Высокоскоростные спутниковые системы связи

Здесь мы рассмотрим основные проекты спутниковых систем высокоскоростной связи. Эти проекты нацелены, прежде всего, на развитие услуг связи и персонального доступа в Internet. Большинство из них находятся еще на стадии реализации, ввод их в эксплуатацию ожидается в 2003-2004 гг.

2.7.4.4.1. Система спутниковой связи и передачи данных ASTROLINK

В системе предполагается использовать девять геостационарных ИСЗ, расположенных в точках стояния 97°, 21,5° з.д., 38°, 130°, 170,25° в.д., которые формируют практически глобальную зону обслуживания. Система ASTROLINK зарегистрирована в октябре 1995 г. В мае 1997 г. федеральная комиссия США гарантировала компании Lockheed Martin Telecommunications действие лицензии.

Система предусматривает цифровую телефонную связь, передачу данных и трансляцию широкополосной видеоинформации в интересах медицинских учреждений, правительственных организаций, транспортных и туристических компаний. Предусматривается организация распространения электронных версий различных изданий, дистанционное обучение, передача медицинских томографических данных и решение многих других задач, требующих передачи больших объемов информации.

Наземный сегмент будет включать стационарные и передвижные абонентские станции с антеннами диаметром 65, 85, или 120 см. Станции предусматривают систему автоматического поддержания уровня излучаемой мощности и рассчитаны на работу в ISDN сетях и сетях, использующих технологию АТМ. Станции для крупных пользователей имеют те же возможности, но диаметр антенны увеличен до 1.2—2.4 м, и обеспечивают возможность коллективного доступа к ресурсам системы. Центральные региональные станции имеют выход в наземные телефонные сети общего пользования (диаметр антенны 2,4 м). В каждой рабочей зоне может быть расположено до 24 центральных региональных станций.

2.7.4.4.2. Межрегиональная система спутниковой связи и передачи данных SPACEWAY

Система SPASEWAY предназначена для организации международных видеотелефонных сетей и высокоинформативных сетей передачи данных в глобальном масштабе.

Космический сегмент по проекту предусматривает 17 геостационарных ИСЗ, расположенных в точках стояния 50°, 101° з.д, 25°, 110°, 175° в.д. Все ИСЗ связаны межспутниковыми линиями (рис. 2-75). Многолучевые антенны спутников создают несколько региональных рабочих зон:

регион 1 — Северная Америка;

регион 2 — Центральная Америка, Южная Америка;

регион 3 — Африка, Средний Восток, Европа;

регион 4 — Авст­ралия, Океания, Дальний Восток.

Каждый регион обслуживают четыре ИСЗ, образующие кластер в соответствующей точке геостационарной орбиты. Один ИСЗ (175° в.д) выделен для обеспечения трафика между США и Азиатско-Тихоокеанским регионом. Рабочие зоны формируются многолучевыми антеннами. Каждый из 48 лучей поддерживает передачу цифрового потока со скоростью 92 Мбит/с. На Земле используются различные типы абонентских станций USAT с диаметром антенны 66 см и передатчиками примерно 2 Вт. Проектный срок запуска системы в эксплуатацию 2004 год. Параллельно рассматривается концепция создания дополнительной космической группировки на основе среднеорбитальных ИСЗ при сокращении числа геостационарных ИСЗ.

2.7.4.4.3. Спутниковая система для видеотелефонной связи в США CYBERSTAR

Космический сегмент системы CYBERSTAR предусматривает создание в точке стояния 110° з.д. кластера из трех геостационарных ИСЗ CYBERSTAR (дополнительный резервный ИСЗ будет находиться на Земле). Спутники должны обеспечить трансляцию сверхширокополосной информации для обеспечения многоканальной цифровой видео-телефонной связи на территории США (включая Аляску и Гавайи). Система CYBERSTAR имеет лицензию на работу в Ка-диапазоне частот. Ретрансляционная аппаратура ИСЗ обеспечивает регенерацию сигналов. Для абонентов сетей VSAT используются скорости передачи информации от 384 Кбит/с до 3,088 Мбит/с. Станции VSAT имеют диаметр антенны 0,7—1,5м.

