Особенности сети спутниковой связи

Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) РФ, как правило, строится по иерархическому принципу с несколькими уровнями коммутации. Для передачи различных видов информации вводится типовая номенклатура каналов и трактов. За основу приняты канал тональной частоты с полосой 300...3400 Гц и эквивалентный ему цифровой канал со скоростью 64 Кбит/с.. В сети образуются также каналы передачи звукового вещания, ТВ и другие широкополосные каналы.

При использовании в ВСС РФ спутниковых участков необходимо учитывать их особенность, связанную с физической природой спутникового канала - достигающее 260 мс время распространения сигнала между двумя ЗС через ИСЗ на геостационарной орбите(ГСО). При появлении в телефонном канале двух и более спутниковых участков качество связи ухудшается из-за влияния эхо-сигнала, длительного ответа (до более, чем 1,2 с) и возможного нарушения системы автоматического установления соединении. Для предотвращения появления двойных скачков вводят определенные ограничения на использование спутниковых каналов.

К настоящему времени спутниковая связь используется в двух основных областях - передача Циркулярной информации большому числу абонентов или широковещательная передача (ТВ- и звуковое вещание, передача газет) и организация магистральных линий связи большой протяженности. Вес большее распространение находят новые услуги, под которыми подразумевают передачу по спутниковым каналам различной информации для всех потребителей или определенных их групп: конференц-связь с участием двух или большего числа абонентов, телефорумы, ТВ-системы с медленной разверткой, ТВВЧ, телетекст, передачи видеотеатра, учебные, профессиональные услуги по обеспечению местных библиотек, пакетная передача цифровой информации передача массивов данных для ЭВМ, факсимиле, телекс, электронная почта, финансовая информация, объявления и пр. Рост общей пропускной способности, расширение услуг ввод в эксплуатацию новых видов и типов каналов связи является характерным для развивающихся спутниковых систем связи (ССС).

Методы коммутации и передачи данных в ССС

Распределение ресурсов ИСЗ (мощности и полосы) по требованиям различных ЗС (для линий ЗС - ИСЗ) осуществляется на трех этапах:

− формирование на ИСЗ нескольких стволов за счет использования нескольких ретрансляторов;

− работающих в различных частотных диапазонах, разделением каналов для обеспечения многостанционного доступа в стволе;

− динамическим распределением каналов или групп каналов для их коллективного использования на основе методов распределения запросов.

В ИСЗ, как правило, устанавливается несколько независимых ретрансляторов. Каждый ретранслятор имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов желаемой полосой частот. Распределение ресурсов каждого ретранслятора, то есть формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов, а для обеспечения многостанционного доступа (МД) используются: частотное уплотнение (МДЧУ), временное уплотнение (МДВУ) и кодовое уплотнение (МДКУ).

При МДЧУ формирование каналов достигается путем разделения полной полосы ретранслятора между различными группами несущих и ограничения частотной полосы передачи на каждой несущей выделенным поддиапазоном. Ретранслятор работает в режиме близком к линейному, поэтому мощность, выделенная для каждой несущей приблизительно пропорциональна ее мощности на линии ЗС - ИСЗ. МДЧУ не нуждается в координации запросов в реальном времени и может использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Экономически целесообразно использовать МДЧУ для группообразования на линиях дальней телефонной связи, которые обслуживают запросы, поступающие с большой скважностью, но требующие высоких скоростей передачи данных, что требуется при уплотнении трафика большого числа пользователей одной ЗС, а также в тех случаях, когда полный трафик, исходящий от ЗС, невелик и имеет небольшую интенсивность.

В случае МДВУ формирование каналов осуществляется путем временного разделения всей выделенной полосы рабочих частот и мощности между различными запросами. Для успешной передачи сообщений передачу через ИСЗ в любое заданное время должна вести только одна ЗС, поэтому требования к управлению мощностью здесь минимальны. При временном разделении каналов (ВРК) используется кадровая структура, что в отличие от методов непрерывной передачи подразумевает необходимость общесетевой синхронизации всех ЗС и использование пакетов с Цифровыми сигналами. Время, предоставляемое ЗС для синхронной передачи, зависит от общей синхронизации, устанавливаемой или непосредственно лидером - ведущей станцией, или косвенным путем, с учетом задержки распространения сигнала на трассе ЗС - ИСЗ, которая обычно измеряется ЗС, принимающей свою собственную передачу.

С помощью методов кодирования с изменяемой избыточностью, или простых изменений вида модуляции системы МДЧУ и МДВУ можно приспособить к различным условиям распространения и к ЗС, приемные характеристики которых могут различаться на 10 - 15 дБ. В случае МДВУ один пакет может содержать сообщения, предназначенные для станций с различными скоростями приема.

Для ССС разработаны различные методы распределения пропускной способности ИСЗ по запросам. Эти методы разделяют на две группы: методы коммутации каналов, предназначенные для обработки телефонных сообщений, и методы коммутации пакетов предназначенные для обработки данных. Во второй группе выделяют три способа: случайный доступ, неявное резервирование и явное резервирование.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

− значительной удалённостью приёмника от передатчика,

− ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ).

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определённый частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространёнными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK.

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты свёрточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды и LDPC-коды.

Преимущества и ограничения ССС

ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

а) ССС имеет ряд преимуществ:

− Устойчивые издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы - широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС.

− Широкая полоса пропускания. Ширина полосы спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени.

− Малая вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

б) Выделим также ряд ограничений в использовании ССС:

− Значительная задержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка вполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.

− Размеры ЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС (особенно спутники старых поколений), заставляет увеличивать диаметр антенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции.

− Защита от несанкционированного доступа к информации. Широковещание позволяет любой ЗС, настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.

− Интерференция. Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ka-полосах частот (о них ниже), крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в C-полосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.

− Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере.

− Поглощение в тропосфере. Степень поглощения сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона).

− Ионосферные эффекты. Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации (Таблица 1). Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

 

Таблица 1

Эффекты	100 МГц	300 МГц	1 ГГц	3 ГГц	10 ГГц
Вращение плоскости поляризации	30 оборотов	3,3 оборота	108°	12°	1,1°
Дополнительная задержка сигнала	25 мс	2,8 мс	0,25 мс	28 нс	2,5 нс
Поглощение в ионосфере (на полюсе)	5 дБ	1,1 дБ	0,05 дБ	0,006 дБ	0,0005 дБ
Поглощение в ионосфере (в средних широтах)	<1 дБ	0,1 дБ	<0,01 дБ	<0,001 дБ	<0,0001 дБ

 

− Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.