Исследование применения сети vsat в системах сотовой связи Магистрант Абдрахманов км группа мтсп122
 Скачать 2.56 Mb.
|
|
5 Некоммерческое акционерное общество «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Телекоммуникационные системы Специальность 6M071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Завкафедрой к.т.н., Шагиахметов ДР. (ученая степень, звание, ФИО) (подпись) «_____»_______________________ 2014 г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ пояснительная записка на тему Исследование применения сети VSAT в системах сотовой связи Магистрант Абдрахманов КМ. _________ группа МТСп-12-2 (Ф.И.О.) (подпись) Руководитель д.ф-м.н.,доцент _______ Кадыров Х.Г. ученая степень, звание) (подпись) (Ф.И.О.) Рецензент к.т.н. _________ Бахтиярова Е.А. ученая степень, звание (подпись) (Ф.И.О.) Консультант по ВТ к.х.н., ст.преп. _________ Данько Е.Т. ученая степень, звание (подпись) (Ф.И.О.) Нормоконтроль к.х.н., ст.преп. ________ Кудинова В.С. ученая степень, звание (подпись) (Ф.И.О.) Алматы, 2014 6 Содержание Введение ....................................................................................................................... 7 1 Организация спутниковой системы связи ............................................................. 9 1.2 Анализ систем спутниковой связи с антенной малого диаметра ............... 10 1.2.1 Особенности технологии сетей VSAT (Very Small Aperture Terminal) ..................................................................................................................................... 10 1.2.2 Конструкция и технические характеристики систем VSAT ............... 11 1.3 Принцип работы VSAT .................................................................................. 14 1.4 Топология сетей VSAT ................................................................................... 17 1.5 Достоинства сети VSAT ................................................................................. 26 2 Спутниковая связь для сетей GSM ....................................................................... 28 2.1 Структура сети GSM ....................................................................................... 28 2.2 Глобальные мобильные системы спутниковой связи ................................. 30 3 Исследование ослабления сигнала ....................................................................... 35 3.1 Ослабление сигнала в ионосфере .................................................................. 35 3.2 Ослабление сигнала в атмосфере в городах Казахстана ............................. 35 4 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС ........... 48 4.1 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС1 (г. Уральск- VSAT) ......................................................................................................... 48 4.2 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС2 (г. Кустанай - VSAT) ...................................................................................................... 52 4.3 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС3 (г. Усть-Каменогорск - VSAT) ...................................................................................... 54 4.4 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС1 (г. Алматы – ЦУП) ......................................................................................................... 56 4.5 Выбор оборудования, расчет мощности передатчика и приемника ЗС5 (г. Астана- VSAT) ........................................................................................................... 59 5 Эксперимент, приема сигнала в различных погодных условиях ...................... 61 5.1 Оборудование, использованное для эксперимента ..................................... 61 5.2 Эксперимент приема сигнал в городе Алматы ............................................ 64 Заключение ................................................................................................................ 68 Список литературы ................................................................................................... 69 Приложение А ........................................................................................................... 71 Приложение Б ............................................................................................................ 72 Приложение В ............................................................................................................ 73 Приложение Г ............................................................................................................ 