8. Спутниковые каналы

Основным принципом спутниковой радиосвязи является идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли. Это позволяет обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа «Молния» с периодом обращения 12 ч, наклонением 63 , высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6-8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария, недостатком - необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 ч, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.

Спутники низкой высоты запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200-2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут.

Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы сектором радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р), различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2-40 ГГц.

Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:

• запаздывание сигналов - для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Служит одной из причин появления эхосигналов при телефонных переговорах;
• эффект Доплера - изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей, много меньших скорости света изменение частоты составляет Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом Международного союза электросвязи (МСЭ) различаются следующие службы:

• фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также для распределения телевизионных программ;
• подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр. );
• радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио- и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

Новым шагом в развитии систем геостационарной спутниковой связи стало создание дешевых микростанций, называемых VSAT (Very Small Aperture Terminal - миниатюрный апертурный терминал). Эти небольшие терминалы снабжены спутниковыми антеннами диаметром около 1 м и могут передавать сигналы мощностью около 1 Вт. Передача обычно ведется на скорости 19, 2 Кбит/с, однако скорость приема значительно выше, обычно около 512 Кбит/с. В большинстве систем VSAT мощности микростанций бывает недостаточно для того, чтобы они общались друг с другом напрямую (через спутник).

Для связи таких микростанций требуется специальная промежуточная наземная ретрансляционная станция с большой антенной и мощным усилителем. При подобной схеме работы либо у передающей, либо у принимающей стороны имеется большая антенна и мощный усилитель. Достоинством такой системы является ее дешевизна, а недостатком - двойное время задержки.

Спутники связи обладают рядом свойств, в корне отличающих их от наземных линий связи. Во-первых, хотя сигнал к спутнику и от него распространяется со скоростью света (около 300 000 км/с), большое расстояние до спутника вызывает значительную временную задержку. В зависимости от расстояния между пользователем и наземной станцией, а также от высоты спутника над горизонтом время передачи от одного узла до другого может составлять 250-300 мс. Обычным значением является 270 мс (540 мс для систем VSAT с применением наземного ретранслятора).

Для сравнения задержка в наземных микроволновых линиях составляет около 3 мкс/км, а в коаксиальных и оптоволоконных кабелях - около 5 мкс/км (электромагнитные волны распространяются в воздухе быстрее, чем в твердых материалах).

Во-вторых, спутники являются широковещательными средствами связи. Передача сообщения через спутник на несколько тысяч станций, находящихся в пределах пятна вещания транспондера, стоит столько же, сколько и передача сообщения на одну станцию. Для некоторых приложений такое свойство чрезвычайно полезно. И хотя широковещание может быть симулировано в системах, использующих линии связи «точка-точка», широковещание со спутника значительно дешевле. Однако с точки зрения безопасности и конфиденциальности спутники являются не самым надежным каналом связи: передачи со спутника может слышать кто угодно. В данном случае может помочь только шифрование.

Стоимость передачи сообщения через спутник не зависит от расстояния. Телефонный разговор с другим континентом стоит столько же, сколько и с соседней улицей. Спутниковая связь также характеризуется низким уровнем ошибок. Кроме того, она может быть установлена практически мгновенно, что очень важно для военных средств связи.

В течение первых 30 лет спутниковой эры низ ко орбитальные спутники редко использовались для связи, поскольку они очень быстро появляются и скрываются из виду. Технология использования таких спутников заключается в том, что как только один спутник исчезает из виду, в поле зрения наземной станции появляется другой. Это легло в основу системы Iridium и последующих спутниковых систем, предоставляющих услуги связи по всему миру с помощью устройств размером с телефонную трубку, общающихся напрямую со спутниками Iridium. Система предполагает возможность передачи голоса, данных, факсов, а также навигационных услуг в любой точке земного шара.

В основе Iridium лежат системы сотовой связи, однако с некоторыми изменениями. В обычной сотовой связи ячейки являются фиксированными, а пользователи - мобильными. В системе Iridium у каждого спутника имеется достаточное количество точечных лучей для сканирования Земли во время движения спутника. Таким образом, в данной системе как пользователи, так и ячейки являются мобильными, однако принцип сотовой связи одинаково хорошо работает и в случае пользователей, движущихся относительно ячеек, и в случае ячеек, движущихся относительно пользователей.

Спутники размещаются на круговых полярных орбитах на высоте 750 км над поверхностью Земли. Они образуют вытянутые с севера на юг цепочки или ожерелья, со спутником через каждые 32 широты. Шесть таких ожерелий покрывают всю поверхность Земли, как показано на рис. 26, а.

У каждого спутника должно быть 48 точечных лучей, что дает в сумме 1628 ячеек, покрывающих всю поверхность Земли, как показано на рис. 26, б. Частоты могут использоваться повторно на расстоянии двух ячеек, как в обычной сотовой связи. Каждая ячейка должна поддерживать 174 дуплексных канала, что составляет 283272 канала на весь земной шар. Некоторые из них могут использоваться для навигации или пейджинга, что почти не требует пропускной способности. (Пейджеры обычно отображают всего две строки символов. )

Связь между спутником и наземным устройством поддерживается в частотном диапазоне около 1, 6 ГГц, благодаря чему для связи со спутником могут использоваться небольшие устройства с питанием от батарейки. Сообщения, получаемые одним спутником, но адресованные удаленному спутнику, должны ретранслироваться между спутниками. В космосе связь между спутниками обладает достаточной пропускной способностью. Ограничением пропускной способности всей системы служат каналы связи спутников с Землей.

