Цифровые ССПС стандарта GSM. 8 страница

- антенные системы;

- системы ориентации и стабилизации;

- двигательная установка;

- система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи). Обобщенная структурная схема спутника-ретранслятора приведена на рис. 117.

Рис.117 Общая структурная схема спутника-ретранслятора

Необходимое число спутников в низкоорбитальной группировке, для надежного охвата всей территории Земли, составляет обычно несколько десятков (в проекте Teledesic число спутников приближается к тысяче). Как известно с увеличением высоты орбиты уменьшается необходимое количество спутников, т.к. увеличивается время и зона видимости, что в свою очередь снижает стоимость орбитальной группировки. Однако при этом усложняются и становятся более дорогими персональные спутниковые терминалы из-за увеличений расстояний. Таким образом, при выборе спутниковой системы персональной связи необходим компромисс между числом и стоимостью орбитальной группировки с одной стороны и сложностью, соответственно и стоимостью персонального спутникового терминала - с другой.

Наземный сегмент центра запуска КА и управление системой

Центр запуска КА определяет программу запуска и после запуска производит измерения траектории на активном участке полета, которые транслируются в центр управления системой, для последующий корректировки. Затем управление КА передается центру управления системой, которое осуществляется при помощи командно -измерительных станций по следующей программе:

- разворачиваются солнечные батареи КА;

- кратковременно включаются корректирующие двигатели для перевода КА на основную орбиту;

- снимается телеметрическая информация для контроля состояния бортового оборудования КА.

Центр управления системой ЦУС на основе телеметрической информации, поступающий от каждого КА орбитальной группировки, осуществляет слежение за КА, расчет их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной информации и т.д. Состоит ЦУС, как правило, из территориально разнесенных командно-измерительных станций, что позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью:

- контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту;

- контроль состояния каждого КА;

- контроль и управление орбитой отдельно КА;

- контроль и управление КА в нештатных режимах работы;

- вывод КА из состава орбитальной группировки.

Передачу служебной информации на КА осуществляют через территориально-разнесенные основные и резервные станции командно-измерительной системы.

Центр управления связью и шлюзовые станции

В состав шлюзовых станций входит не менее трех приемопередающих комплексов со своими следящими параболическими антеннами. Необходимость нескольких приемопередающих комплексов связано с обеспечением непрерывности связи при переходе от одного КА к другому. Например, если первый комплекс вступает в связь с i -м КА, то второй комплекс с i +1 -м КА. Затем первый комплекс, после ухода из зоны видимости i -го КА, вступает в связь с i +2 -м КА, а второй комплекс после ухода из зоны i + 1-го КА, вступает в связь с i + 3-м КА и т.д. Третий комплекс находится в резерве.

Основное назначение шлюзовой станции состоит в организации дуплексной телефонной связи, передачи факсимильных сообщений и данных больших объемов. Для выполнения этих функций в состав шлюзовых станций входят быстродействующие ЭВМ с банком данных персональных терминалов, а так же коммутационное оборудование (интерфейс связи) для соединения с различными наземными системами связи.

Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а так же управление.

Персональный пользовательский сегмент

Спутниковые системы персональной связи предназначены для оказания следующих видов услуг:

- связь между собой абонентов, имеющих персональные спутниковые терминалы;

- дуплексную связь абонентов персональных спутниковых терминалов с абонентами

телефонной сети общего назначения, пейджинговых и сотовых сетей, а так же частных каналов связи, при условии их подключения к интерфейсам связи шлюзовых станций;

- определения местоположения (координат) абонентов ССПС.

При организации ССПС применяют переносные персональные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом до 2,5 кг). Данные терминалы способны устанавливать связь между абонентами за 2 с, как и, в системе сотовой связи.

Существующие спутниковые терминалы подразделяются на следующие типы:

- портативные терминалы (спутниковой ТЛФ);

- переносные персональные терминалы;

- мобильные терминалы для автотранспортных, авиа - и морских средств;

- малогабаритные пейджинговые терминалы;

- терминалы для коллективного пользования.