2.7.4.4.4. Низкоорбитальная система спутниковой связи и передачи данных SKYBRIDGE

Система SKYBRIDGE предусматривает интеграцию наземных сетей связи (включая сотовые) и предоставляет следующие виды услуг:

работа в сети Internet в режимах обмена и доступа к электронным базам данных;

оплата покупок, рекламируемых в телевизионных программах;

дистанционное обучение, проведение видеоконференций, пересылка файлов, электронная почта;

видеотелефонная связь;

развлекательные телевизионные программы по заказу абонента, интерактивные компьютерные игры;

передача информации медицинской диагностики, дистанционные медицинские консультации.

Для регионов, в которых средства наземных сетей связи развиты слабо, система SKYBRIDGE может стать основой их создания и наращивания на современном уровне.

Запуск ИСЗ начался в 2001 г. Предусматривается практически глобальная зона обслуживания, ограниченная 68° ю.ш. и 68° с.ш. Космический сегмент состоит из 64 спутников, расположенных на круговых орбитах с высотой 1475 км и наклонением 55°, которые разбиты на две подгруппы. В каждой подгруппе по 32 спутника, расположенных по четыре ИСЗ на каждой из восьми орбитальных плоскостей. Столь сложное построение орбитальной группировки связано с оптимизацией системы SKYBRIDGE по критерию совместимости работы с геостационарными системами в диапазоне частот 10–18 ГГц и условием наилучшего обслуживания малонаселенных регионов Земли. В системе применяется многостанционный доступ CDMA/TDMA. Канальная скорость передачи данных на линии ИС3—Земля составляет 41,5 Мбит/с, а Земля—ИСЗ – 5,2 Мбит/с. Рабочая полоса частот передающего канала 22,6 МГц, (на линии ИСЗ—Земля) и 2,93 МГц (на линии Земля—ИСЗ). Энергетические параметры ИСЗ и наземных станции обеспечивают достижение вероятности ошибочного приема не более 10^-6 на бит информации.

Абонентские станции имеют возможность вызова через центральную фидерную станцию, в зоне которой они находятся. Центральные фидерные станции обеспечивают маршрутизацию сигналов и стыковку с наземными сетями общего пользования. Каждая такая станция имеет зону действия диаметром около 350 км. Дополнительно между центральными станциями образованы высокоинформативные каналы связи, которые не имеют выхода в наземные сети общего пользования. При организации наземной сети используется технология АТМ, которая обеспечивает быстрое и независимое расширение абонентской сети.

2.7.4.4.5. Система спутниковой связи и передачи данных TELEDESIC

Система спутниковой связи TELEDESIC принципиально отличается от других систем спутниковой связи как по назначению, так по предполагаемым техническим решениям. В первую очередь, она обеспечивает не только фиксированных, но и подвижных абонентов высококачественной телефонной связью, а также и другие службы, нуждающиеся в обмене широкополосной информацией в глобальном масштабе. По своей потенциальной пропускной способности система сравнима с волоконнооптической и рассчитана на их совместную эксплуатацию в магистральных линиях связи. Основные идейные создатели системы — фирма McCaw Cellular Communications (глава фирмы Craig О.), специализирующаяся на проводных сетях связи, и фирма Microsoft Corp. (глава W. Н. Gates-III). Проектные работы начаты в 1990 г. Первоначально предполагалось, что с 2001 г. начнется коммерческая эксплуатация системы, однако она была перенесена на 2003 г. (запуск первого экспериментального ИСЗ произведен 27 февраля 1998 г.).

Для обеспечения глобальной зоны обслуживания в системе TELEDESIC предусматриваются межспутниковые радиолинии. Общая зона обслуживания разбита на 20 000 локальных зон размером 100х100 км. Каждая локальная зона включает девять парциальных зон (ячеек) размером 53,3х53,3 км. Локальные зоны образуют "ленты", параллельные экватору (250 локальных зон вдоль экватора с уменьшением их числа к полюсам). Космический сегмент системы образован группировкой из 288 ИСЗ (рис. 2-76), расположенных на круговых орбитах высотой 1375 км в 12 плоскостях с наклонением 98,142°—98,182° (солнечно-синхронные орбиты). На каждой орбите расположено 24 действующих ИСЗ. Пространственное разнесение орбит в плоскости экватора примерно 18°.