Не более 20 лет назад считалось, что будущее систем связи за спутниками. А телефонная система, которая почти не изменилась за последние 100 лет, казалось, не изменится еще столько же. Это было вызвано не в последнюю очередь тем регулятивным окружением, в котором от телефонных компаний ожидалось предоставление услуг по качественной голосовой связи за умеренную цену (с чем они успешно справлялись), а взамен им гарантировалась прибыль с вложенного капитала. Для желающих передавать цифровые данные имелись модемы со скоростью 1200 Кбит/с.

С возникновением в 1984 г. конкуренции в области связи в США и (несколько позднее) в Европе ситуация радикально изменилась. Телефонные компании начали заменять свои междугородные линии оптоволоконными кабелями и предлагать услуги по передаче данных с большой скоростью. Кроме того, было покончено с практикой искусственно поднятых цен за междугородную связь, за счет которых поддерживались низкие местные тарифы.

Неожиданно оптоволоконные кабели оказались победителями в конкурентной борьбе с другими средствами связи. Тем не менее спутники связи сумели занять на рынке довольно обширную нишу, предоставляя услуги, недоступные для кабельной связи. Рассмотрим некоторые из них.

Во-первых, спутниковая связь обеспечивает высокую пропускную способность для индивидуальных пользователей. Хотя один оптоволоконный кабель обладает в принципе большей пропускной способностью, чем все когда-либо запущенные спутники связи, эта пропускная способность оказывается недоступной для большей части пользователей. Установленные на сегодня оптоволоконные кабели используются в телефонной системе, обеспечивая одновременную междугородную связь для многих пользователей, а не высокую пропускную способность индивидуальным пользователям.

Кроме того, лишь очень небольшая часть пользователей имеет доступ напрямую к оптическому кабелю, поскольку на пути у остальных оказывается витая пара местной телефонной линии. При передаче данных по этой линии с помощью модема на скорости 28, 8 Кбит/с пропускная способность никогда не будет выше, независимо оттого, как осуществляется промежуточная связь. Если использовать спутниковую связь, то пользователю нужно лишь установить антенну на крыше, и он станет полностью независим от телефонной системы. Для многих пользователей подобная независимость является очень важным мотивационным фактором.

Пользователи, которым требуется пропускная способность около 40 или 50 Мбит/с, могут арендовать линию ТЗ (44, 736 Мбит/с). Однако это довольно дорого. Если такая пропускная способность требуется лишь периодически, то приемлемым решением является SMDS (Switched Multimegabit Data Service - высокоскоростная сетевая технология), однако в отличие от спутниковой связи данная служба доступна далеко не везде.

Во-вторых, спутниковая связь обслуживает мобильных пользователей. Сегодня многие желают иметь возможность общаться по телефону, занимаясь бегом трусцой, в автомобиле, под парусом и в самолете. Наземные оптические кабели в данных случаях не могут помочь, тогда как спутники с такой задачей вполне могут справиться. Возможно, что для большинства пользователей (кроме тех, кто находится в море или воздухе) оптимальной окажется комбинация сотового телефона и оптического кабеля.

В-третьих, спутники могут оказаться полезными там, где важно обеспечить широковещание. Сообщение, посланное со спутника, может быть одновременно принято тысячами наземных станций. Так, передача биржевых сводок или цен на товары потребления тысячам коммерсантов со спутника может оказаться значительно дешевле, чем имитация широковещания по кабелям.

В-четвертых, спутниковая связь незаменима в местах с гористой или болотистой местностью, а также в местах с плохо развитой инфраструктурой. Например, Индонезия имеет собственную спутниковую систему для обслуживания телефонной связи. Запустить один спутник значительно дешевле, чем прокладывать тысячи кабелей по дну проливов между островами архипелага.

В-пятых, использование спутниковой связи может оказаться проще там, где получить право на прокладку кабеля или очень трудно, или очень дорого.

В-шестых, спутниковая связь нужна в ситуации, когда критичным оказывается быстрая установка связи, например для нужд армии или флота во время боевых действий.

Таким образом, можно предположить, что основным направлением развития средств связи в ближайшие годы будет наземная волоконная оптика в соединении с сотовой связью, однако в особых случаях спутниковая связь оказывается предпочтительнее. Главным аргументом в конкурентной борьбе различных средств связи всегда будет оставаться экономический аспект. Хотя оптоволоконные кабели обеспечивают значительно более высокую пропускную способность, однако вполне возможно, что между наземными и спутниковыми средствами связи будет идти жесткая конкуренция в области цен. Если прогресс в космической технологии приведет к радикальному снижению цены запуска спутника (например, какой-нибудь носитель сможет выводить за один запуск по несколько десятков спутников) или низкоорбитальные спутники получат широкое распространение, то не исключено, что оптоволоконные кабели не смогут победить сразу на всех рынках.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: