DAMAFDMA

DAMA-FDMA

Только что описанная схема FAMA-FDMA оказывается не очень эффективной. В полосе С используемая ширина каждого канала обычно равна 36 МГц. В одной схеме FDMA, используемой корпорацией INTELSAT, эта полоса поделена на 7 блоков по 5 МГц, каждый из которых несет группу из 60 голосовых каналов. Таким образом, их общее количество составляет 420. В рассмотренном примере (Рисунок 1.11) также присутствуют 420 голосовых каналов. Если полосу частот разделить на 14 подканалов шириной по 2,5 МГц, то в каждом подканале можно будет разместить 48 голосовых каналов, т.е. всего 336 каналов. Эффективнее всего оказывается избегать создания групп и просто делить полосу в 36 МГц на отдельные голосовые каналы. Эта схема известна как "один канал — одна несущая" (single channel per carrier — SCPC).

Схема SCPC в настоящее время реализована в полосе С. Один канал шириной 36 МГц разделяется на 800 аналоговых каналов по 45 кГц, каждый из которых выделяется для симплексного канала связи с использованием частотной модуляции. Существует также цифровой вариант схемы SCPC, в котором используется модуляция QPSK, дающая в той же полосе 45 кГц скорость передачи 54 Кбит/с; этого достаточно для передачи оцифрованной речи. С помощью технологии FAMA пары (полнодуплексных) каналов распределяются по парам наземных станций. Как правило, каналы каждой наземной станции приходится дополнительно уплотнять, поскольку она обслуживает некоторое количество пользовательских станций. Если каждая наземная станция работает с большим числом пользовательских станций, то даже при использовании технологии FAMA достигается высокая степень связности. Тогда, как и в обычной схеме FDMA, спутник принимает частоты в пределах канала шириной всего 36 МГц, транслирует их в полосу, центрированную на частоте 4 ГГц, и передает канал всем станциям.

Технология SCPC привлекательна для удаленных областей, в которых находится хотя бы несколько пользовательских станций. Если FDMA используется качестве основного средства в системах связи на большие расстояния, SCPC доставляет услуги напрямую конечному пользователю. Хотя в схеме SCPC ширина полосы используется более эффективно, чем в FDMA, эта технология имеет все недостатки фиксированного распределения. Она оказывается особенно удобной для слишком удаленных областей, в которых наземная станция часто суживает всего одну или две пользовательские станции. Повысить эффективность позволяет использование схемы DAMA, согласно которой в канале выделяется набор подканалов, рассматриваемый в качестве резерва связи. Если требуется установить полнодуплексную связь между двумя наземными станциями, резерва выделяется пара подканалов.

Первой доступной для коммерческих целей системой DAMA SCPC была SPADE (single-channel-per-carrier, pulse code modulation, multiple-access demand ssignment equipment — оборудование импульсно-кодовой модуляции с множественным доступом с распределением запросов по требованию и одноканальным пользованием несущей), введенная в действие в начале 70-х и в настоящее время доступная через спутники INTELSAT. Каждый подканал этой системы несет QPSK-модулированный сигнал со скоростью 64 Кбит/с, что занимает полосу 38 кГц, а также защитную полосу 7 кГц. Как правило, этот сигнал используется для передачи голосового сигнала с импульсно-кодовой модуляцией. Вместе со служебными подканалами, которые будут рассмотрены ниже, общее количество доступных подканалов достигает 794 (Рисунок 1.12, а). Эти подканалы разбиты на пары таким образом, чтобы два канала, отстоящие друг от друга на 18,045 МГц, всегда создавали полнодуплексный контур связи (например, каналы с номерами 3 и 404, 4 и 405, 399 и 800). Кроме того, имеется общий канал передачи сигналов (common-signaling channel — CSC) шириной 160 кГц, по которому передается сигнал PSK со скоростью 128 Кбит/с.

Функционирование системы FAMATDMA

Рисунок 1.14 - Функционирование системы FAMA-TDMA

Обычная схема TDMA эффективнее традиционной схемы FDMA, так как на защитные интервалы и управляющие биты TDMA расходуется меньшая пропускная способность, чем на защитные полосы FDMA. Это проиллюстрировано на Рисунок 1.15. Обратите внимание на впечатляющее падение пропускной способности для FDMA по мepe увеличения числа каналов. В случае использования схемы TDMA при увеличении числа временных интервалов (тех же каналов) пропускная способность уменьшается гораздо медленнее. Кроме того, при использовании более длинных кадров также увеличивается эффективность связи. Для сравнения, система SCPC обеспечивает постоянную пропускную способность в 800 каналов, независимо от того, поделена ее полоса частот между множеством станций или между всего несколькими наземными станциями.

