Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

3. Архитектура и основные принципы работы спутниковых систем связи

Любая ССС состоит из трех сегментов: пользовательского, спутникового и сег­мента управления. Пользовательский сегмент — это сеть абонентских станций. Сегмент управления включает несколько наземных станций, обеспечивающих управление и сопряжение ССС с наземными системами связи. Спутники на ор­бите выполняют роль ретрансляторов. В этом смысле они мало отличаются от традиционных ретрансляционных систем.

Возможны три основных направления передачи информации: Земля КА (вос­ходящий канал), КА Земля (нисходящий канал) и спутник-спутник. В послед­нем случае бортовая аппаратура КА может выполнять функцию маршрутизации трафика. КА, как правило, поддерживает несколько независимых каналов приемопередачи (стволов или траспондеров). Современные КА могут содержать де­сятки транспондеров. Известно несколько схем спутниковой ретрансляции. Наи­более простая — это схема группового повторителя (прозрачная ретрансляция). Принимаемый групповой сигнал (от наземной станции) преобразуется без демо­дуляции в сигнал выходной частоты, усиливается и транслируется. Известны ме­тоды разделения входного канала на несколько подканалов и отдельная обработ­ка (усиление) в каждом из них. Наконец, в современных ССС, поддерживающих пакетную коммутацию, т.е. с демодуляцией и декодированием сигнала на борту КА, применяются регенеративные схемы ретрансляции сигнал восстанавлива­ется до исходного потока данных, а затем вновь преобразуется в ВЧ-сигнал.

С точки зрения зоны обслуживания выделяют глобальные (охватывающие значительную часть территории Земли) и региональные ССС (т.е. оптимизи­рованные для обслуживания определенного региона или страны). Характерный пример глобальных ССС — Intelsat, Inmarsat, региональных «Молния», Eutelsat, Arabtelsat.

Согласно исторической традиции ССС принято делить на системы фиксиро­ванной спутниковой связи (СФСС) и подвижной (СПСС). Сегодня это деление достаточно условно, и речь скорее надо вести о возможной скорости передачи данных (или о широкополосной и узкополосной связи). Однако данная градация отражена в действующих нормативных документах, и игнорировать ее нельзя. Для ФСС предусмотрено несколько возможных диапазонов частот: С-диапазон (5,9-6,4 и 3,7-4,2 ГГц, восходящий и нисходящие каналы соответственно), Кu-диапазон (14,0 14,5 и 11,7 12,2 ГГц) и Ка-диапазон (27-31 и 17 21 ГГц). В по­следнее время начинают осваивать Q- и V-диапазоны (в районе 40 и 50 ГГц). Для межспутниковых каналов используют диапазоны 54-58 и 59-64 ГГц. Наиболее развитая система ФСС несомненно Intelsat. Основанная в 1964 году как между­народная организация, Intelsat в 2001 году стал частной компанией. К началу 2004 года в ее орбитальную группировку входило 28 действующих КА (и два резервных) на геостационарной орбите. ССС Intelsat связывает пользователей более чем в 200 странах мира.

Формально СПСС должны работать в L- и S-диапазонах частот (1,53-2,7 МГц и 2,7 3,5 ГГц) и ниже 1 ГГц. Но развитие микроэлектронных технологий позво­ляет сегодня делать вполне мобильными и абонентские станции в Ка-диапазоне. Крупнейший оператор СПСС это основанный в 1979 году международный кон­сорциум Inmarsat, в 1999 году преобразованный в частную компанию. Он распо­лагает орбитальной группировкой на GEO в составе 5 КА Inmarsat 1-3 третье­го поколения (один резервный), образующей глобальную систему мобильной связи. До этого в группировку входили 4 КA Inmarsat 1-2 второго поколения (за­пуски в 1990 1992 годах). ССС Inmarsat работает в L- И С-диапазонах и поддер­живает несколько стандартов предоставления услуг как телефонной связи, так и низкоскоростной пересдачи данных. Основной недостаток системы Inmarsat — удаленность ее КА, находящихся на GEO, и связанный с этим комплекс проблем. Даже специально разработанный терминал стандарта Inmarsat Mini-M весит око­ло 3 кг и по размерам соответствует ноутбуку.

