Спутниковые системы: обзор, характеристики и применение

Спутниковая связь. Космическая спутниковая связь. Технология спутниковой связи:

Спутниковая связь знаменует собой новый этап развития передовых технологий, который неразрывно связан с освоением космического пространства.

Определение спутниковой связи достаточно убедительно звучит в следующей формулировке: спутниковую связь необходимо приравнять к разновидности космической радиосвязи, которая основана на использовании специальных ретрансляторов — искусственных спутников связи.

Спутниковая связь – это один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании в качестве ретрансляторов искусственных спутников Земли, как правило, специализированных спутников связи.

Радиосигнал ретранслируется небольшими космическими аппаратами, которые движутся вокруг Земли по определенной траектории.

Аппарат, выведенный на орбиту в интересах обеспечения ретрансляции и обработки радиосигнала, получил название искусственного спутника связи (сокращенно ИСС). На борту искусственного спутника связи монтируется сложная ретрансляционная аппаратура: блоки приема/передачи сигнала, а также узконаправленные антенны, работающие на определенных частотах. Работа искусственного спутника связи состоит в приеме сигнала, его усилении, частотной обработки и ретрансляции в направлении земных станций, пребывающих в зоне видимости аппарата. Спутник-ретранслятор – автономное устройство, способное обеспечивать свое местопребывание в заданной точке пространства и потребляющее электроэнергию от бортовых источников питания. Система стабилизации обеспечивает заданную ориентацию антенны спутниковой связи. Передачу на Землю данных о положении космического аппарата, прием управляющих команд обеспечивает телеметрическое оборудование.

Читайте также:  Вай фай внутренние сетевые адаптеры как настроить. Подключение к скрытым сетям Wi-Fi, настройка сетевых адаптеров в Windows XP Pro и Windows Seven Ultimate

Ретрансляция полученного радиосигнала может реализовываться с запоминанием и без запоминания, что обусловлено непостоянным пребыванием спутника в зоне видимости земных станций.

На сегодняшний день системы спутниковой связи являются неотъемлемой частью телекоммуникационных магистралей мира, связавших континенты и страны.

Примечания[ | ]

1. Артур Кларк.
   Extra-Terrestrial Relays — Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage? (англ.). Wireless World (Октябрь 1945 г.). Дата обращения 11 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
2. Вишневский В. И., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В.
   Исторический очерк развития сетевых технологий // Широкополосные сети передачи информации. — Монография (издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований). — М.: «Техносфера», 2005. — С. 20. — 592 с. — ISBN 5-94836-049-0.
3. Communications Satellite Short History. The Billion Dollar Technology
4. Communications Satellite Short History. The Global Village: International Communications
5. ↑ 12
   INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 18
6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004
7. Официальный сайт (неопр.)
   (недоступная ссылка). Дата обращения 22 мая 2007. Архивировано 30 сентября 2007 года.
8. Концептуально-правовые вопросы широкополосных спутниковых мультисервисных сетей
9. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 167
10. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 2
11. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 73
12. Технические характеристики спутников серии «Экспресс-АМ»
13. Характеристики антенны 4.8 метра
14. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 108
15. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 28
16. Recommendation ITU-R V.431-6. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications
17. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 256
18. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 264
19. https://www.telesputnik.ru/archive/116/article/62/ Стандарт DVB-S2. Новые задачи — новые решения//Журнал по спутниковому и кабельному телевидению и телекоммуникациям «Телеспутник»
20. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 283
21. Морелос-Сарагоса Р.
    Искусство помехоустойчивого ирования. Методы, алгоритмы, применение / пер. с англ. В. Б. Афанасьева. — М.: Техносфера, 2006. — 320 с. — (Мир связи). — 2000 экз. — ISBN 5-94836-035-0.
22. Dr. Lin-Nan Lee.
    LDPC Codes, Application to Next Generation Communication Systems // IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference. — October, 2003. Архивировано 8 октября 2006 года.
23. Бернард Скляр.
    Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. — 2 изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 1104. — ISBN 0-13-084788-7.
24. Система спутниковой связи и вещания «Ямал» (неопр.)
    (недоступная ссылка). Дата обращения 22 мая 2007. Архивировано 29 сентября 2007 года.
25. VSAT FAQ (неопр.)
    (недоступная ссылка). Дата обращения 6 ноября 2006. Архивировано 3 ноября 2006 года.
26. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 68
27. Слюсар, В.И.
    Thuraya-1 сквозь призму технических новшеств. // Телемультимедиа. – 2001. — № 5(9).
    (неопр.)
    13 – 18. (2001).
28. Satellite Internet and VSAT Information Centrum (неопр.)
    (недоступная ссылка). Дата обращения 7 ноября 2006. Архивировано 27 сентября 2007 года.
29. Satellite Communications and Space Weather
30. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 91
31. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 93
32. Bruce R. Elbert. The Satellite Communication Applications Handbook. — Artech House, Inc., 2004, p. 34.
33. Satellite Communications in the Global Internet: Issues, Pitfalls, and Potential