Функционирование системы SS/TDMA

Рисунок 1.16 - Функционирование системы SS/TDMA

Назад Вперед

Геостационарная орбита (GEO)

Рисунок 1.3 - Геостационарная орбита (GEO)

Задержка связи между двумя наземными абонентами, расположенными непосредственно под спутником, в действительности составляет (2 х 35 863)/300 000 = 0,24 с. Для других абонентов, не находящихся непосредственно под спутником, задержка связи еще больше. Если использовать спутниковую связь для телефонных переговоров, то суммарный интервал между завершением фразы одного абонента и ответом другого удваивается и получается равным примерно половине секунды. Такую задержку трудно не '"заметить. Еще одним свойством геостационарных спутников является то, что выделенные для них частоты используются над очень большим участком поверхности Земли. Для многоточечных приложений, таких, как передача телевизионных программ, это даже к лучшему, однако для двухточечной связи спектр частот геостационарного спутника будет использоваться очень неэкономно. Можно использовать специальные антенны с направленным или управляемым лучом, которые позволяют ограничить область, покрываемую сигналом спутника, и таким образом контролировать размеры области, в пределах которой принимается сигнал спутника. Для решения некоторых из перечисленных проблем были разработаны другие типы орбит. Для персональных устройств связи третьего поколения важную роль играют спутники на низких околоземных орбитах (LEOS) и спутники на средних околоземных орбитах (MEOS).

Конфигурации систем спутниковой связи

Рисунок 1.8 - Конфигурации систем спутниковой связи

Существует также разновидность второй конфигурации, в которой осуществляется двухсторонняя связь между комплексом наземных станций, состоящим из одного центрального концентратора и множества удаленных абонентских Станций. Такой тип конфигурации, показанный на Рисунок 1.9, используется в системах VSAT (Very Small Aperture Terminal — терминал со сверхмалой апертурой луча). Недорогими антеннами VSAT оснащены многие абонентские станции. Установив определенный порядок, эти станции совместно используют пропускную способность спутника для передачи данных станции-концентратору. Концентра, тор может обмениваться сообщениями с любым абонентом и ретранслировать со. общения, идущие от одного абонента другому.

Конфигурации спутниковой сети

На Рисунок 1.8 схематично изображены две наиболее распространенные конфигурации спутниковых систем связи. В первой конфигурации спутник используется для обеспечения двухточечной связи между двумя удаленными наземными антеннами. Во второй конфигурации спутник обеспечивает сообщение между одним наземным передатчиком и несколькими наземными приемниками.

Конфигурация типичной системы VSAT

Рисунок 1.9 - Конфигурация типичной системы VSAT

Назад Вперед

Минимальные потери в свободном пространстве как функция высоты орбиты

Рисунок 1.5 - Минимальные потери в свободном пространстве как функция высоты орбиты

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

В предыдущем разделе предполагалось, что спутник используется в качестве промежуточного устройства, обеспечивающего, по сути, двухточечную связь между двумя наземными станциями. Поскольку зона обслуживания спутника весьма велика, он может выполнять гораздо больше функций. Например, для серии спутников INTELSAT (INTELSAT (International Telecommunications Satellite Organization — Международная организация спутниковых телекоммуникаций) — это консорциум национальных поставщиков спутниковой связи, основанный согласно международному договору. INTELSAT занимается приобретением космических аппаратов, учитывая глобальный спрос на телефонные и телевизионные услуги. Действует консорциум как оптовый продавец, предоставляя участки космического пространства конечным пользователям, работающим на собственных наземных станциях. Представителем Соединенных Штатов в этом консорциуме является COMSAT. В настоящее время INTELSAT находится в процессе приватизации) канал шириной 36 МГц можно разделить, используя уплотнение с частотным разделением, на несколько меньших каналов, в каждом из которых можно использовать частотную модуляцию. Каждый из этих меньших каналов, в свою очередь, несет несколько сигналов речевого диапазона (VF), для чего используется уплотнение с частотным разделением. Возможность получения несколькими наземными станциями доступа к одному и тому же каналу называется схемой FDMA (frequency division multiple access — множественный доступ с частотным разделением).

Количество подканалов, на которые можно разбить спутниковый канал с помощью технологии FDMA, ограничено тремя факторами:

• тепловой шум;

• комбинационные помехи;

• перекрестные помехи.

Воздействие первых двух факторов прямо противоположно. Передаваемый сигнал очень малой интенсивности будет искажаться фоновым шумом. При очень большой интенсивности сигнала нелинейные эффекты, имеющие место в усилителях спутников, приведут к сильным комбинационным помехам. Перекрестные помехи происходят при попытках увеличить пропускную способность путем многократного использования частот. Перекрестные помехи ограничивают применение этой практики, однако не сводят ее на нет. Полосу частот можно многократно использовать в том случае, если имеются антенны, которые могут излучать два поляризованных сигнала одинаковой частоты с ортогональными поляризациями. Как и ранее, если интенсивность сигнала слишком высока, то становится значительной и интерференция.