Каждый из действующих ИСЗ создает рабочую область, включающую 64 локальные зоны (диаметр 1400 км, 576 ячеек) (рис. 3). При движении ИСЗ вдоль орбиты изменяется пространственная ориентация 64 лучей антенной системы, обеспечивая стационарность расположения ячеек. За каждой ячейкой закреплен определенный заранее ресурс пропускной способности ИСЗ. В результате можно достаточно точно описать границы обслуживаемых территорий, достоверно учесть плотность распределения потребителей и, соответственно, рационально использовать пропускную способность каждого ИСЗ. Кроме того, проще избежать интерференции сигналов. Межспутниковые радиолинии работают в диапазоне частот 60 ГГц, что обеспечивает помехозащищенность системы. Максимальная дальность межспутниковой радиолинии 2586 км. Пропускная способность 1,531 Гбит/с.

Наземный сегмент состоит из различных терминалов. Для фиксированных абонентов предусматривают терминалы с антеннами диаметром 0,16—1,8 м, для мобильных — диаметр антенны 0,08 м. Мощность передающих устройств 0,01—4,7 Вт. Скорость передачи в зависимости от типа терминала и его комплектации составляет 16 кбит/с—2,048 Мбит/с. Для организации высокоскоростных линий связи используются терминалы с антеннами диаметром от 0,28 до 1,6 м при мощности передатчиков от 1 до 49 Вт в зависимости от требуемой скорости потока от 155,5 Мбит/с до 1,24416 Гбит/с.

Каждый ИСЗ может поддерживать работу 16 высокоскоростных терминалов, находящихся в его рабочей зоне. Внутри отдельной ячейки предусмотрена возможность организации сетей с пропускной способностью 1400 каналов по 16 кбит/с или 15 каналов 1,544 Мбит/с (возможна эквивалентная комбинация каналов). Между центральными станциями системы и специальными государственными пользователями предусматривается возможность организации сверхскоростных каналов от 155 Мбит/с до 2 Гбит/с.

2.7.4.4.6. Система спутниковой связи CELESTRI

Система предназначена для организации широкополосных сетей связи различного назначения, включая объединение наземных сетей телефонной связи общего пользования и локальных сетей фиксированных и подвижных потребителей. Реализация проекта начата в 1996 г. Начало эксплуатации системы планируется к 2003 г. Система CELESTRI предполагает объединение систем MILLENIUM и M-STAR. Низкоорбитальный космический сегмент системы CELESTRI образован группировкой из 70 ИСЗ (из них 7 резервных), расположенных на низких круговых орбитах. Для формирования глобальной зоны обслуживания используются межспутниковые радиолинии. Рассматриваются варианты использования диапазонов частот 40, 50, 60 ГГц или оптического.

Наземный сегмент системы рассчитан на использование малых наземных антенн диаметром 66 см. Возможно, работы над созданием системы будут приостановлены и усилия компании Motorola, Inc. будут направлены на развитие системы TELEDESIC.

2.7.4.4.7. Характерные особенности технической реализации систем

Анализ технических параметров перспективных систем (табл.2-11, 2-12) позволяет выявить характерные общие особенности их технической реализации.

Практически все заявленные системы будут работать в Ка-диапазоне частот (20/30 ГГц), который будет активно осваиваться в XXI в. Многочисленные эксперименты и начало внедрения этого диапазона в практику к настоящему времени уже проведены.

Другая существенная особенность — наличие межспутниковых радиолиний как для систем, основанных на низкоорбитальных ИСЗ, так и на геостационарных. Причем во всех без исключения случаях используется диапазон частот 60 ГГц. Интересно, что, несмотря на активное предложение использовать в межспутниковых радиолиниях оптический диапазон частот, при переходе к практической реализации предпочтение было отдано диапазону 60 ГГц.

Новым техническим решением, которое предусмотрено во всех системах, является использование на геостационарных ИСЗ зеркальных многолучевых антенн с числом лучей в несколько десятков. Как правило, лучи имеют ширину диаграммы направленности (ДН) 1°—2° и обеспечивают "плотное" покрытие рабочей зоны. Для каждого луча выделен свой частотный ствол (стволы) ретранслятора. Смежные лучи развязаны по частоте, а несмежные с совпадающими частотами — по поляризацни и (или) пространству.

Для реализации антенных систем низкоорбитальных ИСЗ также предусматривается многолучевая технология, но она имеет принципиально другую основу, отличную от используемой на геостационарных ИСЗ. Правомернее назвать такие антенны — антеннами с веерной ДН. Как правило, практическая реализация таких антенн основана на использовании ФАР (либо АФАР) с матрицей Батлера. Поддержание точек прицеливания лучей при движении ИСЗ по орбите осуществляется за счет дискретного переключения фазовращателей в матрице формирования лучей. Развязка лучей осуществляется за счет свойств матрицы Батлера. Использование АФАР в данном случае оказывается выгодным, поскольку высота орбиты на порядок меньше (и более), чем у геостационарных ИСЗ, и, следовательно, требование к усилению антенны в каждом луче меньше минимум в 100 раз. Особо выгодно использовать антенны с веерной ДН при применении кодового разделения каналов (режим CDMA). В этом случае развязка между лучами может быть существенно увеличена.

Ретрансляционная аппаратура перспективных ИСЗ, как правило, предполагает коммутацию каналов, обеспечивая полносвязность системы (связь "каждый с каждым"). При этом, как правило, разделение каналов осуществляется традиционным способом: на линии Земля—ИСЗ используется режим FDMA, а ИСЗ—Земля — TDMA (либо модификации этого режима). Интересно отметить, что кодовое разделение каналов (режим CDMA) не используется, за исключением системы VoiceSpan. Представленные системы принципиально отличаются от существующих в настоящее время как по пропускной способности, так и по экономической эффективности. По-видимому, в ближайшие несколько лет будут заявлены и новые сверхинформативные спутниковые системы. Тем более, что уже сегодня активно идет процесс их системной интеграции (например, системное объединение космических группировок геостационарных, среднеорбитальньгх и низкоорбитальных ИСЗ).

Начало эксплуатации сверхинформативных систем позволит предоставить абонентам принципиально новые услуги связи, например, видеотелефонную связь, формирование пакета телевизионных программ по заказу абонента и многое другое. Из этого, конечно же, не следует, что в XXI в. не будут развиваться глобальные, континентальные и национальные спутниковые системы, действующие сегодня. Однако постепенное насыщение на рынке телекоммуникаций приведет к необходимости пересмотра их организационной структуры, стратегических планов развития и взаимной технической и коммерческой координации с целью оптимального участия в формировании и создании единого мирового информационного пространства уже в начале XXI в. По-видимому, в недалеком будущем развитие средств связи в целом приведет к иной форме восприятия мира и новому этапу развития цивилизации.

Вопросы:

1. Сформулируйте основной принцип дифференциального кодирования?

2. Что такое импульсно кодовая модуляция?

3. Рассмотри следующее расширение NRZ кода, которое будем называть E-NRZ: Разобьем последовательность NRZ кодов на группы по 7 разрядов (импульсов). Разряды 2, 3, 6 и 7 инвертируем и добавим 8 разряд – бит четности. Какие достоинства есть у E-NRZ над обычным NRZ? Каковы недостатки E-NRZ?

4. Ниже на рисунке представлен манчестерский код. Определите начало и конец каждого бита и восстановите данные.

5. Линия с полосой в 4КГц, без шума сканируется через каждые 1мсек. Какова максимальная битовая скорость?

6. Пусть нам дан 6МГц канал без шума. Какая максимальная битовая скорость может быть достигнута на этом канале, если использовать цифровой сигнал с 4 уровнями?

7. Какова максимальная битовая скорость при передаче двоичного сигнала по 3КГц каналу с шумом в 20 dB?

8. каково должно быть отношение сигнал/шум, чтобы по 50КГц линии запустить T1 несущую?

9. двоичную последовательность данных 0100101011 передали с помощью биполярного AMI кода и получили на стороне приемника следующую картину.

Найдите, в какой позиции произошла ошибка, и обоснуйте ответ.

10. Выведите формулу для скорости модуляции (сигнальной скорости), как функцию битовой скорости R при квадратичной фазовой модуляции.