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.

Рисунок 1.  
Система Iridium.

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:

·  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.

 
Выделим также 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.

·  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.

·  Интерференция. 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.

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).

Рисунок 2.  
Период уязвимости для системы Aloha.

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.