Цифровые ССПС стандарта GSM. 7 страница

Оконечным устройством пользователя служит специальная 60-клавишная клавиатура с встроенным ЖК-дисплеем (восемь строк по 40 знаков) и малогабаритным принтером. Размеры клавиатуры 220 х 210 х 90 мм, масса 1,5 кг. Дополнительно терминал может быть оснащен малогабаритной пятикнопочной клавиатурой (массой не более 150 г), предназначенной для передачи "стандартных сообщений" (коротких сообщений, хранящихся в памяти микро-ЭВМ). Основные параметры терминала Prodat: ЭИИМ 13 дБВт, добротность (G/T) -24 дБ/К. Масса блока ODU 4,3 кг, размеры 250 х 110 х 113 мм. Рабочий диапазон температур от - 20 до +600С. Масса блока IDU 4,5 кг, размеры 335 х 170 х 85 мм. Рабочий диапазон температур от 0 до +500С. Напряжение питания от источника постоянного тока 24 В. Потребление терминала в режиме приема - не более 25 Вт.

Энергетический расчет и качественные показатели спутниковых систем связи

Гипотетическая эталонная цепь Земля- Спутник - Земля, содержит один модулятор и один демодулятор. При передаче ТВ, отношение размаха сигнала (от уровня белого, до уровня черного) к визометрическому напряжению шумов должно быть не менее 61 дБ в 80% времени, 57 дБ в 99% и 49 дБ в 99,9% времени любого месяца. Отношение сигнал/помеха для источников питания должно быть больше 30 дБ, а для других периодических помех - не менее 50 дБ.

При передаче псофометрическая мощность шума в точке с нулевым относительным уровнем не должна превышать 10000 пВт в среднем за любой час. Допускается превышение среднеминутного значения шума величиной 10000 пВт не более чем в 20% времени любого месяца и 50000 пВт не более чем в 0,3% времени любого месяца. Превышение не взвешенным шумом 106 пВт допускается не более чем в 0,03% времени любого месяца. Допустимое время запаздывания группового времени распространения в системах с ИСЗ должно быть не более 300 мс.

Спутниковая система связи состоит из двух участков Земля-ИСЗ и ИСЗ- Земля. Расчет аналогичен расчету РРС прямой видимости содержащей два интервала. Однако в спутниковых системах необходимо учитывать особенности аппаратурных отличий на этих участках, а также разных энергетических потенциалов и шумов на этих участках.

Отношение сигнал/шум на входе приемника земной станции (Рс/Рш)вх

Мощность сигнала на входе приемника Рс связано с мощностью передатчика соотношением

где: G_пер, и G_пр - коэффициент усиления антенн; - потери в антенно-фидерном тракте;

- потери в свободном пространстве на расстоянии R; U - добавочные потери в реальном пространстве.

Или можно записать:

1. 2.

3.

4.

Поэтому можно записать

1. Шумовая температура земного приемника определяется:

2. Мощностью собственных шумов приемного устройства и мощностью шумов антенно-волноводного тракта.

3. Мощностью шумов антенны, определяемая воздействием на нее теплового излучения Земли от атмосферы.

4. Мощностью шумов радиоизлучения Солнца и других космических источников

Таким образом

где: Т₀=290 К - абсолютная температура;

Т_АТМ - является функцией угла места и частоты. Уменьшение угла места резко увеличивают шумы атмосферы, поэтому Т_косм - определяется яркостной температурой источника Т_я

Если угловые размеры источника излучения значительно меньше ширины диаграммы направленности антенны, то

Шумовая температура бортового приемника ИСЗ определяется как:

b - коэффициент, определяющий, что космические шумы принимаются только

бортовыми лепестками бортовой антенны; Т_пр._бор - шумовая температура входного устройства бортового приемника.

Как правило велико, однако увеличивая энергетические параметры земного

оборудования можно считать, что большое значение Тсе несущественным.