ССПС работает в диапазоне 137 - 900 МГц и 1970 - 2520 МГц, что практически соответствует диапазону частот сотовой связи 450 - 1800 МГц. Мощность передатчика при спутниковой связи невелика (например, для спутникового терминала системы Iridium 15 - 400 мВт) и не превышает мощности сотового радиотелефона. Следует отметить, промышленные образцы персональных спутниковых терминалов еще дорабатываются, однако спектр предоставляемых услуг достаточно широк, а форма приближается к обычному сотовому радиотелефону.

Все более широкое распространение в последнее время получают системы связи на основе технологии VSAT (система связи с малыми спутниковыми терминалами) с антеннами диаметром до 2,5 м. Скорость передачи информации в VSAT - терминалах может колебаться от 64 Кбит/с до 2048 Кбит/с, а сам терминал устанавливается в непосредственной близости от рабочего места пользователя.

Глобальные спутниковые системы связи представляют стандартный набор услуг:

- телефонную связь;

- передачу факсимильных сообщений;

- передачу данных;

- персональный радиовызов (пейджинг);

- определение местоположения абонента;

- глобальный роуминг.

Все эти услуги реализуются в режиме предоставления канала по запросу, причем время его предоставления не превышает 2 секунд.

Низкоорбитальные системы спутниковой связи

Как уже отмечалось, к низкоорбитальным спутникам LEO (Low Earh Orbit) относятся КА, высота орбит которых находится в пределах 700 - 1500 км и группировка содержит от одного до нескольких десятков малых спутников массой до 500 кг. Для большего охвата территории Земли применяют орбиты КА лежащие в различных плоскостях.

Достоинством низкоорбитальных систем спутниковой связи является возможность предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен с использованием малогабаритных дешевых спутниковых терминалов расположенных практически в любой точке Земли. Причем в регионах с низкой плотностью населения и слабо развитой телекоммуникационной сетью она является безальтернативной.

Следующим достоинством низкоорбитальных спутниковых систем связи, является то, что непрерывно излучаемая мощность радиотелефона (50 мВт), не превышает требований биологической защиты человека от излучения СВЧ. Эффективный прием сигнала такой мощности спутником, расположенным на геостационарной орбите, усложняет КА, требует использования больших антенн и точного позицианирования. У спутника расположенного на низкой орбите, длина радиолинии намного меньше и поэтому менее остро стоит вопрос усложнения КА и возможно применение более простых и дешевых антенн.

В начале внедрения спутниковых систем связи, низкие орбиты практически не использовались. Однако в настоящее время на рынке телекоммуникаций 35% услуг предоставляется низкоорбитальными спутниковыми системами. Наиболее известными их них являются системы Iridium и Globalstar, кроме того, различными фирмами заявлено около 40 различных проектов по созданию низкоорбитальных систем, которые оцениваются как вполне реализуемые.

Спутниковая система связи Iridium. Проект Iridium основан на широком международном сотрудничестве в составе компании Motorola Jnc и ведущих фирм Японии (DDI), США (Sprint, Lockheed и Raytheon), Россия (Государственный космический научно - производственный центр им. М.В. Хруничева) и др. В начале предполагалось, что космический сегмент будет состоять из 77 КА, однако по ряду причин, число КА в космической группировке уменьшили до 66 (в таблице Менделеева 77 -м элементов является Iridium).

Оптимальная разность углов между плоскостями орбит орбитальной группировке, для обеспечения минимального расстояния между соседними КА, выбрана равной 27^о (рис.118).

Орбиты являются квазиполярными с наклонением i = 86,4^о, число плоскостей - 6, в каждой плоскости по 11 КА, высота орбит равна 780 км, угловое расстояние между КА, находящимися в одной плоскости - 32,7^о и период обращения КА вокруг Земли - 100 минут.

