависит от типа антенны, размера и параметров малошумящего усилителя – конвертера, т. е. от добротности внешнего блока приёмного устройства. 4.3.2 Добротность внешнего блока приёмного устройства Важнейшим параметром, влияющим на приём в данной географической точке, является качество внешнего блока приёмного устройства и для его оценки введено понятие добротностиi. Добротность внешнего блока приёмного устройства можно рассчитать, пользуясь формулой [6]: G /T  B    G , Ta B  T0 1   B   T (4.1) где G – коэффициент усиления по мощности приёмной антенны, который рассчитывается по формуле (4.3); γ – общие потери усиления по мощности из-за неточности наведения антенны, старения элементов приёмного устройства, неточности установки плоскости поляризации и т. д.; ТΣ – эквивалентная «шумовая температура» внешнего блока, которая включает температурные шумы антенны, волноводного тракта и первых 48 каскадов малошумящего усилителя, и они пересчитываются в одной точке ко входу малошумящего усилителя. Эквивалентную «шумовую температуру» можно рассчитать по формуле [6]: (4.2) T  TaB  T0 1  B   TПР , где Та – общая «шумовая» температура антенны, обусловленная космическими шумами, излучениями атмосферы и поверхности Земли; ТПР – эквивалентная «шумовая» температура собственного приёмника, т. е. малошумящего усилителя – конвертера, обусловленная его внутренними шумами, и определяемая в основном шумами первых двух его каскадов; Т0 – комнатная температура по Кельвину, равная 290 К; ηВ =0,7…0,8 – коэффициент передачи мощности волноводного тракта. Добротность внешнего блока приёмного устройства – характеристика, одновременно отражающая комплекс его параметров: коэффициент усиления антенны, её «шумовую температуру», коэффициент передачи волноводного тракта и коэффициент шума входного каскада – малошумящего усилителя – конвертера. Определяющими здесь являются коэффициент усиления антенны и коэффициент шума усилителя. Коэффициент шума малошумящего усилителя – конвертера. От него зависят в целом шумы внешнего блока приёмного устройства. Чем меньшее значение имеет коэффициент шума усилителя – конвертера, тем антенну меньшего размера или худшего качества можно установить, и тем меньших габаритов нужны стойки и крепления. У малошумящих усилителей – конвертеров коэффициент шума не превышает 1,2 дБ, а у некоторых усилителей на транзисторах типа НЕМТ из арсенида галлия коэффициент шума не более 0,6 дБ. Коэффициент усиления антенны зависит от её размеров - чем больше размеры антенны, тем уже основной лепесток диаграммы направленности, тем выше её усиление, а также от диапазона частот принимаемого антенной сигнала. Однако необходимо учитывать и качество поверхности антенны, её точность формы, КПД. Коэффициент усиления антенны при отсутствии больших неоднородностей поверхности зеркала рассчитывается по формуле (4.3). G  10 lg4 /   S  a    , дБ, (4.3) где S – площадь апертуры антенны; λ – длина волны принимаемого сигнала; ηа =0,5…0,7 – коэффициент использования площади раскрыва (для антенн небольшого диаметра берётся меньшее его значение); γ – коэффициент полезного действия антенны в целом (отношение мощности излучаемой к мощности, подводимой к антенне). 49 Следует отметить, что при уменьшении размеров антенны уровень боковых лепестков (побочных каналов приёма) увеличивается и вероятность приёма сигналов – помех по этой причине возрастает, т. е. пространственная избирательность антенны уменьшается. При коэффициенте шума современного малошумящего усилителя – конвертера, равном 1,0 дБ, при потерях сигнала около 1,0 дБ из-за неточности наведения антенны, а также из-за старения элементов приёмного устройства, при коэффициенте использования поверхности антенны около 0,6 и «шумовой температуре» её равной 150° К (при малых углах места и дожде) значения коэффициента добротности (G/T) равны 9 дБ/К и 11 дБ/К соответственно для антенны диаметрами 0,9 и 1,2 м. Получить добротность, рекомендованную для индивидуального приёмного устройства 6 дБ/К и для коллективного 14 дБ/К, можно без особых затруднений. А развитие серийного производства приёмных устройств делает высококачественные приёмники всё более доступными. 4.4 Оборудование для организации приёма телевизионного сигнала со спутника 4.4.1 Обобщённая схема приемных земных ТВ станций Все приемные устройства по своему назначению и сложности исполнения можно разделить на две группы: 1 группа – устройства, предназначенные для многоканального приема сигналов с нескольких спутников; 2 группа – устройства, предназначенные для многоканального приема сигналов с одного спутника. В первом случае антенна жестко устанавливается на основании (антенная опора или специально оборудованное основание) и имеет устройство наведения на спутник. Устройство наведения представляет собой специальный электропривод, который осуществляет перемещение антенны. Управляется он позиционером, который либо входит в состав спутникового ресивера, либо устанавливается отдельно. Число рабочих положений позиционера в зависимости от возможностей ресивера в среднем может быть от 24 до 99. Такая приемная система достаточно дорогостоящая, поэтому применяется крупными операторами спутникового телевидения на этапе приёма сигналов с целью дальнейшей обработки и предоставления различным группам абонентов посредством кабельной или эфирной сети. На рисунке 4.4 приведена структурная схема оборудования для приёма ТВ сигналов с нескольких спутников, оснащённый позиционером. Комплект спутникового телевидения состоит из двух блоков: внешнего блока (антенна и конвертор) и внутреннего блока (тюнер). 50 Рисунок 4.4 – Структурная схема приемной установки сигналов с нескольких спутников Транслируемые с ИСЗ сигналы принимаются направленной антенной, проходят через корректор поляризации на конвертор и далее по соединительному кабелю (СК) поступают на цифровой приёмник (ресивер). В качестве корректора поляризации обычно применяют магнитный поляризатор на эффекте Фарадея. Основой КП является отрезок круглого волновода, в центре которого расположен ферритовый стержень, а на внешней части волновода находится катушка для создания магнитного поля. Изменяя величину тока в катушке, можно регулировать уровень магнитного поля и намагничиваемость феррита. В результате взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) сигнала с ферритом изменяется направление векторов ЭМП. В конверторе осуществляется выбор сигналов с требуемой поляризацией, их усиление, разделение на две полосы частот и преобразование в диапазон первой ПЧ 0,95-2,15 ГГц. Вследствие разделения сигналов по поляризации и полосам частот на выходе конвертора присутствует примерно четвертая часть сигналов от принятых антенной. Эти сигналы по соединительному кабелю поступают на вход приемника. В нем по команде с пульта дистанционного управления (ПДУ) осуществляется настройка на частоту требуемого канала, преобразование выделенного сигнала на вторую ПЧ, демодуляция, канальное декодирование с прямым исправлением ошибок, демультиплексирование. Современные системы спутникового телевидения позволяют не только передавать аудио и видеосигналы, но и принимать потоки данных, ведённые в общий транспортный поток. Во втором случае антенна приемного устройства жестко устанавливается на каком-либо основании (на стене, балконе, крыше). При этом сохраняется возможность перестройки с канала на канал в пределах данного спутника. Приёмные устройства первого типа более свойственны организации индивидуального приёма ТВ сигналов. Задачи приёмного устройства: предварительное усиление принятого СВЧ сигнала, распределение сигналов отдельных ВЧ стволов и преобразование их в промежуточную частоту для последующей обработки. Типовая приёмная земная станция системы фиксированной спутниковой связи [3] состоит из следующих основных узлов (рисунок 4.5): 51 - антенна, - внешний блок – малошумящий усилитель-конвертер, - соединительный коаксиальный кабель (кабель снижения), - внутренний блок (ресивер или тюнер), - телевизионный приёмник. Рисунок 4.5 - Структурная схема индивидуального комплекта для приёма ТВ сигнала со спутника Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также полосой частот и диапазоном передаваемого сигнала. ПС - поляризационный селектор позволяет выделить приёмный сигнал не только требуемой частоты но и поляризации. Применение МШУ для спутниковых линий связи позволяет существенно увеличить чувствительность ЗС. Основные показатели МШУ: шумовая температура, коэффициент усиления, полоса пропускания, надежность. МШУ доводит до номинального уровня принимаемый сигнал, необходимого для нормальной работы смесителя. Основное требование: малые собственные шумы усилителя, так как именно они определяют дальнейшую работу блока. Главным узлом высокочастотной головки является преобразователь частоты ПЧ, подобный преобразователю супергетеродинного радиоприемника. Преобразователь состоит из первого гетеродина Г и первого смесителя См 1, который обычно собирается по балансной схеме. Особенность этого преобразователя состоит в следующем. В обычном супергетеродинном приемнике для настройки на разные радиостанции в преобразователе используется перестраиваемый по частоте гетеродин, а на выходе преобразователя сигнал любой принятый радиостанции имеет одну и ту же промежуточную частоту. Использовать перестраиваемый гетеродин в высокочастотной головке, расположенной у антенны, неудобно. Перестройку по частоте с одного канала на другой удобнее производить в приемном устройстве. Поэтому гетеродин головки работает на фиксированной частоте, примерно 10 ГГц, а преобразователь является конвертером. Подобные 52 конвертеры часто используют для приема в КВ диапазоне в виде приставок к радиоприемникам, не имеющим этих диапазонов. Частота первого гетеродина стабилизирована диэлектрическим объемным резонатором. На выходе конвертера первая ПЧ равна разности между частотой входного сигнала и частотой гетеродина и в отличие от супергетеродинного приемника не постоянна, а лежит в диапазоне 950…1750 МГц. УПЧ - усилитель промежуточной частоты. Внутренний блок, обычно называемый тюнером, представляет собой электронное устройство, назначением которого является формирование такого стандартного телевизионного сигнала, который пригоден для воспроизведения обычным бытовым телевизором изображения и звукового сопровождения, соответствующих ретранслируемой спутником программе. Сформированный сигнал должен также отвечать принципу совместимости со стандартом цветности, в который способен работать телевизионный приемник (PAL, NTSC и др.). Тюнер размещается в помещении, рядом с телевизионным приемником, представляя собой по сути дела, приставку к бытовому телевизору. Помимо выполнения функции формирования стандартного телевизионного сигнала тюнер содержит все органы регулировки, необходимые для приема ТВпрограмм, ретранслируемых спутниками, а так же блок питания самого тюнера и наружного блока. При этом напряжение питания на наружный блок подается по тому же коаксиальному кабелю, по которому поступает сигнал с наружного блока на вход тюнера, без прокладки дополнительных проводов. На УПЧ1 приходится основное усиление и коррекция сигнала. См2 и Гет2 представляют собой один конструктивный блок - на выходе См2 формируется сигнал частоты по следующему алгоритму, в зависимости от той частоты, что вырабатывает гетеродин: fгет1 - f1 = fпч2; fгет2 - f2 = fпч2, т.е. изменяя частоту Гет2 происходит подстройка под соответствующую частоту (программу f1,f2.f3….). В процессе вторичного преобразования частоты осуществляется выбор необходимого частотного канала. Для этого второй гетеродин может перестраиваться по частоте изменением напряжения, которое подается на варикап, с помощью блока управления БУ. Перестройка производится либо вручную при каждом переходе с приема одной программы на другую, либо автоматически запоминающим устройством. В этом случае, как в современных телевизорах, оснащенных модулем синтезатора напряжений, достаточно один раз произвести поочередную настройку гетеродина на все принимаемые программы и каждый раз включать «Память». Впоследствии для переключения с одной программы на другую достаточно лишь нажать соответствующую кнопку. Сигнал второй ПЧ с выхода второго смесителя поступает на фильтр сосредоточенной селекции ФСС, который обеспечивает необходимую форму частотной характеристики. Вторая ПЧ составляет обычно 70 МГц. Полоса пропускания фильтра около 30 МГц. 53 Основное усиление тюнера обеспечивает усилитель второй ПЧ УПЧ2, оснащенный устройством эффективной автоматической регулировки усиления УАРУ с глубиной регулировки усиления до 30 дБ. Это означает, что АРУ поддерживает примерно постоянный уровень сигнала на выходе УПЧ2 при изменениях напряжения его входного сигнала в 32 раза. Глубокая АРУ необходима для компенсации изменения уровня входного сигнала за счет самых разных причин: размеров и коэффициента усиления антенны, уровня мощности спутникового передатчика, длины коаксиального кабеля, напряженности электромагнитного поля в конкретной местности от разных спутников и других факторов. Далее происходит демодуляция сигнала, после чего цифровой сигнал поступает на вход декодера помехоустойчивого декодирования ДПК, который восстанавливает исходный сигнал, введённый на передаче. DMUX (демультиплексов) разделяет видео и аудиосигналы на декодеры изображения и звука. Полученная информация подаётся на телевизор. Рассмотрим элементы структурной схемы более подробно. 4.4.2 Антенны для приёма сигналов со спутника Приемная антенна предназначена для приема и концентрации электромагнитных волн, исходящих cо спутника-ретранслятора. Новые достижения радиоэлектроники, повышение мощности ретрансляторов и установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40-60 см. К современной антенне, кроме достаточно жестких технических требований, предъявляются также требования экономической целесообразности, эстетики, надёжности эксплуатации. В основе параболических антенн лежит параболический рефлектор (параболоид вращения), который обладает свойством фокусирования волнового фронта, приходящего параллельно основной оси антенны [6], в одной фокальной точке. В указанной точке установлен блок головки, который облучает зеркало – вторичный облучатель. Параболоидная поверхность - это поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси OF (рисунок 4.6). Парабола - это геометрическое место точек на плоскости, которые равноудалены от фокуса F и прямой L, т. е. L1О3 = O3F; L2O = OF и т.п. Прямая OF - ось параболы. Параболоид вращения, полученный вращением параболы вокруг оси OF, симметричный и его поверхность имеет следующие свойства:  лучи, выходящие из фокуса F и отраженные от любой точки внутренней поверхности, проходят одинаковое расстояние от фокуса до поверхности раскрыва (апертуры), т.е. FO1 + О1К1 = FО2 + О2К2 = =FO3+O3K3 и т.п.;  все лучи, выходящие из фокуса параболоида и отраженные его поверхностью, излучаются из раскрыва параллельным пучком, 54 что является одним из условий получения острой диаграммы направленности и, как следствие, большого коэффициента усиления антенны. Рисунок 4.6 - Геометрические свойства параболы Таким образом, раскрыв антенны можно рассматривать как поверхность, в любой точке которой изменение поля электромагнитной волны происходит одновременно, т.е. синфазно. Однако амплитудное распределение поля в плоскости раскрыва будет неравномерным. Причина здесь в следующем: От точечного первичного облучателя, находящегося в фокусе, до поверхности параболоида распространяется сферическая волна. По мере отклонения от центральной оси F0 сферическая волна проходит все большие расстояния от фокуса до поверхности (отрезок FO2 больше чем FO1, который больше чем FO и т.п.) и по этой причине ее амплитуда уменьшается к краям поверхности - изменяется обратно пропорционально пройденному расстоянию. В раскрыве параболоида создается неравномерное распределение электромагнитного поля - максимальное в центре и уменьшающееся к краям, что и необходимо, так как при этом уменьшаются уровни боковых лепестков в диаграмме направленности, которые образуются наряду с основным. При рассмотрении антенн с передним питанием предполагалось, что первичный облучатель - точечный, т. е. равномерно излучающий во все стороны. Однако точечный облучатель создает недостаточное уменьшение интенсивности излучения к краям основного зеркала. Поэтому, чтобы равномерно и интенсивно освещать поверхность зеркала антенны и при этом обеспечить минимальный "перелив", на практике используется не точечный, а поверхностный облучатель, т.