Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Спутниковая радиосвязь - это космическая радиосвязь между земными радиостанциями, осуществляемая путем ретрансляции радиосигналов через один или несколько спутников земли. Спутниковый ретранслятор (СР) находится на очень большой высоте (порядка тысяч километров) и, поэтому он может предоставлять услуги пользователям, размещённым на огромных территориях.

Первый в мире коммерческий спутник EARLY BIRD, принадлежащий международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization), был выведен на орбиту в апреле 1965 года. С тех пор спутниковые сети связи (ССС) начали активно развиваться. Развитие и распространение ССС во многом обусловлено следующими свойствами:

1) Огромные области обслуживания.

2) Возможность обеспечения информационными услугами отдалённые, труднодоступные территории, в которых построение наземных систем связи экономически не оправдано.

3) Возможность передачи по общему физическому каналу разнородных информационных потоков (речь, аудио, видео и т.д.).

4) Возможность предоставления услуги глобального местоопределения.

Распространение региональных и национальных ССС фиксированной службы началось с середины семидесятых годов. Эти сети строились на базе либо собственных геостационарных ретрансляторов, либо арендуемых у Intelsat спутниковых каналов связи. Основные функции таких сетей сводились к распределению телевизионных сигналов и телефонии. От земных станций национальных ССС требовалась небольшая пропускная способность, поэтому они становились меньше, проще и дешевле. С начала 80-х годов стали доступными малые ЗС Ки- и С-диапазона с диаметром антенн (1,5-4) метра, обеспечивающие скорость передачи 64 кбит/с и более, получившие название VSAT. Использование VSАТ-технологий позволило сделать очередной шаг на пути приближения услуг спутниковой связи непосредственно к потребителям этих услуг.

Примерно с середины 90-х годов в мире сложилась ситуация, когда у массового потребителя возник достаточно высокий спрос на предоставление индивидуальных широкополосных информационных услуг. Одной из основных причин массового спроса на широкополосные услуги связи является огромный рост популярности и широкое распространение сети Интернет. Спутниковые системы связи в состоянии решить «проблему последней мили» и обеспечить требуемую скорость доступа индивидуальных пользователей в Интернет.

Одним из важных направлений развития телерадиовещания является непосредственная спутниковая трансляция телевизионных и радиопрограмм на индивидуальные пользовательские приемные установки, что позволяет одновременно передавать с высоким качеством несколько сотен программ. Реальностью стало непосредственное спутниковое радиовещание на портативные переносные и автомобильные приемники.

Новой спутниковой службой является персональная подвижная спутниковая служба. Такие ССС ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи с использованием терминалов типа «трубка в руке» в глобальном или региональном масштабах. Тенденцией построения таких систем является объединение в общую сеть спутниковых и наземных сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA), а также предоставление дополнительно максимально возможного набора услуг по передаче данных, телексов, факсимильных сообщений, определения местоположения и т.д.

Широкополосные ССС предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедийных и интернет-приложений, а также предоставления других видов услуг, пока недоступных пользователям [2].

1. Орбиты спутниковых ретрансляторов

Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. Во время свободного полета, когда бортовые реактивные двигатели выключены, спутник Земли движется как небесное тело, под воздействием гравитационных сил и инерции, причем главенствующей гравитационной силой является притяжение Земли. Если упрощенно считать Землю строго сферической, а гравитационное поле Земли - единственным воздействующим на искусственный спутник Земли (ИСЗ), то движение ИСЗ вокруг Земли подчиняется законам Кеплера. При этих предположениях движение спутника происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости - плоскости орбиты, проходящей через центр Земли. Полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) спутника остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается, при приближении - увеличивается. Максимальное значение высоты орбиты называется высотой в точке апогея, а минимальное - высотой в точке перигея. Другими важными параметрами, характеризующими околоземную орбиту спутника связи, являются:

Ш угол наклонения плоскости орбиты i - угол между плоскостью экватора Земли и плоскостью орбиты, отсчитываемый от плоскости экватора в направлении на север. По этому параметру различают экваториальные (i = 0), полярные (i = 90°) и наклонные (0 < i < 90°, 90° < i < 180°) орбиты. Если 0 < i < 90°, говорят, что спутник запущен в восточном направлении, если же 90° < i < 180° - в западном.

Ш эксцентриситет орбиты. Чем больше эксцентриситет, тем более «узкой и вытянутой» является орбита спутника. При эксцентриситете равном 0, эллиптическая орбита вырождается в круговую с постоянной высотой h;

Ш время обращения спутника по орбите - интервал времени между соседними прохождениями спутником одной и той же точки орбиты.

При построении ССС могут быть использованы следующие типы орбит:

Ш геостационарная орбита {GEO - Geostationary Earth Orbit};

Ш низкие круговые орбиты {LEO - Low Earth Orbit};

Ш средневысотные круговые орбиты {МЕО - Medium Earth Orbit};

Ш эллиптические околоземные {ЕЕО - Elliptical Earth Orbit}.

Геостационарные спутники-ретрансляторы (СР) выводятся в восточном направлении на круговую орбиту с нулевым наклонением (в экваториальную плоскость) и высотой над поверхностью Земли h = 35875 км. Эта орбита характеризуется тем, что угловая скорость спутника совпадает по величине и направлению с угловой скоростью вращения Земли и теоретически ГСР является неподвижным относительно точки экватора (подспутниковой точки), над которой размещается ретранслятор. Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты.