Спутниковая система связи Iridium создана для организации глобальной подвижной персональной связи по принципу "каждый с каждым" на основе межспутниковой связи и предоставляет следующие виды услуг:

Рис.118 Структура спутниковой системы связи Iridium

- дуплексная радиотелефонная связь;

- факсимильная связь;

- передача данных;

- связь между абонентами, имеющие персональные терминалы;

- связь абонентов общей телефонной сети с пользователями персональных спутниковых терминалов;

- передача сигналов оповещения на пейджер;

- определение местоположения (координат) абонентов.

Перечисленные услуги оказываются с использованием переносных малогабаритных (вес до 700 г) и мобильных (вес до 2,5 кг) персональных терминалов, которые регистрируются в национальной шлюзовой станции путем присвоения кодового номера и первоначального территориального размещения.

Каждый КА низкоорбитальной группировки формирует 48 лучей излучения, с сотой на Земле для любого луча диаметром 640 км. Общий диаметр подспутниковой зоны составляет примерно 4500 км. А вся группировка формирует квазисплошную подспутниковую зону, покрывающая всю поверхность Земли. Подспутниковая зона формируется с помощью расположенных на КА по шесть антенных фазированных решеток (АФАР), которые в свою очередь формируют восемь лучей. Благодаря применению таких направленных многолучевых антенн, рабочие частоты в системе используются многократно. Частоты в диапазоне 1616,0? 1626,5 МГц повторяются в системе более 150 раз. Диапазоны частот радиолиний системы Iridium приведены в таблице 17.

Таб.17 Диапазоны частот радиолиний системы Iridium

В системе Iridium формат многостанционного доступа сочетает временное разделение каналов для каждой соты и частотное разделение для смежных сот (FDMA). Цифровой речевой сигнал передается при помощи ФМ-4, т.е. речевая информация в цифровом виде сжимается в 2 раза. Информация о сжатии и сигналы циклической и тактовой синхронизации передаются по каналу управления, использующая 4 радиоканала на радиолинии "КА - абонент". Вероятность ошибочного приема, при передачи радиотелефонной информации 10-3, а цифровых данных 10-6. Орбитальная группировка КА системы формирует на поверхности Земли около 2150 сот, пропускная способность составляет 3835 дуплексных ТЛФ каналов.
Межспутниковые связи в орбитальной группировке КА осуществляются путем организации радиолиний каждого КА с двумя КА, находящимися в одной орбитальной плоскости с ними, и двумя КА в соседних (слева и справа) орбитальных плоскостях. Для этого на каждом КА имеются четыре щелевые антенные решетки с коэффициентом усиления 35 дБ и управляемой диаграммой направленности с точность до ± 5°. Используемая полоса частот имеет ширину 200 МГц в диапазоне 26,18 - 23,38 ГГц и разбита на 8 отдельных частотных полос образующие отдельные каналы связи со скоростью 25 Мбит/с.

Шлюзовые станции состоят из 3 приемопередающих комплексов, содержащих быстродействующие ЭВМ, где хранится банк данных о персональных терминалах и коммутационном оборудовании для связи с ТЛФ сетью общего пользования. В работе постоянно находится два приемопередающих комплекса, которые поочередно поддерживают связь с КА, находящимися в прямой видимости, а третий - резервный.

Система спутниковой связи Globalstar. Орбитальная группировка системы Globalstar состоит из 48 низкоорбитальных спутников - ретрансляторов, которые размещены на 8 круговых орбитах по шесть на каждый, на высоте 1400 км. Наклонение орбиты i = 52°, позволяет максимально часто обслуживать абонентов в средних широтах, а полярные области (выше 70° с.ш. и ю.ш) космическим сегментом не обслуживаются (рис.119).

Рис.119. Орбитальная группировка системы Globalstar

Межспутниковые связи в системе отсутствуют, однако предусматривается постоянное двукратное покрытие земной поверхности, что позволяет:

- обеспечить непрерывность связи при переходе из зоны действия различных лучей одного спутника и зоны действия других спутников;

- значительно повысить надежность связи с подвижными абонентами благодаря устранению эффекта затемнения приемной антенны терминала складками рельефа местности.

