Globalstar: спутниковая система персональной связи
Одной
из наиболее заметных тенденций в развитии телефонии в последнее десятилетие
является быстрый рост числа абонентов сотовой связи. За 26 лет, прошедших от
момента зарождения идеи до настоящего времени, число абонентов, пользующихся
услугами сотовых систем, достигло 200 млн, а к 2001-2002 годам оно увеличится
до 500-600 миллионов. Однако возможность эффективного построения наземных
сотовых систем существует далеко не везде, и альтернативным вариантом —
особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных и
малонаселенных районах — является применение спутниковых систем персональной
связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой
связи, но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом
пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно
увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных
спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в
любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем персональной связи
и их интеграция обеспечат возможность приема и передачи речи, данных и
факсимильных сообщений в любом регионе Земли с приемлемым уровнем цен на
предоставляемые услуги.
КомпьютерПресс
уже знакомил своих читателей (см. № 10’ 1998 ) с первой и пока единственной
спутниковой системой персональной связи Iridium, которая обеспечивает
пользователя, где бы он ни находился, высоконадежной качественной телефонной
связью с помощью аппарата, имеющего размеры и вес сегодняшних телефонов сотовых
систем. Но технический прогресс не стоит на месте, и у уникальной ССПС в
настоящее время зарождается серьезный конкурент. Речь идет о спутниковой
системе связи Globalstar, рассмотрению основных характеристик которой и
посвящена данная статья.
Globalstar
— это глобальная цифровая система персональной связи, основанная на
использовании низкоорбитальных спутников. При разработке системы Globalstar был
использован опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов
фирмы QUALCOMM/FONT>, Inc. Набор услуг системы Globalstar в целом аналогичен
услугам ССПС Iridium и включает передачу речи, данных, факсимильных сообщений,
сигналов персонального радиовызова (пейджинговых сообщений) и, кроме того, —
определение координат подвижных объектов. Следует отметить, что система
предназначена для абонентов не только мобильной, но и обычной связи.
Так
же, как в ССПС Iridium, прежде чем установить связь, мобильный терминал
Globalstar должен будет сначала проверить возможность работы в наземной сотовой
сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение
через спутник. В этом случае сигнал с абонентского терминала (телефонного
аппарата пользователя) будет передаваться через спутник на ближайшую земную
станцию сопряжения, которая соединит его с требуемым абонентом обычной
телефонной сети, сотовой сети или с абонентом системы Globalstar. Принцип
действия системы иллюстрируется на рис. 1. При этом максимальная задержка
сигнала не должна превышать 150 мс, а время установления соединения — 5 с.
Мировой роуминг позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру,
вне зависимости от его географического местоположения.
При передаче речи исходный сигнал
преобразуется в цифровую форму с помощью адаптивного вокодера c линейным
предсказанием (CELP), создающего трафик от 1,2 до 9,6 Кбит/с (средняя скорость
для данного алгоритма приблизительно равна 2,4 Кбит/с). Вокодеры, установленные
на земных станциях, включают в свой состав эхоподавители. Качество передачи
речи при этом, по средней оценке мнений (MOS) , эквивалентно цифровым сотовым
системам. Цифровые данные передаются со скоростью до 9600 бит/с, что заметно
выше, чем в ССПС Iridium (до 2400 бит/с). Вероятность ошибки при этом не
превышает 10-6.
Предполагаемыми
абонентами Globalstar станут люди, совершающие частые поездки и нуждающиеся в
глобальной беспроводной коммуникационной системе.