Возможны две формы FDMA.

• Множественный доступ с фиксированным распределением (fixed-assignment multiple access — FAMA). Распределение пропускной способности спутникового канала между множеством станций производится заранее. В результате значительная часть пропускной способности не используется, t поскольку спрос на частоты может меняться в процессе связи.

• Множественный доступ с распределением по запросу (demand-assignment multiple access — DAM А). Распределение пропускной способности среди множества станций меняется с изменением спроса на частоты. Это позволяет оптимально распределить пропускную способность спутника.

FAMA-FDMA

На Рисунок 1.11 приведен частный пример схемы FAMA-FDMA, в которой семь наземных станций совместно используют восходящий канал связи с пропускной способностью 36 МГц. Станции А выделяется полоса частот шириной 5 МГц, от 6237,5 до •2,5 МГц, в которой можно разместить 60 голосовых каналов, используя уплотнение с разделением частот в сочетании с частотной модуляцией (FDM-FM). Т.е. FDM используется для разделения полосы на 60 каналов, а частотная модуляция — для модулирования каналов на несущей 6240 МГц. Как указано на рисунке, трафик от станции А к другим станциям выглядит следующим образом: 24 канала к станции B, 24 канала к станции D и 12 каналов к станции Е. Оставшийся спектр канала, общая ширина которого составляет 36 МГц, распределяется между другими наземными станциями в соответствии с их потребностью в трафике. В связи с этим примером следует отметить несколько поучительных моментов.

На схеме показаны элементы как технологии FAMA, так и технологии FDMA. Термин FAMA отражает тот факт, что между станциями наперед заданы логические связи. Поэтому на Рисунок 1.11 показано, что станция А имеет три прямые двухточечные связи — по одной со станциями В (24 канала), D (24 канала) и Е (12 каналов). Термин FDMA отражает тот факт, что множество станций имеют доступ к спутниковой связи, используя при этом разные полосы частот.

Охват и угол возвышения

Рисунок 1.1 - Охват и угол возвышения

При проектировании нисходящего канала принято использовать минимальный угол возвышения, который, в зависимости от частоты сигнала, может составлять 5-20°. Для восходящего канала Федеральная комиссия по средствам связи США предписывает использовать угол возвышения не менее 5°.

Угол охвата ? — это мера части земной поверхности, которая видна со спутника с учетом минимального угла возвышения. Угол ? задает окружность на поверхности Земли, центр которой находится в точке, расположенной непосредственно под спутником. Справедливо следующее соотношение:

Орбиты низких и средних околоземных спутников

Рисунок 1.4. Орбиты низких и средних околоземных спутников

Относительная эффективность различных спутниковых схем распределения пропускной способности

Рисунок 1.15 - Относительная эффективность различных спутниковых схем распределения пропускной способности

В полосах с более высокой частотой (Ки и К) можно достичь даже большей эффективности. При таких частотах лучи, передаваемые со спутника, можно довольно точно сфокусировать, что позволит передавать много лучей одной и той же частоты в разные зоны. Таким образом, спутник сможет обслуживать довольно много зон, в каждой из которых может находиться много наземных станций. Сообщение между этими станциями в пределах одной зоны осуществляется по обычной схеме FAMA-TDMA. Более того, можно организовать сообщение между станциями, принадлежащими различным областям, если спутник имеет возможность переключать временные интервалы с одного луча на другой. Этот метод известен как TDMA со спутниковой коммутацией (satellite-switched TDMA — SS/TDMA).

На Рисунок 1.16 показана простая система SS/TDMA, обслуживающая две зоны, в каждой из которых расположено по две станции. Как и в обычной схеме TDMA, в пределах одной зоны в каждый момент времени передавать может столько одна станция. Таким образом, в пределах зоны А в любой конкретный временной интервал может передавать либо станция 1, либо станция 2. Так же и в пределах зоны В передавать в данный момент времени может либо станция 3, либо станция 4. Сигналы со станций из разных зон не интерферируют, благодаря использованию по-разному поляризованных сигналов либо использованию разных частот. На спутнике принимаемые данные тут же ретранслируются на частоте нисходящего канала связи. При этом используются два различных нисходящих луча. На спутнике имеется коммутатор для соединения входящих и выходящих лучей. Варианты соединений, выполняемых коммутатором, могут меняться со временем. На рисунке нисходящий луч А повторяет восходящий луч А в течение периодов 1 и 3 и повторяет восходящий луч В течение периода 2. Таким образом, любая станция в любой зоне может отправлять данные любой другой станции.

