Организация спутникового ствола

       Спутник - это устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и передает одновременно на все ЗС в пределах видимости спутника. Спутник не запускает и не завершает какую-либо пользовательскую информацию, за исключением сигналов для отслеживания и исправления технических проблем и сигналов для его определения местоположения. Спутниковая передача начинается на некоторой ЗС, проходит через спутник и заканчивается на одной или нескольких ЗС.

      Система спутниковой связи состоит из трех основных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сегмента, например, системы Иридиум (рис. 1.1).

     Космический сегмент включает проектирование спутников, расчет орбиты и запуск спутников. В сигнальной части рассматриваются вопросы, связанные с используемым частотным спектром, влиянием расстояния на организацию и поддержание связи, источниками помех сигнала, схемами модуляции и протоколами передачи. Наземный сегмент включает расположение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования для обеспечения эффективного доступа к спутниковым каналам. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент объясняются в следующих разделах.

Рис. 1.1 Система "Iridium"

 

Космический сегмент

      Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геостационарные орбиты, период обращения которых равен периоду метки на поверхности Земли. Это становится возможным, когда спутник размещается над определенным местом на Земле на расстоянии 35 800 км в экваториальной плоскости.

      Большая высота, необходимая для поддержания геостационарной спутниковой орбиты, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от данной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки на Земле в четыре раза превышает расстояние по поверхности Земли между двумя ее наиболее удаленными точками. Текущая наиболее плотно занятая орбитальная дуга составляет 76 ° (приблизительно 67 ° W 143 ° W). Спутники в этом секторе обеспечивают связь со странами Северной, Центральной и Южной Америки.

     Основными составляющими спутника являются его конструктивные элементы; системы позиционного контроля, электроснабжение; телеметрия, слежение, команды; трансиверы и антенна (рис. 1.2).

    Рис. 1.2 Спутник со стабилизацией вращения.

         Конструкция спутника гарантирует работу всех его компонентов. Предоставленный самому себе, спутник в конечном итоге переключился бы на случайное вращение, превратившись в бесполезное устройство связи. Устойчивость и желаемая ориентация антенны поддерживаются системой стабилизации (рис. 1.3). Размер и вес спутника в основном ограничиваются вместимостью транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и количеством топлива для поддержки спутника (обычно в течение десяти лет).

Рис. 1.3 Спутник с трехосевой стабилизацией.

       Оборудование спутниковой телеметрии используется для передачи информации о своем местонахождении на Землю. При необходимости корректировки положения на спутник передаются соответствующие команды, при приеме которых включается силовое оборудование, и проводится корректировка.

        

Сигнальная часть

       Ширина линии.

       Полоса пропускания (полоса пропускания) спутникового канала характеризует объем информации, которую он может передать за единицу времени. Типичный спутниковый трансивер имеет полосу пропускания 36 МГц.

      Обычно полоса пропускания спутникового канала большая. Например, один канал цветного ТВ занимает полосу пропускания 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу пропускания 36 МГц, при этом на спутнике установлено 12 или 24 приемопередатчика, что дает 432 МГц или 864 МГц соответственно.

Частотный спектр.

         Спутники должны преобразовывать частоту сигналов, полученных от ES, прежде чем ретранслировать их на ES, поэтому частотный спектр спутника связи выражается парами. Из двух частот в каждой паре нижняя используется для передачи от спутника к ES (нисходящие потоки), верхняя используется для передачи от ES к спутнику (восходящие потоки). Каждая частотная пара называется полосой.

      Современные спутниковые каналы обычно используют один из двух диапазонов: диапазон C (от спутника до ES в диапазоне 6 ГГц и обратно в диапазон 4 ГГц) или диапазон Ku (14 ГГц и 12 ГГц соответственно). Каждая полоса частот имеет свои особенности, ориентированные на разные задачи связи. Пример в таблице 1.

 

                                    Табл.1 Характеристики полос частот.

Спутниковые диа- пазоны полос пе-редачи, L (GHz)	Полоса, С (MHz)	Диапазон частот, Ku (GHz)	Доступная ширина, Ka (Hz)
1.6/1.5	15	6/4	500
14/12	500	30/120	2500

 

          Большинство активных спутников используют диапазон C. Передача в диапазоне C может охватывать большую площадь земной поверхности, что делает спутники особенно подходящими для передачи сигналов вещания. С другой стороны, сигналы C-диапазона относительно слабые и требуют продвинутых и довольно дорогих антенн в ES. Важной особенностью сигналов C-диапазона является их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера Земли почти прозрачна для сигналов 4/6 ГГц. К сожалению, именно по этой причине сигналы C-диапазона лучше всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, которые портят более слабые спутниковые сигналы. Это обстоятельство вынуждает размещать точки доступа, использующие для передачи С-диапазон, за много километров от городских центров и густонаселенных районов.

     Передача в Ku-диапазоне имеет противоположные свойства. Луч в этой передаче сильный и узкий, что делает передачу идеальной для соединений точка-точка или точка-множество точек. Наземные микроволновые сигналы никак не влияют на сигналы Ku-диапазона, а ЗС Ku-диапазона могут располагаться в городских центрах. Высокая естественная сила сигнала Ku-диапазона позволяет обойтись меньшими и более дешевыми антеннами ЗС.

   К сожалению, сигналы Ku-диапазона чрезвычайно чувствительны к погодным условиям, особенно к туману и сильному дождю. Хотя известно, что такие погодные явления влияют на небольшую территорию в течение короткого периода, результаты могут быть довольно серьезными, если такие условия совпадают с ЧНН (самое загруженное время, например, 16:00, пятница в полдень).