е. состоящий из множества точек. Таким классическим облучателем для параболоидных антенн является рупор. Рупор хорошо согласует волновод с нагрузкой - с освещаемой поверхностью зеркала антенны. Увеличивая или уменьшая раскрыв рупора, 55 можно получить высокую интенсивность освещения поверхности зеркала и в то же время обеспечить минимальный "перелив". Существует несколько типов антенн для приема спутникового телевизионного вещания: прямофокусная (осесимметричная) и офсетная (неосесиметричная). Наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, это положение первичного облучателя по отношению к основному зеркалу. Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметричная (рисунок 4.7 а) имеет отражающую зеркальную поверхность параболоидного типа, в фокусе которой находятся первичный облучатель. Название антенны говорит о себе - первичный облучатель размещен прямо в фокусе симметричного параболоида. а) б) Рисунок 4.7 - Устройства часто применяемых типов параболоидных антенн (а – прямофокусная, б – офсетная) В параболических офсетных неосесимметричных антеннах (рисунок 4.7 б) вынесенный облучатель и конвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения. Офсетные отражатели обладают следующим преимуществом: облучатель, расположенный в фокусе параболической поверхности, и апертура его крепления к отражателю не затеняют отражатель, как это происходит при наличии осесимметричного параболоида. Однако, существенного выигрыша в коэффициенте усиления эти антенны не имеют, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала. К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором. Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. 56 Единственным заметным достоинством неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем (Ofset Antenne) следует признать почти вертикальное к поверхности Земли расположение рефлектора, что позволяет уменьшить падение на него атмосферных осадков (дождя, снега, града и др.). Это очень важно в северных широтах, где такие осадки выпадают чаще, чем в южных. В таблице 4.1 приведены примеры спутниковых приёмных антенн и их параметры. Таблица 4.1 – Примеры приёмных спутниковых антенн Антенна Параметры RUSSAT 0,9 Тип антенны: Офсетная Диаметр рефлектора 830х910 Коэффициент усиления 39,6 дБи Диапазон частот 8-14,5 ГГц Ширина луча 2 град RUSSAT 0,7 Тип антенны: Офсетная Диаметр рефлектора 660х700 Коэффициент усиления 36,2 дБи Диапазон частот 10,7-12,75 ГГц Ширина луча 2,9 град Supral 0.6 Тип антенны: прямофокусная Диаметр рефлектора: 1650 мм Диапазон частот, ГГц 10,95-12,75 Ширина луча, град 1,1 Коэффициент усиления 44,3 дБи При выборе типа антенны для приема ТВ сигналов со спутникаретранслятора учитываются основные характеристики антенн, такие как:  рабочий частотный диапазон;  диаграммой направленности; 57     коэффициентом направленного действия (КНД); коэффициентом использования поверхности (КИП); коэффициентом усиления антенны (G); эквивалентной шумовой температурой антенны (Та). Рабочий частотный диапазон характеризует для приема, какого диапазона частот рассчитана антенна. Рабочий частотный диапазон измеряется в ГГц., имеет значение 2 до 12,75 ГГц для систем спутникового телевизионного вещания. Диаграмма направленности (ДН) характеризует зависимость мощности излучаемой антенной от направления в пространстве. ДН представляется в виде графической зависимости интенсивности излучения от углового положения эталонного приемника. Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз надо увеличить мощность передатчика, чтобы заменить направленную антенну ненаправленной. КНД зависит от размеров антенны и облучателя. Коэффициент использования поверхности (КИП) определяется распределением амплитуды поля по рабочей поверхности антенны, утечкой мощности за края зеркала антенны и другие потери. КИП измеряется в разах и имеет типовое значение 0,5- 0,75. КИП напрямую зависит от качества облучателя. Коэффициент усиления (G) это коэффициент, показывающий во сколько раз меньше мощность, подводимая к направленной антенне по сравнению с ненаправленной. Коэффициент усиления измеряется обычно в дБи и имеет типовое значение от 35дБи до 54дБи. Эквивалентная шумовая температура показывает воздействие шумов вызванных воздействием теплового излучения Земли и атмосферы, приемом через боковые лепестки мешающего радиоизлучения и т.п., чем меньше этот параметр, тем лучше. Обычно измеряется в градусах Кельвина и лежит в диапазоне 25-35 град К. 4.4.3 Конверторы С- и Кu-диапазонов Антенны спутникового телевидения могут устанавливаться на расстоянии до нескольких десятков метров от ресивера. Для передачи спутникового сигнала необходим кабель с небольшим затуханием на частотах до 2Ггц. Однако спутники в работают на частотах в несколько раз больших. В обычном коаксиальном кабеле, используемом при приеме наземного телевидения в диапазонах МВ и ДМВ, сигнал спутникового телевидения полностью рассеивается при длине кабеля около 1м. Поэтому в приемной аппаратуре спутникового телевидения необходимо предусмотреть такое устройство, которое могло бы снизить частоты сигналов, передаваемых по кабелю от антенны к ресиверу. Таким устройством является конвертер (рисунок 4.8). От его конструкции и размещения относительно зеркала антенны зависят 58 коэффициент использования площади раскрыва антенны, ее усиление, разделение электромагнитных волн по видам поляризаций и т.д. Рисунок 4.8 – Структурная схема конвертора В конверторе производится усиление сигнала малошумящим широкополосным усилителем (МШУ) и устранение помех по зеркальному каналу полосовым фильтром (ПФ). Далее осуществляется преобразование частоты. Промежуточная частота формируется смесителем (СМ). Для этого на него, помимо принимаемого сигнала, подается сигнал с гетеродина (Г), представляющего собой генератор, частота которого стабилизирована диэлектрическим резонатором. С выхода смесителя (СМ) сигнал ПЧ поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), после чего по кабелю подается в ресивер (тюнер). Условия эксплуатации конверторов являются весьма жесткими: на них непосредственно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, зависящие от климата региона. Конвертор является необслуживаемым устройством, поэтому должна обеспечиваться их полная взаимозаменяемость без каких-либо дополнительных регулировок. Соединения и корпус должны быть пыле- и влагозащищенными. Основными техническими характеристиками конвертора являются диапазон принимаемых частот, коэффициент шума, нестабильность частоты гетеродина, коэффициент усиления, фазовые шумы. Усиление современного конвертора составляет 50 — 70 дБ. Для обеспечения эффективной работы приемного комплекса величина этого параметра очень важна. Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приведет к перегрузке входных цепей приемного устройства. По оценкам специалистов, рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Следует отметить, что это значение уменьшается на 0,2 — 0,3 дБ при повышении температуры на каждые 10°С. В таблице 4.2 приведены примеры спутниковых приёмных конвертеров Кu-диапазона и их параметры Таблица 4.2 – Примеры приёмных спутниковых конвертеров Конвертер Параметры 59 Invacom FibreMDU Optical Universal LNB Частота на входе: 10.7-12.75 ГГц Частота на выходе: 0,950-5.45 ГГц Коэффициент шума 0,6 дБ Коэффициент усиления 65 дБ CTP-02F Premium для НТВ+ Частота на входе: 10.7-12.75 ГГц Частота на выходе: 0,950-5.45 ГГц Коэффициент шума 0,2 дБ Коэффициент усиления 70 дБ LNBF C-band Diseg Eurostar Частота на входе: 3,4-4.2 ГГц Частота на выходе: 0,950-1,75 ГГц Коэффициент шума 0,4 дБ Коэффициент усиления 65дБ 4.4.4 Цифровой спутниковый приемник (ресивер) Назначением спутникового ресивера является выбор канала для просмотра и преобразования сигналов в форму, пригодную для подачи на вход телевизора. На рисунке 4.9 представлена обобщенная схема цифрового приемника. После того, как выделенный сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре производится разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. Декодер поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио, аналоговое аудио, RGB-выход и др. Управление работой демультиплексора осуществляет микропроцессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления (пульт дистанционного управления или модуль приемника). В цифровом приемнике нет понятия «плохое качество изображения» — качество картинки на экране телевизора при использовании 60 профессиональной и бытовой аппаратуры одинаково высокое. В том случае, если уровень ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране телевизора просто не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления. Рисунок 4.9 – Обобщенная структурная схема цифрового приемника[6] Рассмотрим основные технические характеристики цифровых спутниковых приемников. Кроме традиционного диапазона частот, существуют еще несколько параметров, присущих только цифровым системам. В первую очередь это относится к возможности осуществлять одно- или многопрограммный прием на одной частоте. Single Channel Per Carrier (SCPC) — способ передачи, при котором каждая программа модулирует отдельную несущую. Этот способ по сравнению с МСРС более энергоемок. Он используется в тех случаях, когда трансляционные точки разных программ географически разнесены. Частотное мультиплексирование таких программ происходит уже в антенно-фидерной линии спутникового бортового ретранслятора. Multi Channel Per Carrier (MCPC) — передача нескольких разных программ на одной несущей. При этой системе передачи сначала производится временное мультиплексирование элементарных потоков, составляющих разные передачи, а затем полученный групповой транспортный поток модулирует одну несущую. Этот способ передачи позволяет более эффективно, чем при использовании SCPC-передачи, использовать полосу пропускания транспондера, так как упраздняются защитные интервалы между несущими. Еще одним важным параметром является скорость передачи данных (Symbc Rate — SR). В большинстве случаев скорость одиночных каналов (SCPC) колеблется от 3 до 9 Мбит/с, а для пакетов (МСРС) — до 40 Мбит/с. Ограничение нижнего предела скорости значениями 15—18 Мбит/с является 61 одной из причин неспособности некоторых приемников принимать каналы Free To Air, многие из которых передаются поодиночке. Из этого следует, что диапазон, воспринимаемый приемником, должен на сегодняшний день составлять 3 — 30 Мбит/с. Важным параметром любого цифрового канала являются PID-коды, которые определяют местонахождение отдельных элементарных потоков в структуре транспортного потока. Информация об этих кодах хранится в таблице, называемой Programm Map Table. Она определяет местонахождение отдельных потоков, составляющих все трансляции, передаваемые в мультиплексированном транспортном потоке. Она содержит также необходимые аудио- и видеопараметры и другую вспомогательную информацию, которая может использоваться для формирования электронного гида, установки часов и т. д. Эта таблица передается в начале транспортного потока вместе с другой служебной информацией. Некоторые приемники, предназначенные для приёма определенного пакета, не умеют считывать РIDкоды из таблицы и пользуются готовыми кодами и, следовательно, не могут принимать ничего, кроме своего пакета. Наиболее существенный минус такого подхода — неспособность принимать каналы Free To Air, достоинство — некоторая защищенность от приема других платных трансляций. Кроме того, такие приемники требуют доработок программного обеспечения при любом изменении длины элементарных потоков, входящих в состав пакета. Другими специфическими характеристиками цифрового приемника являются тактовая частота процессора, а также объем оперативной и перепрограммируемой памяти. 4.5 Стандарты телевизионного цифрового вещания DVB-S и DVB-S2 4.5.1 Описание системы DVB-S Раздел 4.3 выполнен с использованием спецификаций стандартов DVB-S и DVB-S2 [28-29]. Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного TV вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna TV), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ TV вещания. В настоящее время практическое все цифровое SAT TV вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S. Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов:  передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих; 62  мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей. Число программ TV вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения. Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 TV каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 TV каналов с одного транспондера. Структурная схема передающей части стандарта DVB-S показана на рисунке 4.10. На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:  транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;  внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона (RS);  сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточного кода;  формирование сигнала в основной полосе частот и его модуляция. Рисунок 4.10 - Структурная схема передающей части стандарта DVB-S 63 Для SAT систем TV вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора (т.е. возможности работы при повышенной мощности). Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I). При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10-10…10-11 на входе демультиплексера MPEG-2 в приемнике-декодере. Для согласования передаваемого сигнала с полосой и энергетическими характеристиками конкретного транспондера устанавливается требуемое соотношение BW/Rs, где BW – полоса транспондера по уровню – 3 dB, Rs – скорость передаваемых символов. Так, для модуляции QPSK, скорости сверточного кода R и скорости RS-кода 188/204, соответствующая скорость передачи информационных символов составит: RU = R(2Rs)(188/204) = 1,843 R Rs. Для данной скорости символов Rs может быть выбрано одно из 5 значений кодовой скорости внутреннего сверточного кода, что соответственно изменяет полученную скорость символов RU и спектральную эффективность системы CU=RU/BW. Возможные варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, RU и эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для QPSK модуляции приведены в таблице 4.3. 64 Рисунок 4.11 - Структурная схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и приемной сторонах Таблица 4.3 - Варианты соотношения скоростей передачи R, Rs, RU и эффективности CU от полосы транспондера при BW/Rs = 1,28 для QPSK модуляции BW, МГц 54 46 40 36 33 30 27 26 Rs, Мсим/с R = 1/2 RU, Мбит/с 42,2 35,9 31,2 28,1 25,8 23,4 21,1 20,3 38,9 33,1 28,8 25,9 23,8 21,6 19,4 18,7 СU, бит/(сГц) R = 2/3 RU, Мбит/с 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 51,8 44,2 38,4 34,6 31,7 28,8 25,9 25 СU, бит/(сГц) R = 3/4 RU, Мбит/с СU, бит/(сГц) 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 0,96 58,3 49,7 43,2 38,9 35,6 32,4 29,2 28,1 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 1,08 Структурная схема блоков адаптации к каналу стандарта DVB-S на передающей и приемной сторонах показаны на рисунке 4.11. Основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе иногда именуется как ФМ-4), хотя в отдельных 65 случаях могут использоваться 8 PSK (ФМ-8). Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить требуемое для работы демодулятора с QPSK отношение Еб/N0 (отношение энергии в одном байте информации к мощности шума, см. рисунок 4.12), а для модуляции большей кратности пороговое значение Еб/N0 оказывается несколько выше. Рисунок 4.12 - Зависимость вероятности ошибки от отношение энергии в одном байте информации к мощности шума Коррекция ошибок – это ключевой инструмент для достижения наилучших характеристик спутникового канала передачи информации в условиях высокого уровня шумов и интерференции. Для каналов со случайным характером ошибок (обычно с аддитивными помехами типа «белого шума») практический интерес представляют лишь несколько кодов из десятков известных. Наиболее часто разработчики используют три вида кодов: сверточные, Рида-Соломона и турбокоды, к которым относятся коды с низкой плотностью проверки на четность (Low Density Parity Check codes – LDPC). Сочетание нескольких схем помехоустойчивого кодирования позволяет учесть различные условия эксплуатации. Так, сверточный код обычно используется для передачи речевого трафика, когда вероятность ошибки на бит может быть достаточно большой, но не критичной для восприятия и понимания передаваемой информации. При передаче данных, когда требуется более высокая надежность, применяются так называемые каскадные коды, в которых внешним обычно является код Рида-Соломона, а внутренним – сверточный. Выбранные LDPC коды используют очень длинные блоки бит – 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и 16200 бит. Доступны следующие скорости кодирования – 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, 66 которые определяются типом модуляции и надежностью канала передачи. Скорости 1/4, 1/3, 2/5 предназначены для работы с модуляцией QPSK на ненадежных линиях, когда уровень сигнала ниже уровня шума. Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой. Революционным шагом в развитии спутникового вещания стало появление в середине 90-х годов стандарта MPEG-2, который позволил в одном частотном стволе спутника передавать пакет из десятка каналов (для сравнения – в аналоговой форме транслировался всего один канал). В итоге активно начало развиваться семейство стандартов MPEG, которое призвано охватить все сферы подготовки, формирования и передачи изображения и звука для распределения по цифровым каналам с минимальными затратами и надлежащим качеством. В 1988 году для разработки методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала была организована специальная группа экспертов – Motion Pictures Expert Group (MPEG). Результатом исследований этой группы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Специально для кодирования сигналов вещательного телевидения был разработан стандарт MPEG-2. Он позволяет получить высокую четкость ТВ изображения, обеспечивая 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки (горизонтальная четкость). Применение этого стандарта в вещательном телевидении позволяет значительно снизить объем передаваемых в единицу времени видео и звуковых данных и за счет этого передавать несколько цифровых программ в полосе частот одного стандартного радиоканала эфирного, кабельного или спутникового телевизионного вещания. Например, в системах спутникового телевизионного вещания сжатие ТВ сигнала в стандарте MPEG-2 позволяет передавать по одному каналу до пяти цифровых программ, при профессиональном качестве видеосигнала. 4.5.2 Причины появления нового стандарта DVB-S2 В 2004г. появился стандарт SAT вещания, именуемый DVB-S2, который явился модификацией ранее существовавшего стандарта DVB-DSNG, предусматривающего максимально возможную совместимость с системой цифрового спутникового вещания DVB-S. Для придания большей универсальности применения и повышения эффективности при работе по каналам с достаточным энергетическим запасом, в технические нормы на системы первичного распределения добавлены опции режимов передачи, основанные на модуляции типа 8 PSK и 16 QAM. 67 Новый же стандарт DVB-S2 призван покрыть недостатки как стандарта DVB-S (низкие скорости потоков за счет формата модуляции QPSK), так и стандарта DVB-DSNG (работа SAT передатчиков при пониженных выходных мощностях в силу требования обеспечения более низких искажений). Необходимость в пересмотре имеющихся стандартов была обусловлена несколькими причинами. Важнейшим фактором создания нового стандарта DVB-S2 стали планы массового запуска HDTV. Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все спутниковые программы будут передаваться в режиме телевидения высокой чёткости (ТВЧ), то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала. Таким образом, перспектива появления HDTV потребовала разработки форматов канального кодирования, более эффективно использующих имеющиеся частотные ресурсы (т.е. DVB-S2). Вторая причина появления стандарта DVB-S2 обязана неудовлетворительной работе имеющихся приемных систем Ka-диапазона. Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах. Третья причина появления стандарта DVB-S2– появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами. Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата. Старые стандарты таких возможностей не предоставляют. Таким образом, от нового стандарта DVB-S2 требовалось следующее:  повысить эффективность использования транспортного канала, т.е. предоставить возможность в полосе стандартного канала передавать больше бит полезной информации на помехоустойчивость;  допускать дифференцированный подход к выбору транспортных параметров для разных услуг, передаваемых в одном канале;  кроме того, стандарт DVB-S2 должен был обеспечить совместимость с прежними стандартами и пути плавной миграции от старого оборудования к новому. Первые два требования удалось выполнить за счет введения в стандарт более разнообразных схем модуляции, использования более эффективных систем защитного кодирования и введения дополнительных коэффициентов скругления, обеспечивающих более крутые фронты модулированного сигнала. Гибкость формирования канала была достигнута теми же методами, что и эффективность использования спектра, а также за счет введения режимов VCM (Variable Coding and Modulation) и АСМ (Adaptive Coding and Modulation). Первый режим допускает разный уровень помехозащищенности услуг, передаваемый в одном канале, а второй - дополнительную возможность 68 адаптации транспортных параметров к текущим условиям приема услуги. Режим АСМ предназначен для сетей с обратным каналом, где приемные системы имеют возможность переправлять на головную станцию информацию об условиях приема. Подробнее эти режимы будут рассмотрены далее. В результате был создан универсальный стандарт (DVB-S2), на базе которого могут строиться сети для решения следующих задач:  распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости,  сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет,  сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии,  сбор новостей  раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Новый стандарт DVB-S2 также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей. 4.5.3 Стандарт DVB-S2 Стандарт DVB-S2 предусматривает использование четырех типов модуляции – QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK (рисунок 4.13). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но в этом случае каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий уровень отношения сигнал/шум. Символы внутри созвездия APSK модулированного сигнала размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения. Обратим внимание на то, что, по сравнению с QPSK, верхняя схема модуляции, 32 APSK, позволяет повысить общую скорость потока в 2,5 раза. 69 Рисунок 4.13 – Созвездия методов модуляции, применяемых в системе DVB-S2 Выбирая тип модуляции и скорость кодирования, можно менять эффективность использования спектра от 0,5 до 4 бит на символ. При этом надо учитывать характеристики используемого транспондера. Интересно отметить, что используемые символьные скорости цифровых потоков в DVB-S2 по своему значению близки к теоретическому пределу Шеннона и отличаются от него всего на 0,6...1,2 дБ. В DVB-S2 использован расширенный диапазон кодирования (от 1/4 до 9/10) и нескольких форматах модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSKи 32APSK). Так, скорости кодирования 1/4, 1/3 и 2/5 были введены для работы в комбинации с QPSK модуляцией для наихудших условий связи, когда уровень сигнала ниже уровня шума (рисунок 4.14). 70 Рисунок 4.14 – Скорость кодирования LDPC Для защиты от помех в новом стандарте DVB-S2, как и в прежних, используется перемежение данных и наложение двухуровневого кода для прямой коррекции (Forward Error Correction - FEC). Но системы внешней и внутренней кодозащиты – другие, чем в стандарте DVB-S. В качестве внешней кодозащиты в место кода Рида-Соломона используется код Боуза-ЧоудхуриХоквингема (BCH), а в качестве внутренней, вместо сверточного кода, - код с низкой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check Codes – LDPC). Для дополнительного снижения частоты ошибки используется внешний уровень кодозащиты ВСН, работающий при малой плотности ошибок. В большинстве режимов код позволяет исправлять до 12 ошибок, но в некоторых – до 8 или до 10 ошибок в блоке бит из 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и из 16200 бит. Применяются несколько режимов модуляции и кодирования (CM): CCM (Constant Coding and Modulation) – постоянные кодирование и модуляция. Все кадры используют одинаковые фиксированные параметры (одинаковые кодирование/модуляция для каждой земной станции); VCM (Variable Coding and Modulation) – изменяемые кодирование и модуляция. Различные потоки/услуги кодируются различными фиксированными параметрами (различные кодирование/модуляция для каждой земной станции); ACM (Adaptive Coding and Modulation) – адаптивные кодирование и модуляция. Каждый одиночный кадр кодируется собственными уникальными параметрами, параметры изменяются динамически в соответствии с условиями приема на каждом приемнике. 71 Информация от периферийной станции передается на центральную (для этого режима периферийные станции должны быть не приемными, а приемопередающими). Предполагается, что обратные каналы будут организованы по стандарту DVB-RCS. Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима АСМ, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 дБ, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим АСМ наиболее эффективен применительно к трансляциям Кадиапазона, а также для тропических зон приема. Адаптивное кодирование и модуляция (АСМ) является отличительной особенностью DVB-S2. Такой режим работы применим для приложений класса “точка-точка” (двухточечные приложения, например, IP вещание в один адрес или DSNG). Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала (например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т.е. изменяются скорость кодирования (RS) и формат модуляции, вследствие чего меняется и требуемое C/Nтреб у абонента. Проще говоря, режим АСМ позволяет достигать максимальной скорости цифрового потока для любых погодных условий. Порог C/N устанавливается на приемной стороне потребителем данной услуги (рисунок 4.15) за счет непрерывного измерения C/N + I (отношение несущая/шум + помеха) и посылки измеренного значения на вещательную наземную передающую станцию посредством реверсного канала. При этом параметры кодирования и модуляции могут изменяться от кадра к кадру. 72 Рисунок 4.15 - Структурная схема применения адаптивного кодирования Чтобы избежать переполнения принимаемой информации во время плохих условий приема (RS понижается), устанавливается механизм управления скоростями информационных потоков. Иными словами, осуществляется автоматическая адаптация полезного трафика к физическим возможностям канала. Критической проблемой в системах АСМ является временная задержка в петле адаптации физического уровня, поскольку это непосредственно связано с системной возможностью отслеживания изменений состояния канала. Так, значительные временные задержки могут приводить или к потере некоторых кадров при резком ухудшении прохождения сигнала (плохие погодные условия, обычно это не более 1 dB в секунду) или к потере потенциальной пропускной способности канала. Сознательное же увеличение защитного порога срабатывания системы АСМ (по аналогии с АРУ) приведет к экономической нецелесообразности ее использования. Отметим, что механизм работы системы АСМ довольно сложен, особенно на уровне подсистемы для поддержки АСМ с MPEG-TS (например, мультиплексирование аудио, видео, мультимедиа и IP потоков с CBR и VBR), где осуществляется добавление и удаление нулевых пакетов с формированием CBR (TS с постоянной скоростью). Но, не смотря на всю сложность системы АСМ, в зависимости от параметров линии связи и ее конфигурации, она позволяет увеличить пропускную способность до 200% в сравнении с ССМ (постоянство кодирования и модуляции). Следует отметить, что консорциум DVB Project не предполагает, что новый стандарт заменит старые уже в ближайшее время. Сегодня в мире работает множество коммерчески успешных спутниковых сетей стандарта 73 DVB-S, и их трансляции принимаются миллионами декодеров, способными прослужить еще не один год. Поэтому наиболее вероятным сценарием внедрения нового стандарта DVB-S2 выглядит его использование для трансляции услуг, которые не могут быть приняты традиционными приемниками. Например, ТВ сигналов, компрессированных в новых форматах и/или передаваемых с высоким разрешением. Стандарт DVB-S2 определяет 4 основные области приложения: вещательные услуги, интерактивные услуги, DSNG и профессиональные услуги (см. таблицу 4.4). Наиболее востребованным DVB-S2, скорее всего [7], станет для вновь вводимых услуг:  Телевидение высокой чёткости HDTV,  раздача пакетов программ в SFN сетях цифрового эфирного вещания (DVBT) и, особенно, цифрового мобильного вещания (DVB-H),  развитие вещательных IP-каналов в интерактивных приложениях класса "точка-точка"),  DSNG (цифровая SAT видеожурналистика, сбор информации),  распределение новостей посредством цифрового спутникового вещания. Таблица 4.4 - Системные конфигурации и прикладные области Системные конфигурации Вещательный профиль Интерактивный профиль 1/4, 1/3,2/5 О Н 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, Н Н 8/9, 9/10 8PSK 3/5, 2/3, 3/4, Н Н 5/6,8/9, 9/10 16PSK 2/3, 3/4, О Н 5/6, 8/9, 9/10 32PSK 3/4, 4/5, 5/6, О Н 8/9, 9/10 Н- нормативный, О- опция, НЕ- не применяется QPSK DSNG профиль Профессиональный профиль Н Н Н Н Н Н Н Н Н Н Вполне возможно, что новый стандарт DVB-S2 быстро найдет применение и в сетях спутникового сбора новостей. Хотя бы в виду значительных преимуществ, которые предоставляет АСМ режим. Но скорость его массового внедрения, вероятно, будет зависеть от появления новых услуг, несовместимых с имеющейся приемной аппаратурой. DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/шум. Режимы с совместимостью вниз в основном предназначены для сетей вещания и более всего – для операторов, предоставляющих субсидии на 74 покупку абонентских приемников. Они могут использовать эти режимы на время смены парка приемников, а затем переключиться на более эффективные, несовместимые режимы. Стандарт DVB-S2 допускает два таких режима. В первом производится одновременная передача сигналов стандартов DVB-S и DVB-S2, асинхронно комбинируемых в одном частотном канале. Во втором сигнал DVB-S2 накладывается на сигнал DVB-S с помощью иерархической модуляции. То есть поток DVB-S выступает в качестве сигнала верхнего приоритета, а поток DVBS2 – в качестве сигнала нижнего приоритета (рисунок 4.16). Сигнал DVB-S2 передается с помощью модуляции 8 PSK с неоднородной структурой созвездия. Две точки созвездия, размещенные в каждом квадранте, отображают один символ сигнала с верхним приоритетом. Наложение сигнала DVB-S2 осуществляется сдвигом символов в созвездии по окружности на угол ±θ. Такой сигнал может передаваться ретранслятором, работающим в режиме, близкому к насыщению. Рисунок 4.16 – Второй вариант режима с совместимостью вниз Совместимые вниз режимы не позволяют полностью использовать потенциал нового стандарта DVB-S2 и довольно сложны в реализации. Поэтому, скорее всего, они не получат широкого распространения. Стандарты DVB-S и DVB-DSNG жестко ориентированы на передачу транспортного потока MPEG-2 TS. Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой. В условиях перехода к использованию систем телевидения высокой четкости все большего числа государств особую актуальность приобретает вопрос создания единого международного стандарта для этих систем. В качестве такого стандарта может быть принята система кодирования MPEG-4 (Part 10/H.264/Advanced Video Codec) или разработанная специалистами компании Microsoft система кодировки изображения Windows Media-9/VC-1 (AVC/VC-9), пока не получившая статуса стандарта. Видеокодеком H.264 75 позволяет отказаться от широкополосных каналов для трансляции цифрового ТВ и телевидения высокой четкости в частности. Основной идеей различных версий MPEG-4 стала минимизация информации, которая необходима для передачи сюжета изображения. Сюжет состоит из подвижных и неподвижных объектов, поэтому если передавать информацию только об изменениях объектов и сюжета, то ее объем для воспроизведения сюжета резко уменьшается, что и является основной идеей МPEG-4, реализуемой путем логической декомпозиции сюжета. На приемном участке происходит демультиплексирование потока данных, из которых выбираются данные, характеризующие объекты и описание сюжета, а затем осуществляется композиция объектов в сюжет. В качестве признанного международного стандарта MPEG-4 (H.264) действует с 2000 г. Применение алгоритма цифровой компрессии звука MPEG произвело переворот в спутниковом радиовещании и позволило почти полностью отказаться от применения распространенных в начале 90-х годов от форматов сигналов FM/FM и DATS. Контрольные вопросы по разделу 4 1. Какие орбиты целесообразно применять для организации спутникового телевизионного вещания и почему? 