Для
реализации ССПС Globalstar в 1991 году компаниями Loral Aerospace Corporation
(Нью-Йорк) и QUALCOMM Incorporated (Сан-Диего, шт. Калифорния) был создан
консорциум Globalstar Limited Partnership. В него вошли также ведущие
международные фирмы — производители спутниковых систем и телекоммуникационного
оборудования — Elsag Baily (Италия), Alenia (Италия), Alcatel (Франция),
Hyundai Electronics Industries (Южная Корея), DACOM (Южная Корея) и операторы
связи — France Telecom (Франция), AirTouch Communications (США), Vodafone Group
(Великобритания). В работе по реализации проекта активное участие принимает
группа Alliance. К изготовлению спутниковых платформ привлечена компания Space
Systems/Loral (Пало Альто, шт. Калифорния). Парижская фирма Alcatel Espace
изготавливает для каждого ИСЗ полезную нагрузку, в том числе остронаправленные
антенны. Корпорация QUALCOMM отвечает за разработку абонентской аппаратуры и
оборудования для наземных центров управления, которое обеспечит связь спутников
с наземными сетями. Итальянской компанией Alenia в Риме еще в 1997 году было
построено и официально введено в строй предприятие по сборке, комплектации и
испытаниям космических аппаратов (КА). Компания Air Touch Communications будет
предоставлять услуги спутниковой связи на территории США. Также в проекте участвуют
фирмы Finmecanica/Elsag Bailey Company (Италия), DASA (Deutshe Aerospace
AG/Daimler-Benz AG, Германия), Airospatial (Франция), China Telecom и др. Общая
стоимость системы, включая космический и наземный сегменты, оценивается
приблизительно в 2,6 млрд. долл. США. Годовые эксплуатационные расходы должны
составить 227 млн. долларов.
Система
Globalstar включает три основных сегмента: космический (космические аппараты),
наземный (земные станции контроля, управления и сопряжения) и сегмент
пользователя (терминальные устройства). Рассмотрим их более подробно.
В
соответствии с проектом космический сегмент должен состоять из 48 основных ИСЗ
и 4 резервных (что гораздо меньше, чем в ССПС Iridium), расположенных на 8
орбитах — по 6 основных ИСЗ на каждой ( рис. 2). Орбиты — наклонные, круговые с
наклонением к экватору — 52° (в отличие от полярных орбит с наклонением 86° в
ССПС Iridium), что сужает ширину зоны обслуживания системы в целом. Период
обращения ИСЗ на орбите равен 113 мин. Высота орбит составляет 1414 км (почти в
два раза выше, чем высота орбит ИСЗ Iridium). Большая высота орбиты
обусловливает, с одной стороны, большую зону обслуживания каждого ИСЗ и больший
срок службы КА (7,5 лет), с другой, — большее запаздывание и затухание сигнала,
более дорогой вывод спутника на орбиту.
Космический
сегмент построен так, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание пользователей в
средних широтах. Именно в средних широтах доступными являются не менее двух КА.
Ширина всей зоны обслуживания ограничена 70 ° северной и южной широты ( рис.
3). Поэтому в Антарктиде, на Северном полюсе, в северных регионах России и
Гренландии, в некоторых районах Северного морского пути пользование системой
Globalstar невозможно. В ССПС Iridium подобной проблемы не возникает.
Одной из важных характеристик спутниковых
систем персональной связи, влияющих на качество соединения и доступность
системы, является минимальный угол возвышения ИСЗ над поверхностью Земли. При
большом угле возвышения сигналы от спутника к Земле должны пройти через меньший
слой земной атмосферы, влияющий на затухание сигнала, а всевозможные
препятствия на Земле (горы, растительность, строения) будут оказывать меньшее
воздействие. Требования к минимальному углу возвышения определяют число
спутников в системе. Для полярных орбит число спутников выбирается исходя из
необходимости покрытия экваториальных районов, так как пересечение орбит на
полюсах приводит к существенному переполнению емкости системы в этих местах. В
ССПС Iridium минимальный угол возвышения у экватора равен 8°, а в системе
Globalstar в экваториальных районах минимальный угол возвышения составляет
15-20°, что способствует более качественному обслуживанию пользователей.
ИСЗ
Globalstar представляет собой ретранслятор с преобразованием частот, который
осуществляет прием сигналов в пределах зоны обслуживания, их преобразование и
передачу на земную станцию. Все операции по обработке вызовов, их коммутации,
преобразованию сигналов и разделению каналов производятся на Земле, где
реализация данных функций обходится дешевле, аппаратура доступна для
технического обслуживания и может быть со временем модернизирована. Отсутствие
обработки сигнала на борту КА, а также отсутствие в системе Globalstar линий
межспутниковой связи (в отличие от ССПС Iridium) делают КА проще и надежнее.
На
спутниках Globalstar предусмотрена трехосная система стабилизации. Вес ИСЗ —
около 450 кг. Солнечные батареи имеют мощность 1100 Вт. Мощность передающей
системы ИСЗ приблизительно равна одному киловатту. За счет оперативной
регулировки потребляемой мощности бортового ретранслятора в каждом канале в
соответствии с условиями приема минимизируются энергетические ресурсы ИСЗ.
Общий вид ИСЗ изображен на рис. 4 и 5.
Для
связи с земными станциями (фидерные линии связи) на спутниках устанавливаются
по две рупорные антенны (для приема и передачи), работающие в С-диапазоне
частот (5091-5250 МГц для линии “вверх” Земля-ИСЗ и 6875-7055 МГц для линии
“вниз” ИСЗ-Земля). Этот диапазон за счет применения правой и левой круговой
поляризации будет использоваться дважды.
Для
линий связи ИСЗ с мобильными пользователями предусмотрена эксплуатация частот
L-диапазона (1610-1626,5 МГц) для линии “вверх” абонент-ИСЗ и S-диапазона
(2483,5-2500 МГц) для линии “вниз” ИСЗ-абонент. Антенны L- и S-диапазонов
представляют собой активные фазированные антенные решетки (ФАР) с 16 лучами.
Каждый луч (лепесток) имеет свою зону обслуживания на поверхности Земли
площадью приблизительно 2,9 млн. км 2. Совокупность лучей образует зону
обслуживания ИСЗ, близкую по форме к кругу диаметром 7600 км. Приемная антенна
(L-диапазон) состоит из 61 элемента. Передающая ФАР (S-диапазон) возбуждается
91 печатным усилительным элементом мощностью 4 Вт каждый. Общая мощность ИСЗ в
S-диапазоне достигает 400 Вт и может плавно перераспределяться между лучами.
Для
уплотнения телефонных каналов в системе Globalstar будет использоваться
комбинация методов многостанционного доступа с частотным и кодовым разделением
каналов (МДЧР и МДКР). Общая полоса частот шириной 16,5 МГц, отведенная для
связи в L- и S-диапазонах, разделена на 13 поддиапазонов шириной 1,25 МГц, в
каждом из которых выполняется кодовое уплотнение сигналов от нескольких
(порядка 50) абонентов. Для этого сигнал абонента преобразуется в
широкополосный сигнал (1,25 МГц).
Широкополосные
сигналы в отличие от узкополосных позволяют существенно снизить требования к
развязке между соседними лучами многолучевой антенны. Такие сигналы
обеспечивают мягкую перегрузку, то есть превышение номинальной загрузки не
приводит к отказу, а лишь несколько снижает на короткое время качество передачи
каждого сигнала, что обычно считается допустимым. Применение МДКР позволяет
изящно решить проблему переключения абонента с заходящего спутника на
восходящий. Как только происходит снижение уровня пилот-сигнала во время работы
абонента в каком-либо луче, терминал по команде станции сопряжения
автоматически переключается на двухканальный режим работы, в котором
обеспечивается одновременный прием и когерентное сложение сигналов от двух
разных лучей или от разных спутников. Через некоторое время поступает команда
на отключение первого луча, и обмен информацией производится только через
второй луч. Какое-то время сигнал от абонента принимается и передается
одновременно с двух спутников, а земные станции обрабатывают суммарный сигнал,
что делает процесс переключения спутников незаметным для пользователя. Такая
технология — возможность когерентного сложения сигналов от нескольких спутников
в приемном устройстве пользователя — позволяет также уменьшить влияние
затенения от препятствий на поверхности Земли. К недостаткам МДКР следует
отнести тот факт, что использование широкополосных сигналов усложняет
оборудование пользовательских терминалов и увеличивает время вхождения в зону
связи.
За
счет МДКР, учета речевой активности и применения многолучевой антенны
обеспечивается повторное использование частот, в результате чего каждый ИСЗ
способен к одновременной ретрансляции около двух тысяч телефонных каналов. При
этом на 1 миллион кмFONT>2 поверхности Земли ИСЗ Globalstar одновременно
обеспечивает всего несколько десятков каналов связи, что еще раз подтверждает
тот факт, что спутниковые системы персональной связи в отличие от наземных
сотовых систем не ориентированы на использование в густонаселенных районах.