74 7 Аңдапта Бұл магистерлік жұмыста ғарыштық арналар арқылы ялы байланыс желісін ұйымдастыру мәселелері қарастырылған. Осы жұмыста жететін жолы қиын ялы байланыс желісінің өтеу аумағын қамтамасыз ету мәселелері қойғызған. Сол мәселелені шешу үшін толық байланысты топологиясы бар ғарыштық арнасы пайдаланған; ионосфера, тынық атмосфера мен жауын-шашынды атмосферада сигналдың әлсіреуі есептелген. Тағы да жердегі тарату пен қабылдау станцияларының қуаты есептелген, ЗС-ИСЗ и ИСЗ-ЗС учаскелеріндегі сигналдың әлсіреуі есептелген. Аннотация Данная магистерская диссертация посвящена исследованию спутникового канала для передачи информации сотовой связи. В данной работе освещена проблема покрытия сети сотовой связи труднодоступных мест, для решения данной проблемы использовался спутниковый канал связи с полносвязной топологией, рассчитаны ослабления сигнала в ионосфере, спокойной атмосфере ив осадках. Рассчитаны мощность передатчиков и приемников земных станций, ослабление сигнала на участках ЗС ИСЗ и ИСЗ ЗС. Annotation This Master's thesis devoted to survey the satellite channel to transmit information of cellular network. In this paper highlighted the issue of covering the cellular network remote places, to solve this problem, was used satellite communication channel with a full mesh topology, calculated attenuation of the signal in the ionosphere, in a tranquil atmosphere and precipitation. Calculated power of transmitters and receivers of earth stations, also calculated signal attenuation in phases ES AES and AES ES. 8 Введение На сегодняшний день технологии мобильной связи развиваются достаточно быстро. Это связано с необходимостью масштабирования и мобильности, а технологии мобильной связи являются наиболее востребованными и быстрорастущими. За короткое время системы мобильной связи достаточно быстро эволюционировали. Казахстан является одной из немногих стран мира, где количество абонентов сотовой связи неуклонно растет и рынок бурно развивается. Таким образом, остро стоит проблема покрытия сетью сотовой связи труднодоступных районов и территорий, прилегающих к быстроразвивающимся месторождениям. Стандартному решению, описываемой проблемы мешают такие факторы, как удалённость инфраструктуры систем коммутации базовых станций и их высокая стоимость воплощения в реальность подобных проектов. Одним из возможных решений данной проблемы является коммутация систем сотовой связи с помощью одного геостационарного спутника, располагающегося над территорией Республики Казахстан. Для реализации данного проекта необходимо провести предварительные исследования, включающие в себя определение вероятности задержки прохождения сигнала через систему в зависимости от территориальной принадлежности рассматриваемого объекта, климатических условий обслуживаемой местности, от количества абонентов и от зоны покрытия сети. 9 1 Организация спутниковой системы связи 1.1 Варианты взаимодействие абонентов в спутниковой системе связи Варианты взаимосвязи между абонентами спутниковой системы связи в зависимости от вида предоставляемых услуг режим реального времени, когда абоненты находятся в зоне радиовидимости одного космического аппарата. Задержка передачи речевых сигналов в таком режиме определяется временем распространения сигнала и обработки сообщения на космический аппарат и наземной станции сопряжения режим ретрансляция через наземные станции сопряжения, которые расположены в зоне радиовидимости двух космических аппарата одновременно межспутниковая связь абонентов, когда они находятся в зоне радиовидимости разных космических аппаратов режим переноса информации на борту космического аппарата, при котором образуется виртуальный канал между абонентами, расположенными в разных географических регионах. Длина канала связи для абонентов, удалённых друг от друга на большие расстояния, образованного с помощью межспутниковых линий, существенно больше, чем в наземной сети. Эта разница влияет на задержку сигнала. Схема спутниковой системы связи представлена на рисунке 1.1 [10]. Рисунок 1.1 – Схема спутниковой системы связи 10 1.2 Анализ систем спутниковой связи с антенной малого диаметра 1.2.1 Особенности технологии сетей VSAT (Very Small Aperture Terminal) VSAT – это устройство – земная станция, которое используется для получения и передачи данных через спутник. В системе VSAT используются антенны малого диаметра, обычном. Данная антенна устанавливается на крышу или стену, или ставится на землю. Данный диаметр антенны соответствует диапазону передачи K u , который используется, в основном, для действующих спутниковых систем. Чтобы передавать данные в диапазоне С необходима антенна размера около1,8м. Сетью VSAT является любая сеть спутниковой связи, включающая в себя задействованые земные станции с небольшими антеннами. Особенности сети VSAT в отличие от стандартных систем спутниковой связи сети VSAT являются сетями с фиксированной спутниковой службой космический сегмент VSAT базируется на ресурсах геостанционных спутников-ретрансляторов с непосредственной ретрансляцией и приемопередающими антеннами с глобальным или национальным