Характеристики системы Globalstar приведены на рис.120. Система рассчитана на обеспечение ТЛФ, факсимильной и пейджинговой связи, определения местоположения (координат) абонентов, а так же передачу сигналов служебной (командной) информации. Передача сигналов осуществляется кодовым разделением сигналов (CDMA) с применением широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС). Для формирования ШПС используются последовательности Уолша, которые формируются одним источником, но со сдвигом относительно пилот - сигнала. Пилот-сигнал передается нулевой последовательностью функции Уолша (все знаки нули). Применение ШПС позволяет суммировать отраженные от посторонних объектов сигналы с основным с помощью многоканальных приемников, что повышает помехозащищенность системы. Кроме того, это позволяет осуществлять "мягкий" переход абонента из зоны действия одного луча в зону действия другого без потери связи (рис. 121).

Рис.120 Характеристики системы Globalstar

Как видно из рисунка, в отличие от систем с временным или частотным разделением каналов, при переходах связь абонента поддерживается двумя лучами до тех пор, пока уровень сигнала одного из них не станет ниже определенного значения. Такой алгоритм позволяет избежать щелчков при переходах, что присуще другим системам и повысить вероятность безобрывной связи. Скорость передачи цифрового потока в канале переменная (1200 - 9600 бит/с), что совместно с приемником CDMA предопределяет высокую пропускную способность, а так же возможность передачи сигналов служебной (командной) информации в паузах речи. Спутники - ретрансляторы системы позволяют определять координаты абонента с точностью 10 км, если определять координаты с участием шлюзовых станций, то точность достигнет 300 м.

Рис. 121 Алгоритм работы системы Globalstar

Абонентские терминалы, как правило, универсальные, с предоставлением услуг связи и определением местонахождения объекта и подразделяются на два типа: -мобильные; -стационарные.

Мобильные терминалы портативные и совмещены с подвижными станциями сотовой связи, которые в свою очередь могут быть следующих вариантов: - двухмодульный вариант - Globalstar (GS) и AMPS;

- двухмодульный вариант - GS и GSM;

- двухмодульный вариант - GS и PCS;

- трехмодульный вариант - GS, AMPS и CDMA;

- стандартный абонентский терминал - только для GS.

Мощность портативных абонентских терминалов 0,6, а стационарных - 3 Вт. Межспутниковые связи в системе Glodalstar отсутствуют, поэтому большое количество шлюзовых станций (до нескольких сот). В состав шлюзовой станции входят четыре идентичных приемопередающих комплекса со своей следящей параболической антенной диаметром 3,4 м.

Основными функциями шлюзовых станций являются организация и поддержание ТЛФ и пейджинговых каналов, каналов передачи данных, а так же обеспечение определения координат подвижных объектов. Кроме того, измеряют уровень сигнала, принимаемого от каждого абонента и сравнивают его с пороговым, а затем передают на абонентский терминал команду на увеличение или уменьшение его мощности.

Орбитальное построение системы Globalstar адаптировано для территории США и Западной Европы. Кроме рассмотренных низкоорбитальных спутниковых систем подвижной радиосвязи существует множество других проектов типа "Гонец", "Глобсат" и т.д., которые находятся в стадии проработки.

Среднеорбитальные системы спутниковой связи

В среднеорбитальных системах спутниковой связи МЕО, КА находятся на орбитах высотой 5000 - 15000 км. У таких спутников время видимости доходит до нескольких часов и поэтому количество КА можно уменьшить до 10 - 12, и кроме того, увеличить углы, под которыми их "наблюдают" абонентские терминалы. Масса спутников составляет около 1000 кг. Из таких МЕО систем наиболее известными являются Inmarsat, Odyssey, ELLIPSO. Особенностью архитектуры МЕО - системы является то, что помимо орбитальной группировки спутников и абонентских терминалов, имеются комплексы радиочастотного, линейного, коммутационного оборудования шлюзовых станций, предназначенных для соединения мобильных или неподвижных абонентов ССПС с абонентами ТЛФ сети общего пользования и других наземных сетей и служб, в том числе сотовые системы радиосвязи.

Системы спутниковой связи INMARSAT. Международная организация морской спутниковой связи Inmarsat, первую систему Inmarsat -A ввела в эксплуатацию в 1982 г. и предназначалась для обеспечения надежной связью морских судов, находящихся в плавании. Затем этой системой стали пользоваться так же сухопутные и воздушные службы. Услуги предоставляются на коммерческой основе и включают глобальную радиотелефонную, телексную, факсимальную связь, обмен данными и персональный радиовызов. В 1993 году, систему Inmarsat было решено строить на основе использования МЕО и GEO орбитальных группировок. В мае 1994 г. после всестороннего анализа было принято решение положить в основу системы связи концепцию МЕО и провести дальнейшее исследования с целью разработки перспективной системы Inmarsat-P.

Проектируемая система Inmarsat-P предполагает использовать 10 КА, размещенных на двух средневысотных орбитах (10300 км) с наклонением i = 45° и обладать возможностью:

- глобальной рабочей зоной;

- высокими углами возвышения спутников и большим числом спутников, одновременно находящихся в поле зрения наблюдателя;

- продолжительным сроком службы спутников;

- приемлемой сложностью управления орбитальной группировкой;

- разумной стоимостью проекта (2.4 мрд.$).

В настоящее время система Inmarsat состоит из 5 постоянно действующих спутников

- ретрансляторов, размещенных на геостационарной орбите, что позволяет полностью обслуживать акватории Атлантического, Тихого и Индийского океанов.

Системы связи с использованием геостационарных спутников

Персональная спутниковая система связи может быть реализована и с помощью спутников - ретрансляторов, расположенных на геостационарной орбите GEO. Высота орбиты GEO составляет 35875 км, а скорость перемещения КА совпадает со скоростью вращения Земли, поэтому спутник - ретранслятор "зависает" над заранее выбранными точками Земли, что позволяет:

- обеспечить непрерывность во время сеанса связи;

- охватить 95% поверхности Земли системой, состоящей из 3 КА на GEO;

- возможность функционирования системы без организации межспутниковой связи.

Недостатком орбиты GEO является длительная задержка (300 мс) между передачей и приемом сигнала. Такая задержка сигнала при передачи данных совершенно незаметна, однако при ТЛФ связи она чувствуется очень сильно и при высоких требованиях к каналу связи может быть неприемлема. Системы персональной связи на основе GEO орбит потенциально могут предоставить услуги, сравнимые с услугами низкоорбитальных систем, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковы. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий, что является определяющим фактором при оценке экономической эффективности разрабатываемых проектов.

Одной из успешно функционируемых подобных систем является спутниковая система связи "Ямал", предназначенная для развития телекоммуникационных сетей в северных районах России, богатых залежами нефти и газа, а так же осуществления оперативной связи с другими странами мира. В 1997 году на GEO орбиту были запущены два малых связных КА "Ямал" на позиции 19° з.д. и 75° в.д. Для обеспечения полного покрытия территории России и стран СНГ спутниковая группировка дополняется одним КА "Экспресс", который находится на той же орбите. КА представляет собой ретранслятор, оснащенный двумя многолучевыми антеннами для приемной и передающей систем. Передача вверх осуществляется в диапазоне 4 ГГц, а вниз - на 6 ГГц. Межзональное обслуживание предусмотрено на основе многолучевых связей, что позволяет наземным станциям связываться между собой.

Наземный сегмент системы "Ямал" уже насчитывает более 30 шлюзовых станций, которые обеспечивают более 250 каналов передачи ТЛФ сообщений и данных. На шлюзовых станциях используют параболические антенны диаметром 4 -5 м, для ведомственных сетей ТЛФ связи и передачи данных антенны диаметром 3,5 м. Система позволяет транслировать телевизионные сигналы в стволе с полосой пропускания 34 МГц. В случае цифровой передачи ТВ - сигналов с сжатием информации по стандарту MPEG -2, в одном стволе можно передавать одновременно 4 программы телевидения.