Наземный
сегмент ССПС Globalstar включает земные станции сопряжения, а также центры
управления и контроля орбитальной группировкой (Satellite Operations Control
Center) и наземными средствами (Ground Operations Control Center). Центр
управления и контроля орбитальной группировки на основе телеметрической
информации контролирует текущее состояние ИСЗ и параметры их орбит, при
необходимости выдает соответствующие команды. Центр управления и контроля
наземных средств отвечает за планирование и распределение ресурсов системы,
контроль за ее функционированием. Центры будут расположены на территории США и
связаны между собой и с другими земными станциями системы с помощью специальной
сети передачи данных GDN (Globalstar Data Network).
Поскольку
система Globalstar в большей степени ориентирована на интеграцию с
существующими наземными телекоммуникационными инфраструктурами, станции
сопряжения являются в ней основными коммуникационными элементами. Фактически
земные станции сопряжения являются шлюзами, на которые возложены функции
обеспечения интерфейса с существующими и будущими телекоммуникационными
системами, в частности с наземными телефонными сетями общего пользования и
сотовыми системами связи в зоне обслуживания каждого ИСЗ. Все вызовы (местные и
международные) должны обрабатываться и коммутироваться на станции сопряжения. В
этом состоит так называемый региональный принцип построения связи – обязателен
выход каждого абонента на ближайшую станцию сопряжения и далее — на
существующую фиксированную сеть или на связь с другим абонентом. Таким образом,
в организации любого соединения участвуют земные станции. Поскольку основную
часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%),
такое решение выглядит весьма рациональным, облегчает связь с абонентами сетей
общего пользования, укорачивая трассу для основной массы соединений, а также
позволяет сделать систему частью национальной сети каждой страны, что
привлекает операторов связи, позволяя им получать дополнительные доходы.
С
другой стороны, так как в системе задействовано большое число земных станций
сопряжения, соединения становятся зависящими от состояния наземных сетей. Для
глобального покрытия земной поверхности (в пределах 700 Roman">северной
широты — 700южной широты) с учетом национальных границ и минимизации наземного трафика,
по оценкам разработчиков Globalstar, потребуется 150-210 станций сопряжения, в
том числе 9 — на территории России. Типовая станция сопряжения содержит 4
идентичные следящие параболические антенны с диаметром рефлектора 5,5 м с левой
и правой круговой поляризацией ( рис. 6, 7) и стоит около 5,5 млн. долл. На
стыке земной станции с наземными сетями общего пользования используется
стандартный интерфейс Т-1/Е-1 и системы сигнализации R1, R2 и №7.
Сегмент
пользователя системы Globalstar может включать один из трех основных типов
терминалов: портативные (аналогичные сотовым — см. рис. 8, 9), мобильные
(устанавливаемые в автомобилях или других транспортных средствах — см. рис. 10)
и стационарные (телефонные аппараты, таксофоны — см. рис. 11). Последовательный
порт ввода/вывода данных позволит подключать к терминалам пользователя
компьютер, факсимильный аппарат или другие внешние устройства и обеспечивать
передачу данных или факсимильных сообщений. Предусматривается адаптивное
управление мощностью передатчика терминала.
Портативные
и мобильные аппараты оборудованы ненаправленными антеннами и могут
функционировать также в наземной сотовой сети стандарта GSM, AMPS или IS-95.
Фирмой QUALCOMM предполагается выпуск портативных и мобильных терминалов трех
типов: трехрежимных (Globalstar/AMPS/IS-95), двухрежимных (Globalstar/GSM) и
однорежимных (Globalstar). Терминалы Globalstar, работающие более чем в одном
режиме, должны сначала проверить возможность работы в наземной сети
персональной радиосвязи и, если это невозможно, попытаться установить
соединение через спутник. При переходе таких терминалов от режима работы в
сотовой сети связи в режим работы в системе Globalstar автоматическое
переключение не предусматривается. Если абонент покинул зону действия сотовой
сети, связь будет прервана и для ее восстановления необходимо будет вновь
запросить соединение, но уже в ССПС Globalstar.
Вес
портативного терминала — около 350 г, размеры 190 х 60 х 30 мм, а его мощность
не превышает 0,6 Вт. Заряда аккумулятора при работе в режиме системы Globalstar
будет хватать на 8 часов дежурного приема и на 1 час разговора. В режиме
наземной сотовой системы связи продолжительность его работы увеличится до 12
час дежурного приема и 2 час разговора (или даже больше); в данном режиме
терминалы Globalstar должны в среднем потреблять энергии меньше, чем аналоговые
сотовые телефоны, и, соответственно, продолжительность работы их аккумуляторов
должна быть больше.