Принцип спутниковой связи. Система, оборудование, средства и станции спутниковой связи:

Принцип спутниковой космической связи предполагает передачу/прием радиосигнала с использованием базовых наземных или подвижных станций через спутниковый ретранслятор. Данная специфика обеспечения прохождения радиоволн обусловлена кривизной земной поверхности, препятствующей прохождению радиосигнала. Иными словами, в зоне прямой видимости радиосигнал с одной станции на другую транслируется без задержек. Однако, если стоит задача получить сигнал за многие тысячи километров от передающей станции, то требуется ретранслятор, направляющий сигнал под соответствующим углом на приемную станцию.

По своей сути, спутниковая связь через устройство-ретранслятор является типовой аналогией радиорелейной связи, только в этом случае, ретранслятор располагается на значительном расстоянии (высоте) от земной поверхности, исчисляемой тысячами километров. Если для организации радиосвязи на большие расстояния в разные места земного шара требовалось множество наземных ретрансляторов, то с появлением космических спутников их количество сократилось в разы. Теперь для трансляции радиосигнала с одной материковой части на другую требуется всего один спутник.

Спутниковая связь, в целом, обеспечивается целым комплексом взаимосвязанных элементов системы связи: спутниками-ретрансляторами; стационарными земными станциями спутниковой связи на земной поверхности; центром управления спутниковой связи (ЦУСС) и др. элементами системы.

Для эффективной передачи радиосигнала на большие расстояния аналоговый сигнал не подходит вследствие большой шумовой нагрузки, поэтому его предварительно оцифровывают (т.н. цифровая спутниковая связь), а затем передают на спутник. Для исправления ошибок используют схемы помехоустойчивого кодирования.

На сегодняшний день прием/передачу TV-сигнала и радиовещания на территории РФ обеспечивают спутниковые системы связи (ССС). Спутниковая связь, является ключевым элементом взаимоувязанной сети связи РФ. В состав спутниковой системы связи вошли два базовых компонента – наземный и космический.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно малого 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)[17].

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[18]. Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK[19].

Модуляция производится на наземной 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[20][21] и LDPC-коды[22].

Развитие спутниковой связи. История развития в СССР:

Первый искусственный спутник Земли был выведен на орбиту в 1957 году. Вес космического аппарата составлял всего лишь 83,6 кг. Управление спутником осуществлялось через миниатюрный блок – радиопередатчик-маяк. Успешные результаты приема/передачи радиосигнала в открытом космосе позволили реализовать дальновидные планы, предусматривающие использование ИСС в качестве активного и пассивного ретранслятора радиосигнала. Однако, чтобы реализовать столь перспективные планы, необходимо было создать такие космические аппараты, которые могли нести достаточный вес (разнообразную приемо-передающую аппаратуру). Кроме того, чтобы вывести на орбиту искусственный спутник, нужны были мощные ракетные двигатели и оборудование. После того, как российскими инженерами были решены эти проблемы, появилась возможность запускать в открытый космос ИСС для проведения научных и исследовательских работ, решения навигационных, метеорологических, разведывательных задач, а также для обеспечения стойкого канала связи для передачи радиосигналов на большие расстояния. Процесс формирования спутниковой системы связи (ССС) активизировался после запуска первого искусственного спутника. В рамках реализации данной концепции на земной поверхности начали строить базовые приемо-передающие станции, оснащенные параболическими антеннами. Диаметр антенны достигал 12 метров, что позволило обеспечить стойкий прием и передачу радиосигнала. В 1965 году российскими инженерами удалось обеспечить получение телевизионных программ во Владивостоке, транслируемых из Москвы через ССС.

В 1967 году после тестирования и доведения технической мощности до требуемых параметров была введена в строй система спутниковой связи «Орбита». В 1975 году на круговую орбиту был выведен космический спутник «Радуга». Расстояние от земной поверхности до искусственного летательного аппарата составило почти 36 км. Направление вращения планеты и спутника практически совпадало, поэтому ИСС буквально «парил» над Землей, оставаясь неподвижным на протяжении суток. Данное техническое решение упрощало передачу управляющих команд на космический аппарат и гарантировало функционирование стабильного канала приема/передачи радиоволн. В последующем на орбиту был выведен более совершенный ИСС «Горизонт».

Читайте также:  Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи

Результаты эксплуатации ИСС «Орбита» показали неэффективность обслуживания радиосигнала в интересах трансляции телепрограмм в небольших населенных пунктах, насчитывающих несколько десятков тысяч человек местных жителей. Поэтому, приоритет был предоставлен компактным наземным станциям приема-передачи сигнала, обслуживаемым ССС «Экран». Искусственный спутник данной системы спутниковой связи был выведен на околоземную орбиту в 1976 году. Теперь программы центрального телевидения могли смотреть люди даже в отдаленных местах Сибири и Дальнего Востока.

В 80-х годах прошлого века через ИСС «Горизонт» активно эксплуатировалась система спутниковой связи «Москва».

Что такое спутниковый интернет

Спутниковый интернет – это способ организации доступа к глобальной сети посредством технологий спутниковой связи. Для выхода в глобальную сеть используется спутник, расположенный на геостационарной орбите Земли. Он двигается синхронно с планетой, а потому для наблюдателя с ее поверхности спутник всегда неподвижен. Его положение корректируется посредством маршевых двигателей.

После одноразового наведения параболической антенны подстройка не требуется. Один спутник покрывает сигналом огромные площади (теоретически для покрытия практически всей обжитой площади планеты достаточно трех сателлитов). Адресная передача цифровой информации (каждому абоненту, а не расположенной на поверхности Земли базовой станции) стала возможной после принятия стандарта цифрового вещания DVB.

Наряду с геостационарными существуют и цепочки низколетных спутников, которые «общаются» между собой. Их сигнал можно принимать посредством небольшой антенны. Для равномерного распределения полосы поддерживаемых частот можно запустить несколько сателлитов. Главный недостаток технологии – для покрытия большой площади нужны десятки и сотни низколетящих спутников.

Данные пользователю передаются с подтверждением или без него. В первом случае информация отправляются одним пакетом, и при обнаружении ошибки повторное отправление не происходит. Способ позволяет принимать (загружать) пакеты данных без наземного подключения (для синхронного способа).

Во втором случае информация передается фрагментами, где DVB поток занимает часть канала. Позволяет одновременно смотреть ТВ и работать в интернете. Прочие приемники сигнала, например, телевизор, получая адресованные компьютеру данные, игнорируют их. Как и при любом подключении, пользователи идентифицируются по IP-адресам.

Использование спутниковой связи. Особенности эксплуатации спутников связи:

В начальный период освоения околоземного пространства в интересах ретрансляции радиосигнала в космос запускались простейшие спутники, содержащие минимум аппаратуры на борту (космические спутники «ЭХО» и «ЭХО-2»). В качестве ретранслятора использовалась металлическая сфера корпуса, обладающая отражающим действием. Нередко в качестве отражателя использовалась полимерная сфера с металлическим напылением. Коэффициент полезного действия подобных устройств был чрезвычайно низким, поэтому пассивные искусственные спутники должного развития не получили. Их полной противоположностью стали активные искусственные спутники, имеющие внутри сложную электронную начинку, предназначенную для приема, обработки, усиления и передачи радиосигнала в любую точку земного шара.

По способу обработки радиосигнала космические спутники классифицируются на два типа: регенеративные и нерегенеративные ИСС.

