Технические аспекты систем спутниковой связи

Новые спутниковые приложения обеспечивают быстрое создание новых широковещательных служб и частных сетей.

СИГНАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Ширина полосы
Спектр частот
Передача речи и данных
Система Aloha

Международные консорциумы в ССС

Intelsat
Eutelsat
Inmarsat

Хотя коммерческое использование геосинхронных спутников связи началось почти 25 лет назад, их широкое применение в сетях связи стало возможным лишь в начале 1980-х годов. Телевидение, телефония, широкополосная передача данных продолжают доминировать в списке услуг ССС. Современные системы спутниковой связи предоставляют беспрецедентные возможности для развития частных сетей, организации служб связи типа "точка-точка" и "точка-множество точек".

Спутниковая связь

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 конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент обсуждаются в следующих разделах.

Преимущества и ограничения ССС

ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

ССС имеет ряд преимуществ:

Выделим также ряд ограничений в использовании ССС:

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.

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 76^о (приблизительно; 67^о по 143^о 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).

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.

Сигнальная часть

Ширина 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.

Спектр 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 (таблица 1).

Таблица 1.

Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы, являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы - их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.

Передача в Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).

Передача речи и данных

Мультиплексирование с разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких речевых каналов или каналов данных на один спутниковый приемопередатчик.

В FDM волновая форма каждого индивидуального телефонного сигнала фильтруется для ограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затем преобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов, размещенных в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько групп повторно мультиплексируются и формируют большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных речевых каналов.

Мультиплексирование с временным разделением (TDM) - другой метод для передачи речи и/или данных по одному каналу. Если в FDM для передачи речевого сигнала (или данных) назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются накопители (буферы).

Система Aloha

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать лишь один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и "разрушают" друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом системы Aloha, известной под названием "чистая система Aloha", ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию). В противном случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант системы Aloha состоит в разбиении времени на отрезки - окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha (рис. 2).

Третий подход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.

Читатели, знакомые с протоколами множественного доступа в локальных сетях, поймут, что описанная система Aloha является предшественником используемого в сетях Ethernet протокола множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением конфликтов (CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Особенность протокола CDMA-CD заключается в возможности быстрого определения конфликтов (в течение микро- и даже наносекунды) и мгновенного прекращения передачи. На спутниковых каналах из-за большого времени распространения оперативное прекращение передачи заведомо испорченных пакетов, к сожалению, невозможно.

Другим усовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.

Наземный сегмент

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС.

Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них - организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.

В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.

Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.

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

Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT - Very Small Aperture Terminal) связанных с одной главной ЗС (MES - Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

Четвертый тип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции, поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прием данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.

Международные консорциумы в ССС

Intelsat

Консорциум Intelsat (The International Telecommunications Satellite Organization) - старейший и наиболее крупный - образован в 1965 году с целью предоставления государствам-участникам консорциума (в основном - развивающимся странам) современных технологий связи. Intelsat - это организация, включающая более 120 стран полных участников и около 60 стран - ассоциированных участников.

Первый коммерческий спутник Early Bird был выведен Intelsat на орбиту в апреле 1965 году. К июню того же года спутник официально начал передачу по 240 телефонным каналам, что эквивалентно одному телевизионному каналу по ширине полосы. Intelsat быстро вырос до крупнейшей ССС с 18 спутниками, располагающимися над Атлантикой, Индийским и Тихим океанами. В настоящее время базовыми спутниками Intelsat являются мощнейшие Intelsat VIII и Intelsat-К, значительно превосходящие по своим характеристикам первый Early Bird. Так в сравнении даже с Intelsat VI, оборудованным 48 приемопередатчиками, Intelsat VIII имеет 36 С-полос и 10 Ku-полос и поддерживает сотни тысяч телефонных каналов. Цена спутника на один канал с 100 тыс. долл. снизилась до нескольких тысяч, а цена минуты использования канала абонентом, составлявшая ранее 10 долл. понизилась до 1 доллара. Мощность солнечных батарей Intelsat VIII составляет 4 КВт, т.е. возросла по сравнению с Intelsat VI на 54% и, соответственно, в 4 раза по сравнению с Intelsat V.

Eutelsat

Консорциум Eutelsat (The European Telecommunications Satellite Organization) был образован 1977 году для передачи телефонных вызовов и европейских телевизионных программ на континенте. В 1994 году участниками Eutelsat были 36 государств Европы, в настоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участниками консорциума.

Современная технологическая программа Eutelsat базируется на мощных спутниках Eutelsat II, а в дальнейшем, начиная с 1998 году будет переориентирована на спутники третьего поколения Eutelsat III, предоставляющие расширенные операционные возможности и предназначенные для использования в первом десятилетии следующего века.

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.

Тенденции технологии

Последние достижения технологии в области спутниковой связи говорят о больших потенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналов передачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС за широкополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системами подвижной связи.

В ряды крупных консорциумов и организаций, ориентированных на геосинхронные спутники, активно вливаются новые участники, предлагающие услуги сетей подвижных связи и использующие низкоорбитальные спутниковые системы (LEO - Low Earth Orbit). Системы LEO, разрабатываемые рядом американских фирм, используют большое число легких спутников на орбитах ниже 2 тыс. км для организации услуг по передаче сообщений и речи, определению местонахождения и срочных коммуникаций между мобильными терминалами. В отличие от наземных сотовых сетей подвижной связи, в которых абонент последовательно перемещается через смежные соты небольшого размера, в системе LEO подобная "сота" ограничена лишь горизонтом земли. Низкая орбита спутников резко сокращает задержку по сравнению с системами, ориентированными на геосинхронные орбиты спутников.

Одним из наиболее амбициозных проектов системы LEO является система Iridium, разрабатываемых компанией Motorola, которая включает 66 спутников, позволяющих обеспечить двухстороннюю радиотелефонную речевую связь. В принципе, нет никаких технических препятствий для полного развертывания системы Iridium, однако глобальный характер и возможность функционирования вне национальных телефонных сетей предполагают предварительное изучение и установление необходимых регулирующих барьеров. Крупные инвестиции в проект Iridium сделаны рядом компаний, среди которых Motorola, Nippon Iridium, Lockheed/Raytheon, Sprint и China Great Wall Industry.

В ряду других крупных проектов систем LEO отметим Globalstar, Odyssey, Ellipso и Aries.

В заключение отметим, что ССС постоянно и ревниво сравниваются с волоконно-оптическими сетями связи. Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, что заставляет задаться вопросом о судьбе ССС. Посоветуем любителям спутниковой связи оставаться оптимистами: эволюционно/революционным преобразованиям подвержены, как следовало ожидать, и ССС. Например, разработка и, главное, внедрение конкатенирующего (составного) кодирования резко уменьшают вероятность возникновения неисправленной побитовой ошибки, что, в свою очередь, позволяет преодолеть главную проблему ССС - туман и дождь. Бррр!