сследование спутниковых систем. Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50х годов xx века
 Скачать 1.02 Mb.
|
 Спутниковый Интернет Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой. Особенностями такого вида доступа являются: Разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения. Поэтому такие соединения называют асимметричными. Одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями: через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал (по этой причине возможна «Рыбалка со спутника»). По типу исходящего канала различают: Терминалы, работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету, поставщика которого называют наземным провайдером. Для работы в такой схеме привлекается туннелирующее программное обеспечение, обычно входящее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью по сравнению с dial-up за сравнительно небольшую цену. Приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению со входящим). Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера. И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения. Существует два способа обмена данными через спутник: - односторонний (one-way), иногда называемый также «асимметричным» — когда для приёма данных используется спутниковый канал, а для передачи — доступные наземные каналы. - двухсторонний (two-way), иногда называемый также «симметричным» — когда и для приёма, и для передачи используются спутниковые каналы. 3.1 Двухсторонний спутниковый Интернет (VSAT) Системы VSAT (VerySmallApertureTerminal — терминал с очень маленькой апертурой) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокаяпропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с. Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне — 0,75-1,8 м. В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию. Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: - центральная земная станция (при необходимости), - спутник-ретранслятор - абонентские VSAT терминалы Центральная земная станция в сети спутниковой связи выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети. Абонентская станция VSAT Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приемопередатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.). Спутники ретрансляторы сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Современные VSAT работают как правило в Ku диапазонов частот 11-14 ГГц (одно значение частоты на прием, другое на передачу), также есть системы использующие С диапазон 4/6 ГГц, также сейчас осваивается Ка диапазон 18-30 ГГц.  Антенна двустороннего спутникового Интернета для Ka-диапазона 3.2. Односторонний спутниковый Интернет Односторонний спутниковый Интернет подразумевает наличие у пользователя какого-то существующего способа подключения к Интернету. Как правило это медленный и/или дорогой канал (GPRS/EDGE, ADSL-подключение там, где услуги доступа в Интернет развиты плохо и ограничены по скорости и т. п.). Через этот канал передаются только запросы в Интернет. Эти запросы поступают на узел оператора (провайдера) одностороннего спутникового доступа (используются различные технологии VPN-подключения или проксирования трафика), а данные, полученные в ответ на эти запросы, передают пользователю через широкополосный спутниковый канал. Поскольку большинство пользователей в основном получает данные из Интернета, то такая технология позволяет получить более скоростной и более дешёвый трафик, чем медленные и дорогие наземные подключения. Объем же исходящего трафика по наземному каналу (а значит и затраты на него) становится достаточно скромным (соотношение исходящий/входящий — примерно от 1/10 при веб-серфинге, от 1/100 и лучше при загрузке файлов).Естественно, использовать односторонний спутниковый Интернет имеет смысл тогда, когда доступные наземные каналы слишком дорогие и/или медленные. При наличии недорогого и быстрого «наземного» Интернета — спутниковый Интернет имеет смысл как резервный вариант подключения, на случай пропадания или плохой работы «наземного». Задержки при использовании одностороннего доступа определяются как временем передачи сигнала через спутник (от оператора до абонента — порядка 250 мс), так и задержками в "наземном" (запросном) канале, и при большой загрузке сети могут варьироваться в очень широких пределах — вплоть до секунд. Оборудование для одностороннего спутникового Интернета: - спутниковая плата (DVB-карта) для приёма сигнала в стандарте DVB-S или DVB-S2 . Может быть с интерфейсом PCI, PCI-E или USB, выбор зависит от того, что вам удобнее подключать к компьютеру. Лучше использовать платы с поддержкой DVB-S2, поскольку все больше операторов переходят на этот стандарт; - спутниковая антенна («Тарелка»), такая же, как для приёма спутникового ТВ, как правило достаточно антенны диаметром 90 см (но проверьте на сайте провайдера размер конкретно для вашей местности). - устанавливаемый на антенне усилитель-конвертер (как правило — «универсальный конвертер Ku-диапазона», работающий с линейной поляризацией, но некоторые провайдеры работают в круговой поляризации, возможно также и использование C-диапазона — проверьте на сайте провайдера) 4. Спутниковая система персональной связи Globalstar 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. |