Лекция 21

Спутниковые сети VSAT

Благодаря прогрессу в области микроэлектроники и радиотехники на мировом рынке появились малогабаритные и относительно недорогие земные станции, получившие название VSAT (Very Small ApertureTerminal), которые не является мобильными, а скорее быстро-развертываемые. В основе технологии VSAT лежит использование мощных бортовых ретрансляторов диапазона 11/14 ГГц. с антенной диаметром 1-3 м обеспечивающие следующие виды связи: телефонную, обмен данными между ЭВМ, факсимильную. Максимальная скорость передачи информации до 64 кбит/с. Любая такая станция согласуется практически со всеми стандартами цифровой передачи данных - из них можно собрать систему, объединяющую от двух до нескольких сотен абонентов.

Все действующие в настоящее время сети или системы VSAT можно разделить на односторонние (широковещательные) и интерактивные. Первые предназначены для распространения различной информации большому числу абонентов, а вторые - для организации информационного обмена между абонентами.

Услуги и технологии интерактивных сетей VSAT (или просто сетей VSAT) представляют наибольший интерес в плане своей технической реализации и более важны для экономического развития крупномасштабных предприятий и регионов.

В настоящее время сети VSAT используются для обмена информацией между земными станциями (ЗС), для связи удаленных абонентов с сетями передачи данных, а также в системах сбора и распределения информации. Применение аппаратуры типа VSAT особенно эффективно в труднодоступных районах, где организация других видов связи затруднена. Английская компания Communications System провела исследования и опубликовала статистический отчет о производстве и реализации аппаратуры VSAT. Согласно результатов исследований к 2010 г. на международных линиях спутниковой связи до 50 % терминальных устройств будет обслуживаться аппаратурой данного типа. Наибольший спрос на аппаратуру типа VSAT наблюдается в США, однако, с каждым годом численность пользователей аппаратуры VSAT за пределами США неуклонно возрастает.

Принципы построения спутниковых сетей VSAT. Системы односторонней связи позволяют осуществлять передачу из центрального пункта во множество отдаленных точек, где антенны настроены только на прием (примером является сеть «IntelnetI» на основе терминалов VSAT для передачи данных в широковещательных целях). В свою очередь, сети интерактивной связи используются для передачи речи и данных. Односторонняя передача видеоизображения может быть легко добавлена в интерактивную сеть.

Для снижения затрат пользователя на оплату ресурса спутникового транспондера построение сетей VSAT основано на разделении нескольких спутниковых каналов между многими пользователями. Сети VSAT базируются на самых современных технологиях построения спутниковых сетей и состоят из двух взаимно независимых сетей передачи данных (AA/TDMA и BOD), основанных на разных принципах разделения ресурса спутникового транспондера.

Структура спутниковой сети VSAT изображена на рис.7.10.

Сеть AA/TDMA основана на технологиях временного уплотнения канала передачи данных TDM (Time Division Multiplexing) и TDMA (Time Division Multiply Access). Технология AA/TDMA обеспечивает организацию пользовательских сетей передачи данных с протоколами Х.25 и TCP/IP. Допускается создание полностью независимых (без внешнего доступа) сетей с размещением консоли управления сетью непосредственно у пользователя. Пользователям сети может быть предоставлен доступ к сети Internet. Модуль VSAT, обеспечивающий функции AA/TDMA (AA/TDMA IDU), имеет три синхронных интерфейса RS232 (1,2 - 19,2 Кбит/с) с поддержкой протокола X.25 и интерфейс Ethernet (10Base5) для подключения компьютерных сетей с протоколом TCP/IP.

Сеть BOD обеспечивает передачу данных через спутниковые каналы связи на различных скоростях, определяемых требованиями пользователя.

Рис.7.10 Структура спутниковой сети VSAT

Построение сети BOD (Bandwidth On Demand) основано на технологии SCPC (Single Carrier Per Channel), обеспечивающей двухстороннюю передачу голосовых и факсимильных сообщений с качеством, соответствующим стандарту дальней связи. Сеть BOD поддерживает режимы передачи данных и голосовых сообщений PAMA (многостанционный доступ с постоянным предоставлением канала) (рис.7.11) и DAMA (многостанционный доступ с предоставлением канала по требованию) (рис.7.12).