Для спутника, обслуживающего N зон, существует N входящих потоков TDM. В любой конкретный момент времени переключатель настроен на особый вид преобразования этих восходящих лучей в N нисходящих лучей. Каждая конфигурация называется режимом, и для полной связности системы требуется N! различных режимов. В табл. 1.2 приведены режимы для системы с тремя лучами. Например, станции в зоне А могут сообщаться друг с другом в режимах 1 и 2, сообщаться со станциями зоны В режимах 3 и 5 и т.д. Спутник периодически меняет режим. Скорее всего, смена режимов будет происходить один раз за интервал. Структуру режима и его длительность обычно можно настраивать командами с Земли, чтобы вовремя реагировать на изменившиеся требования.

Сердцем системы спутниковой связи является

Сердцем системы спутниковой связи является антенна спутника, находящегося на стационарной орбите. С помощью одного или нескольких таких спутников, используемых как космические ретрансляторы, осуществляется связь между двумя или несколькими станциями, принадлежащими одной системе спутниковой связи и расположенными на Земле или близ Земли. Системы антенн, расположенных на Земле или близ Земли, называют наземными станциями. Канал передачи данных с наземной станции на спутник называется восходящим (uplink), а канал передачи данных в обратном направлении — нисходящим (downlink). Электронное оборудование спутника, которое принимает сигналы восходящего канала и преобразует их в сигналы нисходящего канала, называется транспондером.
Спутники связи можно классифицировать по таким признакам.
• Зона обслуживания: может быть глобальной, региональной или национальной. Чем больше зона обслуживания, тем больше спутников будет задействовано в организации сети.
• Тип услуг: существуют спутники стационарной службы связи (fixed service satellite-- FSS), радиовещательной службы (broadcast service satellite — BSS) и мобильной- службы (mobile service satellite — MSS). В этой главе будут рассматриваться преимущественно спутники FSS и BSS.
• Характер использования: коммерческие, военные, любительские или экспериментальные.
При проектировании станций беспроводной связи следует учитывать те многочисленные особенности, которые отличают станции, базирующиеся на спутниках, от наземных станций.
• Зона обслуживания спутниковой системы намного превышает зону обслуживания наземной системы. Для одной антенны спутника, находящегося на геостационарной орбите, доступно около одной четвертой поверхности Земли.
• Такие ресурсы космического аппарата, как мощность и выделенная ширина полосы, весьма ограничены. Поэтому на стадии проектирования нужно выбирать оптимальное соотношение между параметрами наземной станции и спутника.
• Условия, в которых находятся сообщающиеся спутники, не так меняются со временем, как условия связи спутника с наземной станцией или же как условия связи двух наземных беспроводных антенн. Поэтому каналы связи спутник-спутник можно рассчитать с довольно высокой степенью точности.
Если передатчик и приемник находятся в зоне обслуживания одного спутника, то затраты на передачу данных не зависят от расстояния между ними.
• Легко внедряются широковещательные, многоадресные и двухточечные приложения.
• Пользователю доступен очень широкий диапазон частот или высокая скорость передачи данных.
• В целом качество данных, передаваемых с помощью спутника, поддерживается исключительно высоким, несмотря на кратковременные отключения или ухудшение качества связи.
• Для спутников, находящихся на геостационарной орбите, задержка распространения сигнала с земли на спутник и обратно равна примерно одной четвертой секунды.
• Передающие наземные станции во многих случаях могут принимать и собственные сигналы.

Параметры спутника как функция высоты орбиты

Рисунок 1.2 - Параметры, спутника как функция высоты орбиты

Геостационарные орбиты имеют ряд преимуществ, которые выгодно отличают их от орбит других типов.

• Так как спутник не движется относительно Земли, то не возникает проблем с изменением частоты сигнала из-за относительного движения спутника и наземных антенн (обусловленного эффектом Доплера).

• Упрощается процедура отслеживания спутника с наземных станций.

• Спутник, находящийся на высоте 35 863 км над Землей, может связаться примерно с четвертой частью земной поверхности. Для того чтобы покрыть все населенные зоны Земли, исключая участки близ северного и южного полюсов, понадобится вывести на геостационарную орбиту всего три спутника, расположив их на расстоянии 120° друг от друга.

С другой стороны, есть и недостатки.

• После прохождения расстояния свыше 35 000 км сигнал может стать довольно слабым.

• Полярные области и приполярные участки северного и южного полушарий практически недоступны для геостационарных спутников.

Несмотря на то что скорость света равна 300 000 км/с, задержка прохождения сигнала из точки на экваторе, расположенной под спутником, на спутник и обратно довольно существенна.