лучами сеть VSAT является в основном ведомственной сетью диаметр антенн терминалов сетей VSAT не превышает х метров. Спутниковые системы связи взаимно с сетью земных станций VSAT обеспечивают как цифровую телефонную связь, таки цифровую передачу данных. При передаче речи спутниковые системы образуют групповые тракты, которые представляют собой совокупность технических средств, обеспечивающих прохождение группового сигнала, те. несколько телефонных подканалов объединяются в один спутниковый канал, и каналы передачи, представляющие совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов от одной точки в другую. Каналы и групповые тракты спутниковых систем связи достаточно широко используются как на магистральных, таки внутризоновых телефонных сетях связи. Иногда и на местных линиях связи такие системы позволяют организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания ИСЗ. В таком случае они могут работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении потребностей трафика на сети, а также использоваться наиболее эффективно - полнодоступными пучками. На сегодняшний день создано несколько спутниковых систем связи, которые используют систему VSAT. Одной из типичных систем является система, организованная на базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы, установлены в ряде стран, в том числе ив Казахстане. Особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи. 11 Также эффективными системами с закрепленным каналом, которые работают на скоростях от 10 кбит/с и более, являются такие, которые используют временное, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими земными станциями. Один из параметров, характеризующий спутниковые системы, является протокол. Первые спутниковые системы являлись беспротокольными, а канал пользователя был прозрачный. На этой почве можно определить главный недостаток - передача информации пользователя без подтверждения ее доставки принимающей стороной. В подобных системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией. Таким образом, качество спутниковых систем определяется только качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10-6..10-7 передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, а иногда и просто невозможна. 1.2.2 Конструкция и технические характеристики систем VSAT Спутниковая станция типа VSAT состоит из высокочастотного (ODU) и низкочастотного (IDU) модулей. Модуль ODU состоит из антенны и приемопередатчика и размещается вне здания, в котором устанавливается модуль IDU, который в свою очередь состоит из модема и мультиплексора (каналообразующей аппаратуры, (см. рисунок 2.1) [5] Рисунок 2.1 – Состав абонентской станции VSAT В состав комплектации входит параболическая антенна малого диаметpa и пpиемопеpедaтчик. Если абонент находится вдали от центра зоны освещения спутника, тов кaнaле используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра, атак же увеличивается скорость в данном канале. В помещении устанавливается модем и мультиплексор. ODU и IDU соединяются между собой посредством радиочастотных (RF) кабелей, по которым идет сигнал промежуточной частоты (IF) (либо 70 или 140 МГц. 12 Внешний высокочастотный блок, состоящий из антенны и приемопередающего блока, устанавливается на самой антенне. В свою очередь, приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, атак же усиливает передачу вверх и прием высокочастотного сигнала со спутника, осуществляет преобразование в низкочастотный сигнал и передачу к внутреннему блоку. Наружный модуль комплекта VSAT (ODU – OutDoor Unit) состоит из антенны, блока - конвертера с низким уровнем шума или LNB, который усиливает полученные со спутника сигналы, атак же передатчика. Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным центром. Использование данной схемы офсет снижает уровень боковых лепестков, идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи, позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора. Состав антенны рефлектор (зеркала система облучения опорно-поворотное основание (ОПО). Состав основного терминала СВЧ блок преобразования частот усилитель мощности (SSPA или TWT); конвертор малого шума (LNC); блок электропитания (PS); соединительный кабель. Основной функцией приемопередатчика является преобразование после модулятора сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну ив преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор. Внутренний блок (IDU – InDoor Unit) – то небольшой настольный прибор, который преобразовывает информацию, проходящую между аналоговыми коммуникациями на спутнике и местными устройствами, такими как телефоны, компьютерные сети, ПК, ТВ и т.