Низкоорбитальные ретрансляторы размещаются на круговых орбитах высотой от 700 до 1500 км. Чем ниже орбита, тем меньше область обслуживания каждого СР. Поэтому для обслуживания достаточно больших территорий земной поверхности требуется много спутников - от нескольких десятков до нескольких сотен. Период обращения ретрансляторов на низких орбитах составляет 90-120 минут, а максимальное время видимости спутника из фиксированной точки земной поверхности не превышает 10-15 минут.

Возможные трассы средневысотных спутников выбираются на высотах от 5 до 15 тыс. км. Область обслуживания каждого средневысотного СР существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для охвата наиболее населенных районов суши и судоходных акваторий океанов необходимо создавать группировки из 8-12 спутников. Суммарная (в обе стороны) задержка сигнала при связи через средневысотные ретрансляторы не превышает 200 мс, что позволяет использовать их для качественной радиотелефонной связи. Продолжительность пребывания СР в зоне радиовидимости ЗС составляет 1,5-2 часа.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что в силу закона сохранения энергии их угловая скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Поэтому СР будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем негеостационарный спутник, орбита которого является круговой [3].

ССС работают в диапазоне частот от нескольких сотен МГц до нескольких десятков ГГц в специально выделенных регламентом радиосвязи участках спектра:

Ш L-диапазон (0,5-1,5 ГГц)

Ш S-диапазон (1,5-2,5) ГГц

Ш С-диапазон (4-8 ГГц)

Ш Ku-диапазон (12-18 ГГц) и Ка-диапазон (20-40 ГГц)

Существует разделение спутниковых служб связи по назначению сети и типу земных станций, введенное регламентом радиосвязи:

Ш фиксированная спутниковая служба - ФСС {FSS - Fixed Satellite Service};

Ш подвижная спутниковая служба - ПСС {MSS - Mobile Satellite Service};

Ш широковещательная спутниковая служба - ШСС {BSS - Broadcast Satellite Service}.

Сети ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными станциями, организации магистральных каналов большой протяженности и региональной связи, построения корпоративных сетей. Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний. К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной службы относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arabsat и AsiaSat. Наиболее мощной является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона обслуживания - Атлантический, Индийский, Азиатско-Тихоокеанский и Тихоокеанский.

Сети ПСС появились около 30 лет назад. В зависимости от типа станции они подразделяются на морскую - МПСС {MMSS - Maritime Mobile Satellite Service}, воздушную ВПСС {AMSS - Airborne Mobile Satellite Service} и сухопутную - СПСС {LMSS - Land Mobile Satellite Service}.

Широковещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания, спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания. Все системы телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области телекоммуникаций, где основное требование к системе - сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ГССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.

Конфигурация типовой спутниковой сети связи, базирующейся на геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), приведена на рис. 1. В состав ГССС обычно входят:

1. Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.

2. Совокупность земных станций, оборудованных приемо-передающей аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и потребителями информации.

3. Одна или несколько центральных станций, обеспечивающих управление процессами информационного обмена и функционирования сети.

4. Командно-измерительная станция, обеспечивающая управление функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.



Рисунок 1. Конфигурация ГССС. ЗС - земная станция, П - пользователь, ЦЗС - центральная земная станция, КИС - командно-измерительная станция

Земные станции обмениваются между собой информацией через ГСР, который для этого должен, как минимум, принимать излучаемые передающими ЗС сверхвысокочастотные сигналы, переносить частотный спектр принимаемых сигналов в другую область частот, усиливать и переизлучать преобразованные по частоте сигналы в направлении приемных ЗС.

Земные станции выполняют также функции узлов сопряжения (шлюзов) между наземными сетями (пользователями) и ССС. С этой целью в ЗС осуществляется преобразование форматов и протоколов передачи данных, используемых в наземных сетях, в форматы и протоколы, позволяющие эффективно использовать связные ресурсы спутниковых каналов.

Через ЦЗС центры управления сетью {NOC - Network Operation Center} координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети, обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между ЗС связные ресурсы сети, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация. При помощи контрольно-измерительной станции сети центр управления полетом {FCC - Flight Control Center} получает и обрабатывает данные внешнетраекторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный режим работы бортовых систем ретранслятора.

Характерные особенности радиоканалов связи через ГСР состоят в следующем:

1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности (35875 - 41000 км) задерживают сигналы на сравнительно большое время (задержка распространения) - 120-136 мс в одном направлении.

2. Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного происхождения.

3. Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов в свободном пространстве, что в сочетании с большим уровнем внешних шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи информации весьма значительных энергозатрат.

ГСР, как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:

1. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК).

2. Систему коррекции орбиты.

3. Систему ориентации.

4. Систему энергообеспечения.

5. Систему терморегулирования.

6. Информационно-управляющую систему.

В подавляющем большинстве существующих ГССС используются ГСР с непосредственной ретрансляцией сигналов. Спутник принимает сигналы радиоканала ЗС-ГСР (радиолиния «вверх»), осуществляет сдвиг (перенос) спектра сигнала частот, линейную фильтрацию и переизлучает сигнал в радиолинию ГСР - ЗС (радиолиния «вниз»). Разнос центральных частот радиолиний «вниз» и «вверх» должен быть не менее полосы ретранслируемых частот. В соответствии с эталонной моделью соединения открытых систем - СОС {OSI - Open System Interconnection} ГСР с непосредственной ретрансляцией выполняет в сети лишь функции низшего физического уровня, а поддержка более высоких уровней возложена на ЗС.

На практике полоса пропускания ретранслятора, которая может составлять сотни мегагерц, разбивается на ряд более узких полос, каждая из которых преобразовывается, усиливается и фильтруется при помощи отдельных стволов (приемопередатчиков). Общими для стволов являются антенны, широкополосные предварительные усилители и генераторы эталонных частот.