Полосы частот В табл 1 1 перечислены

Таблица 1.1. Полосы частот для спутниковой связи

Полоса	Диапазон частот, ГГц	Суммарная ширина полосы, ГГц	Распространенные приложения
L	1-2	1	Мобильная спутниковая связь (MSS)
S	2-4	2	Службы MSS, NASA, исследование дальнего космоса
C	4-8	4	Спутники стационарной службы связи (FSS)
X	8-12,5	4,5	Военные службы FSS, исследования Земли и метеорологические спутники
Ku	12,5-18	5,5	Службы FSS, радиовещательные спутниковые службы (BSS)
K	18-26,5	8,5	Службы FSS и BSS
Ka	26,5-40	13,5	Службы FSS

При предоставлении службе полосы частот диапазоны для восходящего и нисходящего каналов определяются отдельно, причем частота восходящего канала всегда выше. Как известно, для сигнала с более высокой частотой рассеяние или потери в свободном пространстве больше, чем для его низкочастотного дополнения. Впрочем, наземные станции располагают достаточной мощностью, позволяющей компенсировать низкую производительность на высоких частотах.

Пример формата кадра TDMA

Рисунок 1.13 - Пример формата кадра TDMA

На Рисунок 1.14 показан принцип действия систем FAMA-TDMA. Отдельные наземные станции по очереди используют восходящий канал связи и могут помещать пакеты данных в выделенные для них временные интервалы. Спутник ретранслирует входящие данные всем станциям. Таким образом, передача и прием информации каждой станцией осуществляется в определенный временной интервал. Спутник также повторяет опорные пакеты данных, поэтому все станции, принимающие эти пакеты, имеют возможность синхронизировать свою работу.

Каждый из повторяющихся временных интервалов является каналом и не зависит от других каналов. Поэтому его можно использовать любым способом, по выбору передающей станции. Можно, например, организовать коммутацию, включив в каждый временной интервал поле адреса. Тогда, хотя временные интервалы и останутся закрепленными за станциями, в каждом нисходящем интервале несколько станций смогут ожидать данные, адресованные именно им. С помощью еще одной схемы передающая наземная станция может разделить свой временной интервал на подынтервалы и, таким образом, отправлять данные по нескольким подканалам в одном канале TDMA.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ

Как правило, один геостационарный спутник работает в довольно широкой полосе частот (например, 500 МГц), которая делится на несколько каналов, имеющих меньшую ширину (например, по 40 МГц). В каждом из таких каналов требуется распределить пропускную способность. Иногда, например при телевещании или передаче единичного потока цифровых данных со скоростью 50 Мбит/с, весь канал выделяется для одного пользователя или приложения. В то же время если отбросить такие крайние случаи, то можно сказать, что экономное использование спутника невозможно без разделения канала между несколькими пользователями. Поэтому задача распределения, в основном, сводится к уплотнению каналов. В некоторых случаях распределение проводится под централизованным управлением, осуществляемым обычно со спутника. Пропускная способность может также распределяться динамически посредством команд, передаваемых наземными станциями. Ниже на примерах рассмотрены оба случая.

Все стратегии распределения относятся к одной из трех категорий.

• Множественный доступ с частотным разделением (Frequency Division Multiple Access — FDMA).

• Множественный доступ с временным разделением (Time Division Multiple Access — TDMA).

• Множественный доступ с кодовым разделением (Code-Division Multiple Ас-• cess — CDMA).

В этом и следующих разделах мы изучим схемы FDMA и ТОМА.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВРЕМЕННОЙ РАЗДЕЛЕНИЕ

Хотя уплотнение с частотным разделением до сих пор широко используется в спутниковой связи, все большую популярность приобретают схемы уплотнения с временньш разделением. Перечислим причины, по которым это происходит.

• Непрерывное падение стоимости цифровых составляющих.

• Преимущества цифровых методов обработки, включая возможность исправления ошибок.

• Повышенная эффективность схем TDM, которая обусловлена отсутствием комбинационных помех.

Как и при частотном разделении, все схемы временного разделения обеспечивают множественный доступ и включают схемы FAMA-TDMA и DAMA-TDMA. Метод FAMA-TDMA, по сути, не отличается от синхронного временного разделения. Передача осуществляется в форме повторяющейся последовательности кадров, каждый из которых делится на несколько временных интервалов. Каждое положение интервала в последовательности кадров соответствует определенному передатчику. Периоды кадров лежат в диапазоне от 10 мкс до более чем 2 мс и состоят из 3-100 интервалов и более. Скорость передачи данных составляет от 10 Мбит/с до более чем 100 Мбит/с.

Типичный формат кадра показан на Рисунок 1.13. Как правило, кадр начинается с двух опорных пакетов, определяющих начало кадра. Эти два пакета предоставляются двумя разными наземными станциями, так что «стема может продолжать функционировать даже при потере связи с одной из шорных станций вследствие неисправности. Каждый опорный пакет начинается с последовательности для восстановления тактовой синхронизации и несущей, являющейся уникальной и позволяющей синхронизироваться с центральным тактовым генератором. Каждой из N станций выделяется один или несколько интервалов в кадре. Станция использует выделенный ей интервал для передачи пакета данных, состоящего из предварительной последовательности и пользовательской информации. Предварительная последовательность содержит управляющую информацию и информацию о синхронизации плюс данные, идентифицирующие станцию назначения. Отдельные пакеты разделены защитными интервалами, предотвращающими наложение данных.