д. IDU могут содержать также дополнительные функции, такие, как безопасность, ускорение сети и другие свойства. Внутренний блок соединяется с внешним посредством двух кабелей. Внутренний блок представляет собой стойку с установленным в ней спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно. Спутниковый модем предназначен для кодирования передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора. 13 Мультиплексор используется для мультиплексирования голосовой, факсимильной информации, атак же для передачи данных. Мультиплексор позволяет объединить телефонный и факсимильный трафик с синхронной и асинхронной передачей данных в один канал, предаваемый по сетям, наземным или спутниковым линиям. Данное действие снижает телекоммуникационные затраты посредством увеличения уменьшения пропускной способности канала с передачей большего количества информации. Для организации доступа к сетям наземных телекоммуникаций используют спутниковые шлюзы, которые представляют собой большие станции к которым подключены через спутник станции. Функции шлюза доступ к телефонным сетям организация услуг междугородной связи с доступом к сети общего пользования организация услуг международной телефонной связи доступ к специальным телефонным сетям, таким как "Искра доступ к сети передачи данных, анпример, РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др обеспечение аренды наземного канала до любой точки. 1.2.3 Высокоскоростной доступ к сети INTERNET и другие сети передачи данных Шлюз обеспечивает высокоскоростной доступ к сети INTERNET со скоростью до 2 Мбит/сек, что позволяет получить доступ к таким услугам, как WWW, TelNet, E-mail, FTP и др. Главное преимущество земной станции VSAT перед обычным наземным соединением - это отсутствие ограничений досягаемости кабеля, проходящего под землей. Земная станция VSAT может быть установлена в любом месте - при условии, что она находится в радиусе зоны свободной видимости спутника. Станции VSAT могут как передавать, таки получать любые типы трафика, будь то видео, аудио или другие данные на постоянной высокой скорости независимо от их удаленности от наземных коммуникационных станций и инфраструктуры. Сети VSAT решают вопрос информационного обеспечения как федеральных и муниципальных органов, таки всевозможных компаний и корпораций, атак же и частных лиц. Сети VSAT поддерживают телефонную связь факс диспетчерское управление сбор телеметрической информации контроль расходования ресурсов передачу файлов, программных продуктов и т. п циркулярную передачу речи и видео. 14 1.3 Принцип работы VSAT Компоненты сети VSAT: центральная земная станция (ЦЗС); центр управления сетью (обычно совмещенный с ЦЗС); геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР); фиксированные станции VSAT, расположенные непосредственно у пользователя. Центральная земная станция выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление за работой всей сети, перераспределяя ее ресурсы, выявляя неисправности, осуществляет тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Каналообразующая аппаратура выполняет функцию формирования спутниковых радиоканалов и стыковку их с наземными линиями связи. Каждый из поставщиков систем спутниковой связи разрабатывает свои индивидуальные решения в этой части ЦЗС, что зачастую исключает возможность использования для построения сети аппаратуру и абонентские станции других фирм. Данная подсистема чаще всего строится по модульному принципу, что позволяет с увеличением роста трафика и количества абонентских станций в сети легко наращивать новые блоки для увеличения ее пропускной способности. Центр управления сетью обеспечивает управление и слежение за работой всей сети, выявляя неисправности, перераспределяя ее ресурсы между абонентами, атак же осуществляет тарификацию предоставляемых услуги т.п. Абонентский VSAT терминал состоит из антенно-фидерного устройства, наружного внешнего радиочастотного блока и внутреннего блока, так называемого модема. Внешний блок представляет собой приемопередатчик или приемники обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя, будь тот компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д. Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов, тчо позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Работа такой сети идет по такому принципу. Что спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важными характеристиками спутника при такой работе являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов стволов или транспондеров) на нем. Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. Мощность передатчиков меняется от 20 дои более Ватт. Для организации работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT необходимы передатчики с выходной мощностью порядка 40 Вт. 15 Сеть управляется на основе аппаратно-программных средств, что обеспечивает доступ операторов к сетевым ресурсам, атак же позволяет осуществлять контроль, фиксацию и отображение общего текущего состояния данной сети. Для передачи группового потока. В который входят речь, данные, факс и др, используются мультиплексоры, которые осуществляют временное уплотнение сигналов. Исходящая из ЦЗС информация на ы отправляется снчало на транспондер спутника, который принимая ее, усиливает и передает обратно на землю для приема отдаленной станцией VSAT. Удаленная станция в свою очередь, VSAT, посылает информацию от станций в ЦЗС с помощью этого же транспондера спутника. Чтобы обеспечить одновременное использование спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа с частотным разделением, при котором каждый пользователь имеет отдельный диапазон частот с временным разделением, когда каждый пользователь имеет определенный временной интервал, так называемый таймслот, в течение которого может производить передачу и прием данных с кодовым разделением, когда каждый пользователь имеет кодовую последовательность, ортогональную кодовым последовательностям других пользователей. В таком случае, данные пользователя накладываются на кодовую последовательность так, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на одних и тех же частотах. При частотном разделении все активные земные станции работают непрерывно и одновременно, поэтому их энергетический ресурс используется на 100%. Передатчик ретранслятора в данном случае работает в многосигнальном режиме и обеспечивает приемлемый уровень искажений и используется на 20-50%. ЧРК применяют при числе терминалов VSAT более 100 штук. Основной недостаток частотного разделения состоит в том, что достаточно сложно перераспределить пропускную способность между ГСР и земной станцией. Для такого перераспределения необходимо изменять тактовые и рабочие частоты. Если земная станция будет многоканальной, то их передатчики будут работать в многосигнальном режиме, что приведет к снижению эффективности использования их выходной мощности. При временном разделении станции работают в импульсном режиме поочередно, таким образом, их пиковая мощность враз больше, чем при частотном разделении, что является основным недостатком для временного разделения. Чтобы добиться компромисса в использовании ЧРК и ВРК необходимо совместить функции частотного и временного уплотнения. Это можно осуществить путем разбития m каналов связи на n групп. В этом случае. каждой группе должна быть присвоена своя частота, а в группах должно быть 16 осуществлено уплотнение повременному принципу. В таком случаем можно обиться снижения требования к пиковой мощности передатчиков земной станции. Единственное может уменьшиться пропускная способность ретранслятора между каналами связи, но это небольшая плата за использование большего числа ЗС. В состав сети VSAT входят центральная земная станция (ЦЗС); геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР); центр управления сетью (обычно совмещенный с ЦЗС); фиксированные станции VSAT, расположенные непосредственно у пользователей. В ЦЗС находится оборудование и программные средства, используемые для контроля спутниковой сети связи. ЦЗС связывается с коммуникационной сетью, такой как, например, телефонная сеть общего пользования, компьютерная сеть компании или глобальная сеть Интернет. Таким образом, самой выдающейся частью ЦЗС является дна из больших, около 4,5-11 м (15-36 футов) размером, антенн. Ее внутренние элементы включают множество устройств, которые могут контролировать двустороннюю передачу через данную антенну, преобразования между спутником и наземными протоколами и другие технические вопросы. Контроль за функционированием всех устройств осуществляет сервер системы управления сетью, а также осуществляет распределение очередности передачи сообщений тем приложениям, которые приобрели покупатели с учетом требований к качеству обслуживания. Итак, VSAT – это устройства, используемые в треднодоступных местах для обеспечения коммуникации с центральным пунктом связи через центральную земную станцию. При такой конструкции, исходящая из ЦЗС на VSAT информация отправляется на транспондер спутниковой системы, который принимает, усиливает и передает ее обратно на землю для приема отдаленной станцией VSAT. Удаленная станция VSAT посылает от станций в ЦЗС информацию путем того же самого транспондера спутника. Такой принцип передачи информации, в котором все сетевые коммуникации проходят через процессор ЦЗС, называется звезда, с ЦЗС в центре этой звезды. Преимуществом звезды является неограниченное количество станций VSAT, которые могут быть присоединены к ЦЗС. Началом всей сети, конечно же, является центральная земная станция, в которой сосредоточено основное коммутационное оборудование, а тк же программное обеспечение, необходимые программные средства, которые будут использованы для контроля и управления спутниковой системой связи. Центральная земная станция, как правило, должна иметь связь с коммуникационной сетью, как общего пользования, таки глобальной сетью Интернет, в некоторых случаях ЦЗС имеет связь с корпоративными сетями предприятий. 17 |