2. Какие диапазоны частот применяются для организации спутникового телевизионного вещания? 3. Какие конструктивные элементы входят в состав приёмного комплекта спутникового телевизионного вещания? 4. Какой целью малошумящий усилитель-конвертор делают выносной частью приёмника и устанавливают в непосредственной близости от антенны? 5. Перечислите основные конструкции приёмных спутниковых антенн. 6. Перечислите преимущества и недостатки офсетных приёмных спутниковых антенн. 7. Перечислите основные параметры приёмных спутниковых антенн. 8. Перечислите основные параметры приёмных спутниковых МШУконвертеров. 9. Какие методы модуляции применяются в стандартах спутниковой связи DVB-S и DVB-S2? 10.С какой целью применяются многопозиционные методы модуляции? 11.Сформулируйте преимущества стандарта DVB-S2 перед DVB-S. 76 5 Подвижные системы спутниковой связи 5.1 Вводные замечания Основным критерием построения современных систем спутниковой подвижной связи является возможность работы абонента с помощью легко переносимой радиотелефонной трубки (вес не более 200–300 г вместе с антенной и источниками питания), аналогичной применяемой в сотовых системах подвижной радиосвязи. Многие страны, располагающие национальными геостационарными спутниковыми системами связи, либо уже используют, либо предполагают доработку ИСЗ фиксированной связи для одновременной работы с подвижными абонентами. Основным конкурентом систем подвижной спутниковой связи являются бурно развивающиеся системы сотовой связи, однако мобильные спутниковые телефоны отличаются от мобильных аппаратов сотовых систем тем, что абонент всегда остается на связи вне зависимости от наличия и состояния местных телефонных сетей. Пользователю спутникового телефона практически всегда доступна телефонная связь из любой точки земного шара. 5.2 Система спутниковой связи Гонец Разработка и создание системы “Гонец-Д1М” проходит в рамках конверсионной программы, затронувшей ранее считавшиеся совершенно секретными военные космические программы. Система “Гонец” впитала в себя тридцатилетний опыт отечественных предприятий в создании подобных систем. Разработкой системы “Гонец” занимаются: НИИ Точных Приборов (Москва), НПО Прикладной Механики (Красноярск-26), АО “Ижевский радиозавод” (Ижевск) и в перспективе система "Гонец" будет состоять на основе орбитальной группировки из 45 КА (5 плоскостей по 9 спутников). Спутниковая система «Гонец-Д1» уже более 8 лет работает на рынке космической связи и является единственной компанией в России, предоставляющей услуги персональной связи на базе отечественной низкоорбитальной спутниковой системы «Гонец». За это время компания заняла определенную часть этого рынка, имеет свой сложившийся образ и репутацию стабильного поставщика связных услуг для государственных структур и подведомственных им предприятий. В настоящее время находится в стадии опытной эксплуатации система «Гонец-Д1». Полностью система будет готова к 2014 г., когда на орбите окажется 24 космических аппарата. 5.2.1 Принципы построения и структура системы, виды услуг Основным назначением системы «Гонец» является передача между абонентами коротких однопакетных сообщений (256 символов и менее). 77 Оборудование и программное обеспечение космических аппаратов и абонентских терминалов спроектировано таким образом, что для работы системы не требуется непрерывное нахождение абонентов в зоне радиовидимости космического аппарата. При отсутствии радиовидимости сообщение буферизуется в абонентском терминале или в космическом аппарате и передаётся при первой представившейся возможности. Абонентские терминалы системы выпускаются в стационарном и мобильном (для установки на транспортном средстве) исполнении. Основным массогабаритным ограничением абонентского оборудования являются размеры антенны, которая в мобильном исполнении имеет поверхность корпуса прямоугольной формы размером 367x358 мм. Когда отправитель и получатель сообщения находятся в зоне действия одной и той же региональной станции, сообщение передаётся непосредственно между их терминалами и космическим аппаратом. Когда регионы отправителя и получателя разные, сообщение передаётся от отправителя через космический аппарат на свою региональную станцию, далее через наземный канал связи на региональную станцию получателя, и далее оттуда через космический аппарат на абонентский терминал получателя. Низкая орбита в отличие от геостационарной требует менее мощного передатчика, что позволяет выпускать компактные и недорогие терминалы даже по сравнению с VSAT. 5.2.2 Космический сегмент В настоящее время группировка "Гонец-Д1" состоит 9 спутников, для вывода на орбиту которых использовались ракетоносители «Циклон», для системы "Гонец-Д1М" – «Рокот». Связь внутри региона, диаметр которого меньше 5000 км (пятно радиовидимости одного спутника), осуществляется в масштабе времени, близком к реальному. При этом внутри региона абоненты системы "Гонец" устанавливают связь между собой непосредственно через спутник, а с абонентами сетей общего пользования дополнительно используется региональная станция. На рисунке 5.1 приведена динамика изменения орбитальной группировки системы «Гонец». Данный план предусматривает выведение на орбиту 24 КА уже к 2013 году. "Гонец-Д1М" создается на основе действующей низкоорбитальной системы "Гонец-Д1. Эта система была создана на базе военных спутников "Стрела-3". Это позволит намного раньше обеспечить актуальные потребности государственных пользователей, создать конкурентоспособную национальную спутниковую систему персональной спутниковой связи и выйти с предложением своих услуг на более широкий рынок как внутренний, так и международный. На рисунке 5.2 приведены средства выведения спутников, их внешний вид, а так же существующая на 2004 год орбитальная группировка системы «Гонец». 78 Рисунок 5.1 - Динамика изменения орбитальной группировки системы «Гонец» Рисунок 5.2 – Внешний вид спутников, средства их выведения и существующая орбитальная группировка 79 5.2.3 Наземный сегмент управления Наземный сегмент управления состоит из двух частей - центр управления системой и центр управления полетами, каждая из которых решает определенные задачи. Центр управления осуществляет управление орбитальной группировкой спутников (в том числе планирование и координацию работ по развертыванию орбитальной группировки), прием и анализ телеметрической информации, формирование и передачу командно-программной информации для управления спутниками, проведение траекторных измерений и определение параметров орбиты спутников. Центр управления полетами необходим для управление системой связи т.е определяет распределение ресурсов системы (пропускной способности) между различными потребителями, координацию и планирование работы региональных станций, в том числе передачу им необходимой технологической информации, проверку работоспособности элементов системы связи и выдачу разрешения на ввод их в эксплуатацию. Центры управления системой располагаются в г. Москве и г. Красноярске. В этих местах расположены головные организации по разработке системы "Гонец": НИИ точных приборов (г. Москва) и НПО прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск). 5.2.4 Космический аппарат Гонец Масса каждого из аппаратов серии «Гонец-Д1М» не будет превышать 250 килограммов, в то время как в серии «Гонец Д1» масса спутника составляла около 350 кг. Благодаря этому, на орбиту будут выводить одновременно по четыре космических аппарата, что существенно повысит экономические показатели системы. Скорость передачи информации новых спутников увеличится более чем в 30 раз. Это позволит большему количеству абонентов в удаленных регионах России пользоваться услугами спутниковой связи. Спутники «Гонец» запущены на околокруговые полярные орбиты с высотой 1300-1500 км, диаметр зоны покрытия одного спутника составляет 5000 км. На рисунке 5.3 приведена зона покрытия системы «Гонец». 5.2.5 Станции сопряжения и абонентские терминалы Система "Гонец" состоит из Центра управления связью (ЦУС) и трех станций сопряжения, расположенных в Москве, Железногорске и ЮжноСахалинске. Причем станция сопряжения в Железногорске расположена на территории ИСС им. М.Ф.Решетнева. ЦУС размещен на площадях НИИТП в Москве. Абонентские терминалы системы «Гонец» обеспечивают прямой доступ к спутниковым каналам связи без использования наземных линий связи. 80 Простота конструкции терминала обеспечивает быстрое развертывание и обеспечивает отсутствие жестких требований к уровню квалификации обслуживающего персонала, поскольку сеансы связи проводятся в автоматическом режиме. Рисунок 5.3– Зона покрытия системы Гонец Пользователь осуществляет только включение терминала и ввод передаваемой информации, что обеспечивает простоту и удобство эксплуатации. Использование ненаправленных антенн исключает необходимость наведения антенны и позволяет использовать терминалы, установленные на подвижных объектах, включая летательные аппараты. Наземные терминалы пользователей имеют несколько модификации:  Стационарный терминал для установки в помещениях Переносной (малогабаритный) терминал Мобильный терминал для установки на транспортных средствах Специальный терминал для приема циркулярных сообщений Терминал для передачи информации с датчиков экологического или технологического контроля.  Терминал персонального радиовызова (пейджер). В зависимости от модификации в состав терминала может входить ПК или встроенная клавиатура с устройством отображения, а также устройство определения местоположения абонента. Вес абонентского терминала любой модификации не превышает 3 кг. Типичное применение — сбор данных со стационарных или подвижных датчиков в труднодоступных районах (например, мониторинг буровых вышек, 81 метеорологических станций, транспорта) или передача конфиденциальной информации между удалёнными абонентами. 5.2.6 Пропускная способность Космический аппарат «Гонца Д1М» функционирует в диапазонах частот 0,3-0,4ГГц и 0,2-0,3 ГГц и обладает значительно увеличенной пропускной способностью БРТК по сравнению с «Гонцом Д1». ( «Гонец Д1»-100 Мбит/сутки, «Гонец Д1М»-1000 Мбит/сутки.) Скорость передачи информации 2,7 Кбит/с. Общая пропускная способность каналов связи системы «Гонец» из 18 космических аппаратов, в будущем, составит 4,86 Гбит/ сутки. 5.2.7 Стоимость услуг и сроки развертывания Система «Гонец» осуществляет следующие виды услуг:  Пакетная передача данных (Packet data service, PDS) Cистема «Гонец» использует собственный сетевой протокол G - CLNP ( Gonets Specific Connectionless Network Protocol ), базирующийся на протоколе CLNP (ISO 8473). Вместе с тем, система предоставляет услуги доступа по стандартным сетевым протоколам CLNP , С ONP , IP , X .25. Скорость передачи данных составляет 2,7 кбит/сек в прямом и обратном канале.  Доступ в Интернет Возможность доступа в сеть Интернет обеспечивается по двум протоколам: TCP / IP и WAP . Применение протокола WAP позволяет преодолеть ограничения, связанные с относительно низкой скоростью передачи данных и невысокой вычислительной производительностью терминалов.  Электронная почта В системе «Гонец-Д1» поддерживаются стандартные почтовые протоколы Х.400 и SMTP/ IMAP. Сообщения электронной почты могут передаваться внутри системы, а также во внешние сети. Выход абонентов системы «Гонец-Д1» в сети общего пользования и ведомственные сети связи обеспечивается внедрением соответствующих протоколов программной поддержкой.  Определение координат Абонентам предлагается способ определения собственных географических координат по сигналам систем GPS/ «Глонасс». При включении в состав абонентского терминала платы GPS–приемника обеспечивается точность до 100 метров. Средняя стоимость абонентского терминала варьируется от 1000$ до 1500$, абонентская плата осуществляется на повременной основе и составляет от 50 до 200 долл. в месяц в зависимости от объема передаваемой информации. Плата за трафик не предусматривается.[30] 82 5.3 Система спутниковой связи Inmarsat Консорциум Inmarsat (The International Marine Satellite Organization) образован в 1979 году по просьбе Международной морской организации (IMO) со штаб-квартирой в Лондоне с целью организации спутниковой связи для подвижных объектов (морских судов и авиационной техники). Организация включает 64 государства, содержит 20 крупных, размещенных по всему миру фиксированных ЗС и позволяет одновременно обслуживать до 10 тыс. подвижных объектов. Система Inmarsat обслуживается несколькими геостационарными спутниками, охватывающими почти всю поверхность земного шара, за исключением околополюсного пространства.[31] В настоящее время осуществляется переход на спутники нового поколения Inmarsat 3-F3. Суммарная пропускная способность пяти новых спутников (три из них уже выведены на орбиту) будет в 8 раз больше, чем общая мощность 4 аппаратов Inmarsat 2, эксплуатируемых с начала 90-х гг. Кроме широкого луча спутники Inmarsat 3-F3 будут создавать еще 5 региональных точечных лучей, которые позволят использовать портативные терминалы, работающие в частотах L-диапазона. Немаловажно также, что пользователям станет доступна навигационная информация не только GPS, но и российской системы "Глонасс". Все спутники разработаны и произведены концерном Lockheed Martin. 5.3.1 Принципы построения и структура системы, виды услуг Inmarsat В состав системы Inmarsat входят: • космический сегмент, состоящий из рабочих и запасных геостационарных КА с ретрансляторами и командно-измерительного комплекса (наземных станций слежения и др.); • наземный сегмент, включающий в себя береговые земные станции (БЗС), координирующие сетевые станции (КСС), и эксплуатационный контрольный центр (ЭКЦ); • парк земных станций и терминалов: мобильные (морские суда, самолеты), носимые и стационарные; терминалы предназначены как для коллективного, так и индивидуального пользования. Работа системы Inmarsat осуществляется в диапазонах частот, выделенных на первичной основе для подвижной спутниковой службы. Для связи с подвижными абонентами используется L-диапазон частот: 1626,5-1660,5 МГц (линия "Земля - спутник") и 1525,0-1559,0 МГц (линия "спутник - Земля"). Работа фидерных линий осуществляется в С-диапазоне: 6425-6450 МГц (линия "Земля - спутник") и 3600-3623 (3600-3630) МГц (линия "спутник - Земля"). Контроль за работой системы осуществляет эксплуатационный контрольный центр, который обеспечивает прием и обработку информации о состоянии работоспособности всех элементов системы, контролирует 83 характеристики космического сегмента, реализует планы ввода в эксплуатацию новых технических средств.[32] Береговые земные станции служат промежуточными звеньями между спутниками системы Inmarsat и береговыми абонентами, с которыми они могут соединяться по международным и национальным телефонным и телеграфным сетям. Связь объектов в системе Inmarsat осуществляется только через БЗС. Все береговые станции системы Inmarsat обеспечивают для судов, терпящих бедствие, возможность быстрого соединения по телефонному или телексному каналу со службами, участвующими в поисково-спасательных работах. В каждой подспутниковой зоне Inmarsat работают несколько стандартных БЗС, одна из которых выполняет функции координирующей сетевой станции. КСС следит за работой спутниковой сети в данном регионе, распределяет пропускную способнВ функции КСС входит передача сообщений абонентам сети на основной (1537,750 МГц) или резервной (1538,475 МГц) вызывных частотах, а также ретрансляция других категорий специальных сообщений.[33] 5.3.2 Космический сегмент Космический сегмент Инмарсат состоит из геостационарных спутников, находящихся на высоте 35700 км. Трех геостационарных спутников, расположенных равномерно по всей длине экватора, достаточно для "покрытия" 98% поверхности Земли своими глобальными лучами; вне зоны обслуживания остаются только приполярные области. Поскольку в Инмарсате задействованы четыре спутника, их зоны обслуживания перекрываются и во многих странах "видны" сразу два или три спутника Инмарсат.На первых этапах создания системы Inmarsat связь организовывалась через арендуемые у других организаций спутники Marisat, Marecs и Intelsat-5MSC. В настоящее время орбитальная группировка системы Inmarsat состоит из 6 КА Inmarsat (4 КА типа Inmarsat-2 и 2 КА типа Inmarsat-З) и 7 КА старого поколения (типа Marisat и Intelsat-5MCS) Подспутниковая зона орбитальной группировки системы Inmarsat охватывает 4 океанических региона: Атлантический восточный (АОР-В), Атлантический западный АОР-3, Индийский (ИОР) и Тихоокеанский (ТОР). Над каждым из океанических регионов находятся по одному действующему и по два запасных спутника, что обеспечивает покрытие практически всей поверхности земного шара, за исключением приполярных районов[32]. На рисунке 5.4 приведена зона покрытия ССС Inmarsat. 