Передача голоса и данных.

     Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких каналов голоса или данных в одном спутниковом приемопередатчике.

    В FDM форма волны каждого отдельного телефонного сигнала фильтруется, чтобы ограничить полосу пропускания диапазоном звуковых частот от 300 до 3400 Гц, а затем преобразуется. Кроме того, сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал основной полосы частот. Каждая группа состоит из телефонных сигналов, разнесенных с интервалом 4 кГц. Затем множество групп повторно мультиплексируется, чтобы сформировать большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных голосовых каналов.

        Мультиплексирование с временным разделением (TDM) - еще один метод передачи голоса и / или данных по одному каналу. В то время как FDM выделяет отдельные частотные сегменты в пределах всей полосы пропускания для передачи голоса (или данных), TDM передает по всей выделенной полосе пропускания. В исходящем канале повторяющиеся базовые периоды времени, иногда называемые кадрами, делятся на фиксированное количество слотов, которые последовательно выделяются для переноса входящих сигналов канала голоса и данных. Для защиты от возможной потери информации используются запоминающие устройства.

 

    1.5 Наземный сегмент

          Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские конструкции с антеннами диаметром более 30 м. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, часто не превышающие 1 м в диаметре, можно устанавливать в самых разных местах. Тенденция к уменьшению габаритов ЗС при упрощении монтажа оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость AP - это, пожалуй, основная характеристика, определяющая широкое распространение CСС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных затрат на размещение и переключение. Любой фактор, снижающий стоимость установки новой точки доступа, безусловно, будет способствовать разработке приложений, ориентированных на CCС. Относительно высокая стоимость внедрения ES позволяет наземным оптоволоконным сетям в некоторых случаях успешно конкурировать с CCС.

        Следовательно, основным преимуществом спутниковых систем является возможность создавать сети связи, которые предоставляют новые услуги связи или расширяют старые, в то время как преимущество CCС обратно пропорционально стоимости ЗС с экономической точки зрения.

        В зависимости от типа ЗС имеет функции отправки и / или получения. Как упоминалось ранее, практически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях выполняются в точке доступа. Это включает доступ к спутниковым и наземным сетям, мультиплексирование, модуляцию, обработку сигналов и преобразование частоты. Наконец, следует отметить, что большинство задач спутникового вещания решаются устройствами ЗС.

        В настоящее время существует четыре типа ЗС. Самые сложные и дорогие - те, которые нацелены на высокую скорость пользовательской нагрузки с очень высокой пропускной способностью. Станции этого типа предназначены для обслуживания групп пользователей, которым требуются оптоволоконные линии связи для обеспечения нормального доступа к ЗС. Эти точки доступа стоят миллионы долларов (рис. 1.4).

        Электростанции средней мощности эффективны для обслуживания частных корпоративных сетей. Размер этих сетей ES может значительно варьироваться в зависимости от реализованных приложений (голос, видео, данные). Есть два типа корпоративных CCC.

        Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 млн. долларов.

 

Рис. 1.4 ЗС с высокой пропускной способностью.

         

           Более дешевый тип корпоративной сети - это CCC большого количества (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT - Very Small Aperture Terminal), подключенных к одной основной ES (MES - Master Earth Station). Эти сети обычно ограничены приемом / передачей данных и приемом цифровых аудио- и видеоуслуг. Микротерминалы связываются друг с другом транзитом с обработкой через основную точку доступа. Топология таких сетей звездная.

          Четвертый тип ЗС ограничен своими приемными возможностями. Это самый дешевый вариант станции, поскольку ее оборудование оптимизировано для предоставления одной или нескольких конкретных услуг. Этот ЗС может маршрутизировать предварительные данные, аудио, видео или их комбинацию. Топология также звездообразная.

        

Система Aloha

   Нельзя недооценивать влияние протокола множественного доступа Aloha (также известного как система Aloha), разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х годов, на развитие спутниковых и местных сетей связи.

     В этой системе ES использует пакетную передачу по общему спутниковому каналу. Каждая ЗС может передавать только один пакет за раз. Поскольку спутнику назначается роль ретранслятора по отношению к пакетам, обе передачи перекрываются (мешают) и «уничтожают» друг друга, когда пакет от одной ЗС достигает спутника, когда он отправляет другой пакет от другой ЗС. Возникает конфликтная ситуация, которую необходимо разрешить.

      Согласно ранней версии алоха, известной как «чистая система алоха», ЗС могут начать передачу в любое время. Когда они слушают свою успешную передачу по истечении времени распространения, они приходят к выводу, что им удалось избежать конфликтной ситуации (т. Е. Таким образом они получают положительное подтверждение).

В противном случае они будут знать, что произошло некоторое перекрытие (или, возможно, работал какой-то другой источник шума), и им придется повторно передать (т.е. получить отрицательное подтверждение). Если точка доступа повторяет свои программы сразу после прослушивания, вы снова столкнетесь с конфликтом. Для введения случайных задержек повторной передачи и размещения конфликтующих пакетов во времени требуется несколько методов разрешения конфликтов.

Другая версия системы Aloha предполагает разделение времени на сегменты - окна, длина которых равна длине пакета во время передачи (предполагается, что все пакеты имеют одинаковую длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время зависит от спутника), мы получим двукратное увеличение эффективности спутникового канала, так как длина вкладок ограничена одним окно (вместо двух, как в чистом Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha и показана в таблице 2.

                             Табл.2 Период уязвимости для системы Aloha.

        Третий подход основан на резервировании временных окон по запросу SE. Еще одно улучшение системы Aloha - приоритет высокоинтенсивных ЭС.