Схема фиксированного распределения частот FDMA для спутниковой связи

Рисунок 1.11 - Схема фиксированного распределения частот FDMA для спутниковой связи

Несмотря на то что наземная станция может передавать на спутник только одну несущую (например, станция А передает на частоте 6,24 ГГц в полосе шириной 5 МГц), она должна быть способна к приему по крайней мере по одной несущей от каждой удаленной станции, с которой она хочет поддерживать связь (к примеру, станция А должна принимать три несущие, которые являются частью передачи станций В, D и Е).

Спутник не выполняет функций коммутатора, хотя он принимает от различных источников отдельные участки канала шириной 36 МГц. На спутнике происходит только прием сигналов в пределах этого спектра, их преобразование в полосу, центрированную на частоте 4 ГГц, и повторная передача. Используемая полоса частот имеет довольно значительную ширину. Например, станция А должна передавать 60 голосовых каналов, которые занимают всего 240 кГц (т.е. один канал занимает 4 кГц), а выделена для этой станции полоса шириной 5 МГц. Такая широкая полоса требуется из-за использования частотной (а не амплитудной) модуляции, которая позволяет сохранить сигнал при передаче его на большие расстояния, а также минимизировать требования к мощности спутника.

Система спутниковой связи SPADE для коммутируемой службы SCPC

Рисунок 1.12 - Система спутниковой связи SPADE для коммутируемой службы SCPC

Выделение каналов по требованию осуществляется наземной станцией с помощью канала CSC. Канал CSC используется для передачи повторяющихся кадров TDM, как показано на Рисунок 1.12, в. Кадр разделен на 50 интервалов, первый из которых содержит начальную последовательность битов, требуемую для синхронизации. Остальные интервалы закреплены за 49 станциями. Эти станции имеют привилегию при формировании полнодуплексных контуров по требованию. Распределение по требованию осуществляется следующим образом. Предположим, что станция Si желает установить канал связи со станцией Sj. Si случайным образом выбирает подканал из доступных незанятых каналов и передает идентификатор подканала и адрес станции Sj во временной интервал станции Si . Примерно через 0,25 с станция Sj получит запрос по нисходящему каналу связи. Если предположить, что подканал остался доступным и что доступна станция Sj, то она передаст подтверждение в свой собственный временной интервал, который станция Si , получит еще через четверть секунды. Когда сеанс связи завершится, во временном интервале одной из станций будет передана информация о разъединении, чтобы уведомить другие станции о том, что подканал снова свободен.

Так как в описанной схеме могут участвовать только 49 станций, для распределения по требованию большинство подканалов не нужны и используются по обычной схеме FAMA SCPC.

Назад Вперед

Спутники LEO

Спутники LEO (Рисунок 1.4, а) имеют следующие характеристики.

Круговые или эллиптические орбиты на высоте до 2000 км. Все предлагаемые и реальные системы располагаются на высоте от 500 до 1500 км.

• Период орбиты равен 1,5-2 ч.

• Диаметр зоны обслуживания равен примерно 8000 км. I • Задержка кругового распространения сигнала составляет не более 20 мс.

• Максимальное время, в течение которого спутник виден с фиксированной точки на поверхности Земли (в пределах радиогоризонта), достигает 20 мин.

• Ввиду высокой скорости относительного движения спутника и стационарного расположения наземной станции оборудование системы связи должно быть способно учитывать большие доплеровские сдвиги, которым подвергается частота сигнала.

• Для спутников LEO велико сопротивление атмосферы, поэтому орбита спутника постепенно деформируется.
Чтобы ввести в действие такую систему связи, нужно довольно много орбитальных плоскостей; кроме того, на каждой орбите должны находиться по несколько спутников. Тогда при сообщении двух наземных станций сигнал, как правило, будет передаваться с одного спутника на другой.

Спутники LEO имеют ряд преимуществ по сравнению с геостационарными спутниками. Кроме уже упомянутого сокращения задержки распространения сигнала, принимаемый сигнал, отправленный со спутника LEO, гораздо сильнее сигнала со спутника GEO при той же энергии передачи. Зону обслуживания спутника LEO можно локализовать с гораздо большей степенью точности, так что можно эффективнее распорядиться спектром частот, выделенным для спутника LEO. Именно поэтому данная технология сейчас предложена для связи с мобильными и персональными терминалами, для функционирования которых нужны более сильные сигналы. С другой стороны, чтобы 24 часа обеспечивать широкую зону обслуживания, нужно много спутников LEO.