5.3.3 Наземный сегмент управления Наземный сегмент Инмарсат состоит из: - спутникового центра управления (SCC - Satellite Control Center), - сети береговых земных станций (LES - Land Earth Station), 84 - сетевых координирующих станций (NCS - Network co-ordination station), - сетевого операционного центра (NOC - Network Operation Center). Рисунок 5.4 - Зона покрытия ССС Inmarsat. Основная зона покрытия Дополнительная зона покрытия (низкая скорость передачи голоса и данных) В задачи спутникового центра управления, находящегося в штаб-квартире Инмарсат, входит поддержка спутников в заданных позициях над экватором и непрерывном наблюдении за исправностью всех бортовых систем. Данные о состоянии спутников поступают с четырех станций слежения, телеметрии и контроля, расположенных в Италии, Китае, западной и восточной Канаде. Есть также запасная станция слежения и в Норвегии. Спутник принимает сигналы от пользовательских спутниковых телефонов и передает их на Береговую Станцию. Береговая Станция служит шлюзом между космическим сегментом Инмарсат и наземными сетями. По всему миру насчитывается около 40 таких станций более чем в 30 странах, в том числе на территории СНГ (Одесса и Находка). Эти станции обслуживают абонентов в Атлантическом, Индийском и Тихоокеанском регионах. Береговые станции находятся во владении тех стран, на чьей территории они размещены. Их эксплуатация осуществляется уполномоченными на это организациями национальных администраций. Алгоритмы работы БЗС и их основные тактико-технические параметры должны находиться в строгом соответствии с требованиями организации Inmarsat. Каждая БЗС имеет закрепленную за ней несущую, которая уплотняется 22 телеграфными каналами. Телефонные каналы не закреплены за конкретными станциями, а находятся в «общем пользовании». Береговые станции имеют выход в национальные и международные сети телефонной и 85 телексной связи. На береговых станциях используются параболические антенны, диаметром 12–15 м. Стоимость береговой станции в зависимости от комплектации составляет 1,0–2,5 млн долл.Все информационные каналы контролируются сетевым операционным центром, который в свою очередь опирается на сетевые координирующие станции. 5.3.4 Космический аппарат Inmarsat В настоящее время использует КА Inmarsat-4 – это четвертое поколение спутников для оператора «Inmarsat», который базируется в Лондоне и использует мобильные спутники связи. Они созданы таким образом, что их мощность почти в 100 раз выше, чем мощность существующего поколения КА. Информационная емкость этой системы в 10 раз выше. Спутники «Inmarsat-4» работают в новой сети под названием «Broadband Global Area Network» (BGAN), которая начала свою работу в 2004 году и выполняет задачи для Интернета и Интранета, для видеопередач по требованию, для проведения видеоконференций, для передачи факсов, электронной почты,телефонной связи и скоростного доступа в LAN (локальную сеть). Спутник Inmarsat 4-F1(весом почти в 6 тонн) является первым компонентом новой сети высокоскоростной спутниковой интернет-связи. Inmarsat обеспечивает различными видами связи все регионы мира и в настоящий момент уже имеет сеть из девяти спутников, с помощью которой она предоставляет свои услуги множеству абонентов, в том числе американской армии и различным международным организациям. Существующая сеть не может предоставлять услуги интернет-подключения на скоростях выше 128 килобайт в секунду. Спутник Inmarsat-4 обеспечивает предоставление услуг высокоскоростной мобильной связи скорость до 492 кбит/с на территории Северной и Южной Америки в течение тринадцатилетнего срока службы. Система BGAN позволяет потребителям получить доступ к сети Интернет и корпоративным сетям, видеоматериалам, услугам видеоконференций, факсимильной и телефонной связи, электронной почты, а также локальным сетям. Спутник Inmarsat-4, как и три других спутника данной модели, имеет один основной луч, обеспечивающий передачу данных на одну треть земной поверхности, 19 широких лучей и 228 узких лучей. Его совокупная мощность в конце срока эксплуатации будет составлять 13 кВт. 5.3.5 Станции сопряжения и абонентские терминалы Абонентские терминалы состоят из приемо-передающего блока с антенной и телефонной трубкой, на которой расположены дисплей и клавиатура. Через встроенный блок передачи данных терминал подключается к компьютеру для обмена данными и факсами без использования модема или других дополнительных устройств. Питание терминала или подзарядка батарей возможны от любого источника питания 220 В или аккумулятора автомобиля. 86 Также питание большинства терминалов стандарта Inmarsat Mini-M может осуществляться от солнечных батарей, которые хотя и немного громоздки, но позволяют при благоприятных погодных условиях длительное время пользоваться телефоном в тех местах, где отсутствуют внешние источники питания. Их использование наиболее целесообразно в южных и высокогорных районах. Операция настройки телефона на спутник осуществляется следующим образом: выбирается спутник, через который предполагается осуществить связь, и, ориентируясь на индикацию уровня сигнала, вращением антенны добиваются максимального значения сигнала. К аппаратам возможно подключать также самонаводящиеся антенны, которые избавляют пользователя от необходимости ручного наведения антенны на спутник и внешних антенн, позволяющих пользоваться терминалами даже в закрытых помещениях. Что касается набора телефонных номеров, то эта процедура для всех аппаратов, работающих в Inmarsat, стандартна. Рассмотрим абонентский терминал Inmarsat R-GAN.Он обеспечивает передачу данных на скорости до 144 кбит/с, прямой доступ в Интернет и к корпоративным сетям, не требует наличия дополнительного интернет-канала, как в асинхронных системах. Существует возможность подключения к компьютеру через беспроводной интерфейс Bluetooth.Размеры и вес абонентского терминала – от 1,5 кг. На рисунке 5.5 приведен внешний вид АТ Inmarsat. Рисунок 5.5 – Абонентский терминал Inmarsat 5.3.6 Пропускная способность На первых этапах развития Inmarsat пропускная способность линий связи через ИСЗ составляла всего несколько десятков телефонных каналов. Но благодаря использованию принципа незакрепленных каналов (выделение каналов по требованию) система могла обеспечивать достаточно насыщенный трафик, создаваемый несколькими сотнями морских судов и другими пользователями. Новые возможности появились при переходе к цифровым методам передачи информации и технологиям создания бортовых комплексов с более высокими энергетическими характеристиками, которые привели к повышению 87 пропускной способности СПСС и уменьшению массы, габаритов, энергопотребления земных абонентских станций (АС). Со временем пропускная способность системы Inmarsat возросла, и в третьем поколении она уже составила около 4000 телефонных каналов, т. е. увеличилась на два порядка. Скорость передачи вальируется от 2,4 до 9,6 кбит/с. 5.3.7 Стоимость услуг и сроки развертывания Inmarsat Стоимость услуг и терминалов Inmarsat предопределяют корпоративный характер их использования. Цены абонентских комплектов измеряются сотнями тысяч рублей. Например, стоимость морского терминала Sailor FleetBroadband 250 состовляет 487 тыс. руб. Стоимость передачи 1 Мбайт данных в сети достигает 12 долл. Организация симметричного гарантированного IP-канала с полосой пропускания 32 Кбит/с обойдется клиенту в 5,5 долл. за минуту соединения, а со скоростью 256 Кбит/с — аж в 41 долл. за минуту. Телефонные звонки в сеть общего пользования тарифицируются по 1,3 долл., а на телефоны мобильных операторов — по 1,5 долл. за 1 мин. Доступ российских пользователей к системе Inmarsat обеспечивает ФГУП «Морсвязьспутник». Предприятие обслуживает береговые станции этой спутниковой системы связи и осуществляет расчеты за предоставляемые абонентам услуги. Согласно данным последнего квартального отчета международного холдинга Inmarsat, его выручка увеличилась на 8,7% и достигла 176,7 млн долл. (против 162,5 млн в III квартале 2008 года). Число обслуживаемых системой терминалов составило 254 тыс. единиц. Из них львиная доля (169,6 тыс.) установлена на судах, 73,6 тыс. используются на суше, а еще 10,8 тыс. — в авиации. Примерное число российских абонентов системы составляет 30 тысяч человек.[34] 5.4 Система спутниковой связи Турайа Telecommunications Company была основана в Объединенных Арабских Эмиратах в январе 1997 года для реализации проекта спутниковой подвижной связи. В составе ее акционеров находятся известные национальные операторы связи и финансовые институты стран Азии, Северной Америки и Европы. Разработчик и создатель системы "Турайа" - компания Boeing Satellite Systems, имеющая мировую известность в производстве самолетов и спутников. Лишь немногие знают, что в переводе с арабского Thuraya означает «люстра». Столь необычное название система спутниковой связи заслужила благодаря уникальной бортовой антенной системе, которая способна «посылать» на земную поверхность большое число «узких» лучей (свыше 250) с изменяемой интенсивностью и конфигурацией областей «освещенности». Излучаемая 88 мощность может гибко перераспределяться между лучами (допускается сосредоточить в любом из них до 20% общей мощности), что обеспечивает гибкое адаптивное изменение пропускной способности ретрансляторов в зависимости от реальной нагрузки в той или иной зоне обслуживания. 5.4.1 Принципы построения и структура системы, виды услуг Турайа Геосинхронная спутниковая система Thuraya производства “Hughes Space & Communications International, Inc.” является последним словом в области спутниковых телекоммуникаций и предоставляет следующие услуги:  Телефонная связь по сети GSM и по спутниковой сети связи "Турайя"  Передача данных и факсимильных сообщений со скоростью: 2.4, 4.8, 9.6 кбит/сек  Определение местоположения (GPS) и сохранение 10 положений GPS  Интерфейс ПК для загрузки данных GPS и отслеживания местоположения  Передача данных о местоположении GPS  Услуга передачи коротких сообщений (SMS)  Услуга быстрого набора номера  Услуга набора номера в тоновом режиме (DTMF) Система Thuraya предназначена для эффективной работы, как в режиме спутниковой связи, так и в стандарте GSM . Она дает возможность гибко регулировать трафик системы Thuraya посредство программируемой полезной нагрузки спутника. Это позволяет изменять зону приема сигнала и оптимизировать работу в регионах с высокой нагрузкой. Турайя включает в себя космический, наземный и пользовательский сегмент. 5.4.2 Космический сегмент Космический сегмент состоит из 3 спутников на геостационарной орбите на высоте 36 000 км. Спутник "Thuraya 1" на борту ракеты Sea Launch Zenit 3SL был успешно запущен экватора (старт с водной платформы в Тихом океане) 21 октября 2000 года. Зона действия спутника – 100% территории 99 стран Европы, Центральной Азии, Ближнего Востока, Северной и Центральной Африки. Проектный срок эксплуатации спутника - 15 лет.Запуск геостационарного спутника Thuraya-2 10 июня 2003 г. компанией Thuraya Satellite Communication был успешно произведен с морской стартовой платформы "Odyssey" из акватории Тихого океана. Он позволил существенно расширить емкость спутникового сегмента. Это открыло новые направления роста: увеличение спутникового ресурса в некоторых областях, создание новых рынков и развитие новых спутниковых приложений. Зона действия спутников около 50 % территории Российской Федерации. Thuraya-3 был запущен 15 января 2008 году и почти вдвое увеличил область покрытия и охватит страны Юго-Восточной Азии, Тихоокеанского 89 региона, включая Китай, Японию, Корею, Индонезию и Австралию. Технологические возможности спутника Thuraya-3 обеспечат высокоскоростной доступ к сети Интернет, передачу данных, голосовую телефонию с высоким качеством. Запуск спутника выполнен украинскороссийской ракетой-носителем «Зенит-3SL. Благодаря большой антенне на спутниках поддерживается связь с помощью мобильных терминалов по размеру и качеству связи сравнимых с телефонами GSM. Зона обслуживания спутниковой сети Турая показана на рисунке и включает в себя страны Европы, Северной Африки, Ближнего Востока, некоторые страны Азии, а также южную и западную части России. Белым цветом изображена зона обслуживания на 2-х спутников, а оранжевым расширенная зона, которая появилась после запуска третьего спутника Thuraya. На рисунке 5.6 приведена зона покрытия CCC Turaya. Рисунок 5.6 – Зона покрытия ССС Турайа 5.4.3 Наземный сегмент управления Наземный сегмент Турая включает в себя основной шлюз и региональные шлюзы. Основной шлюз находится в г. Шарджа (ОАЭ) и отвечает за координацию всей сети, в то время как региональные шлюзы могут устанавливаться в различных регионах и брать на себя часть нагрузки сети. Наземный сегмент спутниковой сети Турая рассчитан на 1,750,000 абонентов, из которых одновременно пользоваться спутниковой связью могут до 13,750 человек. Оборудование наземного сегмента было разработано и введено в эксплуатацию такими известными компаниями, как HUGHES (основной 90 подрядчик, осуществивший разработку и инсталляцию системы), ERRICSSON (поставщик абонентского коммутатора), LHS (поставщик системы абонентского обслуживания и биллинга) и ALCATEL (разработка интеллектуальной платформы для услуг SMS/VMS). Оборудование наземного сегмента поддерживает следующие услуги связи: телефонию, передачу факсов 9,6 кбит/с, передачу данных 9,6 кбит/с (основные услуги), а также переадресацию и запрет вызовов, ожидание звонка, АОН, SMS, голосовую почту (дополнительные услуги). 5.4.4 Космический аппараты Турайа Первый КА Thuraya-1 имеет вес 3200 кг, а масса с топливом составила 5100 кг. Мощность солнечных батарей 13 кВт. Антенна, используемая для связи с терминалами — 128-элементная фазированная антенная решётка диаметром 12 м. Антенна позволяет формировать до 200—300 лучей на пользовательские терминалы или их группы(развертывание в космосе многолучевых антенн с рефлекторами больших размеров стало принципиально новой технологией для мировой практики) .Сперва он находился на геостанционарной орбите в позиции 44° в.д., затем был переведен в резерв на позицию 98,5° в.д., 9 октября 2007 года был перемещен восточнее, на позиции 122,5° в.д. Спутник Thuraya-2 с топливом имеет вес 5200 кг, мощность солнечных батарей 11 КВт. Антенна такая же, как и на КА Thuraya-1. Находится на геосинхронной орбите с наклонением 6,3° в позиции 44° в.д. Спутник Thuraya-3 запущенный в 2008 году находится на геосинхронной орбите в позиции 98,5° в.д. Бортовой ретранслятор на спутниках Thuraya обеспечивает организацию прямой связи между мобильными абонентами, работающими через разные лучи. Это очень важно, так как позволяет избежать «двойного скачка» (когда групповой поток сбрасывается вниз, перекоммутируется на земных станциях сопряжения и снова возвращается на борт КА). Связь мобильных абонентов с абонентами сетей общего пользования осуществляется в режиме «прозрачной» ретрансляции, т.е. вся обработка информации выполняется на земной станции. Фактически, происходит групповой перенос спектра частот из L- в С-диапазон частот и обратно.[35] Высокая энергетическая эффективность ретранслятора Thuraya (запас в абонентской линии достигает 10 дБ) обеспечивается за счет использования не только «узких» лучей, но и высокоэффективной системы электропитания. Ее солнечные батареи дают выходную мощность, равную 13 кВт. 5.4.5 Станции сопряжения и абонентские терминалы Турайа Базовое абонентское устройство «телефонная трубка» — оснащено 91 — портативный терминал антенной, выполненной в типа виде четырехзаходной спирали. Для его питания используются ионно-литиевые батареи емкостью 650/1200 мАч. Максимальное время разговора в режиме спутниковой связи составляет 2,4 ч (батарея на 650 мАч) или 4 ч (1200 мАч), а в режиме ожидания — 34,1 ч (650 мАч) или 63 ч (1200 мАч). Абонентские устройства для системы Thuraya разработаны двумя производителями оборудования спутниковой связи — Acsom и Hughes Network Systems; по дизайну они практически не отличаются от обычных сотовых GSM-телефонов. Мобильный терминал, по сути, состоит из портативного терминала и набора дополнительных средств, обеспечивающих его работу в движении. Максимальная излучаемая мощность передатчика — 2 Вт, т.