Системы подвижной спутниковой связи

Перспективным направлением развития подвижной связи общего пользования является создание спутниковых систем. Системы подвижной спутниковой связи начали развиваться в последние два десятилетия XX в. Одной из первых подобных систем явилась созданная в 1967 г. в США опытная система «TATS». Данные системы спутниковой связи предназначены для организации переговоров между абонентами телефонных сетей общего пользования и мобильными станциями, устанавливаемыми на подвижных объектах (автомобилях, кораблях, самолетах и т. д.), а также осуществления персональной подвижной связи на базе сотовых сетей. При использовании персональной спутниковой связи обеспечивают соединение перемещающегося в пространстве абонента по его неизменному (подобно телефонному), закодированному номеру. В основу организации спутниковой системы радиосвязи заложена достаточно простая идея. На искусственном спутнике Земли, или, проще, спутнике (иногда называемым сателлитом), располагается активный ретранслятор СПСС. Спутник находится на заданной орбите и движется над Землей длительное время, получая электропитание от солнечных батарей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций. На спутнике-ретрансляторе расположена антенная система и приемопередающая аппаратура, осуществляющие прием, преобразование, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) и передачу радиосигналов в направлении земных станций (ЗС) — станций радиосвязи, расположенных на земной поверхности и предназначенных для обеспечения собственно связи. Отметим, что в наземных системах радиосвязи аналогичные станции называются наземными. На рис. 1.45 приведена упрощенная структура построения современной системы подвижной спутниковой связи, работающей непосредственно с телефонной сетью общего пользования

Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум признакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и размещения

ЗС. В состав любой сети спутниковой связи входят земные станции (земной и абонентские сегменты) трех видов:

• абонентские станции (АС) — авиационная, морская, сухопутная,

переносная, персональная;

• земные стационарные станции сопряжения (ЗСС);

• станции управления сетью (СУС).

Очень часто на схемах земные станции ЗСС и СУС объединяют и обозначают как СУС. Кроме того, собственно космический (спутниковый) сегмент содержит устройства, условно названные терминалом телеуправления спутником. (ТТС), обеспечивающим эксплуатацию, телеуправление и контроль за работой систем спутника связи.

По типу используемых орбит различают СПСС со спутниками, расположенными на геостационарных (Geosynchronous; орбита, рассчитанная таким образом, чтобы спутник постоянно находился над одной и той же точкой земной поверхности; для этого он должен перемещаться со скоростью вращения Земли, т. е. его период обращения равен 24 ч; высота 36 000 км; рис. 1.46), высокоэллиптических промежуточных и низких земных орбитах (Low Earth Orbit — LEO). Последние называются системами спутниковой связи на низкоорбитальных спутниках (высота орбит ИСЗ 200...700 км).

Системы подвижной радиосвязи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности электромагнитных колебаний, достаточную для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые системы радиосвязи. Наиболее распространенной международной системой подвижной спутниковой связи является глобальная сеть связи lnmarsat-M, предназначенная для обслуживания подвижных абонентских станций. Сеть Inmarsat-M обеспечивает связь практически с любой точкой мира, позволяет подключить компьютерную сеть Internet, факс и ряд других устройств передачи цифровых данных. Космический сегмент системы связи базируется на геостационарных спутниках, расположенных над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами. В настоящее время спутниковая связь все более переводится в плоскость персонального обслуживания подвижных абонентов. Энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить абонентскую станцию до размеров сотового телефона. Однако применение спутников, находящихся на негеостационарных орбитах, в том числе низкоорбитальных, позволяет, в сравнении с геостационарными спутниками, существенно уменьшить задержку в канале связи, что весьма существенно для передачи речевых сообщений, снизить энергетику линии, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу абонентского терминала, а также использовать абонентские терминалы с ненаправленными антеннами. Это создает преимущества перед геостационарными и высокоорбитальными спутниками и позволяет разрабатывать СПСС с персональными радиотелефонами типа сотового, снабженными ненаправленными антеннами. При этом существенно уменьшаются затухание сигнала на трассах Земля - спутник и спутник - Земля и его запаздывание в каналах связи. Для сравнения отметим, что время задержки сигнала у геостационарных систем спутниковой связи составляет около 300 мс (это особенно заметно по разговорам корреспондентов на телевизионном экране, когда они ведут репортаж через спутниковую систему связи), а у низкоорбитальных — не более 200 мс. Такое уменьшение запаздывания сигналов способствует двух- скачковому (двукратному) методу передачи сигналов через спутники. СПСС с низкоорбитальными спутниками обеспечивают достаточно широкие функции в обслуживании абонентов. Прежде всего, они позволяют организовать телефонную персональную связь с подвижным абонентом, находящимся вне зоны действия телефонных сетей (сотовых и прочих). Кроме того, они широко внедрены в морских службах спасения для радиоопределения местоположения объекта, пейджинга, электронной почты и т. д.

Проект современной спутниковой системы связи основан на широком международном сотрудничестве, в котором участвуют и российские компании. В проекте орбитальной группировки практически каждой спутниковой системы связи используется до 70 спутников-ретрансляторов, расположенных на 4 - 8 орбитах (см. аналог на рис. 1.36). Любой спутник орбитальной группировки своими лучами формирует несколько наземных сот связи. В совокупности один ретранслятор создает на Земле подспутниковую зону диаметром примерно 4 500 км. Полная орбитальная группировка формирует практически сплошную спутниковую зону связи, покрывающую всю поверхность Земли. Из отечественных сетей космической связи наиболее перспективной является система Сигнал. Космический сегмент системы связи Сигнал включает «созвездие» из 45...55 спутников-ретрансляторов, находящихся на орбитах высотой 700...1 500 км. Спутники расположены небольшими группами (3...5 штук) в определенных плоскостях неба так, что при движении по заданным орбитам они узкими диаграммами направленности своих антенн совокупно формируют сотовую структуру заданной зоны обслуживания. Помимоупомянутых систем в ряде стран разрабатывают другие проекты систем спутниковой подвижной связи общего пользования, а также специализированные системы спутниковой подвижной связи, предназначенные для контроля над состоянием и местоположением транспортных средств, обеспечения связи в чрезвычайных ситуациях, осуществления экологического и промышленного мониторинга и т. п. Некоторые из них уже реализованы.

IP-телефония (Internet Phone; Интернет-телефония)

В настоящее время телефонные сети общего пользования, достигнув пределов «совершенства», фактически начинают тормозить развитие технологии передачи сообщений. Коммутация телефонных каналов, в отличие от коммутации пакетов, более не в состоянии удовлетворять растущие потребности рынка связи, в том числе в новых и дополнительных услугах и снижении удельных затрат на расширение сетей. Хотя в последнее десятилетие благодаря компьютерно- телефонной интеграции отмечен определенный рост в развитии ТСОП, цена такой интеграции в сети с коммутацией каналов высока. За последние 10 ... 15 лет телекоммуникационная отрасль претерпевает радикальную перестройку. В начале 90-х гг. XX в. техническая революция перенесла человека из эры традиционной связи на основе коммутации каналов в эпоху более совершенной технологии передачи речи — пакетной телефонии. Сегодня пользователи уже осознают экономические и технологические преимущества новой технологии. Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн выпустил в свет Maven, первую программу для передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh, разработанная в Корнельском университете. Израильская компания «VocalTec» предложила первую версию программы InternetPhone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. IP-телефония — новейшая технология, которая используется в сети Internet для передачи речевых сигналов. IP-телефония — это предоставление услуг телефонной связи по сетям передачи данных, в частности сетям Internet. Что же такое IP-телефония как сетевая концепция? Это интеграция передачи данных и сетей телефонии при ведущем положении услуг передачи данных. Таким образом, как сетевая концепция IP-телефония предусматривает наличие сети передачи данных, где дополнительной услугой обеспечивается телефония. В обычном телефонном звонке подключение между обоими собеседниками устанавливается через телефонную станцию исключительно с целью разговора. Голосовые сигналы передаются по определенным телефонным линиям, через выделенное подключение. Общий принцип действия телефонных серверов IP- телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Internet и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал (голосовые сигналы, т. е. слова, которые мы произносим), оцифровывает и значительно сжимает его, преобразует в цифровые пакеты данных и отправляет в Internet с адресом назначения. При этом используется протокол Internet (TCP/IP). Для пакетов, приходящих из сети Internet на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Для адресата пакеты данных перегруппировываются и декодируются в голосовые сигналы оригинала. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Допустим, звонок телефон-компьютер или компьютер-телефон может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации компьютерной связи телефон(факс) - телефон(факс) нужно два сервера. Заметим, что телефонная сеть была создана так, чтобы гарантировать высокое качество услуги даже при больших нагрузках. IP-телефония, напротив, не гарантирует качества, причем при больших нагрузках оно значительно падает.

Существуют два базовых типа телефонных запросов 1Р-телефонии:

• с компьютера на компьютер;

• с компьютера на телефон.

Качество связи IP-телефонии можно оценить такими характеристиками:

• уровень искажения голоса;

• частота «пропадания» голосовых пакетов;

• время задержки (между произнесением фразы первого абонента и моментом, когда она будет услышана вторым абонентом).

Анализ показывает, что для получения приемлемого качества речи задержки в сети должны быть минимальными, а дополнительная полоса пропускания, которая требуется для передачи речи в существующих корпоративных сетях, ничтожно мала по сравнению с «коммуникационными трубопроводами», необходимыми для транспортировки видео, графических файлов и потоков данных, порождаемых киберпутешественниками и видеоконференциями.

Интеграция телефонии и передачи данных — концепция не новая, она легла в основу другой технологии — ISDN, которая выполняет похожие задачи и, таким образом, является потенциальным конкурентом на телекоммуникационном рынке. В то же время технология ISDN принципиально отличается от IP- телефонии тем, что обеспечивает интеграцию сетей телефонии и передачи данных при ведущем положении услуг телефонии, поскольку использует более соответствующий телефонной связи принцип коммутации каналов.

Исходя из этого различия двух технологий, а также уровня развития сети и следует делать выбор той или другой концепции. Технология ISDN внедряется, когда необходимо передать данные по существующей телефонной сети. Если эта сеть аналоговая, то этапами внедрения ISDN будут: аналоговая телефонная сеть — цифровизация первичной и вторичной сетей — интегрированная цифровая сеть (ИЦС) или IDN — ISDN. Цепочка внедрения услуг IP-телефонии длиннее: аналоговая телефонная сеть — цифровизация первичной и вторичной сетей — создание наложенной сети передачи данных — 1Р-телефония. IP-пакетная телефония приносит с собой новые возможности:

• повышается эффективность использования полосы пропускания каналов за счет эффективных алгоритмов сжатия данных;

• обеспечивается будущая интеграция интерактивных мультимедийных услуг, например видео по запросу;

• организуется управление единой сетью передачи речи, данных и видео;

• используются существующие широко применяемые протоколы;

• выбирается способ телефонной связи, предоставляемый конечным пользователям и позволяющий экономить расходы на междугородные звонки.

Междугородняя (международная) связь осуществляется с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Стоимость такой связи на порядок меньше стоимости телефонного звонка по обычным телефонным линиям.

Особенно велика эта разница для международных переговоров.