Рис.7.11 Соединение в режиме РАМА

В режиме PAMA обеспечивается многостанционный доступ с постоянным предоставлением канала передачи данных (со скоростью передачи до 2048 кбит/с) и передача голосовых сообщений.

Сеть BOD поддерживает как динамичные соединения в режиме DAMA (канал «по требованию»), так и соединения в режиме DAMA по расписанию.

Рис.7.12 Соединение в режиме DAMA

а) в режиме «по требованию»; б) в режиме по «расписанию»

Динамичный процесс DAMA инициируется запросом на установление связи, будь то голос, факсимильное сообщение или данные, поступившие из порта пользователя. Первичный DAMA-контроллер принимает или отклоняет запросы в зависимости от наличия требуемой полосы частот на КА ретрансляторе. Процессор DAMA по запросу назначает частоты, а также регулирует эквивалентную изотропно-излучаемую мощность несущей в зависимости от параметров запрашиваемого соединения.

Соединение DAMA по расписанию назначается один раз в указанное в таблице расписания Системы Управления Сетью время определенного дня либо каждый день в одно и то же время и может быть использовано для соединения «Точка - Многоточие» или «Точка - Точка».

Топология сетей VSAT. Выпускаемое оборудование ориентировано на три базовые топологии сетей VSAT.

Топология «Звезда» («Star»). Данная топология сети обеспечивает многоточечную связь между центральной управляющей станцией (ЦУС или HUB) и удаленными терминалами VSAT.

Весь обмен данными между абонентскими терминалами в сети осуществляется только через ЦУС (рис.7.13). В результате сигнал от терминала VSAT1 до терминала VSAT2 проходит путь VSAT1 - КА - ЦЗС - КА - VSAT2, при котором имеет место «двойной скачок», и время распространения достигает 0,6 с. Это обстоятельство накладывает ограничение на организацию телефонных каналов и других видов информации, чувствительных к задержке, однако, допустимо для многих приложений, связанных с передачей данных. Поэтому задачи сбора и двухсторонней передачи данных между удаленными станциями и центром являются приоритетными, а качественная телефонная связь является дополнительной услугой, реализуемой только между центром и отдельной удаленной станцией (выход в сети общего пользования и организация международных соединений приводит к ухудшению качества речи).

а б

Рис.7.13 Топология спутниковой сети VSAT типа «Звезда» («Star») а) общая схема; б) схема взаимодействия элементов сети

Примерами сетей такого типа может служить сеть «M-Tel», принадлежащая американской компании M-Tel и внедренная в США для работы в диапазоне Ku сети «Nextar 1» компаниями Racal Milgo и Sky Networks.

Сети типа «звезда» статичны, используются для связи из одной точки в большое число точек и работают особенно хорошо в ситуациях, когда необходима связь между множеством отдаленных станций и центральной станцией. Как правило, данные сети асимметричны - более высокоскоростные каналы направлены от узловой станции (ЦУС) к удаленным ЗС VSAT, низкоскоростные - в обратном направлении.

Характерной особенностью сети типа «звезда» являются относительно низкая канальная скорость и неравномерность трафика, создаваемого удаленными VSAT станциями. Примером оборудования такого типа является оборудование компании Теасот. C другой стороны, в сетях типа «Star» в качестве дополнительного сервиса нередко предлагается организация распределения ТВ информации. Например, подобное решение предлагает компания Shiron.

Топология «Каждый с каждым» («Mesh»). Топология сети «Mesh» предусматривает соединение VSAT станций за один «скачок», а ЦЗС (или выделенная станция сети) в данном случае обеспечивает организацию вызова и соединения. Задержка сигнала при этом уменьшается в два раза и составляет не более 0,3с, что практически не ощущается при передаче сообщений, требующих режима реального времени.

Сеть типа «Mesh» в общем случае подразумевает равноправную связь удаленных станций между собой. По сравнению с топологией «Star» в этом случае резко возрастает число направлений связи. Если в сети «Star» число направлений связи равно числу станций сети N, то в данном случае число связей составляет N *(N —1)/2 (рис.7.14). Таким образом, сеть типа «Mesh» обладает большими функциональными возможностями. Кроме задач, решаемых в сети типа «Star», имеется возможность организовать качественную телефонную связь, видеотелефон и даже сеть видеоконференций. Построение такой сети обычно актуально для организации работы больших корпораций, имеющих территориально распределенные отделения, и для телефонизации удаленных и труднодоступных узлов.