Регенеративные спутники связи осуществляют более объемный набор операций – на стадии приема сигнала производит его демодуляцию, а в момент ретрансляции осуществляет его модуляцию. Такой способ обработки радиосигнала требует дополнительного оборудования и характеризуется достаточной сложностью. Регенеративные спутники отличаются высокой стоимостью.

Нерегенеративные спутники связи обеспечивают простейший набор операций с радиосигналом. В момент приема сигнала от земной станции – искусственный спутник связи обеспечивает его усиление и перенос на другую частоту. В последующем, радиосигнал ретранслируется на другую земную станцию. Спутник может одновременно принимать и передавать множество радиосигналов по разным каналам (транспондерам). Каждому каналу отводится выделенная часть спектра. Недостатком метода является заметная задержка ретранслируемого радиосигнала, обусловленная двойным регламентом исправлением ошибок.

Орбиты спутниковой связи. Орбиты космических спутников связи:

На данный момент существует следующая классификация орбит спутниковых ретрансляторов.

Экваториальная орбита спутниковой связи. Характерной особенностью экваториальной орбиты выступает геостационарный подход, заложенный в основу предложенной технологии. Сущность подхода заключается в том, что угловая скорость спутника-ретранслятора и Земли не только совпадают, но и осуществляются в одном направлении. Иными словами, направление движения спутника и вращения нашей планеты идентичны. Главный плюс экваториальной орбиты заключается в том, что земной приемник постоянно пребывает на связи со спутником. В этом случае спутник, будто находится на одном месте, поэтому радиоволны не встречают препятствий.

К недостаткам предложенного варианта обращения спутника связи относится следующее:

Читайте также:  Чувашская Республика — операторы связи, телефонные номера, коды

— поскольку на орбиту одновременно выводится сотни и тысячи разных спутников, возрастает риск столкновения их друг с другом, поэтому приходится тщательно рассчитывать и контролировать их траектории;

— большая высота (около 36 тыс. км) вывода спутников на орбиту приводит к существенным задержкам при передаче полезной информации (эффект запаздывания радиосигнала);

— значительная высота вывода спутников на орбиту требует существенных материальных затрат;

— невозможность обслуживания земных станций в приполярных областях.

Наклонная орбита спутниковой связи представляет собой более сложный вариант движения в космическом пространстве и взаимодействия спутника с земными станциями.

В рамках предложенной схемы земные станции оборудуются специальными приборами слежения, которые облегчают поиск космического ретранслятора на околоземной орбите и обеспечивают коррекцию угла поворота антенного зеркала. Важным плюсом данного подхода является опция постоянного сопровождения спутника. Иными словами, земная станция постоянно контролирует местоположение спутника и «ведет» его по небосклону. Новшество полностью оправдывает себя в предаварийных и форс-мажорных ситуациях, когда владельцы спутников по разным причинам не контролируют их местоположение.

Полярная орбита спутниковой связи отождествляется с частным случаем наклонной орбиты и предполагает наклон к плоскости экватора в 90°.

Охрана транспортных средств

На данный момент многих автолюбителей может привлечь информация о спутниковой противоугонной системе. Она довольно удобна и надежна. Работает по принципу, устанавливая связь между антеннами автомобиля и несколькими спутниковыми технологиями. Таким образом, на определенное устройство приходит местоположение всех интересующих машин, соответственно, пользователь может определить нахождение транспортного средства до одного метра.

Нужно заметить, что данная спутниковая система для автомобилей немножечко отличается от многих других подобных разработок. Чем же? Она не только может принимать сигналы с орбиты, но также передает их автомобилю, владельцу или же диспетчеру. Если в салон проникнет злоумышленник, а также попробует взломать установленную систему, то такая спутниковая разработка сразу же отправит по сети оператору (или же по специальным приложениям — водителю или диспетчеру) предупреждение. После этого будут подключены необходимые службы, которые определяют передвижение автомобиля и вычисляют местонахождение.

Нужно заметить, что такая охранная система, по мнению многих пользователей, является довольно надежной. Нейтрализовать ее довольно проблематично, если сравнивать с обычной сигнализацией. Некоторые модели разработки способны работать таким образом, что они блокируют движение машины. Из-за этого человек не сможет проехать даже одного метра. Иногда злоумышленники используют джаммеры. Это глушители, которые не пускают сигнал. Разработчики системы сделали так, что она не подвластна подобным устройствами. Она либо не воспринимает излучение, либо, наоборот, блокирует их работу.