е. она сопоставима с мощностью мобильных GSM-терминалов. Полуфиксированный терминал («таксофон») также будет создан на базе портативного терминала и оснащен средствами для его установки. Абонентские терминалы системы «Турайя» работают как в спутниковом, так и в сотовом режиме (стандарт GSM), кроме того, они имеют встроенный GPS-приемник. Мобильные терминалы-трубки «Турайя» сопоставимы с сотовыми телефонами по размеру, внешнему виду и качеству телефонной связи. Услуги, предоставляемые сетью «Турайя», дополняют услуги наземных сотовых сетей и достигают удаленных территорий, недоступных для традиционной мобильной связи. Пользователи системы «Турайя» могут пользоваться традиционными услугами наземных GSM-сетей (передача данных, SMS сообщений), и автоматически переключаться в спутниковый режим при нахождении на территориях, где отсутствует сотовая связь. В свою очередь, при выезде из зоны покрытия сети «Турайя» абоненты могут пользоваться роумингом в сотовых сетях стандарта GSM. Рисунок 5.7 – Внешний вид абонентских терминалов Турайа 5.4.6 Пропускная способность Специально разработанные спутники Thuraya, обеспечивают пропускную способность сети до 13,750 одновременно используемых телефонных каналов. Скорость передачи от 144 кбит/с до 432 кбит/с. 92 5.4.7 Стоимость услуг и сроки развертывания В спутниковой системе Турайа предусмотрено несколько вариантов тарифных планов выбор которых зависит от персональных запросов пользователей. В системе Thuraya, по сравнению с другими спутниковыми системами, самые низкие тарифы на услуги связи. Минута разговора между терминалами, через спутник, стоит 0,5 доллара. Входящий звонок бесплатный. При разговорах с использованием сотовой связи стоимость минуты разговора увеличивается за счет стоимости услуг роуминга. Существуют два вида абонентских контрактов. Один - с ежемесячной абонентской платой и оплатой времени коммуникаций по факту. Другой - с пополнением счета посредством предоплаченных скретч-карт, с более высокой стоимостью минуты и без абонентской платы. Предоплаченные скретч-карты могут храниться неограниченное время до их активации. Счет обнуляется через три месяца после активации карты.[36] 5.5 Система спутниковой связи Iridium Когда в 1987 году компания Motorola приступила к разработке проекта низкоорбитальной спутниковой системы связи Iridium, предполагалось, что система будет состоять в общей сложности из 77 спутников. Именно первоначально выбранному числу спутников проект обязан своим названием. 77-й элемент в таблице Менделеева и есть иридий. Позднее авторы проекта рассчитали, что для полного охвата поверхности Земли достаточно 66 спутников (за счет увеличения количества лучей каждого спутника). В 1993 году консорциум Iridium подписал контракт на приобретение системы спутниковой связи у компании Motorola и объявил о начале проекта. Основные исполнители распределились следующим образом: компания Lockhead - разработка космического сегмента; Motorola - техническое обслуживание системы в течение пять лет (начиная с 1998 года); фирма COM DEV (Канада) - аппаратура для обеспечения связи между спутниками. 5.5.1 Принципы построения и структура системы, виды услуг Iridium Основная концепция сети Iridium заключается в создании общей области обслуживания благодаря применению межспутниковых каналов связи и кластеризации лучей спутника. Эта область будет охватывать не только всю земную поверхность, но и пространство до высоты 180 км, обеспечивая нужды авиации. При этом формируются «соты» общей области обслуживания, обеспечивающей надежную передачу информации между каналами. Система Iridium предоставляет следующие виды связи: дуплексную телефонную связь, передачу данных, факсимильную связь. Виды услуг предоставляемые ССС Iridium: связь абонентов, оснащенных персональными 93 терминалами, с абонентами национальной телефонной сети пользования, и, наоборот, определение местоположения абонента. общего 5.5.2 Космический сегмент При выборе и обосновании орбит учитывались необходимость глобального охвата территории Земли в любое время суток и обеспечение идентичности дальности прямой видимости между соседними спутниками. Космический сегмент состоит из 66 спутников. Каждая из 6 орбитальных плоскостей содержит 10 спутников (9рабочих и один резервный). Связь между абонентами осуществляется через спутниковую сеть с помощью наземных станций сопряжения - одного из компонентов наземного сегмента. Зона покрытия 100%. 5.5.3 Наземный сегмент управления В состав наземного сегмента входит:  Абонентские терминалы нескольких типов.  2. Шлюзовые станции.  3. Станции передачи команд и приема телеметрической информации.  4. Основной и резервные сегменты управления системой и связью.  5. Сегмент запуска. Число абонентских терминалов определяется спросом на услуги связи и, по мнению фирмы Motorola, может достигнуть несколько миллионов пользователей к моменту завершения формирования системы и подтверждения заявленных услуг. Число шлюзовых станций для системы iridium может включать до 250 национальных шлюзовых станций, на первом этапе планируется развертывание от 5 до 20 ШС, две из них в США. В случае применения системы iridium в России, потребуется две шлюзовые станции. В наземный сегмент входит также система управления и контроля сети Iridium (Master Control Facility — МСF), которая обеспечивает глобальное администрирование сети, включая планирование запусков, отслеживание работоспособности спутников, мониторинг бортового оборудования, сбор и анализ телеметрии.[33] 5.5.4 Космический аппарат Iridium Космические аппараты изготавливаются Группой космических и системных технологий, на основе базовой конструкции LM700 фирмы Lockheed Martin Missiles & Space. Расчетный срок работы КА Iridium – 8 лет. Сухая масса КА – 556 кг, рабочая – около 700 кг, включая 115 кг гидразина для бортовой ДУ. Корпус спутника имеет форму трехгранной призмы с основанием 1.0 м и длиной около 4м. Энергопитание осуществляется от двух 94 пятисекционных солнечных батарей на арсениде галлия. В полете КА ориентируется вдоль местной вертикали. На каждом спутнике установлены три основные рабочие антенны MMA компании Raytheon для связи с абонентами, представляющие собой фазированные антенные решетки. Одна антенна ориентирована вперед по направлению движения, две – в стороны и назад. Антенны формируют 48 парциальных лучей, образующих на поверхности Земли 48 ячеек в зоне видимости данного КА, с пиковой пропускной способностью 1200 каналов в диапазонах 1616.0–1626.5 МГц (абонент-спутник) и 2483.5–2500.0 МГц (спутник-абонент). Также имеется по 4 антенны связи со станциями сопряжения в диапазонах 19.4–19.6 и 29.1–29.3 ГГц и по 4 антенны межспутниковой связи компании ComDev. Для межспутниковой связи используется диапазон 23.18–23.38 МГц.[37] 5.5.5 Станции сопряжения и абонентские терминалы Основные функции станции сопряжения: соединение сети спутников с наземными телефонными сетями общего пользования, учет вызовов и времени разговора абонентов (биллинг). В момент подключения радиотелефона Iridium к ближайшему спутнику через наземную станцию сопряжения системы автоматически определяется платежеспособность счета абонента и его местонахождение. В зависимости от совместимости и загруженности альтернативных систем связи выбираются те из них, которые будут использованы для передачи сигнала: система спутниковой связи или сотовая телефония. При невозможности использования местной системы сотовой связи радиотелефон выходит на прямую связь с ближайшим спутником. Затем сигнал передается с одного спутника на другой до тех пор, пока он не будет принят радиотелефоном вызываемого абонента или наземной станцией системы Iridium. Станции сопряжения системы Iridium бывают четырех конфигураций — на 30, 60, 90 и 120 тыс. абонентов. Стоимость станции сопряжения достаточно высока, так как в ее состав входит высоконадежное оборудование, которое обеспечивает не только связь со спутником, но и определение (через спутник) координат абонента, техническое обслуживание, а также администрирование сети. Пользователям могут быть предложены различные типы терминалов: носимый, переносной (для офисов), мобильный (для автомобилей), авиа и морской, а также пейджер. Масса носимых терминалов не превышает 700 г. Масса переносных, мобильных, авиа и морских терминалов составляет примерно 2,5 кг. Время установления связи аналогично времени установления связи между абонентами наземной сотовой связи и не превышает 2 с. При этом обеспечивается непрерывность связи в течение всего сеанса. На рисунке 5.8 приведены несколько вариантов абонентских терминалов Iridium. 95 Рисунок 5.8 – Абонентские терминалы Iridium 5.5.6 Пропускная способность До 2008 года сеть Iridium поддерживала только низкоскоростную передачу данных на скорости до 2,4 кбит/с. Благодаря неплохой устойчивости сигнала, подобная система хорошо справляется с отправкой/приемом электронной почты и файлов размером до 150 Кб. В 2008 году компания Iridium объявила о старте высокоскоростной системы Iridium OpenPort, ориентированной на пользователей, которым необходима передача больших объемов данных за короткий промежуток времени. Терминалы Iridium OpenPort вполне пригодны для эксплуатации как на морских судах, так и на суше. Пропускная способность в каждом направлении составляет до 128 кбит/с. Единственным ограничением для наземных пользователей могут служить достаточные большие размеры и вес выносной антенны.[34] 5.5.7 Стоимость услуг и сроки развертывания Оплачивается только исходящая связь, входящие звонки и SMS бесплатно. К тому же, при покупке ваучера, Sim-карта предостовляется тоже бесплатно. Стоимость самого дорогого ваучера на год 150 000 рублей (30.00 RUB/min), на месяц 3 750 рублей(75.00 RUB/min). 5.6 Система спутниковой связи Globalstar Система Globalstar представляет собой консорциум Globalstar L.P из международных телекоммуникационных компаний Loral Space & Telecommunications, Qualcomm, Elsag Baily, Space Systems/Loral, Daimler-Benz Aerospace, Alenia, Alcatel, Hyundai, Dacom и операторов связи - France Telecom, Vodafone Goup. Консорциум был основан в 1991 году. Система Globalstar формировалась как система, предназначенная для взаимодействия с существующими сотовыми сетями, дополняя и расширяя их возможности за счет осуществления связи за пределами зон покрытия. Кроме того, система предоставляет возможность использования ее в качестве альтернативы для стационарной связи в удаленных районах, где пользование сотовой связью или сетью общего пользования по каким-либо причинам невозможно. При 96 разработке этой системы в основном использовался опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов (CDMA) фирмы Qualcomm. Консорциум Globastar взаимодействует с операторами более чем в 100 странах. 5.6.1 Принципы построения и структура системы, виды услуг Система Globalstar предназначена для передачи речи и данных, организации пейджинговой связи, определения местонахождения подвижных объектов, передачи коротких сообщений и экстренных вызовов. Система Globalstar предоставляет абонентам следующие виды услуг: •речевая связь. Продолжительность переговоров - 3 минуты (без прерывания связи) - будет обеспечиваться с вероятностью 99%. Время установления связи равно времени установления связи между абонентами наземной сотовой связи и не превышает 2 секунд; • передача данных.Скорость передачи - от 2,4 до 9,6 кбит/с с возможностью агрегирования каналов. Вероятность ошибки в канале передачи данных - не более 10-6. Предусматривается предоставление пользователям дополнительных услуг, таких как телефакс, передача факсимильных сообщений; • определение местоположения. Производится с точностью, которая зависит от нескольких факторов: количества одновременно "видимых" КА, точности определения координат КА, взаимного расположения пользователя, КА и станции сопряжения (СС), стабильности абонентского эталона частоты. Система спутниковой связи Globalstar структурно разделена на три основных сегмента - космический, наземный и пользовательский.[38] 5.6.2 Космический сегмент Орбитальная группировка системы Globalstar состоит из 48 основных и 8 резервных КА. Спутники расположены в 8 орбитальных плоскостях по 6 КА в каждой. КА выводятся на круговые орбиты высотой 1410 км с наклонением к экватору 52°. Период обращения на этих орбитах равен 114 минутам. Фазовый сдвиг между КА в соседних орбитальных плоскостях составляет 7,5°. Такая структура космического сегмента обеспечивает одновременное наблюдение на средних широтах – основном регионе обслуживания – не менее 2 КА.[33] По этому показателю система Globalstar существенно отличается от конкурирующей системы Iridium, где структура космического сегмента основана на односпутниковом покрытии территории. Система Globalstar рассчитана на облуживание абонентов, находящихся на территории от 70° северной до 70° южной широты). В этой области обеспечивается практически постоянное двукратное покрытие земной поверхности.[38] На рисунке 5.9 приведена зона покрытия ССС Globalstar. 97 Рисунок 5.9 - Зона покрытия ССС Globalstar. 5.6.3 Наземный сегмент управления В состав наземной сети управления Globalstar входят две основные подсистемы – центр управления наземной сетью GOCC (Ground Operations Control Center) и центр управления контроля орбитальной группировкой SOCC (Satellite Operations Control Center). Обе подсистемы связаны между собой с помощью сети Globalstar Data Network, к которой подключены наземные станции сопряжения. Центр управления и контроля орбитальной группировки SOCC совместно с командно-телеметрическими станциями (ТТ&С station) производит контроль орбит, обработку телеметрической информации и формирование команд. Кроме того, SOCC отслеживает текущее состояние КА и информирует центр управления сетью о доступных КА, их ресурсах и эфемеридах. В задачи центра управления сетью GOCC входит планирование трафика, выделение и закрепление сетевых ресурсов, слежение за функционированием системы. Центр SOCC не имеет собственного радиотехнического оборудования. По наземной линии связи он постоянно подключен к одной из СС. Эта станция сопряжения, в отличие от остальных, должна быть доукомплектована аппаратурой для приема телеметрии с борта КА и передачи команд управления. Центр управления SOCC размещен в Сан-Хосе, шт. Калифорния, резервный центр управления связью – в Эльдорадо (шт. Калифорния). 98 5.6.4 Космический аппарат Globalstar Спутники в системе Globalstar выполнены без обработки информации (bent-pipe) и межспутниковых линий связи. Связь между абонентами организуется в следующих диапазонах частот. Бортовой комплекс L/S диапазона содержит приемные и передающие активные фазированные антенные решетки (АФАР). Всего формируется 16 лучей. Усиление и форма лучей подобраны так, чтобы у поверхности Земли формировалась многосотовая зона покрытия. Коэффициент усиления в периферийных лучах выше, чем в первом, что необходимо для создания равномерной плотности потока мощности. Общая пропускная способность ретранслятора на один КА – 2400 эквивалентных телефонных каналов. Масса каждого КА – 450 кг, максимальная мощность солнечных батарей – 1100 Вт. Планируемый срок активного существования – 7,5 лет. На спутниках устанавливается трехосная система стабилизации. Точность удержания аппарата на орбитальной позиции составляет не хуже ± 1° вдоль орбиты и ± 1° в сторону от орбиты. Основные компании-операторы, обеспечивающие запуск КА Globalstar на этапах формирования орбитальной группировки и последующей замены КА в ходе эксплуатации системы: Boeing (США), НПО «Южное» (Украина), Starsem (Франция). 