Для сетей типа «Mesh» характерны различные модификации технологии многостанционного доступа DAMA.

а б

Рис.7.14 Топология спутниковой сети типа «Каждый с каждым» («Mesh») а) общая схема; б) схема взаимодействия элементов сети

Топология «Точка-точка» (Point-to-point). Топология «Точка-точка» обеспечивает двустороннюю связь между двумя удаленными VSAT терминалами на основе закрепленной полосы частот космического сегмента с использованием магистральных линий преимущественно большой и средней пропускной способности (рис. 7.15).

Рис.7.15 Топология спутниковой сети типа «Точка-точка» (схема взаимодействия элементов сети)

Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30­40 %). Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Кроме того, такая сеть не требует системы управления.

Для организации сетей VSAT наиболее часто используются сети с топологией типа «Каждый с каждым» и «Звезда» (рис.7.16).

Рис.7.16

Многостанционный доступ в спутниковых сетях VSAT. Организация передачи информации в спутниковых сетях VSAT базируется на трех основных методах разделения каналов при многостанционном доступе, а именно: частотном разделении (FDMA), временном разделении (TDMA), кодовом разделении (CDMA). Для оптимизации пропускной способности и стоимости сети в каждом конкретном случае используется сочетание этих методов.

Сеть типа «Star» ориентирована, в первую очередь, на обеспечение услуг, связанных с передачей данных, для которых задержка сигнала не столь принципиальна. Наиболее распространенный способ для решения этих задач - TDM/TDMA. Исходящие потоки от каждой VSAT станции разделены во времени и транслируются на ЦЗС. С целью минимизации арендуемой полосы частот используются различные протоколы «Aloha». Основная задача состоит в том, чтобы исключить коллизии, то есть наложение информации, передаваемой разными VSAT станциями в данный момент времени на одной частоте. При этом, чем совершеннее протокол «Aloha», тем больше задержка информации.

На ЦЗС сигналы коммутируются и мультиплексируются в единый цифровой поток TDM (транслируемый через КА ретранслятор), который доступен для приема любой абонентской станцией сети.

В том случае, когда трафик достаточно устойчив во времени, используется технология SCPC/PAMA. Такое решение обеспечивает в реальном масштабе времени не только передачу данных, но и телефонную связь между VSAT и ЦУС. Сочетание SCPC/PAMA и TDM/TDMA позволяет реализовать сеть по схеме двухуровневой звезды, в которой закрепленные каналы РАМА являются магистральными.

При организации сети «Mesh» актуальна другая задача. Необходимо обеспечить связь каждого абонента с каждым за один скачок. Наиболее распространенной является технология DAMA. Она предусматривает выделение ресурсов сети каждому абоненту только на время их активного взаимодействия. При этом возможны два основных варианта. Первый из них и наиболее распространенный - SCPC/DAMA, при котором выделяется частотный канал по требованию абонента. Во втором варианте TDMA/DAMA предусматривается динамическое распределение временных слотов в кадре TDMA по запросу абонента.

Запрос выделения канала для абонентской станции может быть реализован различными методами. Например, на ЦЗС формируются дежурные каналы, которые обеспечивают только режим запроса и назначения информационного канала для абонента, что обычно имеет место при использовании технологии SCPC/DAMA. Другой метод предусматривает организацию выделенного канала, работающего в режиме TDM/TDMA. Число дежурных каналов либо пропускная способность канала TDM/TDMA выбираются в зависимости от допустимой вероятности отказа в соединении в часы наибольшей нагрузки сети.