В начале середине 90-х годов появилось несколько десятков проектов созда­ния низко- и среднеорбитальных ССС, как для задач телефонии, так и для широкополосной передачи данных (к 1977 году в ITU поступило около 50 таких проектов). В области телефонии до практической реализации дело дошло лишь у двух глобальных низкоорбитальных систем Iridium и Globalstar (персональные спутниковые телефоны). Первая пережила Банкротство и медленно возвращает­ся к жизни, вторая пребывает в состоянии банкротства. Та же судьба постигла и ССС па МЕО - ICO- Наиболее амбициозным низкоорбитальным проектом спут­никовой СПИ была система Teledesic. Предполагалось, что эта система с орби­тальной группировкой и 288 КА будет работать в Ка-диапазоне, однако подобные системы получаются очень дорогими. Наземные беспроводные СПИ развиваются столь стремительно, что конкурировать с ними низкоорбитальным ССС оказа­лось не под силу.

Видимо, первой услуги широкополосной передачи информации мобильным пользователям станет предоставлять Inmarsat, в ближайших планах которого Запуск па GEO спутников четвертого поколения Inmarsat 1-4, обеспечивающих обмен с абонентскими терминалами на скоростях до 432 кбит/с и совместимость с системами сотовой связи третьей поколения (первый спутник Inmarsat 1-4 успешно запущен 11 марта 2005 года).

Упомянем еще об одном виде низкоорбитальных ССС. так называемых little-LEO. Это ССС, работающие в частотном диапазоне ниже 1 ГГц и выполняющие функцию передачи небольших объемов информации вне реального времени. Ха­рактерный пример системы «Гонец» и Orbcomm. KA систем «Гонец» это ретрансляторы с юной обслуживания диаметром примерно 5 тыс. км (высота орбиты 1500 км, наклонение 82,5°). Если принимающий абонент находится вне зоны обслуживания, информация запоминается и передается при пролете КА через его регион. Основное назначении таких систем — электронная почта и пейджинг. Они относительно просты, что существенно снижает стоимость оборудо­вания и услуг.

В последнее десятилетие чрезвычайно мощное развитие получили сети, ис­пользующие геостационарные КА и наземные станции с очень малой апертурой антенн (VSAT - Very Small Aperture Terminal) и их разновидность US AT стан­ции с ультрамалой апертурой антенн (диаметром менее 0,5 м). VSAT-системы широко используются при создании корпоративных ССС. Такие системы за счет относительной простоты и невысокой стоимости наземных станций (диаметр ан­тенн порядка 1,5 1 м в Ku-диапазоне и 0,5 м в Ка-диапазоне) позволяют достаточ­но просто объединить удаленные друг от друга локальные объекты в единую сеть передачи информации со скоростями обмена порядка 2 Мбит/с и выше. И если бы не особенности национального регулирования связи, ряд из них вполне можно было бы отнести к подвижным системам.

Архитектура VSAT-сетей может быть произвольной: точка-точка, каждый с каждым, звезда. Однако для построения распределенных сетей передачи данных наиболее приемлема последняя технология. Она подразумевает наличие одной центральной наземной станции с большой антенной и ряд удаленных терминалов. Связь организуется через центральную станцию в режиме разделения времени. Используют и технологию «каждый с каждым», при этом каналы, как правило, не фиксированы и предоставляются по запросу (механизм DAMA). С точки зре­ния спутникового сегмента отличие технологии VSAT зона обслуживания не накрывается одним глобальным лучом, а разбита на ряд сегментов, охватывае­мых рядом относительно узких лучей. Такой метод поддерживают практически все современные КА на GEO. Отметим, что на фоне неудач низкоорбитальных спутниковых систем передачи данных рынок VSAT-систем успешно развивается, в том числе и в нашей стране. В качестве характерной VSAT-системы назовем принадлежащую ОАО «Газпром» систему «Ямал».

4. Методы множественного доступа в ссс

Один из основных вопросов построения телекоммуникационных сетей доступ множества абонентских (терминальных) устройств к общему коммуникационно­му ресурсу, в случае ССС — к транспондерам. Существует несколько методов мультиплексирования каналов.

