Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Институт инженерной физики и радиоэлектроники
Кафедра радиоэлектронных систем
Реферат
Принципы построения систем спутниковой связи
Выполнил:студент гр. РФ 10-01
АрикуловД.Б.
Проверил:преподаватель
ЗандерФ.В.
Красноярск 2010
Содержание
Введение
Особенностисистемы спутниковой связи (ССС)
Преимущества и ограничения ССС
Космический сегмент
Сигнальная часть
Наземный сегмент
Международные консорциумы в ССС
Тенденции технологии
Введение
Сегоднярастут потребности в телекоммуникациях. Наземные радиорелейные линии не могут вполной мере удовлетворить обмен радиовещательных и телевизионных программ,особенно если они сильно удалены друг от друга. Между ретрансляторами не можетбыть больших расстояний, поэтому размещение наземных ретрансляторов связано созначительными техническими и экономическими сложностями, а связь через океаны итруднодоступные территории просто невозможна. От этих недостатков свободныспутниковые системы связи (ССС). Они могут ретранслировать сигналы с высоты вдесятки тысяч километров. ССС обладают высокой пропускной способностью ипозволяют обеспечить экономичную круглосуточную связь между любыми оконечнымипунктами, обмен радиовещательными и телевизионными программами, одновременнуюработу без взаимных помех большого числа линий.
Особенностисистемы спутниковой связи (ССС)
Воснове построения спутниковой системы связи лежит идея размещения ретрансляторана космическом аппарате (КА). Движение КА длительное время происходит беззатрат энергии, а энергоснабжение всех систем осуществляется от солнечныхбатарей. КА, находящийся на достаточно высокой орбите, способен «охватить»очень большую территорию — около трети поверхности Земли. Через его бортовойретранслятор могут связываться любые станции, находящиеся на этой территории.Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутникасигнала от передающих наземных станций к приёмникам.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 терминируетникакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекциивозникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковаяпередача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается водной 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 орбитыи запуска спутника. Сигнальная часть включает вопросы используемого спектрачастоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источникиинтерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегментвключает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различныхприложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналамспутника.
Преимуществаи ограничения ССС
СССимеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторыеособенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связьпривлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которыенеприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.
СССимеет ряд преимуществ:
· Устойчивыеиздержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит отрасстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковыесигналы — широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно,остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС.
· Широкаяполоса пропускания.
· Малаявероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передачепобитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежныестатистические схемы их обнаружения и исправления.
Выделим также рядограничений в использовании ССС:
· Значительнаязадержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите приводитк задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержкавполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективнымиспользование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.
· РазмерыЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС(особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметрантенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции.
· Защитаот несанкционированного доступа к информации. Широковещание позволяет любой ЗС,настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутникоминформацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечиваетзащиту 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-полосечастот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохойпогоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период отнескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничиваетразвертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.
Влияниеупомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частныхсетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенныхназемных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все болеевозрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.
Космическийсегмент
Современныеспутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты,в которых период орбиты равен периоду отметки на поверхности Земли. Этостановится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли нарасстоянии 35800 км в плоскости экватора. Большая высота, требуемая дляподдержания геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительностьспутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле черезспутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстоянияпо поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками. В настоящеевремя наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно; 67опо 143о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь странСеверной, Центральной и Южной Америки. Главными компонентами спутника являютсяего конструкционные элементы; системы управления положением, питания;телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна. Структура спутникаобеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себеспутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись вбесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентацияантенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограниченыв основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечнымбатареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течениедесяти лет).
Телеметрическоеоборудование спутника используется для передачи на Землю информации о егоположении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаютсясоответствующие команды, по получении которых включается энергетическоеоборудование и коррекция осуществляется.
Сигнальнаячасть
1Ширинаполосы
Ширинаполосы (bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации,которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковыйприемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.
Обычноширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионныйканал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутникахсвязи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.
2Спектрчастот
Спутникисвязи должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов передретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Издвух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС(нисходящие потоки), верхняя — для передачи от ЗС на спутник (восходящиепотоки). Каждая пара частот называется полосой.
Современныеспутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: C-полосу (отспутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц), или Ku-полосу (14 ГГци 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики,ориентированные на разные задачи связи .Спутниковые диапазоны полос передачи, L (GHz) Полоса, С (MHz) Диапазон частот, Ku (GHz) Доступная ширина, Ka (Hz) 1.6/1.5 15 6/4 500 14/12 500 30/120 2500
Таблица1
Большинстводействующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может покрыватьзначительную область земной поверхности, что делает спутники особеннопригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы,являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн наЗС. 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 дляназемных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковыесигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие припередаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотногопроживания населения.