Спутниковые системы персональной радиосвязи

В последнее время аппараты сотовой, транкинговой и пейджинговой связи РУз стали привычными, ожидается, что и, терминалы персональной спутниковой связи будут широко распространены. Тогда произойдет объединение наземных и спутниковых систем в глобальную систему связи, т.е. персональная связь станет возможной в глобальном масштабе. Путем набора ТЛФ номера можно будет обеспечить досягаемость абонента в любой точке мира. Однако для этого необходимо, чтобы спутниковые системы связи успешно выдержали испытания и подтвердили заявленные технические характеристики и экономические показатели в процессе коммерческой эксплуатации.

Системы персональной спутниковой связи по сравнению с наземными подвижными системами радиосвязи могут обеспечивать связью абонентов за пределами зоны обслуживания местной подвижной сети радиосвязи, т.к. они не имеют ограничений по привязке к конкретной местности Земли. Спутниковые системы связи по представляемым услугам подразделяются на три основных класса:

- системы пакетной передачи данных (доставка циркулярных сообщений, автоматизированный сбор данных о состояние различных объектов и т.д.);

- системы ( речевой) радиотелефонной связи;

- системы для определения местонахождения (координат) потребителей.

Пакетная передача данных предназначается для цифровой передачи любой информации. Скорость передачи данных в таких системах составляет от единиц до сотен килобайт в секунду, отсутствует непрерывность обслуживания, а оперативность доставки определяется требованиями пользователей (Н., "электронная почта")

В спутниковых системах радиотелефонной связи, как правило, используют цифровую передачу сообщений соответствующую международным стандартам. Причем, задержка сигнала при трансляции от передатчика до приемника не должна превышать 0,3 с, а переговоры во время сеанса связи не должны прерываться. Для обеспечения перечисленных требований при радиотелефонной связи в спутниковой системе необходимо учитывать:

- спутники должны оснащаться высокочастотной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении;

- количество спутников в системе должно быть достаточным, для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания;

- для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что

значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА);

- непрерывность связи через спутник обеспечивается оснащением многолучевыми антенными системами и наличием большого количества узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным оборудованием.

Местоположение или координаты абонентов на Земле определяют, используя аппаратуру двух типов:

- стандартную навигационную аппаратуру (GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает высокую точность определения координат потребителя;

- специальную навигационную аппаратуру, которая по сигналам спутников персональной связи и (или) шлюзовых станций позволяет определять координаты потребителя, но с меньшей точностью.

В случае использования специальной навигационной аппаратуры координаты абонента можно определять следующими способами:

- по сигналам 4-х спутников персональной связи;

- по сигналам шлюзовых наземных станций;

- по сигналам спутников и шлюзовых станций.

Современный уровень спутниковых систем персональной связи и дальнейшее развитие осуществляется благодаря внедрению новых технических решений, к которым относятся:

- обработка сигнала на борту спутника ретранслятора;

- создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией;

- разработка недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением;

- микроминиатюризация функциональных узлов коммутационного оборудования;

- создание мощных солнечных батарей и уменьшение массы спутников;

- разработка специализированных ЭВМ на специализированных БИС;

- применение эффективного и прогрессивного метода многостанционного доступа с кодовым делением каналов CDMA.

В спутниковых системах персональной связи используются спутники, находящиеся на различных орбитах.

Особенности орбит при организации персональной связи через ИСЗ

Орбиты связных КА классифицируют по трем признакам:

- форма орбиты;

- периодичность прохождения над точками земной поверхности;

- наклонение орбиты.

По форме орбиты подразделяются на следующие типы:

- круговые, которые трудно реализуются на практике и требуют периодичной коррекции бортовыми двигателями;

- близкие к круговым, которые наиболее широко используются в связных КА, высота апогея и перигея у таких орбит отличаются на несколько десятков километров;

- эллиптические, высота Н_а (апогея) и Н_п (перигея) значительно различаются (например: Н_а = 38000 - 40000 км, а Н_п = 400 - 500 км).

Виды орбит, используемые в спутниковых системах связи.

- геостационарные, круговые экваториальные орбиты с периодом обращения КА, равным периоду обращения Земли (Т = 23 ч. 56 мин); Н_а = Н_п = 36000 км. КА находится постоянно над определенной точкой экватора Земли и имеет большую площадь обзора.