Было выдвинуто несколько коммерческих предложений по использованию кластеров спутников LEO для предоставления услуг связи. Эти предложения можно разделить на две категории.

• Малые кластеры LEO. Такие кластеры, предназначенные для работы при частоте связи ниже 1 ГГц, используют полосу частот шириной не более 5 МГц и обеспечивают скорость передачи данных до 10 Кбит/с. Эти системы предназначены для поиска, слежения и низкоскоростного обмена сообщениями. Примером такой спутниковой системы является система Orbcomm, которая стала первой из малых действующих систем LEO: ее первые два спутника были запущены в апреле 1995 года. Система Orbcomm разрабатывалась для поиска и пакетной передачи данных и предназначалась для работы с небольшими пакетами данных длиной 6-250 байт. Она используется для отслеживания передвижения прицепов, железнодорожных составов, тяжелого оборудования и других удаленных и мобильных активов. Такую систему можно также использовать для наблюдения за удаленными приборами, резервуарами-хранилищами нефти и газа, скважинами и трубопроводами или для поддержки связи с рабочими, в какой бы точке земного шара они не находились. Для передачи данных на спутники этой системы используются частоты от 148,00 до 150,05 МГц, а для передачи сигналов со спутников — частоты от 137,00 до 138,00 МГц. g распоряжении системы Orbcomm находятся более 30 спутников на низких околоземных орбитах. Она поддерживает абонентскую скорость передачи данных на спутник, равную 2,4 Кбит/с, и со спутника — 4,8 Кбит/с.

• Большие кластеры LEO. Такие системы работают на частотах более 1 ГГц и поддерживают скорость передачи данных до нескольких мегабайтов в секунду. Эти системы стремятся предоставлять те же услуги, что и малые кластеры LEO, а также дополнительные услуги по передаче голоса и по определению местоположения. Примером большой системы LEO является система Globalstar. Ее спутники довольно примитивны. В отличие от некоторых малых систем LEO, на спутниках этой системы не установлено оборудования для обработки данных или связи между спутниками. Обработка данных большей частью проводится наземными станциями системы. В системе используется технология CDMA, подобная стандарту CDMA сотовой связи. Нисходящая связь с мобильными пользователями осуществляется в диапазоне 5-полосы (около 2 ГГц). Система Globalstar тесно интегрирована с традиционными звуковыми службами-носителями. Все звонки должны обрабатываться на наземных станциях. Группа спутников системы Globalstar состоит из 48 действующих спутников и 8 запасных. Эти спутники находятся на орбитах на высоте 1413 км.

Спутники МЕО

Спутники МЕО (Рисунок 1.4, б) имеют следующие характеристики.

• Круговая орбита, расположенная на высоте 5000-12 000 км.

• Период орбиты около 6 ч.

• Диаметр зоны обслуживания колеблется от 10 000 до 15 000 км.

• Задержка кругового распространения сигнала составляет менее 50 мс.

• Максимальное время, в течение которого спутник виден из фиксированной точки на земной поверхности (находящейся в пределах радиогоризонта), составляет несколько часов.

В системах МЕО не требуется так много переключений между спутниками, как в системах LEO. Значения таких параметров спутника МЕО, как задержка распространения сигнала со спутника МЕО на Землю и его требуемая мощность, выше, чем у спутников LEO, однако существенно меньше, чем у геостационарных спутников. Для новой программы ICO, разработанной в январе 1995 года, была предложена система МЕО. Запуски спутников МЕО начались в 2000 году. На орбиты выстой 10 400 км планировалось поместить двенадцать спутников (из них два запасных). Спутники должны быть равномерно распределены между двумя плоскостями и иметь угол наклона к экватору в 45°. Системы МЕО предлагается использовать для предоставления таких услуг, как цифровая передача речи, данных, факсимильных сообщений, широковещательных уведомлений, и для обмена сообщениями.

Спутниковые орбиты Существует

На Рисунок 1.1 приведена геометрическая схема, в соответствии с которой рассчитывается зона обслуживания спутника. Ключевым параметром данной схемы является угол возвышения наземной станции 6, который является углом между горизонтальной линией (т.е. линией, касательной к поверхности Земли в точке расположения антенны) и направлением основного луча антенны, наделенного непосредственно На спутник. Максимальная величина зоны обслуживания спутника получается при нулевом угле возвышения. Тогда зона обслуживания во всех направлениях ограничивается только оптическим горизонтом спутника. Однако существуют по крайней «ере три проблемы, которые не позволяют строить антенны наземных станций с нулевым углом возвышения и определяют минимальный угол возвышения.

1. Нельзя игнорировать здания, деревья и другие наземные объекты, которые могут находиться на пути луча, идущего от антенны. Подобные помехи приводят к ослаблению сигнала, так как происходит его частичное поглощение или искажение вследствие многократного отражения луча.

