8.2 Спутниковые каналы связи

Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных орбитах или низкоорбитальных. Геостационарные спутниковые системы дают заметные задержки прохождения сигналов более 500 мс. В низкоорбитальных системах обслуживание пользователей происходит поочередно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно больше спутников и наземных станций, а также требуется система межспутниковой связи.

Геостационарные спутники. Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени орбитального радиуса. На высоте примерно 36000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Неподвижность спутника позволяет использовать простые антенные системы. В силу интерференции волн не целесообразно размещать спутники ближе, чем 2 градуса экваториальной плоскости. Однако, если спутники работают на разной частоте, то это возможно. Таким образом, в одно и тоже время на экваториальной орбите может находится около 180 спутников, работающих на одной и той же частоте. Так как часть из этих орбит зарезервирована не только для целей связи, то их на самом деле меньше. Геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей вид восьмерки. Угловой размер восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником.

Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей (особенно для широт более 70⁰), для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко, а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Правильный выбор спутника может заметно снизить стоимость канала.

Каждый спутник связи имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер слушает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Как правило, передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узко направленным. Первые спутники имели один широкий луч. Современные спутники имеют несколько узких лучей, пятно которых охватывает несколько сот километров. Пусть спутник обладает 12-20 транспондерами, каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Данная пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов 32 Кбит/c. Можно поляризовать сигналы так, что два транспондера смогут использовать одну и ту же частоту.

Рассмотрим структуру спутниковых каналов передачи данных на примере системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Это узкоапертурная технология передачи. Наземные терминалы здесь используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом, только через телекоммуникационный спутник. Таким образом, наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция и абонентские пункты. Связь центральной станции со спутником происходит по радиоканалу с пропускной способностью 2 Мбит/с через направленную антенну и приемопередающую аппаратуру. Абоненты подключаются на выделенных им частотах к центральной станции по звездообразной схеме с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура для каналов Т1, Т3 или Е1, Е3). Подвижные или труднодоступные абоненты могут подключаться к центральной станции по радиоканалу через спутник и свои антенны. Центральная станция передает сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на абонентских частотах.

Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в системе Runnet применяются геостационарные спутники "Радуга". Один из них, с точкой стояния 85 градусов восточной долготы, охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры используются станции "Кедр-М" или "Калинка", работающие в сантиметровом диапазоне волн в частотных диапазонах 6,18 - 6,22 ГГц и 3,855 - 3,895 ГГц соответственно.

Низко орбитальные спутники. Данные спутники движутся по низким эллиптическим орбитам менее 1000 км с периодом обращения ~1 час, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг. Из-за малой высоты полета наземные станции могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.

Примером системы с низкоорбитальными спутниками может служить система глобальной спутниковой телефонной связи "Глобалстар". Она включает 48 низкоорбитальных спутников, находящихся на высоте 1400 км, которые охватывают весь земной шар. Каждая наземная станция имеет одновременно связь с тремя спутниками. Спутник обеспечивает шесть сфокусированных лучей радиоволн по 2800 дуплексных радиоканалов каждый. Система поддерживает телефонную связь для труднодоступных районов, оказывает навигационные услуги, определяет местонахождения подвижных объектов. Другая спутниковая сеть Iridium включает 66 низкоорбитальных спутников с диапазоном частот 1610 - 1626,5 МГц. Вдоль меридиана на расстоянии 32 градуса располагаются 11 спутников, летящих на высоте 750 км. Таких «ожерелий» 6, каждый спутник имеет 48 пятен, так что 1628 сот покрывают землю. Каждая сота имеет 174 дуплексных канала на частоте обычного сотового телефона. В мире поддерживается 283 272 канала. Прием и передача идут на частоте 1.6 ГГц, что позволяет использовать устройства, работающие от батареек. Если сообщение принятое одним спутников адресовано в область, покрываемую другим, то оно будет передано от одного спутника другому.

Спутниковые системы связи имеют отличия от наземных систем.

1. Большая задержка сигнала;

2. Спутниковые системы являются системами принципиально вещательного типа;

3. Имеют место серьезные проблемы, связанные с обеспечением безопасности передаваемой информации;

4. Стоимость передачи не зависит от расстояния;

5. Низкий коэффициент ошибок при передаче;

6. Коечному пользователю с индивидуальной антенной доступна вся пропускная способность спутника, в отличие от проводных каналов связи, где за счет мультиплексирования пропускная способность делится между множеством абонентов;

7. Спутник доступен практически всегда;

8. Возможность организации мобильных систем связи на больших расстояниях;

9. Возможность организации систем связи на больших расстояниях и в труднодоступных местах, на водных пространствах;

10. Большая скорость организации системы передачи данных.

Существует несколько способов работы наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте, по времени, метод доступа с коллизиями, маркерный метод доступа. Последняя схема предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.

Метод мультиплексирования по частоте является старейшим и наиболее часто используемым в спутниковой связи. Например, типовой транспондер с полосой пропускания 36 Мбит/с, может предоставлять 500 каналов со скоростью 64 Кбит/с, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с другими. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. При переменном числе терминалов или изменении загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов.

Метод мультиплексирования по времени требует синхронизации для областей покрытия. Это производится с помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано. Рассмотрим пример системы ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала (TDM) по 110 Мбит/c (два восходящих и два нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде совокупности 1-милисекундных кадров, каждый из которых имеет по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 Кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций и осуществляется одной из наземных станций. Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его. На втором – спутниковый компьютер копирует входную запись в выходной буфер. Далее, выходная запись передается наземной станции. В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос по специальному управляющему каналу.