Исторически первый метод мультиплексировании — это частотное разделе­ние каналов (FDM), в том числе дуплексных (FD). Самая простая его разно­видность — фиксированное назначение диапазона каждой станции (FAMA — fixed-assignment, multiple access). Каждому каналу присваивается свой фикси­рованный диапазон (своя несущая). В результате для того, чтобы установить дуплексное соединение между двумя станциями, необходимо задействовать че­тыре частотных канала (т.е. два транспондера). Данный механизм существенно упрощает бортовую аппаратуру КА, ретранслятор работает в режиме повторите­ля. Однако его ресурс расходуется достаточно неэффективно, фактически число возможных соединений точка-точка между наземными станциями равно числу транспондеров у КА. Типичный пример — ССС, работающие в С-диапазоне (подавляющее большинство стволов отечественных геостационарных ССС). Шири­на полосы восходящего/нисходящего канала при этом 500 МГц. Как правило, КА поддерживает 12 трап спондеев, ширина канат каждого 36 МГц (плюс защитный интервал 4 МГц между каналами и по К) МГц на краях диапазона 500 МГц). Число каналов можно удвоить, используя ортогональную поляриза­цию сигнала: 12 нечетных транспондеров работают с вертикальной поляризацией антенн, 12 четных - с горизонтальной. При этом центральная несущая верти­кально поляризованных каналов смещена на 20 МГц относительно горизонтально поляризованных. Метод FDM/FD/FAMA хотя и наиболее простой в реализации, но и наиболее неэффективный, особенно когда увеличивается число наземных терминалов.

Дальнейшим развитием множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) стал метод SCPC (single channel per carrier) — один канал на несущую. Речь идет и данном случае о телефонном канале шириной 4 кГц. Суть eго в том, что весь частотный диапазон делится, например, на субканалы 4 кГц, каждый со своей независимо модулируемой несущей. Распределение подкана­лов между станциями происходит на основе метода DAMA (demand-assignment, multiple access) - множественный доступ с назначением канала по запросу. Это означает, что перед началом трансляции каждая станция сообщает центральной (управляющей), что она хочет установить соединение с другой станцией. Для служебных сообщений выделяется специальный сигнальный канал, с помощью которого происходит распределение подканалов между станциями, так, чтобы не было двух станций, одновременно работающих в одном частотном подканале. Скорость передачи данных в каждом подканале зависит от его ширимы, меха­низма кодирования и вида модуляция. Впервые механизм FDMA/DAMA был реализован компанией Comsat в спутниках Intelsat серий IV А и V. В этой си­стеме в сигнальном канале обмен происходит о режиме доступа с разделением времени (ТРМ). Информация передается в циклически повторяющихся кадрах длительностью 50 мс. Кадр разбит на 50 тайм-слотов по 1 мс. Каждый тайм-слот закреплен за определенной наземной станцией (в системе Intelsat их не более 50). В течение тайм-слота наземная станция может передать на частоте служебного канала 128 бит - запросы на предоставление голосового канала или сообщение об освобождении канала.

Исторически следующим после PDMA стали использовать механизм множе­ственного доступа с разделением каналов по времени (TDMA - time-division multiple access). Принцип его прост: вся передача происходит в циклически по­вторяющихся кадрах (фреймах), разделенных на интервалы (тайм-слоты) равной длительности. Каждому передатчику назначается (непостоянной или временной основе) определенный тайм-слот. Основная проблема при этом - не потерять каленую синхронизацию, для чего в начале каждого кадра передается определенная синхропоследовательность. В свое время Европейская конференция по­чтовых и телекоммуникационных ведомств СЕРТ приняла как стандарт структу­ру базового TDMA-кадра для передачи голосовой информации. Предполагается, что после оцифровки и кодирования поток голосовых данных в каждом канале представляет последовательность 8-разрядных выборок с частотой 16 кГц. Один TDMA-кадр обслуживает 16 независимых голосовых каналов. Выборки каждого их них (по 8 бит) последовательно формируют подкадр из 128 бит. Скорость пе­редачи (с учетом частоты выборок 16 кГц) 2,048 Мбит/с. 32 последовательных подкадра образуют кадр длительностью 2 мс. Это означает, что каждая назем­ная станция может передавать данные в одном голосовом канале порциями по 32 8-разрядные выборки каждые 2 мс. Отметим, что реальное время передачи базового ТОМА кадра в 59 раз меньше (33,9 мкс) — скорость передачи наземной станцией базового TDMA-кадра СЕРТ составляет 120,832 Мбит/с.

Достоинство технологии TDMA перед FDMA прежде всего в том, ЧТО в транс-пондере все время присутствует одна модулированная несущая, т.е. существенно снижаются межканальные интермодуляционные помехи. Упрощается и анало­говая часть аппаратуры (нет необходимости отдельно обрабатывать множество частотных каналов). Технология TDMA гораздо лучше подходит для множе­ственного доступа при передаче цифровых данных.

Более универсальным и перспективным методом множественного доступа яв­ляется технология кодового разделения каналов (CDMA). Основные ее досто­инства: невысокая пиковая мощность сигнала, гибкость перестройки каналов н выбора полосы канала, простота перехода с канала на канал, возможность работы нескольких станций в одном частотном диапазоне. Метод этот относительно недавно нашел применение в ССС (впервые — в системе Omnitxacs). Характерные примеры использующих ею систем - ССС Globalstar и Ellipsо. Отметим, однако, что именно на CDMA (в различных вариациях этой технологии) основываются многие проекты перспективных ССС.

Еще один перспективный метод множественного доступа — мультиплексиро­вание посредством ортогональных несущих (OFDM). Он требует относительно сложных средств цифровой обработки сигнала, поэтому до определенного мо­мента и не получил должного распространения. Однако именно на основе данной технологии построен стандарт цифрового телевизионного вещания DVB, в том числе и его спутниковый вариант DVB-S.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее десятилетие XX века беспроводные цифровые коммуникации всту­пили в фазу бурного развития, которая продолжается и в настоящее время. Толч­ком к этому послужило, с одной стороны, начавшееся интенсивное развитие гло­бальной сети Интернет, с другой — внедрение новых, прогрессивных методов кодирования, модуляции и передачи информации. В настоящее время очевидно, что беспроводные широкополосные сети практически находятся вне конкурен­ции по оперативности развертывания, мобильности, цене и широте возможных приложений, во многих случаях представляя собой единственное экономически оправданное решение.

Для стран, в которых большая территория сочетается с невысокой плотно­стью населения, широкополосные беспроводные решения имеют особое значение, так как позволяют экономично и оперативно создавать телекоммуникационную инфраструктуру на обширных территориях. Особенно важно это для информа­тизации удаленных и сельских регионов Российской Федерации и решения одной из важнейших проблем информационной безопасности России — проблемы «ин­формационного неравенства» российских регионов. Поэтому разработка теории в области передачи информации весьма актуальна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Адрианов, В. И. Средства мобильной связи [Текст] / В. И. Адрианов, А.В. Соколов – СПб.: BVH – Санкт-Петербург, 1998. – 256 c.

2. Бобков, В. Ю. Системы связи с кодовым разделением каналов [Текст] / В. Ю. Бобков, М. А. Вознюк, А. Н. Никитин, М. А. Сиверс – СПб.: СПбГУТ, 1999. – 120 с.

3. Громаков, Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи [Текст] / Ю. А. Громаков – М.: Эко-Трендз., 1997. – 238 с.

4. Горностаев, Ю. М. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологий W-CDMA [Текст] / Ю. М. Горностаев, Л. М. Невдяев – М.: Межд. центр НТИ, 1999. – 166 с.

5. Васин, В. А. Радиосистемы передачи информации [Текст] : Учебное пособие для вузов / В.А. Васин, В.В. Калмыков, Ю.Н. Себекин, А.И. Сенин, И.Б. Федоров; под ред. И.Б. Федорова и В.В. Калмыкова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 472 c.

6. Гаранин, М. В. Системы и сети передачи информации [Текст] : Учеб. пособие для вузов / М. В. Гаранин, В. И. Журавлев, С. В. Кунегин. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.

7. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации [Текст] / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. – Москва: Техносфера, 2005 – 592 с.

8. Игнатов, В. А. Теория информации и передачи сигналов [Текст] : Учебник для вузов. / В. А. Игнатов – М.: Сов. радио, 1979. – 280 с.

9. Кудряшов, В. А. Системы передачи дискретной информации [Текст] : Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. тр-та / В. А. Кудряшов, В. П. Глушко – М.: УМК МПС, 2002. – 384 c.

