Современные направления развития систем спутниковой связи

4 Особенности системы спутниковой связи (ССС)

     В основе построения спутниковой системы  связи лежит идея размещения ретранслятора на космическом аппарате (КА). Движение КА длительное время происходит без затрат энергии, а энергоснабжение всех систем осуществляется от солнечных батарей. КА, находящийся на достаточно высокой орбите, способен «охватить» очень большую территорию — около трети поверхности Земли. Через его бортовой ретранслятор могут связываться любые станции, находящиеся на этой территории. Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приёмникам. Спутник - устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования.      Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС. ССС состоит из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сегмента (рис. 1).        Космический сегмент охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника. Сигнальная часть включает вопросы используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегмент включает размещение и

                                          6

конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника.  

5 Преимущества и ограничения ССС

     ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые  особенности обеспечивают преимущества, делающие с 

     путниковую  связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

Ряд преимуществ в использовании ССС :

·                   Устойчивые издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы - широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС.

·                   Широкая полоса пропускания.

·                   Малая вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

Ряд ограничений в  использовании ССС:                 

 Значительная  задержка. Большое расстояние от  ЗС до спутника на геосинхронной  орбите приводит к задержке  распространения, длиной почти  в четверть секунды. Эта задержка  вполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.                  

 Размеры ЗС. Крайне слабый на некоторых  частотах спутниковый сигнал, доходящий  до ЗС (особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметр антенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции. 

7                

 Защита от  несанкционированного доступа к  информации. Широковещание позволяет  любой ЗС, настроенной на соответствующую  частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.           

Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ka-полосах частот (о них ниже), крайне чувствительны  к плохой погоде.        Спутниковые сети, действующие в C-полосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.      Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.

6 Космический сегмент

     Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты, в которых период орбиты равен  периоду отметки на поверхности  Земли. Это становится возможным  при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии 35800 км в плоскости экватора. Большая высота, требуемая для поддержания геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками. В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно; 67о по 143о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки. Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна. Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

         8

     Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и коррекция осуществляется.

7 Конструкция и технические характеристики

     Спутниковая станция типа VSAT по конструктивному  признаку состоит из высокочастотного (ODU[6]) и низкочастотного (IDU[7]) модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором  устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей аппаратуры).       Стaндapный вapиaнт комплектaции включaет параболическую aнтенну небольшого диаметpa и пpиемопеpедaтчик. В зaвисимости от местоpaсположения спутниковой стaнции по отношению к центpу зоны освещения спутникa и скоpости пеpедaчи в кaнaле используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и мультиплексор.

ODU и IDU соединены  между собой радиочастотными  (RF[8]) кабелями. По ним идет сигнал промежуточной частоты (IF[9]). IF используемая бывает 70 или 140 МГц.

     По  функциональному назначению VSAT-станция  делится на базовый комплект, который  обеспечивает передачу самого канала и дополнительное оборудование, которое  обеспечивает мультиплексирование этого канала.

 
Внешний блок

     Внешний, или как его иногда называют высокочастотный  блок, состоит из антенны и приемопередающего  блока, который устанавливается  на этой антенне. 
Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу “вверх”, а также прием высокочастотного сигнала со спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку.

Антенна

     Однозеркальная  антенна обычно выполняется по схеме  офсет (со смещенным центром). Схема  офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи.              9

     Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков  на поверхности рефлектора. 
Антенна состоит из:

1. рефлектора (зеркала),

2. системы облучения,

3. опорно-поворотного  основания (ОПУ).

[pic]

Внешний блок (антенна  и приемопередатчик)

Приемопередающий  блок

Основной терминал состоит из:

4. СВЧ блока  преобразования частот

5. усилителя  мощности (SSPA[10] или TWT[11]),

6. малошумящего конвертора (LNC),

7. блока электропитания (PS[12])

8. соединительных  кабелей. 

     Функция приемопередатчика заключается  в преобразовании, после модулятора, сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и  в преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор.

Внутренний  блок

     Внутренний  блок представляет собой 19” стойку с установленными в ней спутниковым  модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS[13] и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно.

Спутниковый модем

     Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для     

           10

кодирования передаваемого  цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора.

Мультиплексор

     Мультиплексор предназначен для мультиплексирования  голосовой, факсимильной информации и  передаваемых данных. Мультиплексор  позволяет скомбинировать ежедневные телефонные и факсимильные сообщения  с синхронной и асинхронной передачей  данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или спутниковым линиям. Это позволяет снизить телекоммуникационные затраты путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного уменьшения пропускной способности канала.

Спутниковый Шлюз

     Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы 
(большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции). 
Шлюз может обеспечивать обеспечивает:

1. выход на  телефонные сети;

2. услуги междугородной  связи с выходом на сеть  общего пользования;

3. услуги международной  телефонной связи;

4. выход на  специальные телефонные сети, например "Искра-2";

5. выход на  сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.);

6. возможность  аренды наземного канала до  любой точки в г.Москве:

7. возможность аренды высокоскоростного наземного канала до любой “М”:

Соединение по ISDN, интерфейс S0

      В последнее время в большинстве  современных и проектируемых  системах находит применение стандарт ISDN. Существуют глобальные сети, в которых  этот стандарт взят за основу, например EuroISDN. ISDN в глобальных сетях применяется и в России.

                                          11

8 Сигнальная часть

1Ширина  полосы

     Ширина  полосы (bandwidth) спутникового канала характеризует  количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.        Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

2Спектр  частот

     Спутники  связи должны преобразовывать частоту  получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки), верхняя - для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.  

     Современные спутниковые каналы чаще всего применяют  одну из двух полос: C-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно  в области 4 ГГц), или Ku-полосу (14 ГГц  и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи.