Характеристика спутниковых сетей связи

Рисунок 6 - КА на высокоэллиптической орбите

КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,4° и 116,6°. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты под спутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена.

3 Современные системы спутниковой связи

3.1 Геостационарные спутниковые телекоммуникационные системы со стационарными станциями

Спутниковые телекоммуникационные системы, использующие геостационарные КА для обмена информацией между стационарными земными станциями, предназначаются для организации:

1. магистральных международных каналов связи;

2. магистральных каналов для взаимоувязанной сети связи России;

3. ведомственных или корпоративных телекоммуникационных сетей;

4. телекоммуникационных сетей со стационарными персональными терминалами.

Международные и национальные сети. При создании спутниковых международных или национальных каналов и сетей связи используются ретрансляторы с широкими лучами приемопередающих антенн (17х 17- глобальный луч, 17х 8,5- полу глобальный луч, например, для северного полушария, 6х12- зональный луч для покрытия территории России и др.). Широкие лучи антенн ретранслятора обладают малой ЭИИМ и требуют установки на земных станциях антенн большого диаметра (до 32 м). Диаметры антенн земных станций минимальны в диапазоне 4/6 ГГц (12-16 м), где практически отсутствует поглощение радиосигнала в дожде. В стволе с полосой 36 МГц обеспечивается передача информации со скоростью до 60 Мбит/с (ФМ-4), в стволе с полосой 72 МГц - 140-155 Мбит/с (ФМ-8).

В диапазоне 4/6 ГГц с широкими лучами приемопередающих антенн ретранслятора созданы и успешно эксплуатируются международные системы спутниковой связи INTELSAT, ИНТЕРСПУТНИК, а также многие региональные и национальные системы. Спутниковые магистральные сети и линии связи испытывают конкуренцию со стороны волоконно-оптических линий связи, которые в ряде случаев оказываются экономически более выгодными.

Ведомственные спутниковые сети VSAT. При использовании более узких зональных лучей антенн ретранслятора КА, таких как 5х5 в диапазоне 4/6 ГГц и порядка 2х3 в диапазоне 11/14ГГц, за счет существенного увеличения ЭИИМ ретранслятора в зоновом луче, связанного с увеличением коэффициента усиления бортовой антенны, можно создавать земные сети связи типа "звезда" или "каждый с каждым" с терминалами, имеющими антенны с малыми апертурами (VSAT - Very Small Aperture Terminal) и твердотельные усилители мощности с относительно небольшой выходной мощностью. Для примера в таблице 2 приведены основные технические характеристики трёх типов ЗС для российской сети «Ямал» С-диапазона.

Таблица 2 - Технические характеристики ЗС сети VSAT «Ямал»

3.2 Геостационарные спутниковые системы связи с мобильными и персональными терминалами

Ранее дальняя связь с морскими судами и самолетами осуществлялась в диапазоне коротких волн за счет многократного отражения радиосигналов от слоя F2 ионосферы и поверхности Земли. Связь в диапазоне коротких волн характеризуется низкой надежностью и неудовлетворительным качеством передачи телефонного сигнала из-за большого количества помех разного рода в этом диапазоне и неустойчивого характера распространения радиосигналов.

Создание спутниковых систем связи с мобильными терминалами позволило разработать надежные высококачественные каналы дальней связи с морскими и воздушными судами, а также с сухопутными мобильными терминалами. В настоящее время спутниковые каналы связи с мобильными терминалами обеспечивают передачу в цифровой форме телефонных сигналов, факсимиле, электронной почты. Создаются спутниковые высокоскоростные мультимедийные каналы связи для мобильных терминалов.

КА фиксированной спутниковой связи и КА телевещания освещают главным образом сушу земного шара и не могут использоваться для связи с морскими судами и самолетами межконтинентальных авиалиний. Кроме того, антенны земных станций фиксированной связи имеют большие габариты и не могут устанавливаться на самолеты, автомобили и другие мобильные объекты. Поэтому для мобильных терминалов необходимо создавать отдельные специализированные системы спутниковой связи.[6]

В этих системах должна обеспечиваться работа мобильных терминалов с малогабаритными антеннами. Из-за недостаточной энергетики спутниковых каналов связи с малогабаритными терминалами скорости передачи информации в них оказываются существенно ниже, чем в каналах связи со стационарными станциями. Можно сказать, что скорости передачи информации в спутниковых системах связи с мобильными терминалами определяются исключительно энергетикой спутниковых радиолиний. Структура спутниковой системы мобильной связи показана на рис. 7.

Рисунок 7 - Структура спутниковой системы мобильной связи

Протокол спутниковой мобильной связи. Рассмотрим схему (протокол) организации связи на примере международной морской спутниковой системы INMARSAT, в которой для абонентских радиолиний используются диапазоны частот 1,5/1,6 ГГц, а для фидерных линий — 4/6 ГГц. Система INMARSAT использует многостанционный доступ с частотным разделением каналов и метод передачи телефонного сигнала "один канал на несущую", т.е. терминалы являются одноканальными. На выделяемой несущей частоте мобильный терминал может работать в телефонном режиме, режиме передачи данных, либо в телеграфном режиме (телекс).

В системе связи INMARSAT для каналов внеполосной сигнализации выделяются одна закрепленная несущая частота для приема запросных сигналов от терминалов или береговых (базовых на рис.8) станций и одна закрепленная несущая частота для передачи сигналов управления и сигнализации терминалам и береговым станциям от так называемой координирующей станции системы. В исходном состоянии приемники терминалов и один приемник береговой станции настроены на прием несущей частоты сигналов управления и сигнализации.

Этот сигнал запроса принимается координирующей станцией сети связи, которая выделяет пару свободных дуплексных частот для связи и по каналу управления передает значения этих частот терминалу и береговой станции вместе с запросным пакетом. Синтезаторы частот терминала и береговой станции автоматически перестраиваются и устанавливают нужные частоты своей приемопередающей аппаратуры. При этом организуются канал связи "Терминал - береговая станция" и обратный канал связи. Затем производится вызов абонента наземной сети связи общего пользования. По окончании связи терминал и береговая станция посылают сигнал "конец связи" в сторону координирующей станции. Освободившиеся частоты связи могут быть предоставлены другим терминалам.

Каналы связи для мобильных терминалов. Условия работы и соответственно каналы связи для разных классов мобильных терминалов - морских, авиационных, автомобильных, - существенно различаются. Соответственно системы спутниковой связи для мобильных терминалов создаются с учетом этих различий.

Связь с морскими судами. Для этой цели используется международная система спутниковой связи INMARSAT с четырьмя геостационарными КА над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами с глобальными лучами ретрансляторов (над Атлантическим океаном размещается КА с пятью узкими лучами в глобальной зоне обслуживания). Система морской спутниковой связи в принципе должна быть международной, поскольку ни одна страна, за исключением России, не видит одновременно все КА системы INMARSAT со своей территории и все страны должны использовать береговые станции на чужих территориях при связи со своими судами.

Связь с воздушными судами. Спутниковые каналы связи с воздушными судами имеют свои особенности. Поскольку самолетная антенна располагается в верхней части фюзеляжа, корпус самолета экранирует часть отраженных от Земли сигналов, так что отношение мощности прямого луча к мощности отраженных лучей составляет порядка 13 дБ при полете над морской поверхностью. Для достижения надежности связи 99% в этом случае достаточен запас по энергетике абонентских радиолиний на замирания сигнала порядка 4 дБ. Однако большие задержки отраженных лучей относительно прямого луча при связи с самолетами приводят к межсимвольной интерференции сигналов, ограничивая скорость передачи информации в радиоканале до величины около 9,6 кбит/с.

Спутниковые каналы связи с самолетами создаются для связи и навигации самолетов на трассах полета, которые не могут обслуживаться наземными радиосредствами. Сюда относятся трассы полетов над океанами, труднодоступными и пустынными местностями. В соответствии с концепцией Международной организации гражданской авиации (ICAO) самолеты, совершающие международные рейсы, должны быть оборудованы приемником спутниковой навигационной системы.

Связь с сухопутными мобильными терминалами. Спутниковая связь с сухопутными мобильными терминалами (автомобили, персональная связь) трудноосуществима и находится в начале своего развития. Этот наиболее массовый вид связи определяется в большей степени национальными задачами отдельных стран и создается в рамках региональных систем мобильной и персональной связи.

При использовании геостационарных КА связь с автомобилями в средних и высоких широтах оказывается ненадежной из-за экранирования трассы распространения сигнала различными препятствиями: деревьями, холмами, зданиями и т.п. Для надежной связи с мобильными и персональными терминалами необходимо обеспечить углы места терминалов не менее 30-40. Поэтому для средних и высоких широт более выгодными оказываются группировки КА на высоких эллиптических орбитах типа "Молния", а также на круговых низких и средних орбитах.

3.3 Геостационарные спутниковые системы телерадиовещания

Для России с ее протяженной территорией необходимы две системы спутникового телерадиовещания:

1) система распределения телерадиопрограмм по временным поясам вещания с последующей ретрансляцией этих сигналов через местные наземные эфирные станции теле- и радиовещания;

2) система непосредственного телерадиовещания на индивидуальные приемники, также привязанная к местному времени поясов вещания.

Территория России (СНГ) разделяется на пять поясов вещания: зоны А, Б, В, Г, М. Программы центрального вещания из Москвы с соответствующей задержкой по времени ретранслируются через три КА в поясные зоны вещания, как это показано на рис. 8.

Рисунок 8 - Схема распределения программ центрального

телерадиовещания по территории России

Для ретрансляции сигналов телерадиовещания используются КА и частоты фиксированной спутниковой службы в диапазоне 4/6 ГГц. Сигналы принимаются земными станциями с антенной диаметром 2,5 м. В каждом стволе ретранслятора с полосой 36 МГц могут передаваться четыре цифровые ТВ-программы высокого качества со скоростью 6 Мбит/с (видео) и стереозвук со скоростью 256 кбит/с плюс 4x2 Мбит/с данные, включая Internet и радиопрограммы в режиме стерео со скоростью 256 кбит/с.