По периодичности прохождения КА над точками земной поверхности различают следующие типы орбит:

- синхронные орбиты, которые делятся на изомаршрутные и квазимаршрутные: изомаршрутные орбиты характеризуются тем, что проекции орбиты КА на земную поверхность (трассы) совпадает ежесуточно, а у квазимаршрутных - один раз в несколько суток;

- несинхронные орбиты характерны тем, что трассы, соответствующие любым двум оборотам КА вокруг Земли, не совпадают.

По наклонению орбиты, над которой понимается угол между плоскостями экватора Земли и орбиты КА (рис.115). Угол отсчитывается от плоскости экватора к плоскости орбиты против часовой стрелки и может меняться от 0^о до 180^о. По этому признаку различают следующие типы орбит:

- прямые орбиты (наклонение a < 90^о );

- обратные орбиты (наклонение a > 90^о );

- полярные орбиты (наклонени a = 90^о );

- экваториальные орбиты.

При a = 0^о, КА двигается по направлению вращения Земли с запада на восток и называется геостационарной, при a = 180^о, КА двигается против направления вращения Земли с востока на запад.

Рис.115

Следующей особенностью орбиты КА является прецесся, которая обусловлена несферичностью Земли и неравномерностью распределения ее массы, что приводит к изменению (прецессии) плоскости орбиты КА (изменению линии апсид, т.е. линии, соединяющей апогей и перигей). Скорость названных прецессий зависит от формы орбиты, высота апогея и перигея, а так же наклонения. В конечном итоге прецессия плоскости орбиты приводит к смещению восходящего и нисходящего узлов относительно первоначального положения в момент вывода КА на орбиту. Величина прецессии зависит от напряженности гравитационного поля Земли. Увеличение гравитационной напряженности приводит к "спрямлению" орбиты вблизи экватора за счет увеличения скорости движения КА в направлении экватора. При этом КА, движущийся по прямой орбите, начинает отклоняться влево по ходу движения, к КА, движущийся по обратной орбите - наоборот, вправо по ходу движения, т.е. в первом случае прецессия идет в западном направлении, а во втором - в восточном.

По высоте орбит связных КА подразделяются:

- низкоорбитальные группировки (700 - 1500 км);

- средневысотные орбиты (5000 - 15000 км);

- геостационарные космические системы (36000 км).

Диапазоны высот низкоорбитальной группировки обусловлен тем, что ниже 700 км плотность атмосферы высока и происходит уменьшение эксцентриситета, а так же постепенное снижение высоты апогея. В свою очередь, уменьшение высоты орбиты приводит к повышенному расходу топлива и увеличению частоты маневров для поддержания заданной орбиты. На высотах выше 1500 км располагается первый радиационный пояс ВАН АЛЛЕНА, в котором невозможна работа бортовой электронной аппаратуры.

Системы, использующие КА на низких орбитах, имеют лучшие энергетические характеристики радиолиний, чем КА, находящиеся на средневысотных и геостационарных орбитах. Однако уступают им в продолжительности активного существования КА, т.к. при периоде обращения КА на низких орбитах около 100 мин., почти 30 мин., приходится в область тени и бортовые аккумуляторы испытывают от солнечных батарей приблизительно 5000 циклов заряда/разряда в год. Для средневысотных орбит период составляет около 6 часов, а на область тени приходится только несколько минут. Следующим недостатком КА, находящийся на низкой орбите, является то, что он попадает в зону прямой видимости абонента только на 8 - 12 мин. Потому для обеспечения непрерывности связи любого абонента необходимо иметь много КА, которые последовательно при помощи шлюзовых станций или межспутниковых каналов связи обеспечивали непрерывную связь.

Средневысотные орбиты находятся между первым и вторым радиоционными поясами Ван Аллена. Время распространения сигнала в системах, использующие КА на таких орбитах, составляет порядка 130 мс, что незаметно для человеческого слуха. Кроме того, зона прямой видимости спутника - ретранслятора и абонента меньше, чем при использовании низкоорбитальных КА и поэтому количество спутников уменьшается для обеспечения непрерывности связи. С увеличением высоты орбиты увеличивается время и размеры зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории.