Тема 6 . 1 Принципы построения спутниковых систем персональной связи

Раздел 6 Спутниковые системы персональной связи

Лекция № 28

Все спутниковые системы включают космический и земной сегменты.

В зависимости от параметров орбиты спутников-ретрансляторов спутниковые системы подвижной связи подразделяются на системы GEO (геостационарные), LEO (низкая орбита — примерно до 1500—2000 км) и MEO (средневысокая орбита - 5000-20 000 км).

Системы на основе геостационарных спутников GEO из-за постоянства их расположения над определенной точкой поверхности Земли обладают рядом преимуществ при организации глобальной связи:

отсутствие перерывов связи из-за взаимного перемещения КА и пользовательского терминала во время сеанса связи

охват связью 95% поверхности Земли системой, состоящей всего из трех геостационарных спутников

отсутствие необходимости в организации межспутниковой связи (в отличие, например, от низкоорбитальных систем)

для поддержания работоспособности орбитальной группировки из трех КА потребуется один КА

отработанная технология управления КА

С другой стороны, системы подвижной спутниковой связи GEO потенциально могут обеспечить услуги и требования, сравнимые с системами LEO, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковыми. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий.

 

Разворачивание и геостабилизация такой сложной антенны в космосе связаны с большим техническим риском, что является определяющим фактором при оценке экономической эффективности разрабатываемых проектов. Высота геостационарной орбиты достаточно большая, поэтому в таких спутниковых системах есть крупный недостаток — длительная задержка между передачей и приемом сигнала.

Кроме того, дополнительную задержку вносят атмосфера и приемопередающая аппаратура терминалов и спутника-ретранслятора. На практике появление задержки приводит к тому, что при телефонном разговоре двух собеседников постоянно возникают паузы, что очень раздражает абонентов. Наличие задержек может служить препятствием к использованию телефонной связи, так как, вследствие этого невозможно взаимодействие с другими сетями передачи данных.

Действительно, поскольку геостационарная орбита находится на расстоянии около 36 тыс. км от поверхности Земли, то задержка из-за конечности скорости распространения радиосигнала составляет около 260 мс, если сигнал один раз проходит путь до спутника-ретранслятора и обратно (2 х 260 = 520 мс). Остальные перечисленные источники задержки не играют больший роли. При передаче данных задержка совершенно незаметна и может проявляться только в некотором снижении скорости обмена. Для устранения этого недостатка применяют специальные протоколы. Что же касается телефонной связи, то задержка сигнала чувствуется очень сильно и при высоких требованиях к каналу связи может быть неприемлема.

Следует отметить и тот факт, что на геостационарной орбите в настоящее время уже расположено большое количество КА, и размещение новых в заданных точках стояния с требуемой электромагнитной совместимостью представляет серьезную трудность.

 

К низкоорбитальным спутниковым системам (системы LEO) относят такие, для которых высота орбиты находится в пределах 700-1500 км, масса КА - до 500 кг, орбитальная группировка - от единиц до десятков спутников. Для охвата связью большой территории Земли используют несколько плоскостей орбит. Более короткие линии спутниковой связи «вверх» и «вниз» через низкие орбиты в сравнении с геостационарными обеспечивают меньшее ослабление сигнала и время запаздывания сигнала. Кроме того, они позволяют охватить приполярные районы (с полярных орбит).

Каждый из спутников группировки имеет ограниченную зону обслуживания, и для глобального охвата необходима связь между ними. Она обеспечивается разными способами в разных проектах. В одних (Iridium) — с помощью линий радиосвязи в космосе, в других (Global Star) обеспечена незаметная для пользователя непрерывная автоматизированная передача абонента от луча к лучу и от ИСЗ к ИСЗ при достаточно большом числе наземных станций.

В числе факторов, способствующих развитию систем LEO, нельзя не учитывать биологический. Так, для реализации требований биологической защиты человеческого организма от излучения СВЧ рекомендуемый уровень непрерывно излучаемой мощности радиотелефона составляет не более 50 мВт. Эффективный прием сигнала такой мощности геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением последнего: созданием крупноразмерных антенн и точного удержания узких лучей диаграммы направленности в заданных регионах земной поверхности. Для низкоорбитальных спутниковых систем длина радиолиний во много раз меньше и проблема создания многолучевых антенн менее остра.

Повышенный интерес к низкоорбитальным системам объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен и связь с подвижными объектами с использованием сравнительно малогабаритных абонентских терминалов. Стоимость услуг подвижной связи с помощью систем LEO оказывается в несколько раз ниже аналогичных услуг, предоставляемых геостационарными системами, благодаря использованию недорогих абонентских станций и менее дорогого космического сегмента.

Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить бесперебойную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения.

Высота орбиты для среднеорбитальных систем (MEO) колеблется в пределах 5000-20 000 км, масса КА превышает 1000 кг, а орбитальная группировка составляет от единиц до примерно десятков спутников. Преимущество средневысотной орбиты в сравнении с низкой состоит в том, что первая лежит между радиационными поясами Земли, в то время как вторая - внутри первого пояса. Поэтому срок службы для систем MEO - 15 лет, для LEO - 5-7 лет, что существенно влияет на их стоимость. В системе MEO для полного покрытия Земли необходимо 10—12 ИСЗ. Первоначально для обслуживания нескольких регионов достаточно шести ИСЗ. Это позволяет обеспечить запуск спутников связи и развертывание системы MEO гораздо быстрее, чем системы LEO.

Спутниковая связь

Первые телефоны Inmarsat были тяжелы и громоздки, да и для развертывания мобильной системы связи нужно было около 5 минут. Сегодня все существенно упростилось, и как Iridium, так и Inmarsat-mini-M-системы легко помещаются в походную сумочку и приводятся в рабочее состояние за считанные секунды, а мобильные телефоны Globalstar вообще весят всего 300-400 граммов и очень похожи на традиционные сотовые аппараты.

Любопытно, что созданная первоначально как профессиональная сегодня система спутниковой связи Inmarsat активно эксплуатируются не только фирмами, но и частными лицами.

 

Если вы бродите по джунглям, то полукилограммовый телефон Iridium или Globalstar на поясе - не помеха, а если вы плывете на собственной яхте, то и 3-килограммовый аппарат Inmarsat (телефон вместе со всепогодной антенной) на дно не утянут. В таком случае что лучше, становится не совсем понятно. Опять же без внешней антенны "маленький, почти что сотовый телефон" на нижней палубе и в каюте скорее всего работать не будет.

Какие бывают спутники

В Inmarsat используется 4 высокоорбитальных (35875 км от поверхности планеты) экваториальных спутника, "висящих" над вращающейся Землей. Такие спутники еще называют геостационарными, потому что их положение на небе остается неизменным. И на один из таких спутников надо обязательно направить телефонную антенну при связи. В космосе никто не создает помехи радиосвязи. Поэтому спутники даже на высоких орбитах спокойно принимают сигналы телефонов с выходной мощностью в единицы ватт.

В Iridium запущено 66 низкоорбитальных (780 км) спутников, облетающих нашу планету от полюса к полюсу всего за 100 минут. Спутники в Iridium в сорок раз ближе к абоненту, чем в Inmarsat. Казалось бы, и выходная мощность телефона должна быть намного ниже, но из-за быстрого перемещения спутников приходится применять ненаправленные антенны. Поэтому среднюю выходную мощность телефона удалось понизить с 2 Вт только до 0,5 Вт.

В Globalstar и ICO используються спутники, кружащие под углами 52 и 45 градусов к экватору. В первой работают 48 спутников, облетающих землю за 114 минут (на расстоянии 1414 км), во второй - 10 спутников, совершающих круг за половину суток (на расстоянии 10355 км). Выходная мощность мобильных трубок не больше, чем у сотовых телефонов и колеблется от четверти до полуватта.

 

Белые пятна на нашей планете в спутниковых системах связи все же есть, так Inmarsat принципиально не может работать на северном и южном полюсе и за полярным кругом (поскольку геостационарные спутники оттуда не видны), Globalstar пока также не предоставляет связи севернее и южнее семидесятой параллели, так что получается, что пока только Iridium является действительно глобальной системой спутниковой связи, обеспечивающей всеобщую мобильность войскам Пентагона.

Как это все работает

Для состыковки спутниковых систем с наземными линиями связи предназначены земные станции сопряжения, разбросанные по всем континентам. В их функции входит также контроль и учет разговорного времени и определение подлинности и кредитоспособности выходящего на связь абонента. Пока наземные службы решают эти задачи, а также определяют трассу соединения, абоненту приходится ждать. Ожидание может продолжиться не один десяток секунд.

В Iridium звонок с мобильного на мобильный проходит только через спутниковую часть системы, однако при установлении и тарификации такого чистого звонка могут участвовать до 4 станций сопряжения. В системе Inmarsat звонок со спутникового телефона на спутниковый приводит к так называемому "двойному скачку", когда сигнал идет сначала в космос, оттуда возвращается на землю, обрабатывается и уходит опять на спутник, откуда отправляется на телефон адресата. Именно поэтому за звонок со спутникового на спутниковый в Inmarsat платить приходится в два раза больше, чем в сеть общего пользования.

То, что для применения Inmarsat нужно иметь представление о том, что такое широта и долгота, и уметь пользоваться компасом, навряд ли остановит клиентов, имеющих хотя бы неполное среднее образование. Имеются красочные карты для определения азимута и склонения обслуживающего вас спутника, да и просто покрутив аппарат и покачав антенну, можно поймать сигнал получше и начать связь.

 

Ну, а если вы путешествуете не пешком, а на машине или яхте, то можно поставить и всепогодную универсальную антенну, которая сама найдет подходящий спутник и обеспечит бесперебойную связь как во время ралли в пустыне, так и в шторм в океане.

Кодеки современных сотовых и спутниковых телефонов сильно ломают и пакуют обычную человеческую речь, и порой трудно отделаться от впечатления, что разработчики системы уплотнения и кодирования голоса не смогли разработать одинаково хорошую систему для всех земных наречий и отдали предпочтение романской группе языков.

Передача данных через космос

Стоит четко различать собственно телефонию как возможность поговорить и передачу цифровых данных по телефонному каналу. И здесь Iridium, да и все остальные чисто телефонные спутниковые системы, и не пытается конкурировать с Inmarsat-системами передачи данных. Доступные сегодня в Inmarsat-M4 и Inmarsat-B 64 кбит/с на порядок превышают 4,8 кбит/с в Iridium и 9,6 кбит/с в Globalstar, и даже если цена траффика будет в низкоорбитальной системе в десять раз ниже, чем в высокоорбитальной, то все равно удобней и выгодней пользоваться Inmarsat, поскольку время, необходимое для передачи данных, само по себе тоже деньги. Текст данной статьи, например, в формате Mirosoft Word (36 кбайт) при скорости 4,8 кбит/с можно передать всего за 1 минуту, а вот передача одной цифровой фотографии потребует уже от четверти до целого часа эфирного времени (объем от 300 кбайт до 1,2 Мбайт в запакованном виде).

В системе Inmarsat сегодня можно отправлять не только телексы и факсы, но даже телеграммы на нужный почтовый адрес прямо с подключенного к спутниковому терминалу компьютера, при желании можно воспользоваться и высокоскоростной ISDN- телефонией для передачи не только слов, но и изображений (Inmarsat-B и -M4 до 64 кбит в секунду при тарифе $5 за минуту).

 

 

Конфиденциальность связи

Конфиденциальность абонента - понятие относительное. И если от национальных и тем более международных органов безопасности практически ничего не утаишь, то от конкурентов кое-что скрыть можно. И здесь есть два пути: первый - всецело довериться производителю и второй - кодировать свои секреты самостоятельно.

Сотовые системы GSM и CDMA, спутниковые Globalstar, Iridium, Inmarsat и даже радиотелефоны DECT декларируют вашу полную конфиденциальность и невозможность эфирного прослушивания и двойников. В Iridium даже предусмотрена система отслеживания местоположения звонящего, и если пара последовательных звонков произошла из точек, удаленных друг от друга на слишком большое даже для стратегического бомбардировщика расстояние, объявляется небольшая тревога, и начинаются поиски потенциального двойника.

В базовом варианте Inmarsat не используется криптокодирование, однако если вам есть что скрывать от конкурентов, можно купить и подключить серийный криптоблок. Такая же криптоаппаратура, естественно, должна стоять и у вашего адресата. В этом случае Inmarsat предоставляет так называемый "прозрачный канал", не оцифровывая и не декодируя идущую по каналу связи информацию. Если вы не хотите использовать штатное криптооборудование и алгоритмы, то в любой телефонной сети можно перейти в режим передачи данных и кодировать свои секреты самостоятельно, используя известные криптоалгоритмы. Естественно, что при темпе передачи данных 4,8 кбит/с секретный разговор будет неспешным.

Сколько стоит спутниковая связь

Ситуация с оплатой звонков существенно зависит от того, откуда вы звоните. Все хорошо знают, что в нашем государстве финансовое бремя мобильной и спутниковой связи лежит в основном на хозяине такого телефона. Он платит не только за исходящие, но и почти всегда за поступающие звонки (исключение составляют только внутрисетевые входящие звонки). Однако за звонок из Америки на аппарат Inmarsat или Iridium платить будет уже ваш американский коллега. В очень многих странах за услугу связи платит только инициатор, и в зависимости от того, куда он звонит, стоимость минуты разговора может существенно изменяться. При звонке со спутникового телефона цена за разговоры в Inmarsat не зависит от того, куда звонишь, и составляет $3, а в Iridium и Globalstar колеблется от $1 до $3 за минуту, в зависимости от пути, проходимого сигналом при связи.

Перспективы спутниковой связи

Разработчики новых спутниковых систем сегодня делают ставку на массовость использования и интегрированность своих телефонов с системами сотовой связи. Выпускаются дуальные аппараты, изготавливаются сменные картриджи и отстегивающиеся от спутникового сотовые телефоны. Составлены специальные тарифные планы роуминга, введена дифференцированная оплата звонков, используются единые SIM-карты, заключаются договоры, арендуются наземные линии связи и строятся свои глобальные телекоммуникационные сети. Разместить по всему миру базовые станции стандарта GSM или CDMA - задача не из простых, но можно выйти в открытый космос и там, в безвоздушном пространстве, развернуть высокотехнологичное телекоммуникационное оборудование, которое обеспечит связь всегда и везде.

Уйдя далеко вперед от грозоотметчика Попова и превратив наше солнце в достаточно мощную радиозвезду, человечество, оседлав почти все возможные радиоволны, вплотную подошло к полной персонификации телефона. Сегодня технически возможно не только получение личного пожизненного идентификационного номера, но и персонального телефонного, единого на всей территории земного шара и его ближайших окрестностей.

 

Телефония - это только маленькая часть сегодняшнего рынка телекоммуникаций, и не за горами время, когда появится какая-нибудь система с тысячей низкоорбитальных спутников, и любой пользователь Internet сможет не только получать свои сотни мегабит в секунду, но и высококачественную телефонную и телевизионную связь в любой точке мира.