Альтернативой непосредственной ретрансляции является использование ретрансляторов с бортовой обработкой сигналов. При бортовой обработке сигнал с выхода линейной части приемника поступает в демодулятор, где переводится в область видеочастот, декодируется и обрабатывается в процессоре видеосигналов. Обработанные видеосигналы кодируются, модулируют несущее колебание, усиливаются и излучаются [2].

В отличие от наземных проводных и кабельных сетей, в которых канал связи между парой узлов представляет собой отдельную физическую линию, соединяющую только эту пару, в ССС на базе СР с непосредственной ретрансляцией физически присутствует в принципе доступный для любой ЗС общий частотный ресурс, образующий общий моноканал. На основе моноканала могут быть организованы различные виртуальные (логические) каналы связи, позволяющие реализовать разнообразные логические топологии ССС. Более того, для разных ЗС могут быть организованы подсети с разной топологией, а разным видам передаваемого трафика может быть поставлена в соответствие наиболее приемлемая логическая топология сети, свойства которой можно изменять в процессе функционирования ССС в зависимости от текущих решаемых задач.

Основные сетевые топологии, которые могут быть организованы в ССС:

1. Полносвязная - наиболее естественная в силу специфики спутниковых каналов связи топология

2. Древовидная - легко реализуема в ССС, но её практическое использование не имеет смысла

3. Радиальная - широко используется в ССС

В настоящее время наряду с ГССС функционируют ССС на негеостационарных орбитах (НССС). Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:

Ш меньшая высота орбит КА (от 700-1500 км - у LEO, до 10000-20000 км - у МЕО, и, как следствие, существенно меньшая задержка распространения сигналов;

Ш небольшие энерго- и массогабаритные характеристики КА. Например, масса низкоорбитальных КА, как правило, не превышает 250-750 кг;

Ш высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность времени радиовидимости (например, в LEO средняя продолжительность времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи составляет только 6-7 минут).

Ш высокие доплеровские сдвиги частот (около +/-40 кГц в 1-диапазоне);

Ш использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн терминалов, например 20°-40°, что обеспечивает надежность связи около 99,9%, и др.

2. Модуляция-демодуляция и помехоустойчивое кодирование

Большая протяженность каналов связи через ГСР приводит к значительным потерям мощности полезных сигналов в свободном пространстве и требует использования оптимальных структур передаваемых сигналов. Вариантом оптимального по критерию минимума вероятности ошибки устройства различения двух априорно полностью известных, равновероятных и статистически независимых сигналов на фоне аддитивного нормального белого шума является двухканальный взаимокорреляционный приемник. Как известно, при прочих равных условиях наибольшая помехоустойчивость достигается при использовании сигналов с минимальным коэффициентом корреляции [4].

В цифровых радиоканалах обычно используют отрезки гармонических колебаний с прямоугольной огибающей. При этом возможны три основных способа манипуляции:

Ш AM - амплитудная манипуляция

Ш ЧМ - частотная манипуляция

Ш ФМ - фазовая манипуляция.

Если фиксирована средняя энергия символов, помехоустойчивость AM и ЧМ одинакова. Однако при AM энергия импульса должна быть в два раза больше чем при ЧМ. Поэтому, если ограничена пиковая мощность передатчика, помехоустойчивость AM оказывается существенно ниже ЧМ. С другой стороны, при ЧМ сигналы передаются по отдельным частотным каналам, поэтому полоса частот, занимаемая ЧМ сигналами, при одинаковой длительности сигналов оказывается примерно в 2 раза больше, чем при AM.

При использовании ФМ, при фазовом сдвиге между сигналами равном р коэффициент корреляции принимает минимально возможное значение, равное -1, а вероятность ошибки будет минимальной. Возможность реализовать потенциальную помехоустойчивость предопределяет использование в цифровых каналах связи через ГСР ФМ сигналов.

Сокращение полосы частот канала связи при сохранении пропускной способности возможно следующим образом: двоичные информационные символы длительностью Т на входе канала объединяются в блоки по k последовательных символов. Каждому блоку ставится в соответствие своя посылка длительностью kT. При этом энергия посылки равна kE, а полоса частот при использовании в качестве посылки узкополосного сигнала может быть сужена в k раз. Очевидно, что для однозначного соответствия передаваемых по каналу посылок исходным комбинациям информационных символов необходимо, чтобы количество отличительных признаков посылок (градаций) равнялось 2^к. Градации можно вводить по амплитуде, фазе или по двум параметрам одновременно.

При использовании многократной фазовой манипуляции (МФМ) сокращение полосы частот достигается ценой весьма заметного энергетического проигрыша, поэтому практическое применение нашли ФМ-4 и ФМ-8. МФМ используется в тех случаях, когда не требуется обеспечения высокой достоверности передачи информации в каналах, связные ресурсы которых позволяют эту высокую достоверность обеспечить. Например, при совместной передаче через ствол ретранслятора потоков данных и цифровой телефонии. При передаче данных допустимая вероятность ошибки составляет 10^-8 и менее, а при передаче речевого сигнала, благодаря его большой избыточности, вполне допустима вероятность ошибки порядка 10^-3-10^-4. Использование при передаче рёчи ФМ-8 или ФМ-16 позволяет при прочих равных условиях увеличить число телефонных каналов, уплотняемых в стволе. Использование МФМ возможно также в ситуациях, когда необходим канал с пропускной способностью, превышающей полосу пропускания доступных стволов.

Использование КАМ возможно при наличии в каналах значительного избытка в энергетике, из-за неэффективного использования пиковой мощности передатчика при AM. Из-за этого КАМ в ССС используется редко.

Сузить полосу частот можно, используя сигналы непрямоугольной формы, имеющие более узкий спектр. Однако и в этом случае, учитывая оптимальность прямоугольных сигналов с точки зрения энергетики, неизбежен энергетический проигрыш.

Избежать этого проигрыша позволяет манипуляция с минимальным сдвигом - ММС {MSK - Minimum Shift Keying}. В синфазном и квадратурном каналах используются сигналы с синусоидальной огибающей, а фазы огибающих сдвинуты относительно друг друга на р/2. Суммарная мощность сигналов обоих каналов в любой момент времени постоянна. Спектр ММС более компактен в том смысле, что основные составляющие спектра наиболее плотно примыкают к несущей частоте сигнала. Если ширину спектра сигнала Дf определить по уровню наличия в этой полосе 95% полной мощности сигнала, ММС обеспечивает экономию полосы частот по сравнению с ФМ и ФМ-4 соответственно в 3,4 и 1,7 раза. Это обстоятельство обуславливает использование ММС сигналов в космических каналах связи.

Помехоустойчивое кодирование является более узким классом преобразований с целью повышения достоверности передачи цифровой информации по шумящим каналам. В противоположность рассмотренным выше методам узкополосной модуляции, обеспечивающим при фиксированной скорости передачи информации экономию полосы частот ценой ужесточения требований к энерговооруженности канала, помехоустойчивое кодирование за счет введения избыточности в передаваемый сигнал и соответствующего расширения полосы используемых частот позволяет ослабить требования к энергетике каналов связи. Либо, при той же энергетике, - повысить достоверность передачи.

Из-за низкой мощности сигнала в системах ССС, возникает необходимость в системах исправления ошибок. Практически выбор используемых кодов во многом определяется свойствами воздействующих на полезный сигнал помех. Для спутниковых каналов связи в большинстве практических приложений наиболее часто используется модель с наличием в канале аддитивного нормального белого шума с нулевым средним значением (АНБШ).

Все многообразие предложенных и используемых на практике помехоустойчивых кодов можно подразделить на два принципиально отличающихся класса:

1. Блоковые коды. Кодер блокового кода разбивает непрерывную последовательность информационных символов на его входе на информационные блоки одинакового объема k символов. Все операции в соответствии с используемым кодом производятся над каждым блоком отдельно и независимо от остальных блоков. Каждому возможному информационному блоку ставится в соответствии набор из k выходных символов, называющийся кодовым словом, которое передается по каналу, где подвергается воздействию помех, а затем декодируется на приемной стороне.

2. Непрерывные коды, при использовании которых последовательность информационных символов подвергается обработке в кодере без какого-либо предварительного разбиения её на отдельные фрагменты.

Рассмотрим характеристики наиболее широко известных блоковых кодов:

Коды Хэмминга представляют собой блоковые линейные циклические коды со следующими параметрами: блоковая длина п = 2^т - 1, число информационных символов в кодовом слове k = 2^m - 1 - т, скорость кода r = 1 - т/п, кодовое расстояние d= 3, код исправляет ошибки кратностью t_K = 1, где т - целое положительное число.

Основным достоинством циклических кодов является простота реализации кодирующего устройства. Кодером циклического (п, k) кода является k-разрядный регистр сдвига, охваченный обратной связью, в цепи которой использованы сумматоры по модулю 2.

Поскольку корректирующая способность кодов Хэмминга не зависит от блоковой длины и позволяет гарантированно исправлять лишь однократные ошибки, при увеличении п заметного улучшения характеристик не наблюдается (недостаток корректирующей способности компенсируется увеличением скорости кода). Поэтому практическое применение находят лишь относительно короткие коды Хэмминга.

Симплексные коды. Известно что при оптимальном (корреляционном) различении l полностью известных сигналов на фоне АНБШ оптимальной системой сигналов, минимизирующей вероятность ошибочного приема, является система равноудаленных в пространстве на максимально возможное расстояние сигналов, имеющих попарно минимально возможный коэффициент взаимной корреляции, равный -1/(l -1) - при l четном и -1/l - при l нечетном. Известны ансамбли двоичных сигналов, удовлетворяющие приведенному условию, что позволяет конструировать двоичные коды, оптимальные по критерию минимума вероятности ошибочного приема кодовой комбинации при приеме в целом. В частности, существует система симплексных сигналов, формируемых на регистрах сдвига, охваченных соответствующим образом подобранными линейными обратными связями.

В общем случае симплексный код имеет следующие параметры: п = 2^т-1, k = т, r = т/п, d = 2^m-1 где m - 2, 3….

Ортогональные коды строятся на базе матриц Адамара. Матрицей Адамара называется квадратная ортогональная матрица размерности (п х п), элементами которой являются действительные числа +1 и -1. В частности, при п = 2^т (т = 1, 2, 3…) матрицы Адамара большего размера можно построить с использованием следующего правила:



где - матрица Адамара, в которой все элементы инвертированы.

Кодовыми словами ортогонального кода являются строки матрицы Адамара с заменой +1 на 0, а -1 на 1. Ортогональный код имеет следующие параметры: п = 2^m, k = т, r = т * 2^-m, d = 2^m-1, где т = 2, 3…. При достаточно большой блоковой длине параметры и характеристики ортогональных и симплексных кодов практически совпадают.

Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды) являются обобщением кодов Хэмминга на случай исправления нескольких ошибок. Коды БЧХ характеризуются следующими параметрами: п = 2^m-1, k - любое, d = 2t_u + 1, , где m - целое положительное число, t_и - кратность гарантированно исправляемой ошибки. При фиксированной кодовой длине возможно построение разных БЧХ кодов, отличающихся скоростью и кодовым расстоянием. Качественно о величине энергетического выигрыша помехоустойчивого кода можно судить по величине . Обычно чем больше , тем больше выигрыш. При фиксированном п существует оптимальное значение r, максимизирующее и, соответственно, выигрыш кода.

Энергетическая эффективность БЧХ кодов сопоставима с эффективностью симплексных, а использование полосы частот - в десятки раз лучше. Двоичные БЧХ коды являются лучшими по энергетическому критерию известными двоичными кодами. Достоинством БЧХ кодов являются гибкость, позволяющая при заданной блоковой длине строить коды с необходимым сочетанием скорости и корректирующей способности. Благодаря этим свойствам БЧХ коды широко используются в радиоканалах современных ССС.

Рассмотрим характеристики наиболее широко известных сверточных кодов:

Коды Рида-Соломона (PC-коды) характеризуются следующими параметрами: основание кода b = 2^m, где m - целое положительное число, n = 2^m - 1, k<n - произвольное целое число, d= п - k + 1. Коды Рида-Соломона являются обобщением БЧХ кодов в том смысле, что двоичные коды БЧХ могут быть получены из РС кодов путем вычеркивания всех кодовых слов, содержащих символы, отличные от 0 и 1. Входящая последовательность информационных символов разбивается на k одинаковых блоков по т символов в каждом. Каждый из 2^т возможных блоков интерпретируется как один из символов 2^m-основного кода. Символы кодируются (п, k) кодом РС, каждое кодовое слово которого содержит т двоичных символов. На практике ограничиваются небольшими т. Типичным значением т является т = 8 (b = 256). Важным достоинством РС кодов является возможность корректировать пакеты ошибок длиной до т символов. Это позволяет в некоторых случаях обойтись без достаточно громоздкой процедуры перемежения-деперемежения символов.

Турбокоды. Основная идея турбокодирования заключается в использовании итерационной процедуры декодирования при помощи декодеров с «мягкими» решениями на выходе. Укрупненная блок-схема кодека турбокода приведена на рис. 2. Последовательность информационных символов на входе кодера разбивается на блоки фиксированной длины. Информационные символы поступают в кодер 1, формирующий последовательность проверочных символов П1. Одновременно этот же блок информационных символов через перемежитель поступает на второй кодер, формирующий последовательность проверочных символов П2. Проверочные символы П1 и П2 и соответствующий информационный блок мультиплексируются и передаются по каналу связи.



Рисунок 2. Кодек турбокода

Сигнал на входе декодера при помощи схемы синхронизации разделяется на информационную и проверочную части и в виде чисел («мягкие» решения на входе) поступает на два декодера. Особенностью декодеров является «мягкое» решение на выходе. Это означает, что декодер не выносит окончательного решения о том, какая конкретно последовательность информационных символов была передана, а формирует последовательность чисел, каждое из которых пропорционально вероятности того, что соответствующий информационный символ декодирован правильно. Процедура декодирования носит итерационный характер, причем при каждой итерации декодер 1 использует «мягкие» решения декодера 2 для коррекции своих собственных решений и наоборот. После выполнения заданного числа итераций выносится окончательное решение о содержании принятого информационного блока [2, 5].

3. Протоколы множественного доступа

Под протоколом множественного доступа в спутниковых каналах связи понимаются правила, определяющие порядок коллективного использования многими ЗС (пользователями) связных ресурсов ретранслятора и общей среды распространения радиосигналов. Выбор рационального протокола множественного доступа (ПМД) во многом определяется свойствами используемого радиоканала, в первую очередь задержкой распространения сигнала и пропускной способностью, а также характеристиками пользовательского трафика и числом обслуживаемых ЗС.

При фиксированном доступе пропускная способность канала статически распределяется между ЗС на основе априорных сведений об их информационной активности, и в процессе функционирования это распределение остается неизменным. Различают:

Ш Частотное разделение каналов - ЧРК. При ЧРК уплотняемые сигналы совпадают во времени, но не перекрываются их спектры.

Ш Временное разделение каналов - ВРК. При ВРК сигналы не совпадают во времени, а их спектры полностью перекрываются.

Ш Разделение каналов по форме - РКФ. При РКФ уплотняемые сигналы перекрываются во времени и по спектру.

ССС с ВРК используются в сетях высокой и сверхвысокой пропускной способности (когда потребные ресурсы ГСР находятся на грани технических и технологических возможностей) при относительно небольшом числе ЗС. Примерами подобных сетей могут служить интернациональные сети (типа Intelsat), национальные сети стран с развитой информационной инфраструктурой, например, для объединения наземных сетей связи крупных мегаполисов и т.д.

ЧРК используется в сетях средней и малой пропускной способности при большом числе ЗС (сотни и тысячи). В этом случае неэффективность использования ГСР экономически оправдывается простотой ЗС. Примером могут служить сети VSAT (Very Small Aperture Terminal), сети мобильной связи, сбора информации и т.д.

Проблема статистического мультиплексирования информационных потоков на входе ретранслятора заключается в необходимости координации работы большого числа ЗС, рассредоточенных на значительной территории. Поскольку в общем случае никаких других информационных связей между ЗС, кроме спутникового канала, нет, на поддержание нефиксированных ПМД приходится использовать часть связных ресурсов этого канала. Поэтому находят применение протоколы случайного многостационарного доступа.

Наиболее простым протоколом случайного многостанционного доступа является простая Алоха {Р-Aloha - Pure Aloha}. При передаче ЗС никак не координируют свою работу, и каждая из них передает сообщения по мере возникновения необходимости. При этом неизбежно возникают ситуации, когда сообщения от разных станций перекрываются во времени (сталкиваются, накладываются друг на друга). Правильно принять эти сообщения невозможно без дополнительных специальных мер, однако сам факт столкновения легко обнаруживается при прослушивании канала ЗС-СР. Столкнувшиеся пакеты, естественно, приходится передавать повторно. Если повторную передачу пакета начать сразу же после обнаружения столкновения, то эти сообщения неизбежно столкнуться вновь, поэтому при повторной передаче сообщения задерживаются на случайный, равновероятно распределенный в диапазоне (0 - х_т) отрезок времени х, чем достигается их разнос во времени.

В протоколе P-Aloha столкнувшиеся сообщения передаются полностью при их частичном перекрытии, возможно незначительном, что приводит к избыточной загрузке канала передачей неискаженных в предыдущих попытках фрагментов сообщений. Протокол селективной повторной передачи столкнувшихся пакетов {SR-Aloha - Selective-Reject Aloha} устраняет эту избыточность. На передающей стороне сообщения переменного объема разбиваются на пакеты фиксированного объема. Если при передаче произошло столкновение сообщений, повторно передаются лишь столкнувшиеся пакеты сообщений. Нормальное функционирование протокола возможно при условии, что каждый пакет сообщения имеет формат такой же, что и целое сообщение в протоколе чистая Aloha, то есть синхропосылку и заголовок, содержащий все атрибуты заголовка целого сообщения плюс указатель порядкового номера пакета в сообщении.

Нашла достаточно широкое применение синхронная (или тактированная) Aloha {S-Aloha - Slotted Aloha}. Этот протокол предусматривает некоторую степень координации работы станций. Ось времени разбивается на последовательность слотов (тактов, подкадров, окон) фиксированной длительности. Полагается, что станции синхронизированы таким образом, что им известны моменты начала слотов. Каждая станция имеет право начинать передачу своего сообщения длительностью Т только в моменты начала слотов. Длительность слотов T_с превышает Т на величину защитного временного интервала, необходимого для предохранения сообщений в соседних слотах от перекрытия на входе ретранслятора с учетом погрешности системы синхронизации.

Протоколы случайного доступа имеют существенный недостаток - их потенциальную неустойчивость. Если под воздействием дестабилизирующих факторов, например, флуктуации интенсивности входящего трафика, ухудшении условий связи и т.д., среднее число повторно передаваемых пакетов достигает некоторого критического значения, возникает механизм своеобразной положительной обратной связи: рост числа повторных передач увеличивает интенсивность суммарного трафика в канале и вероятность повторных передач, что приводит к еще большему числу столкновений и повторных передач и т.д. В результате канал связи насыщается столкнувшимися пакетами, его пропускная способность падает до нуля, а задержки передачи стремятся к бесконечности. Причем состояние насыщения является вторым устойчивым состоянием канала связи, и обеспечить выход из него без посторонней помощи невозможно.

Если трафик имеет случайный и пульсирующий характер, то применение фиксированного доступа приводит к неэффективному использованию пропускной способности каналов связи. В подобных ситуациях целесообразным оказывается Применение протоколов предоставления каналов по требованию (ПКТ), обеспечивающих перераспределение пропускной способности каналов между пользователями (земными станциями) в соответствии с их текущими потребностями. Протоколы ПКТ подразделяются на эстафетные и с резервированием.

При использовании эстафетных протоколов все станции выстраиваются в определенном порядке (списке). Когда i-я ЗС заканчивает передачу, право на занятие канала (эстафета) переходит к следующей в списке станции. Если эта станция имеет сообщение для передачи, она занимает канал, в противном случае эстафета по умолчанию переходит к следующей по списку станции и т.д.

Резервирование может быть внутренним и внешним. При внутреннем резервировании используется кадровая структура сигнала. Станция, захватившая слот в предыдущем кадре, присваивает его себе на нужное ей время во всех последующих кадрах. При внешнем резервировании станции посылают заявку на использование информационного канала по отдельному служебному (запросному) каналу. Для эффективного резервирования информационных каналов необходима координация работы территориально рассредоточенных ЗС путем обмена соответствующей служебной (управляющей) информацией. Управление доступом к каналам связи может быть централизованным и децентрализованным (распределенным).

При централизованном управлении ЗС посылают запросы на предоставление канала связи в центральную (управляющую) станцию, планирующую использование связных ресурсов сети в соответствии с поступающими запросами и информирующую активные ЗС о расписании их работы, используя обратный служебный (ответный) канал ЦС-ЗС. Основной проблемой при централизованном управлении является доставка запросов в ЦС. Возможность столкновения информационных и запросных пакетов на практике исключается путём фиксированного частотного или временного разделения между информационным и запросным каналами. Выбор же способа доступа к запросному каналу во многом определяется параметрами сети и обслуживаемого трафика.

При распределенном управлении каждая станция сети анализирует поступающие запросы и самостоятельно планирует свою работу. Основным достоинством распределенного управления по сравнению с централизованным является меньшая задержка передачи. Если при централизованном управлении время задержки не может быть менее утроенного времени распространения сигнала, то при распределенном управлении это время сокращается в 1,5 раза. С другой стороны, реализация распределенного протокола требует, чтобы каждая станция сети самостоятельно и независимо исполняла одинаковый для всех ЗС достаточно громоздкий алгоритм планирования своей работы, а качество служебного канала оставалось бы достаточно высоким вне зависимости от условий связи. Поэтому аппаратура ЗС при распределенном управлении оказывается более сложной, служебные затраты на реализацию протокола доступа увеличиваются, что в конечном итоге приводит к возрастанию стоимости сети и, соответственно, предоставляемых информационных услуг по сравнению с централизованным управлением [2].

Доступ к запросному каналу может быть фиксированным или случайным с использованием протоколов S- или P-Aloha. В связи с этим различают бесконфликтные и конфликтные (состязательные) протоколы ПКТ с резервированием.

К эстафетным протоколам относятся:

Ш MSAP {Mini Slotted Alternating Priorities}

Ш BRAM {Broadcast Recognition Access Mode}

К протоколам с резервированием относятся:

Ш R-ALOHA

Ш PODA {Priority-Oriented Demand Assignments}

Ш RRR {Round Robin Reservation}

Ш FIFOR {FIFO Reservation}

Ш SCRMA {Split-Channel Reservation Multiple Access}

4. Сети подвижной спутниковой службы

Услуги, предоставляемые сетями подвижной спутниковой службы (СПСС), достаточно широки:

Ш телефонная связь;

Ш пейджинговая связь;

Ш передача данных;

Ш электронная почта;

Ш диспетчерская связь;

Ш местоопределение пользователей;

Ш глобальный роуминг

В состав любой сети подвижной спутниковой службы, показанной на рис. 3, входят один или несколько спутников-ретрансляторов, одна или несколько шлюзовых станций (ШС), осуществляющих стыковку с наземными сетями, центральная земная станция (ЦЗС) и большое количество пользовательских терминалов, устанавливаемых на подвижных средствах (морские и речные суда, самолеты, автомобили и т.п.), а также переносных.

В СПСС обычно предусмотрен информационный обмен только между подвижными абонентами и фиксированными абонентами, входящими в состав наземных сетей. При многостанционной работе используется частотное или временное уплотнение каналов с применением протокола множественного доступа предоставления каналов по требованию. В запросных каналах применяются протокол случайного доступа тактированная Aloha и его модификации.



Рисунок 3. Конфигурация сети подвижной спутниковой службы

Рассмотрим сети персональной подвижной спутниковой службы, использующие негеостационарные группировки ретрансляторов:

Система Iridium обеспечивает речевую связь, передачу данных и факсимильных сообщений со скоростью 2,4 кбит/с, пейджинговую связь и местоопределение пользователей. В состав сети Iridium входят портативные, мобильные и стационарные пользовательские терминалы. Основные технические особенности проекта заключаются в использовании межспутниковых линий связи и полной бортовой обработки сигналов, включая быструю коммутацию пакетов. Управляемая орбитальная группировка ретрансляторов сети Iridium состоит из 66 рабочих СР, рассредоточенных в 6 орбитальных плоскостях по 11 равноудаленных СР в каждой плоскости. Высота круговых орбит равна 780 км, а угол наклонения всех орбитальных плоскостей - 86,4°.

При доступе абонентов к ретранслятору используется комбинированное уплотнение каналов ЧРК-ВРК (MF-TDMA). В каждом частотном канале с использованием ВРК уплотняются сигналы от восьми абонентов. Кадр длительностью 90 мс делится на 8 слотов длительностью 11,25 мс. В слотах от пользователей передаются пакеты объемом 1024 символов (с учетом служебных символов синхронизации, заголовка и используемого помехоустойчивого кода) и длительностью 8,5 мс. В сети Iridium использован протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию. Ключевым аспектом в сети является обеспечение непрерывности установленного соединения при переходе обслуживаемого абонента из луча в луч одного ретранслятора, а также с одного ретранслятора на другой. При максимальном времени пребывания абонента в области обслуживания ретранслятора около 8 минут и использовании 48 лучей интенсивность переходов между лучами составляет не менее 1 раза в минуту, поэтому весьма высока вероятность переключения абонентских линий в процессе сеанса связи. Такое переключение не должно создавать неудобств для пользователей, т.е. должно происходить без пауз в связи, посторонних звуковых сигналов в канале, изменения громкости звучания и т.д.

Система Globalstar. По предоставляемым информационным услугам и используемым наземным терминалам сеть Globalstar практически аналогична Iridium. В отличие от Iridium, в сети Globalstar:

Ш каждый пользователь имеет возможность доступа к любому СР, находящемуся в его зоне видимости;

Ш отсутствуют межспутниковые линии связи;

Ш используются СР с непосредственной ретрансляцией;

Ш используются орбитальные группировки СР с круговыми орбитами, имеющими небольшой угол наклонения;

Орбитальная группировка сети Globalstar состоит из 48 ретрансляторов, размещенных в 8 равноудаленных орбитальных плоскостях по 6 СР, равномерно распределенных в каждой плоскости. Высота круговых орбит 1414 км, угол наклонения 52°. Период обращения спутников по орбите равен 114 минут.

При доступе к абонентским линиям используется комбинированный способ уплотнения сигналов абонентских терминалов ЧРК-РКФ (MF-CDMA). В сети Globalstar полоса частот канала РКФ выбрана равной 1,25 МГц. В качестве цифровых широкополосных поднесущих использованы m-последовательности с периодом повторения 127 символов. Все возможные канальные сигналы имеют одинаковую структуру и отличаются лишь начальной фазой. По оценкам разработчиков проекта с учетом интегрального воздействия возможных источников помех, а именно: внешнего и внутреннего шума, внутрисистемных шумов неортогональности канальных сигналов, межлучевой интерференции, мешающего воздействия других радиосистем, работающих в том же диапазоне частот, в одном РКФ-канале при приемлемом качестве передачи можно уплотнить до 25 абонентских каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. В сети использован протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию. В запросных каналах применяется протокол случайного доступа S-Aloha.