Передачав Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный,узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединенийот точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом невлияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрахгородов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими,более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайночувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотяподобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область втечение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такиеусловия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни,полдень пятницы).
3Передачаречи и данных
Мультиплексированиес разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексированиянескольких речевых каналов или каналов данных на один спутниковыйприемопередатчик.
ВFDM волновая форма каждого индивидуального телефонного сигнала фильтруется дляограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затемпреобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составнойсигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов,размещенных в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько группповторно мультиплексируются и формируют большую группу, которая может содержатьот 12 до 3600 отдельных речевых каналов.
Мультиплексированиес временным разделением (TDM) — другой метод для передачи речи и/или данных поодному каналу. Если в FDM для передачи речевого сигнала (или данных)назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDMпередача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем каналеповторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (frame),разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно дляпередачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохраненияот возможных потерь информации используются накопители (буферы).
5СистемаAloha
Влияниеразработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протоколамножественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) наразвитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.
Вданной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. Влюбой момент времени каждая ЗС может передавать лишь один пакет. Посколькуспутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когдапакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им пакета некоторойдругой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и «разрушают»друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.
Всоответствии с ранним вариантом системы Aloha, известной под названием«чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в любой моментвремени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешнуюпередачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самымполучают положительную квитанцию). В противном случае они знают, что произошлоналожение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и онидолжны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗСсразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадутв конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта длятого, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести вовремени вступающие в конфликт пакеты.
Другойвариант системы Aloha состоит в разбиении времени на отрезки — окна, длинакоторых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакетыимеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетовначиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получитсядвойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложенияпри этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системеAloha). Эта система называется синхронной системой Aloha .
Третийподход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.
Читатели,знакомые с протоколами множественного доступа в локальных сетях, поймут, чтоописанная система Aloha является предшественником используемого в сетяхEthernet протокола множественного доступа с проверкой несущей и обнаружениемконфликтов (CSMA-CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).Особенность протокола CDMA-CD заключается в возможности быстрого определенияконфликтов (в течение микро- и даже наносекунды) и мгновенного прекращенияпередачи. На спутниковых каналах из-за большого времени распространения оперативноепрекращение передачи заведомо испорченных пакетов, к сожалению, невозможно.
Другимусовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС сбольшой интенсивностью нагрузки.
Наземныйсегмент
Технологическоеразвитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапеспутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собойгигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутникивесят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могутбыть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗСвместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости.На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой,определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связиосновано на обслуживании географически удаленных пользователей бездополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы,понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитиюприложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержкиразвертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаевуспешно конкурировать с ССС.
Следовательно,главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сетисвязи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом сэкономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимостиЗС.
Взависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как ужеотмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетяхосуществляются в ЗС. Среди них — организация доступа к спутнику и наземнымсетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразованиечастот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передачерешается оборудованием ЗС.
Внастоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящимиявляются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗСс очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены дляобслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормальногодоступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.
Станциисредней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетейкорпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными взависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных).Различаются два типа корпоративных ССС.
Развитаякорпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такиеуслуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных.Все ЗС такой сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимостьстанции доходит до 1 миллиона долларов.
Менеедорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (донескольких тысяч) микротерминалов (VSAT — Very Small Aperture Terminal)связанных с одной главной ЗС (MES — Master Earth Station). Данные сетиограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг вцифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита собработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.
Четвертыйтип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции,поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной илинескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на приемданных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.
Международныеконсорциумы в ССС
1Intelsat
КонсорциумIntelsat (The International Telecommunications Satellite Organization) — старейший и наиболее крупный — образован в 1965 году с целью предоставлениягосударствам-участникам консорциума (в основном — развивающимся странам)современных технологий связи. Intelsat — это организация, включающая более 120стран полных участников и около 60 стран — ассоциированных участников.