Кроме рассмотренной системы "Ямал", в настоящее время действует спутниковая система "Банкир" и разрабатывается концепция построения системы спутниковой персональной связи на основе GEO "Comsat".

Японская фирма Spase Communication Reasearch Corporation предложила в персональных спутниковых системах использовать КА 26500...40000 диапазон. При этом предполагается использовать на борту КА многофункциональный процессор, а для коммутации каналов - многолучевую антенну. Технические решения по реализации аппаратуры найдены и уже созданы опытные экземпляры недорогих абонентских терминалов, работающих в КА-диапазоне. Применение КА диапазонов значительно уменьшает размеры антенн и аппаратуры как наземной, так и бортовой станции "Вверх" предлагается использовать метод разделения каналов FDMA, а "Вниз" - TDMA, что позволит обеспечить эффективное использование бортового ретранслятора в обоих радиолиниях.

"Вверх" выделен диапазон - 50.4 - 51.4 ГГц; "Вниз" выделен диапазон - 39,5 - 40,5 ГГц. Скорость передачи "Вниз" должна составить 64 Кбит/с, а "Вверх" - более 144 Кбит/с. Метод модуляции выбран с минимальным частотным сдвигом (MSK или GMSK), а разнос каналов передачи информации 150 кГц.

Контрольные вопросы

1.Как обеспечивается персональная и широкополосная спутниковая связь? 2.Многостанционый доступ в ИСЗ.

3.Особенности бортового оборудование спутниковых систем связи.

4.Особенности оборудования ЗС спутниковых систем связи.

5.Поясните систему Aloha.

6. Поясните, что понимается под прозрачными ретрансляторами.

7.Поясните, что понимается под комбинированными и регенеративными

ретрансляторами.

8.Особенности ЗС при фиксированной связи.

9.Особенности ЗС при подвижная связи.

10.Как производится энергетический расчет в спутниковых системах связи.

11.Принципы организации связи и орбиты ИСЗ.

12.Особенности систем связи через ИСЗ и выбор диапазона

рабочих частот.

13.Качественные показатели и энергетический расчет

спутниковых систем связи.

14.Многостанционый доступ в ИСЗ.

15.Особенности оборудование спутниковых систем связи.

16.Поясните принципы построения спутниковых систем персональной радиосвязи.

17.Приведите структуру построения спутниковых систем персональной связи.

18.Приведите обобщенную структурную схему спутника-ретранслятора.

19.Поясните работу наземного, пользовательского сегмента и какие задачи выполняют центра запуска КА, управление системой и связью, шлюзовые станции.

20.Поясните работу низкоорбитальных среднеорбитальных и геостационарных системы спутниковой связи.

Литература

1.Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.:

Эко- Трендз Ко, 1997.-238 с.

2.Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. ВНУ-Санкт- Петербург, 1998.- 256 с.

З.Невдяев Л. CDMA: IS-95. Сети, 2000, № 3

4.Невдяев Л. Стандарты 3G. Сети, 2000, № 6

5.Ибраимов Р.Р. Мобильные системы связи. Учеб. пос., ТУИТ, 2004.

6.Спутниковая связь и вещание. /Под общ.ред. Л.Я.Кантора. М.: Радио и связь, 1997

7.Аболиц А. Персональная спутниковая связь. РС Week/RE, 1997.

8.Невдяев Л. Спутниковые системы. http://www.osp.ru/

9.Замарин А.И. и др.Спутниковые сети VSAT. Информация и космос №3,2004. Ю.Овчинников А.М. Сравнение стандартов цифровой транкинговой радиосвязи. st.ess.ru/publications/articles/ovchinkv2/ovchkv2.htm

Дата добавления: 2014-01-04