5.6.5 Станции сопряжения и абонентские терминалы Станции сопряжения в системе Globalstar играют важную роль. Через них осуществляются все соединения с абонентами. Для глобального покрытия основных регионов земной поверхности с учетом национальных границ и минимизации. Такая технология позволит обеспечить большую надежность связи, чем при использовании для маршрутизации межспутниковых каналов связи. Региональный принцип построения системы привлекает администрации разных стран, позволяя им сделать Globalstar частью своей национальной сети. Учитывая, что основную часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%), это позволит местным телекоммуникационным компаниям получать доход от эксплуатации системы. Станция сопряжения предназначена для решения следующих задач: организация информационного обмена в обслуживаемом регионе; распределение сетевых ресурсов; подключение абонентов Globalstar к сетям общего пользования. Все вызовы (местные и международные) обрабатываются и коммутируются в СС, причем время установления соединения не будет превышать 5 секунд, а максимальная задержка сигнала – 150 мс. В состав СС входят 4 идентичных приемопередающих комплекта, оснащенных следящими параболическими антеннами, подсистемы формирования и обработки ШПС- сигналов, интерфейсного оборудования и 99 автоматизированных рабочих мест операторов, позволяющих производить учет графика и вычисление местоположения абонента по навигационным данным. В системе Globalstar выпускаются три основных типа терминалов – портативные, мобильные и стационарные. Стационарные терминалы предназначены для работы только в системе Globalstar. Портативные и мобильные могут функционировать в сотовой сети одного из стандартов GSM, CDMA, AMPS. Мощность мобильного AT не превышает 2 Вт, портативного – 0,6 Вт. Компании Qualcomm, Telit, Ericsson выпускают портативные и мобильные терминалы трех типов – трехрежимные (Globalstar/AMPS/ CDMA), двухрежимные (Globalstar/ GSM) и однорежимные (Globalstar). В состав терминалов входит устройство автоматической регулировки мощности передатчика, которое позволяет снизить мощность передатчика до 2 мВт. Регулировка уровня мощности осуществляется автономно в каждом CDMA-канале. Команда на изменение значения мощности передается со станции сопряжения. Аппаратура СС измеряет уровень принимаемого сигнала от каждого терминала индивидуально, сравнивает его с пороговым и передает команду абоненту на увеличение или уменьшение мощности. Эта процедура позволяет выровнять сигналы на входе ретранслятора, снизить уровень взаимных помех и максимизировать пропускную способность. На рисунке 5.10 приведены варианты абонентского терминала Globalstar. Рисунок 5.10 - варианты абонентского терминала Globalstar. 5.6.6 Пропускная способность Пропускная способность КА, определяемая как максимальное число эквивалентных каналов по 2,4 кбит/с, в зоне, создаваемой 16-лучевой антенной, по оценке разработчиков cистемы Globalstar составляет 2400 каналов. Реальная пропускная способность будет ниже, вследствие работы на более высокой скорости (4,8 кбит/с), а также возможности задействования одного канала в смежном КА при ведении связи с одним наземным абонентом. Орбитальное построение системы оптимизировано, в частности, для территории США; в РФ в верного морского пути. [38] 5.6.7 Стоимость услуг и сроки развертывания Globalstar 100 На территории России уже построены 3 станции сопряжения (в Москве, Новосибирске Хабаровске), которые обеспечивают охват 98% территории России с гарантированным качеством услуг южнее 70° с.ш. Все станции российского сегмента объединены в единую наземную сеть, связанную с центром управления Globalstar. Национальным оператором в России является ЗАО «ГлобалТел», которое основано ОАО «Ростелеком» и компанией Globalstar. Коммерческая деятельность на территории РФ по предоставлению услуг связи населению началась в конце 2000 г., планируемый рынок Globalstar России – 7,5% мирового. Общая стоимость проекта Globalstar составляет около 2,6 млрд долл., хотя реально эта сумма выше, так как в нее не включены затраты на строительство 150–210 станций сопряжения. Предполагаемые эксплуатационные расходы в год достигнут 227 млн. долл. Ориентировочная стоимость основных элементов системы Globalstar: КА – 14 млн. долл., станция сопряжения – 6,5 млн. долл., радиотелефонный терминал – 700–1000 долл., стационарный терминал – не более 2,5 тыс. долл. В среднем тариф за телефонный разговор составляет 1 долл. в минуту.[39] 5.7 Критерии сравнения систем подвижной спутниковой связи При выборе системы подвижной спутниковой связи потенциальный абонент оценивает множество факторов, от стоимости услуг до удобства использования и компактности абонентского комплекта. Учитывая разнообразие рынка услуг СПС в первую очередь необходимо сформировать критерии выбора(сравнения) и основываясь на них определить ту или иную систему связи. Для подавляющего большинства будущих пользователей стоимость абонентского терминала, его габариты и цена услуг связи является одним из важнейших критериев выбора СПС (цены на абонентские терминалы варьируются от 20 тысяч рублей до полумиллиона, размеры зависят от того на каких абонентов в первую очередь нацелена система, да и цена услуг сильно различается в зависимости от системы). Однако немаловажно оценить качество связи предоставляемой той или иной системой. Для будущего абонента необходимо знать зону обслуживания(возможность работы практически в любой точке земного шара), вероятности обрыва связи (устойчивость соединения). Многим пользователям важны дополнительные виды услуг связи, такие например как передача мультимедиа информации (аудио, видео, фото), определение местоположения (особенно данная услуга важна для людей владеющих транспортным средством), передача текстовых сообщений, электронная почта, возможность выхода в интернет и т.д. При этом каждому абоненту хочется, чтобы обеспечивалась высокая скорость передачи данных. Влияние излучения на здоровье человека (безопасность излучения) тоже в той или иной степени определяют выбор СПС. Исходя из этого, сформируем критерии сравнения для спутниковых систем подвижной связи: 101  Стоимость абонентского терминала, его размеры, цена услуг и сложность набора номера.  Виды услуг (скорость передачи данных в канале).  Размер АС (вид антенного устройства).  Качество связи (количество КА, зоны обслуживания, энергетические параметры). Перед сравнением спутниковых систем подвижной связи, необходимо сказать, что все они имеют ряд преимуществ и недостатков, поэтому в большинстве случаев выбор ССС зависит от предпочтения будущего пользователя. 5.8 Сравнение спутниковых систем подвижной связи 5.8.1 Сравнение используемых орбит При использовании геостационарной орбиты зона видимости геостационарного спутника составляет почти треть поверхности земли, что позволяет с их помощью обслуживать большие территории и смена спутника не требуется, однако спутники находятся на высоте 35786 км от земной поверхности, что непременно приводит к колоссальным затуханиям в свободном пространстве (около 200дб). Период вращения спутника составляет 24 часа в сутки, и для наблюдателя на Земле он кажется неподвижным. Это позволяет использовать для связи со спутником высокоэффективные фиксированные узконаправленные антенны. Чем меньше угол места антенны относительно земной поверхности, тем больше помех и шумов принимается изза увеличения наклонной дальности и увеличения по этой причине толщины атмосферного слоя. Поэтому полярные области на Земле плохо обслуживаются с геостационарной орбиты. Увеличение уровня помех и шумов наблюдается не только при приближении к полярным областям, но и при удалении от долготы стояния спутника, так как при этом угол места приемной антенны также уменьшается и, следовательно, толщина атмосферного слоя увеличивается и увеличивается по этой причине эквивалентная длина пути сигнала в атмосфере. При малых углах места из-за крайне низкого уровня сигнала, достигающего поверхности Земли, и экранирующего действия рельефа местности, возможность приема со спутника ограничена. В случае использования низкоорбитальных спутников (высота орбит 500-2000 км, а период вращения 1,5-2 часа) затухания сигнала существенно ниже и проблема создания многолучевых антенн менее остра, однако количество спутников, используемых в этом случае 48-66, т.к. зона покрытия одного спутника составляет 3-7% и возникает другая проблема – задержка связи за счет переключения между спутниками. Проблемы связи в полярных областях отсутствуют, и в принципе зависимость от рельефа ниже т.к. в зоне обслуживания могут находиться сразу несколько спутников. 102 Контрольные вопросы по разделу 5 1. Какой диапазон частот, отведённый для спутниковой связи целесообразно использовать для систем подвижной спутниковой связи? 2. Перечислите основные элементы сети подвижной спутниковой связи. 3. Какие услуги предоставляют операторы подвижной спутниковой связи? 4. Чем ограничивается скорость передачи информации в канале подвижной спутниковой связи? 5. Какие антенны применяются в абонентских терминалах сетей подвижной спутниковой связи? 6. Сформулируйте назначение шлюзовых станций входящих в состав сетей подвижной спутниковой связи. 6 Основы энергетического расчета спутниковой линии связи 6.1 Задача энергетического расчёта спутниковой линии связи Линии спутниковой связи состоят из двух участков: Земля — спутник и спутник — Земля. В энергетическом смысле оба участка оказываются достаточно напряженными: первый - из-за стремления к уменьшению мощности наземных радиопередатчиков и упрощению конструкции наземных передающих станций, второй в ещё большей степени - из-за ограничений на массу, габаритные размеры и энергопотребление бортового ретранслятора ИСЗ, лимитирующих его мощность, а также из-за необходимости использования относительно простых приемных абонентских устройств с антеннами небольших размеров. Задачей энергетического расчета является определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи. При этом предварительно необходимо выбирать общую структуру системы, в результате чего определяются диапазоны частот, методы многостанционного доступа и использование полосы частот, режим работы ретранслятора, используемые виды и параметры модуляции, зоны обслуживания и т.д. Энергетический расчет позволяет приступить к разработке всех элементов системы и является отправной точкой в ее конкретной реализации.[5] Основная особенность спутниковых линий — наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты геостационарного ИСЗ затухание сигнала на трассе может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания в пространстве сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция, деполяризации и т. д. С другой стороны, на приемное устройство 103 спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры. Задачей энергетического расчета является определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи. Энергетическими параметрами линии связи являются мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, а также эффективная эквивалентная шумовая температура приемного устройства в целом. Таким образом, после окончания расчета линии связи можно сделать заключение о том, насколько выбранное оборудование подходит для обеспечения устойчивого приема сигналов от выбранного спутника в заданном месте расположения приемной системы. На рисунке 6.1 приведены обобщённая структура спутниковой линии связи на участке спутник-Земля и качественное изменение уровня сигнала в характерных точках (диаграмма уровней). Диаграмма уровней даёт наглядное представление об изменении уровня сигнала при его прохождении от передатчика бортового ретранслятора до входа приёмника земной станции. Рисунок 6.1 – Диаграмма уровней на участке ИСЗ – приёмная земная станция 104 Результатом расчета спутниковой линии связи является вычисленное значение отношения сигнал/шум (S/N), величина которого сравнивается с соответствующими нормированными значениями, величина которых зависит от применяемых методов формирования сигналов. Так, значения требуемого S/N определены в спецификации стандартов DVB-S и DVB-S в зависимости от метода модуляции и помехоустойчивого кодирования, используемых в радиоканале. 6.2 Расчёт геометрических соотношений для приёмной наземной станции Каждый геостационарный спутник занимает определенную уникальную позицию или участок орбиты, находящейся на высоте 35 784 км в плоскости экватора. Фактическое положение спутника определяется долготой подспутниковой точки (точки стояния, расположенной непосредственно под спутником на экваторе). Примеры точек стояния для конкретных наименований спутников указаны в таблице 6.1. [41] Таблица 6.1 – Точки стояния различных спутников Спутник Точка стояния o Express AM1 40 восточной долготы Intelsat 904 60o восточной долготы Ямал 200 90o восточной долготы Express AM22 53o восточной долготы Yamal-200-2 49o восточной долготы Для захвата сигнала со спутника в пределах предполагаемой зоны обслуживания антенну необходимо точно установить как по азимуту, так и по углу места. Эти параметры относятся к так называемым геометрическим соотношениям, которые связывают спутник на геостационарной орбите и точку приёма на земной поверхности. Угол места – угол, отсчитываемый в вертикальной плоскости от касательной к точке приема до направления от земной станции на спутник. Его можно вычислить следующим образом, выражение (6.5). Азимут - это угол, отсчитываемый в горизонтальной плоскости по часовой стрелке от направления на Северный полюс до направления от земной станции на спутник. Его можно вычислить следующим образом, выражение (6.6). Длина пути прохождения сигнала, иногда называемая наклонной дальностью, - это расстояние между земной станцией и рассматриваемым спутником. Чем дальше от экватора находится земная станция, тем длиннее 105 будет путь прохождения сигнала, а, следовательно, больше потери энергии сигнала. Перечисленные параметры показаны на рисунке 6.2. Для вычисления длины пути d используется выражение (6.1): 1   02  2   0  cos d  RЗ , 0 где RЗ= 6370 км – радиус Земли; вспомогательный параметр: RЗ 0   0,1511 ; RЗ  H (6.1) (6.2) Н = 35794 км – высота геостационарной орбиты; cos  cos зс  cos  ,   ЗС  СП ; (6.3) (6.4) где зс - долгота земной станции; сп - долгота подспутниковой точки (определяется параметрами выбранного спутника); зс - широта земной станции. Рисунок 6.2 – Геометрические соотношения геостационарной спутниковой линии связи Значение угла места можно определить как: 106  cos    1  cos 2     arctg   ,   (6.5) Значение азимута:  tg  sin  ЗС   180  arctg    ,  (6.6) Для дальнейшего энергетического расчёта наиболее важными параметрами являются угол места и наклонная дальность, которые позволяют определить не только абсолютное значение длины спутниковой линии связи, но и толщину атмосферного слоя, который придётся преодолеть радиосигналу. 6.3 Критерии качества канала спутниковой лини связи и этапы энергетического расчёта В цифровой связи в качестве критерия качества используется отношение энергии бита Еб к спектральной плотности мощности шума N0. Энергию бита можно описать как мощность сигнала Рс, умноженную на время передачи бита Тб. Спектральную плотность мощности шума можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы частот W. Учтя также, что скорость передачи битов Rb и длительность тактового интервала цифрового сигнала величины взаимообратные, получим что [42]:  б  PC   0  PШ   P W   б  c  ,   1 / W Pш R (6.7) Одной из важнейших метрик производительности в системах цифровой связи является график зависимости вероятности появления ошибочного бита Рош от Еб/N0. Безразмерное отношение Еб/N0 – это стандартная качественная мера производительности систем цифровой связи. Следовательно, необходимое отношение от Еб/N0 можно рассматривать как метрику, позволяющую сравнивать производительность различных систем; чем меньше требуемое отношение от Еб/N0, тем эффективнее процесс обнаружение при данной вероятности ошибки [43]. В таблице 6.2 приведены примеры требуемых значений Е б/N0, определённых стандартом DVB-S2 для некоторых видов модуляции и помехоустойчивого кодирования. Таблица 6.2 – Спектральная эффективность для различных режимов модуляции и кодирования сигнала стандарта DVB-S2 Режим модуляции и кодирования Требуемое Eб/No, дБ 107 QPSK ¾ QPSK 4/5 8PSK 3/5 8PSK 2/3 8PSK 8/9 8PSK 9/10 16APSK 5/6 16APSK 8/9 16APSK 9/10 32APSK ¾ 32APSK 4/5 4,03 4,68 5,5 6,62 10,69 10,98 11,61 12,89 13,13 12,73 13,64 Таким образом, для подтверждения возможности приёма сигнала со спутника необходимо: 1. Зная точку стояния спутника, определить геометрические соотношения для проектируемой спутниковой линии. 2. Определить ЭИИМ спутника, используя его карту зоны покрытия. 3. Определить первоначальные параметры приёмного оборудования земной станции (коэффициент усиления антенны, шумовые параметры приёмника). 4. Определить потери энергии сигнала при его распространении по спутниковой линии связи. 5. Вычислить мощность сигнала на входе приёмника земной станции. 6. Определить мощность тепловых шумов приёмной системы. 7. Вычислить отношение сигнал/шум, приведённое ко входу приёмника. 8. Зная метод модуляции, произвести расчет величины отношения Еб/N0. При перерасчёте можно воспользоваться формулой (6.8): Pс E   log 2 M  b , (6.8) Pш No где М – позиционность применяемого метода модуляции. 6.4 Определение потерь энергии сигнала при распространении по спутниковой линии связи 6.4.1 Затухание сигнала в свободном пространстве Затухание энергии сигнала в свободном пространстве определяется уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя. 108 Величина потерь энергии сигнала в свободном пространстве вносит самую значительную долю в общую сумму потерь, имеет частотную зависимость и может быть определена по формуле 6.9: L0  20  lg d  20  lg f  92,4 ,дБ (6.9) где d – наклонная дальность, км; f – частота, ГГц. Формула 6.9 представлена в виде, удобном для инженерных расчётов, так как значения d и f необходимо подставлять соответственно в километрах и гигагерцах. 6.4.2 Затухание сигнала в спокойной атмосфере Поглощение радиоволн в атмосфере количественно определяется величиной LА . Установлено, что в диапазонах частот выше 500 МГц основное поглощение определяется тропосферой, точнее, кислородом и водяными парами. Для количественной оценки удобно воспользоваться следующим представлением: LА  LК  lK  LB  lB , дБ (6.10) где l K , l B - длина пути радиосигнала в слоях кислорода и водяного пара соответственно, км; LК , LB - удельное поглощение кислородом и водяным паром соответственно, дБ/км. Эквивалентная длина пути сигнала в стандартной атмосфере зависит не только от эквивалентной толщины атмосферы, но также от угла места земной антенны  и высоты земной станции над уровнем моря hЗ: hK  hЗ hВ  hЗ , lВ  , (6.11) sin  sin  где hK  5,3 км, hB  2,1 км - эквивалентная толщина слоя кислорода и водяных паров в стандартной атмосфере; hЗ = 0,04 км - высоты земной станции над уровнем моря для равнинной местности. На рисунке 6.4 показаны теоретические зависимости удельного поглощения энергии сигнала γ, дБ/км, от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20°С и концентрации ρ водяного пара 7,5 г/м3. lK  109 Рисунок 6.4 – Зависимости коэффициента поглощения для кислорода и водяных паров от частоты Как видно из графиков, величина затухания в водяном паре имеет ярко выраженный пик (обусловленный эффектом резонанса с молекулой воды) на частотах 22 ГГц и с ростом частоты затухание возрастает. График зависимости для кислорода имеет пик на частоте 60 ГГц. Величина погонного затухания в среде имеет постоянную величину и затухание сигнала зависит от эквивалентного пути проходящего через среду. Потери энергии сигнала в атмосфере сравнительно не велики и не играют определяющей роли в суммарном значении, кроме того, величина La является постоянной и не изменяется с течением времени. 6.4.3 Затухание сигнала в осадках Затухание сигнала в осадках в отличие от затухания в спокойной атмосфере является величиной переменой и зависящей не только от частоты и длины пути радиосигнала, а так же от вида гидрометеоров, интенсивности их выпадения, размеров зоны выпадения и интенсивности распределения по зоне, 110 а так же размеров распределения размеров частиц гидрометеоров. На большей части земной поверхности, явление выпадения осадков является локализованным сравнительно на небольшой территории и кратковременным, но данные явление могут вызвать нарушение связи. Поэтому энергетический запас должен учитывать и эти климатические явления на территории расположения приемной земной станции. Описанные выше факторы влияют как на коэффициент погонного поглощения, так и на эквивалентную длину пути сигнала. Наибольшее ослабление вносят жидкие гидрометеоры — дождь, туман, мокрый снег; ослабление в твердых структурах (град, сухой снег) значительно меньше. Наличие взвешенных частиц, аэрозолей практически не влияет на поглощение сигнала, и в обычных условиях может не учитываться. В общем виде величину затухания в осадках можно найти по формуле (6.12): L Д  L' Д l3 , дБ где (6.12) L' Д — коэффициент погонного поглощения в гидрометеорах, дБ/км, l3 — эквивалентная длина пути сигнала, км. Усредненные на основании многочисленных измерений значения погонных коэффициентов поглощения в осадках различной интенсивности приведены на рисунке (6.5). 111 Рисунок 6.5 – Частотная зависимость коэффициента поглощения сигнала в дожде различной интенсивности Эквивалентную длину пути сигнала в дождевой зоне можно найти по формуле (6.13):   F ( ) h'Д hз l3  , sin  (6.13) где F ( ) — коэффициент учитывающий неравномерность пространственного распределения интенсивности дождя, h ' — эквивалентная толщина дождевой зоны, км. Д Значение эквивалентного пути, вычисленные для различных интенсивностей дождя с учетом пространственной локализации дождевой зоны, приведены на рисунке (6.6). 112 Рисунок 6.6 — Зависимость эквивалентной длины пути сигнала в дожде различной интенсивности от угла места антенны земной станции Из рисунка можно сделать вывод, что эквивалентная длина пути сигнала при больших интенсивностях существенно меньше, чем геометрическая (следовательно, дожди большой интенсивности, как правило, сильно локализованы). Воспользовавшись формулой (6.12) и данными на рисунках (6.5) и (6.6) можно рассчитать поглощение в дождях различной интенсивности. При этом необходимо решить еще один важный вопрос — о распределении вероятностей выпадения осадков различной интенсивности. Решение этой задачи полностью базируется на экспериментальных данных метеорологии. Однако стоит учитывать тот факт, что зона покрытия спутника может обхватывать территорию с несколькими климатическими районами с различными вероятностями (и другими факторами) поэтому в данном случае необходимо разбитие зоны покрытия на климатические зоны с близкими показателями. Так же необходимо использовать усредненные данные за период наблюдения 7÷10 лет в этом случае их достоверность будет иметь приемлемое значение. Так для определения принадлежности региона планирования к той или иной зоне по интенсивности дождей, можно воспользоваться картами районирования территории России и государств СНГ (рисунок 6.7) 113 Рисунок 6.7 – Карта районирования по интенсивности дождей Рисунок 6.8 – Статистические распределения среднеминутных значений интенсивности дождей в Сибири и на Дальнем Востоке По известному номеру региона можно определить допустимую интенсивность осадков для заданного процента времени перерыва связи (0,01% или 0,1% времени перерыва связи). На рисунке 6.8 приведён пример вероятности прохождения осадков различной интенсивности на территории Сибири и Дальнего Востока. Стоит отметить, что подобные сведения собраны и систематизированы для всех областей Земли. 114 6.4.4 Потери из-за рефракции и неточности наведения антенны Рефракция — это искривление траектории сигнала при прохождении через атмосферу (ионосферу и тропосферу), это приводит к образованию угла между истинным и кажущимся направлением на спутник. В результате появляется дополнительное ослабление сигнала, вызванное неверным наведением антенн ЗС и спутника друг на друга. При автоматическом наведении антенн по максимуму приходящего сигнала влияние рефракции практически исключается. Но возникает еще одна составляющая потерь ─ потери из-за неточности наведения антенн ЗС на ИСЗ; она определяется угловым отклонением оси главного лепестка диаграммы направленности от истинного направления на ИСЗ, а также шириной и формой этого лепестка. В целом потери из-за наведения носит неподдающийся оценки статистический характер и может примерно на 1 дБ увеличить общие потери. В системах спутниковой связи использующих спутники на геостационарных орбитах используются приемные антенны без поворотных механизмов, по причине особенностей орбиты спутник неподвижен, поэтому в постоянном наведении нет необходимости. На практике наблюдается малое смещение спутника от заданной точки, но современные корректирующие системы сводят к минимуму эти отклонения. Таким образом, при приеме сигнала со спутника на геостационарной орбите потери из-за неточности наведения минимальны при условии первоначально правильной установки антенны. 6.4.5. Поляризационные потери энергии сигнала Поляризационные потери можно разделить на три составляющие: потерь, связанные с эффектом Фарадея, несогласованностью поляризаций антенн и с деполяризацией сигналов в атмосфере. С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие — фазовая дисперсия сигналов. Как известно, эффект Фарадея обусловлен тем, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли происходит расщепление этой волны на две составляющие, которые распространяются в ионосфере с различными скоростями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны. Эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц; на частотах выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться. Потери, вызванные несогласованностью поляризации, возникают в результате изменения взаимной ориентации антенн ЗС и спутника, что имеет решающее значение при использовании линейной вертикальной или горизонтальной поляризации. Возникающие при этом потери могут доходить 115 до 10 дБ, однако использование круговой поляризации позволяет сделать эту составляющую поляризационных потерь пренебрежимо малой. Потери из-за деполяризации радиоволн в осадках обусловлены несферичностью формы и особенностью траекторий падения капель дождя, что приводит к различному влиянию осадков на вертикальную и горизонтальную составляющие радиоволн с круговой поляризацией. Эффект деполяризации радиоволн с линейной поляризацией вызывает намного меньшие потери, чем в случае с круговой. Очевидно также, что этот вид потерь носит статистический характер, связанный со статистикой выпадения дождей, в связи с чем такой же характер будут носить и результирующие поляризационные потери. Определение потерь энергии сигнала является ключевым моментом при проектировании систем спутниковой связи, поэтому ему и уделено столько внимания. Зная потери энергии сигнала при распространении можно определить мощность сигнала на входе приёмника. 6.5 Расчет мощности сигнала на входе приёмника Мощность сигнала на входе земной станции определяется по формуле: РС.Вх  РЭИИМ  L  GА. ПР  Ф. ПР (6.18) где РС.Вх – уровень сигнала на входе приёмника, дБВт; РЭИИМ – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) на выходе передатчика, дБВт; Ф. ПР – коэффициент передачи по мощности волноводного тракта, дБ; GА. ПР – коэффициент усиления приёмной антенны относительно изотропного излучателя, дБи; L – ослабление сигнала в тракте распространения сигнала по спутниковой линии связи, дБ. Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность определим по формуле: РЭИИМ  РПД  GА, ПД  Ф, ПД где РПД – мощность передатчика, дБВт; GА, ПД – коэффициент усиления передающей антенны, дБи; Ф, ПД – коэффициент передачи по мощности волноводного передающей системы, дБ. (6.19) тракта Если производится расчёт на линии Земля – спутник, то расчёты по формуле (6.19) необходимо произвести по известным параметрам передающей земной станции. Если расчёт ведётся для линии спутник – Земля, то в качестве 116 ЭИИМ достаточно использовать величину, указанную в технических характеристиках соответствующего бортового ретранслятора, причём необходимо учитывать изменение ЭИИМ в пределах зоны обслуживания (в центве зоны обслуживания ЭИИМ достигает своей максимальной величины, постепенно уменьшаясь к краям). При расчёте линии «вниз» есть ещё одна особенность, которую нужно учитывать. Значение ЭИИМ транспондера бортового ретранслятора даётся для всей рабочей полосы частот, которая, как правило, составляет несколько десятков мегагерц. На практике каждая конкретная спутниковая система связи использует только часть общей полосы частот, поэтому требуется произвести перерасчёт передаваемой энергии, приходящейся на полезную полосу частот. Энергия, приходящаяся на один спутниковый канал может быть определена по формуле: (6.20) где – – – – ЭИИМ одного канала, Вт; ЭИИМ луча, Вт; полоса пропускания канала, Гц; полоса пропускания луча, Гц. Разница между величинами ЭИИМ и ЭИИМк существенна и пренебрежение данным пересчётом приведёт к ошибке проектирования спутниковой линии связи в целом. 6.6 Расчёт тепловых шумов приёмной системы Полная мощность шума на входе приемника определяется по формуле (6.22): PШ .ЗС  k  T  f Ш  (6.22) где k – постоянная Больцмана, k  1,38  10 23 Вт / Гц  К ; T – суммарная эквивалентная шумовая температура приемной станции,  приведенная к облучателю антенны, К; f Ш – эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника определяется формулой (6.21), Гц. Значение суммарной эквивалентной шумовой температуры приемного устройства определяется шумами антенны, волноводного тракта приемной станции и собственными шумами приемника. Для практического расчета все составляющие суммарной шумовой температуры удобно пересчитать к облучателю антенны: 117  1  TПр T  TА.ЗС  T0    1      Пр  Пр  (6.23) где TА.ЗС – результирующая шумовая температура антенны, К; T0 – физическая температура окружающей среды, T0  290К ;  Пр – коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта приемной станции от облучателя антенны до входа приемника; TПр – собственная шумовая температура приемника, К. В свою очередь для приемной антенны земной станции справедлива формула (6.24): TА.ЗС  TАТМ ( )  с  TЗ  TКОСМ ( ) (6.24) где TАТМ ( ) – шумовая температура, обусловленная шумами атмосферы и зависящая от угла места, К; с – коэффициент, учитывающий усредненный уровень боковых и задних лепестков диаграммы направленности антенны, ñ  0,4 ; TЗ – шумовая температура, обусловленная тепловым излучением Земли, К; TКОСМ ( ) – шумовая температура, обусловленная шумами космического происхождения, К. Шумовая температура атмосферы определяется излучением спокойной атмосферы и влиянием осадков. Это явление объясняется законом термодинамического равновесия, согласно которому среда излучает такое же количество энергии, которое поглощает. Таким образом, эта составляющая носит статистический характер, связанный с потерями в спокойной атмосфере и дождях, зависит от частоты и угла места. Шумовая температура атмосферы определяется по рисунку 6.9. При известном значении затухания, обусловленного влиянием атмосферы, шумовая температура атмосферы может быть определена по формуле 6.24, однако в практических случаях может быть принята равной 290К:   1  TАТМ (  )  2901    L  L А Д   118 (6.24) Рисунок 6.9 – Зависимость шумовой температуры атмосферы от частоты и угла места Шумы космического происхождения определяются в основном излучениями Галактики, Солнца и Луны. При этом усредненная температура шумов Галактики пренебрежимо мала в полосах частот 6 - 4ГГц и выше и не превышает 10К на частотах 2 - 4ГГц при любых углах места. В то же время излучение Солнца может полностью нарушить связь при попадании в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако влияние этого явления можно свести к минимуму с помощью предварительного учета взаимного расположения спутника и Солнца. Излучение Луны оказывает еще меньшее влияние, так как ее шумовая температура на несколько порядков ниже шумовой температуры Солнца. Таким образом, в большинстве практических случаев составляющая TКОСМ ( ) может быть принята равной нулю. Шумовая температура приемника обусловлена его собственными тепловыми шумами, зависит от типа приемника и в основном определяется шумовой температурой входного малошумящего усилителя (либо его коэффициентом шума) и определяется по формуле (6.23).   Т пр  10 0,1пш  1 290К , (6.23) где nш - коэффициент шума приемника земной станции, дБ. Зная все составляющие формулы 6.23 можно определить суммарную шумовую температуру приёмной системы, которая складывается из всех перечисленных факторов. Далее, по формуле 6.22 вычисляется мощность тепловых шумов приёмной системы. 119 Таким образом, зная мощность сигнала на входе приёмника и мощность тепловых шумов, можно определить отношение сигнал/шум и отношение Еб/N0 для конкретных условий приёма. Дальнейшие действия проектировщика зависят от сравнения полученного результата с нормированным значением для заданных методов модуляции и кодирования сигнала (таблица 6.2). Может потребоваться корректировка таких параметров оборудования как диаметр приёмной антенны и шумовые параметры приёмного устройства. В некоторых случаях может быть сделан вывод о невозможности качественного приёма сигнала с конкретного спутника. Расчёту отношения сигнал/шум посвящена контрольная работа, причём в методических указаниях по её выполнению Вы можете ознакомиться с упрощенной методикой проектирования систем спутниковой связи. Контрольные вопросы по разделу 6 1. От каких параметров зависит величина наклонной дальности? 2. Для каких значений углов места затруднён качественный приём сигнала с геостационарного ИСЗ и почему? 3. Как влияет значение угла места на поглощение энергии радиосигнала в осадках? 4. Чем обусловлены всплески затухания радиосигнала на частотах 22 ГГц и 60 ГГц? 5. Какие свойства приёмного устройства отражает значение коэффициента шума приёмника? 6. Сформулируйте воздействие эффекта Фарадея на радиосигнал СпутникЗемля. 7. Как определить ЭИИМ, излучаемую транспондером в направлении конкретной точки земной поверхности? 120