10. Булгак, В. Б. Концепция развития связи Российской Федерации [Текст] / В. Б. Булгак, Л.Е. Варакин, Ю.К. Ивашкевич и др.; под ред. В.Б. Булгака, Л.Е. Варакина. – М.: Радио и связь, 1995. – 224 с.

11. Невдяев, Л. М. Мобильная спутниковая связь [Текст] : Справочник. / Л. М. Невдяев – М.: МЦНТИ, 1998. – 155 с.

12. Ратынский, М. В. Основы сотовой связи [Текст] / М. В. Ратынский; под ред. Д.Б. Зимина. – М.: Радио и связь, 1998. – 248 с.

13. Соловьев, А. А. Техническая энциклопедия пейджинговой связи [Текст] / А. А. Соловьев, С. И. Смирнов. – М.: Эко-Трендз, 1998. – 169 с.

14. Вузов, А. Л. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи [Текст] / А. Л. Вузов, Л.С Казанский, В.А. Романов, Ю.М. Сподобаев; под ред. А.Л. Бузова. – М.: Радио и связь, 1997. – 150 с.

15. Кантор, Л. Я. Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты [Текст] / Л. Я. Кантор, В. В. Тимофеев. – М.: Радио и связь, 1988. – 167 с.

16. Мирошников, Д. Г. Решения беспроводного доступа [Текст] / Д. Г. Мирошников – М.: ООО «Мобильные коммуникации», 1999. – 60 с.

17. Борисов, В. А. Радиотехнические системы передачи информации [Текст] : учеб. пособие для вузов. / В. А. Борисов и др.; под ред. В.В. Калмыкова. – М.: Радио и связь, 1990. – 302 с.

18. Иванов, В. И. Цифровые и аналоговые системы передачи [Текст] : учеб. для вузов / В. И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г. Н. Попов и др.; под ред. В.И. Иванова. – M.: Радио и связь, 1995. – 232 с.

19. Баева, Н. Н. Многоканальные системы передачи [Текст] : учеб. для вузов / Н. Н. Баева, В. Н. Гордиенко, С. А. Курицын и др; под ред. Н. Н. Баева, В. Н. Гордиенко. – М.: Радио и связь, 1997. – 560 с.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 4

   1. Особенности оценки эффективности 4

   2. Эффективность передачи дискретных

cообщений 5

3. Эффективность передачи непрерывных

cообщений 10

4. Эффективность передачи информации в сетях 14

1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ВЕРНОСТИ

ПЕРЕДАЧИ 17

1. Необходимость передачи дискретной

информации с повышенной верностью 17

2. Классификация методов повышении верности 18

3. Метод многоразовой передачи 22

4. Нормы на характеристики канала

тональной частоты 24

3. ТЕХНОЛОГИИ И АРХИТЕКТУРА

БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ 27

1. Персональные беспроводные сети

(технологии Bluetooth, Home RF,

IEEE 802.15.3(4)) 27

1. Стандарты Bluetooth и HomeRF 28

2. Архитектура и логическая

структура сети Bluetooth 30

3. Технические средства сети Bluetooth 37

4. Высокоскоростные персональные

сети стандарта IEEE 802.15,3(3а) 43

5. Сверхбыстродействующие

персональные сети (IEЕЕ 802.15.3а) 46

6. Низкоскоростные сети стандарта

IЕЕЕ 802.15.4 (ZigBee) 51

7. Технология сверхширокополосной

связи 56

2. Беспроводные локальные сети

(стандарты DECT и IEEE 802.11) 67

1. Локальные сети под управлением

IEЕЕ 802.11 68

2. Стандарт DECT 78

1. Беспроводные сети регионального масштаба 93

   1. Региональные сети широкополосного

доступа под управлением IEEE 802.16 96

2. Мобильные сотовые технологии 98

3. Технологии транковой радиосвязи 122

4. Широковещательные сети

— цифровое телевидение 140

1. Системы цифрового телевидения 144

2. Стандарт ATSC 147

3. Стандарт DVB 151

1. Широковещательные сети

— цифровое радио 162

1. Система Eureka-147 163

2. Технология ШОС 174

3. Всемирное цифровое радио (DRM) 180

1. Спутниковые сети 184

   1. Виды орбитальных группировок.