Лекция № 31

Тема 4. 2. Каналы спутниковой радиосвязи. Средства повышения качества каналов

Когда-то основоположник теоретической космонавтики Константин Циолковский утверждал, что проникновение за атмосферу Земли предоставит человечеству «горы хлеба и бездну могущества». Одной из программ освоения околоземного пространства и является обеспечение связи с использованием космических аппаратов. Искусственные спутники Земли (ИСЗ), находящиеся на околоземных орбитах, играют роль космического зеркала, осуществляющего прием и возвращение на землю радиосигналов. Космический ретранслятор, запущенный по определенной траектории, не вращается вокруг нашей планеты, а как бы висит над Землей в одной точке. Диаграмма направленности антенн подобного «небесного скитальца» позволяет охватывать значительную территорию страны. Радиосигнал с мощной передающей станции, которую называют спутниковым хабом, расположенной вблизи основных магистральных каналов связи, через ИСЗ-ретранслятор попадает на земные станции, которые принимают и передают информацию в гораздо меньших объемах и размещены в непосредственной близости к потенциальным абонентам. Спутник связи представляет собой космический аппарат, работающий в автоматическом режиме и рассчитанный на определенный срок функционирования, как правило, в несколько десятков лет. Сигнал, полученный ИСЗ со спутникового хаба, ретранслируется на землю на большом пространстве.

Спутниковая система позволяет передавать информацию с достаточно высокой скоростью, сопоставимой со скоростью Интернета в городской локальной сети. Такие показатели работы Всемирной паутины в «медвежьих углах» нашей страны могут восприниматься как чудо. Кроме выделенного канала для передачи данных и выхода в Интернет, спутниковые системы могут предоставлять параллельно два телефонных канала, которые можно использовать для различных целей, весьма выгодных для российской почты.

Рисунок 73 Спутниковые антенны

Качество передачи данных из конкретной точки земной поверхности зависит от возможностей спутника связи по ретрансляции сигналов, от того, какой объем информации способно отразить «космическое зеркало». Отличаются спутники и по диаграммам направленности их антенн, которые могут охватывать территорию всей России или отдельные ее фрагменты. Потребности обеспечения связью ПКД в районах Сибири и Дальнего Востока предполагают использовать спутник с соответствующей диаграммой направленности на восточные районы страны.

Влияние на качество космического сигнала оказывает и погода. При одних и тех же условиях туманы и облака будут снижать эффективность связи. Для устранения воздействия атмосферных условий на качество каналов космической связи подбирается соответствующая аппаратура МЗСС с учетом погодных явлений и условий распространения сигналов от ИСЗ для конкретного места.

Сейчас разработаны весьма разнообразные земные станции СС, позволяющие снизить метеозависимость радиосигнала за счет различного формата и размера антенн, приемников разной частоты, мощности и диапазонов. Благодаря этому достигается высокое качество связи в конкретной точке, где располагается станция земной космической связи. Где же разместятся более 700 оконечных устройств ССС?

Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Задержка распространения сигнала

Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс[27].

Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

Спутниковые каналы передачи данных. Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных (высота 36 тысяч км) или низких орбитах. При геостационарных орбитах заметны задержки на прохождение сигналов (туда и обратно около 520 мс). Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырех спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками.. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно или больше наземных станций, или требуется межспутниковая связь, что естественно утяжеляет спутник. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков)

Структура спутниковых каналов передачи данных может быть проиллюстрирована на примере широкоизвестной системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направленную антенну диаметром 1...3 м и приемопередающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме "звезда" с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение "точка-точка" через VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долл. в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной наземной линии.

Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в Runnet применяются геостационарные спутники "Радуга". Один из них, с точкой стояния 85 градусов в.д., охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры (ППА) используются станции "Кедр-М" или "Калинка", работающие в сантиметровом диапазоне волн (6,18...6,22 ГГц и 3,855...3,895 ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8 м. Структура ЦС представлена на рис. 74.

В планируемой фирмой LMI на 1998-2001 г.г. системе глобальной спутниковой связи предусматривается 4 геостационарных спутника. В России для этой системы будет установлено 26-30 наземных станций (оператор Ростелеком).

Рисунок 74 Схема спутниковой связи

Примеры сетей с низкоорбитальными спутниками - система глобальной спутниковой телефонной связи "Глобалстар". 48 низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников охватывают весь земной шар. Каждая станция (наземная) имеет одновременно связь с тремя спутниками. У спутника шесть сфокусированных лучей по 2800 дуплексных каналов каждый. Обеспечиваются телефонная связь для труднодоступных районов, навигационные услуги, определение местонахождения подвижных объектов. Терминал обойдется в 750 долл., минута разговора в 30-50 центов. Начало коммерческой эксплуатации намечено на 1999 г. Другая глобальная спутниковая сеть Iridium, имеющая и российский сегмент, включает 66 низкоорбитальных спутников, диапазон частот 1610-1626,5 МГц. В российской системе Глоснасс - 24 спутника.

В 1997 г. 30% международного трафика проходило по спутниковым каналам, 70% - по наземным линиям.

Дата добавления: 2014-01-05