2. Чем меньше значение угла возвышения, тем больше атмосферное поглощение, так как при малых углах возвышения сигнал проходит в атмосфере большое расстояние.

3. На качество приема также неблагоприятно влияет электрический шум, обусловленный высокой температурой около поверхности Земли.

Режимы системы SS/TDMA (три луча)

Таблица 1.2 Режимы системы SS/TDMA (три луча)

Выход
Вход	Режим 1	Режим 2	Режим 3	Режим 4	Режим 5	Режим 6
A	A	A	B	C	B	C
B	B	B	C	A	C	B
C	C	C	A	B	A	A

Наконец, со спутниковыми схемами TDMA используются методы DAMA. Система SS/TDMA является в определенном смысле системой DAMA, если структура режима может быть изменена командой с Земли. Довольно часто, если речь заходит о временном разделении, схему DAMA называют схемой множественного доступа с совместным использованием одного канала. Такие методы обычно служат основой для кооперации наземных станций с целью совместного использования канала.

Типичный след спутника

Рисунок 1.6 - Типичный след спутника

Ухудшение качества связи

Производительность спутникового канала связи зависит от трех факторов:

• расстояния между антенной наземной станции и антенной спутника;

• в нисходящем канале — от расстояния между антенной наземной станции и "точкой прицела" спутника;

• атмосферного поглощения.

Рассмотрим данные факторы подробнее.

Расстояние

Формула потерь в свободном пространстве:

LдБ = 10 lg (Pt/Pr) = 10 lg (4?d/?) = -20 lg(?) + 20 lg(d) +21,98

Здесь

Рt — мощность сигнала на передающей антенне;

Рr — мощность сигнала на принимающей антенне;

? — длина волны несущей;

d — расстояние распространения между антеннами.

Величины d и ? измеряются в одних единицах (например, в метрах).

Чем выше частота сигнала (т.е. чем меньше его длина волны), тем большими будут потери. Для геостационарного спутника потери в свободном пространстве на экваторе составляют:

LдБ = -20 lg(?) + 20 lg (35,863 х 106) + 21,98 дБ = -20 lg(?) + 173,07.

Потери для точек земной поверхности, удаленных от экватора, но все еще видимых со спутника, будут несколько больше. Максимальное расстояние (от спутника до горизонта) для геостационарного спутника равно 42 711 км. Потери в свободном пространстве при прохождении сигналом такого расстояния равны:

LдБ = -20 lg(?) + 174,51.

Затухание сигнала как функции частоты и высоты орбиты показано на Рисунок 1.5.

След спутника

Для работы на СВЧ, которые используются в спутниковой связи, применяются узконаправленные антенны. Таким образом, сигнал со спутника не распространяется во все стороны, а нацеливается на определенную точку Земли. Выбор точки прицела производится с учетом местоположения и размеров области, которая должна покрываться. На центральную точку этой области придется наиболее мощный сигнал, интенсивность сигнала будет спадать по мере удаления от центральной точки в любом направлении. Этот эффект обычно демонстрируется на примере модели, называемой следом спутника (satellite footprint), представленной на Рисунок 1.6. Показано, какая эффективная часть излученной энергии антенны попадает в каждую точку на территории США. Результат зависит от мощности сигнала, поступающего в принимающую антенну, а также от направленности передающей антенны. В рассматриваемом примере мощность сигнала, принимаемого в Арканзасе, составляет +36 дБВт, а в Массачусетсе — +32 дБВт. Чтобы получить реальную мощность сигнала, принимаемого в каждой точке покрываемой области, из эффективной мощности, указанной на рисунке, следует вычесть потери в свободном пространстве.

Атмосферное поглощение

Главной причиной затухания сигнала в атмосфере является наличие кислорода, от которого, конечно же, никуда не деться, а также влаги. Поглощение, обусловленное наличием воды, происходит в туман и в дождь. Еще одним фактором, влияющим на затухание сигнала, является значение угла возвышения спутника, который зависит от положения наземной станции (угол 9 на Рисунок 1.1). Чем меньше угол возвышения, тем больший путь в атмосфере придется пройти сигналу. Наконец, величина атмосферного затухания зависит от частоты сигнала. В общем случае чем выше частота сигнала, тем сильнее он затухает. На Рисунок 1.7 показана характерная величина затухания как функция угла возвышения для частот полосы С. Конечно затухание, обусловленное туманом и дождем, возникает только в случае присутствия этих явлений в атмосфере.

Уплотнение с частотным разделением

Рисунок 1.10 - Типичный план распределения частот спутникового транспондера для нисходящих каналов связи (чтобы составить план для восходящих каналов связи, к приведенным на рисунке значениям следует прибавить 2225 МГц)

Затухание сигнала (полосы С) обусловленное атмосферным поглощением

Рисунок 1.7 - Затухание сигнала (полосы С), обусловленное атмосферным поглощением