Первыйкоммерческий спутник Early Bird был выведен Intelsat на орбиту в апреле 1965году. К июню того же года спутник официально начал передачу по 240 телефоннымканалам, что эквивалентно одному телевизионному каналу по ширине полосы.Intelsat быстро вырос до крупнейшей ССС с 18 спутниками, располагающимися надАтлантикой, Индийским и Тихим океанами. В настоящее время базовыми спутникамиIntelsat являются мощнейшие Intelsat VIII и Intelsat-К, значительнопревосходящие по своим характеристикам первый Early Bird. Так в сравнении дажес Intelsat VI, оборудованным 48 приемопередатчиками, Intelsat VIII имеет 36С-полос и 10 Ku-полос и поддерживает сотни тысяч телефонных каналов. Ценаспутника на один канал с 100 тыс. долл. снизилась до нескольких тысяч, а ценаминуты использования канала абонентом, составлявшая ранее 10 долл. понизиласьдо 1 доллара. Мощность солнечных батарей Intelsat VIII составляет 4 КВт, т.е.возросла по сравнению с Intelsat VI на 54% и, соответственно, в 4 раза посравнению с Intelsat V.
2Eutelsat
КонсорциумEutelsat (The European Telecommunications Satellite Organization) был образован1977 году для передачи телефонных вызовов и европейских телевизионных программна континенте. В 1994 году участниками Eutelsat были 36 государств Европы, внастоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участникамиконсорциума.
Современнаятехнологическая программа Eutelsat базируется на мощных спутниках Eutelsat II,а в дальнейшем, начиная с 1998 году будет переориентирована на спутникитретьего поколения Eutelsat III, предоставляющие расширенные операционныевозможности и предназначенные для использования в первом десятилетии следующеговека.
3Inmarsat
КонсорциумInmarsat (The International Marine Satellite Organization) образован в 1979году по просьбе Международной морской организации (IMO) со штаб-квартирой вЛондоне с целью организации спутниковой связи для подвижных объектов (морскихсудов и авиационной техники). Организация включает 64 государства, содержит 20крупных, размещенных по всему миру фиксированных ЗС и позволяет одновременно обслуживатьдо 10 тыс. подвижных объектов.
Тенденциитехнологии
Последниедостижения технологии в области спутниковой связи говорят о большихпотенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналовпередачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС заширокополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системамиподвижной связи.
Вряды крупных консорциумов и организаций, ориентированных на геосинхронныеспутники, активно вливаются новые участники, предлагающие услуги сетейподвижных связи и использующие низкоорбитальные спутниковые системы (LEO — LowEarth Orbit). Системы LEO, разрабатываемые рядом американских фирм, используютбольшое число легких спутников на орбитах ниже 2 тыс. км для организации услугпо передаче сообщений и речи, определению местонахождения и срочныхкоммуникаций между мобильными терминалами. В отличие от наземных сотовых сетейподвижной связи, в которых абонент последовательно перемещается через смежныесоты небольшого размера, в системе LEO подобная «сота» ограниченалишь горизонтом земли. Низкая орбита спутников резко сокращает задержку посравнению с системами, ориентированными на геосинхронные орбиты спутников.
Однимиз наиболее амбициозных проектов системы LEO является система Iridium,разрабатываемых компанией Motorola, которая включает 66 спутников, позволяющихобеспечить двухстороннюю радиотелефонную речевую связь. В принципе, нет никакихтехнических препятствий для полного развертывания системы Iridium, однакоглобальный характер и возможность функционирования вне национальных телефонныхсетей предполагают предварительное изучение и установление необходимыхрегулирующих барьеров. Крупные инвестиции в проект Iridium сделаны рядомкомпаний, среди которых Motorola, Nippon Iridium, Lockheed/Raytheon, Sprint иChina Great Wall Industry.
Вряду других крупных проектов систем LEO отметим Globalstar, Odyssey, Ellipso иAries.
В заключение отметим,что ССС постоянно и ревниво сравниваются с волоконно-оптическими сетями связи.Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитиемсоответствующих областей волоконной оптики, что заставляет задаться вопросом осудьбе ССС. Посоветуем любителям спутниковой связи оставаться оптимистами:эволюционно/революционным преобразованиям подвержены, как следовало ожидать, иССС. Например, разработка и, главное, внедрение конкатенирующего (составного)кодирования резко уменьшают вероятность возникновения неисправленной побитовойошибки, что, в свою очередь, позволяет преодолеть главную проблему ССС — тумани дождь.
Литература:
1. ПоваляевА.А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов,формирование измерений и определение относительных координат /Под ред. А. И. Канащенкова – М.: Радиотехника, 2008, 328 с.
2 www.ods.com