Крупнейшей сетью персональной подвижной спутниковой службы, использующей геостационарные группировки ретрансляторов является система Thuraya. Область обслуживания, простирающаяся от 100° в.д. до 20° з.д. с запада на восток и от 60° с.ш. до 20° ю.ш. с севера на юг, охватывает около 100 стран Среднего Востока, Северной и Центральной Африки, Восточной Европы и Центральной Азии. Обслуживание осуществляется двумя ГСР с точками стояния 44° в.д. Thuraya 1 - на первом этапе развертывания системы и 25° в.д. Thuraya 2 - на втором этапе. Система обеспечивает скорость передачи 2,4; 4,8 или 9,6 кбит/с. В качестве модуляции в абонентских линиях выбрана двукратная ФМ. Абонентские линии работают в выделенной для ГСР полосе частот 34 МГц L-диапазона [2, 6].

5. Сети VSAT

Появление новых технологий в микроэлектронике и радиотехнике привело к тому, что в середине 80-х годов на мировом рынке появились довольно малогабаритные и относительно недорогие земные станции, получившие название VSAT (Very Small Aperture Terminal), а спутниковые сети связи, построенные на базе таких станций, получили название VSAT-сети.

По формальному признаку сетью VSAT является любая сеть связи, в которой задействованы земные станции с небольшими антеннами. Однако есть ряд признаков, позволяющих выделить сети VSAT из всего многообразия ССС:

Ш сети VSAT относятся к классу сетей фиксированной спутниковой службы;

Ш космический сегмент сетей VSAT базируется на ресурсах геостационарных СР с непосредственной ретрансляцией;

Ш сети VSAT являются в основном корпоративными (ведомственными) сетями;

Ш диаметр антенн терминалов сетей VSAT не превышает 4 метров.

Сети VSAT позволяют решить проблему информационного обеспечения федеральных и муниципальных органов, армии, силовых и таможенных структур, государственных и частных промышленных, добывающих и торговых компаний и корпораций, финансовых и банковских структур, поддерживая:

Ш телефонную связь,

Ш передачу данных и факсов,

Ш диспетчерское управление,

Ш сбор телеметрической информации,

Ш контроль расходования ресурсов,

По топологическим признакам можно выделить сети VSAT с радиальной или, что то же самое, топологией «звезда» (Star) и с полносвязной топологией, или «каждый с каждым» (Mesh).

Применение радиальной топологии (рис. 4) предусматривает наличие центральной земной станции (ЦЗС, HUB-station), которая обеспечивает управление трафиком и работой всех компонентов, а также в случае необходимости выполняет роль шлюзовой станции при сопряжении с внешней инфраструктурой связи.

Поскольку ЦЗС коммутирует все информационные потоки, проходящие по сети, и координирует работу всех остальных VSAT, то выход её из строя приводит к полному отказу всей сети в целом. Поэтому к надежности ЦЗС предъявляются повышенные требования, что обеспечивается резервированием основных узлов станции. Таким образом, в сетях VSAT с радиальной топологией необходима сложная и дорогая ЦЗС, оборудованная большой следящей антенной, мощным передатчиком и сложной резервированной аппаратурой, а сложность и стоимость периферийных станций VSAT оказывается минимальной. При большом числе ЗС стоимость центральной станции распределяется между ними, поэтому наличие ЦЗС не является недостатком и не приводит к удорожанию сети в целом.

Рисунок 4. Радиальная топология сети VSAT

Сети VSAT с радиальной топологией целесообразно применять при большом количестве периферийных терминалов, отсутствии услуг телефонии, преимущественно направленной передаче данных, например в сетях сбора информации.

Полносвязные сети VSAT (рис. 5) предусматривают непосредственный обмен информацией между периферийными терминалами.

Рисунок 5. Полносвязная топология сети VSAT

При этом необходимость в большой ЦЗС отпадает, а функции по управлению информационным обменом в сети и распределению ресурсов возлагаются на координирующую станцию, в качестве которой может выступать любая ЗС сети при условии доукомплектации её соответствующими аппаратно-програмными средствами. Это дает возможность обеспечить более высокую степень отказоустойчивости по сравнению с топологией «звезда».

Глобальный характер используемых приемо-передающих лучей ретранслятора позволяет совместить достоинства рассмотренных топологией в смешанных сетях VSAT, которые строятся таким образом, что передача данных осуществляется по схеме «звезда», а телефония - по полносвязной схеме.

В состав типичной интерактивной сети VSAT входят: совокупность фиксированных станций VSAT, размещенных непосредственно у пользователей; ЦЗС; ГСР; центр управления сетью (ЦУС), обычно территориально совмещенный с ЦЗС.

VSAT включает в себя антенную систему, наружный {ODU - OutDoor Unit} и внутренний {IDU - InDoor Unit} блоки. Антенная система состоит из параболического отражателя, рупорного облучателя, поляризатора и дуплексера, обеспечивающего развязку передаваемого и принимаемого сигналов. В состав наружного блока входят малошумящий усилитель, транзисторный усилитель мощности, преобразователи частоты. Наружный блок соединяется с внутренним посредством единственного коаксиального кабеля длиной до 100 метров. Внутренний блок обычно размещается в пользовательском офисе. Он содержит модем, цифровой процессор, блок управления и источник питания. Процессор обеспечивает интерфейс между периферийным терминальным оборудованием (телефон, факс, компьютер, оборудование для проведения видеоконференций) и VSAT. Он осуществляет согласование различных протоколов пользователей с внутренними протоколами сети и поддерживает используемый протокол множественного доступа к ретранслятору.