Мобильные
терминалы отличаются от портативных дополнительным усилителем мощности и
внешней антенной. Мощность мобильного терминала не превышает 3 Вт.
Стационарные
аппараты Globalstar предоставят услуги связи в отдаленных районах, где нет ни
сотовых систем, ни наземных коммуникаций. Такие терминалы предназначены для
работы только в ССПС Globalstar. Они оборудованы усилителем и внешней антенной
с усилением +7дБ и имеют эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 3,2 Вт.
Компания
Globalstar намерена предлагать услуги связи по более низким тарифам, чем те,
что используются в настоящее время в системе Iridium. Предусматривается
дифференцирование цен в зависимости от географического района и уровня
сервисных услуг: 0,35; 0,53; 1; 3 долл. за 1 мин разговора. В среднем стоимость
одноминутного соединения должна находиться в пределах 0,35-0,65 долл. США плюс
плата за услуги местных (наземных) линий связи. Ожидаемая цена портативного
терминального устройства производства фирмы QUALCOMM также гораздо меньше, чем
спутникового телефона системы Iridium, и составляет около 700 долл.. Компания
Globalstar L.P. считает, что принятая ею структура ценообразования будет
способствовать более быстрому распространению услуг и позволит ей создать
широкий круг постоянных клиентов. Ожидается, что к 2002 году число абонентов
ССПС Globalstar превысит 2,7 млн., а к 2012 году, по мнению разработчиков
проекта, система сможет обслужить до 14 млн. пользователей.
Есть
основания предполагать, что после ввода в строй системы Globalstar и устранения
монопольного положения на рынке услуг спутниковой персональной связи ССПС
Iridium цены на услуги и оборудование последней будут в значительной степени
снижены.
Предполагается
использование системы Globalstar и на российском рынке, так как он становится
все более открытым для зарубежных поставщиков услуг. Кроме того, в России
требования пользователей к уровню услуг в последнее время возросли, и появились
потребители, способные оплачивать услуги ССПС. Планируемый рынок Globalstar в
России составляет примерно 7,5 % от мирового. Проект российского сегмента ССПС
Globalstar разработан институтом “Гипросвязь” по заказу “АО Ростелеком”. В
соответствии с данным проектом в настоящее время на территории России уже
строятся 3 станции сопряжения (в Москве, Новосибирске и Хабаровске), а к 2005
году предполагается соорудить 9 станций сопряжения, способных обслуживать 260
тыс. пользователей. Национальным оператором и эксклюзивным поставщиком услуг
системы Globalstar в России является ЗАО “ГлобалТел”, которое учреждено
компанией Globalstar Ltd. и “АО Ростелеком” в 1996 году.
В
настоящее время консорциум Globalstar имеет соглашения с провайдерами услуг
более чем в 100 странах. Коммерческую деятельность по предоставлению услуг
связи планировалось начать с 1 квартала 1999 года. Первые 8 космических
аппаратов были выведены на орбиту Земли еще в начале 1998 года с использованием
ракет-носителей (РН) Delta II, но 9 сентября 1998 года попытка запуска 12
космических аппаратов Globalstar с помощью РН “Зенит” потерпела неудачу. В
связи с этим начало коммерческой эксплуатации ССПС Globalstar было перенесено
на III квартал 1999 года. В конце 1998-начале 1999 года предполагается провести
3 запуска спутников Globalstar с использованием РН “Союз” (по 4 ИСЗ в каждом
запуске), а к маю 1999 года — создать орбитальную группировку из 32 ИСЗ,
достаточную для начала функционирования ССПС. Полную группировку ИСЗ из 48
основных и 4 резервных планируется создать к концу 1999 года. Всего
предполагается осуществить 5 запусков РН “Союз” (по 4 КА), 6 запусков РН Delta
II (по 4 КА) и 2 запуска РН “Зенит”.
После
2004 года, когда система выработает свой ресурс, компания Globalstar планирует
замену существующей аппаратуры первого поколения на усовершенствованную
аппаратуру системы Globalstar-II, которая обеспечит более высокую скорость
передачи информации, улучшенное качество работы и большее число каналов.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.i2n.ru