Диапазоны частот спутниковой связи. Виды спутниковой связи:

Земные станции передают радиосигнал на спутник в определенном диапазоне. Специфика данного процесса обусловлена тем, что диапазон частот на передачу радиосигнала с земной станции отличается от частотного спектра сигнала, ретранслируемого со спутника. Иными словами, для передачи радиосигнала используется один диапазон частот, а для ретрансляции – другой. Данная особенность поясняется тем, что слои атмосферы по-разному пропускают радиосигнал, активизируя процесс затухания и поглощения сигнала. Диапазоны частот спутниковой связи определяются «Регламентом радиосвязи», при этом принимается во внимание специфика «окон прозрачности для радиоволн» атмосферы, уровень радиопомех и влияние др. факторов.

Диапазоны частот, используемые в спутниковой связи, обозначаются специальными буквами.

Для L-диапазона выделяется полоса частот 1, 5-1,6 ГГц, сфера применения подвижная спутниковая связь (ПСС).

Для S-диапазона выделяется полоса частот 1, 9-2,2 и 2,4-2,5 ГГц, сфера использования подвижная спутниковая связь (ПСС).

Для C-диапазона выделяется полоса частот 4-6 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС).

Для Ku-диапазона выделяется полоса частот 11, 12, 14 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), спутниковое вещание.

Для K-диапазона выделяется полоса частот 20 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), спутниковое вещание.

Для Ka-диапазона выделяется полоса частот 30 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), подвижная спутниковая связь (ПСС), связь между спутниками.

Для ENF-диапазона выделяется полоса частот 40-50 ГГц, сфера применения – фиксированная спутниковая связь (ФСС), перспектива.

Более высокое качество приема радиосигнала обеспечивает C-диапазон, однако для этого требуется антенна с увеличенным диаметром тарелки.

Сигнальная часть

Ширина полосы

Ширина полосы (bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.

Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

Спектр частот

Спутники связи должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки), верхняя — для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.

Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: C-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц), или Ku-полосу (14 ГГц и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи (таблица 1).

Читайте также:  Пошаговая настройка интерактивного телевидения от Ростелеком через роутерСпутниковые диапазоны полос передачи, L (GHz)Полоса, С (MHz)Диапазон частот, Ku (GHz)Доступная ширина, Ka (Hz)1.6/1.5156/450014/1250030/1202500

Таблица 1.

Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы, являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы — их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.

Передача в Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).

Передача речи и данных

Мультиплексирование с разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких речевых каналов или каналов данных на один спутниковый приемопередатчик.

В FDM волновая форма каждого индивидуального телефонного сигнала фильтруется для ограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затем преобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов, размещенных в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько групп повторно мультиплексируются и формируют большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных речевых каналов.

Мультиплексирование с временным разделением (TDM) — другой метод для передачи речи и/или данных по одному каналу. Если в FDM для передачи речевого сигнала (или данных) назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются накопители (буферы).

Система Aloha

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать лишь один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и «разрушают» друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом системы Aloha, известной под названием «чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию). В противном случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант системы Aloha состоит в разбиении времени на отрезки — окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha (рис. 2).

Рисунок 2.

Период уязвимости для системы Aloha.

Третий подход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.

Читатели, знакомые с протоколами множественного доступа в локальных сетях, поймут, что описанная система Aloha является предшественником используемого в сетях Ethernet протокола множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением конфликтов (CSMA-CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Особенность протокола CDMA-CD заключается в возможности быстрого определения конфликтов (в течение микро- и даже наносекунды) и мгновенного прекращения передачи. На спутниковых каналах из-за большого времени распространения оперативное прекращение передачи заведомо испорченных пакетов, к сожалению, невозможно.

Другим усовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.

Наземный сегмент

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС.

Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них — организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.

В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.

Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.

Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС такой сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 миллиона долларов.

Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT — Very Small Aperture Terminal) связанных с одной главной ЗС (MES — Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

Четвертый тип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции, поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прием данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.