2. 6. Методы коммутации и передачи данных в ССС
Распределение ресурсов ИСЗ (мощности и полосы) по требованиям различных ЗС (для линий ЗС - ИСЗ) осуществляется на трех этапах: формирование на ИСЗ нескольких стволов за счет использования нескольких ретрансляторов, работающих в различных частотных диапазонах, разделением каналов для обеспечения многостанционного доступа в стволе и динамическим распределением каналов или групп каналов для их коллективного использования на основе методов распределения запросов. В ИСЗ, как правило, устанавливается несколько независимых ретрансляторов. Каждый ретранслятор имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов желаемой полосой частот. Распределение ресурсов каждого ретранслятора, то есть формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов, а для обеспечения многостанционного доступа (МД) используются: частотное уплотнение (МДЧУ), временное уплотнение (МДВУ) и кодовое уплотнение (МДКУ) .
При МДЧУ формирование каналов достигается путем разделения полной полосы ретранслятора между различными группами несущих и ограничения частотной полосы передачи на каждой несущей выделенным поддиапазоном. Ретранслятор работает в режиме близком к линейному, поэтому мощность, выделенная для каждой несущей приблизительно пропорциональна ее мощности на линии ЗС - ИСЗ. МДЧУ не нуждается в координации запросов в реальном времени и может использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Экономически целесообразно использовать МДЧУ для группообразования на линиях дальней телефонной связи, которые обслуживают запросы, поступающие с большой скважностью, но требующие высоких скоростей передачи данных, что требуется при уплотнении трафика большого числа пользователей одной ЗС, а также в тех случаях, когда полный трафих, исходящий от ЗС, невелик и имеет небольшую интенсивность. В случае МДВУ формирование каналов осуществляется путем временного разделения всей выделенной полосы рабочих частот и мощности между различными запросами. Для успешной передачи сообщений передачу через ИСЗ в любое заданное время должна вести только одна ЗС, поэтому требования к управлению мощностью здесь минимальны. При временном разделении каналов используется кадровая структура, что в отличие от методов непрерывной передачи подразумевает необходимость общесетевой синхронизации всех ЗС и использование пакетов с Цифровыми сигналами. Время, предоставляемое ЗС для синхронной передачи, зависит от общей синхронизации, устанавливаемой или непосредственно лидером - ведущей станцией, или косвенным путем, с учетом задержки распространения сигнала на трассе ЗС ИСЗ, которая обычно измеряется ЗС, принимающей свою собственную передачу. С помощью методов кодирования с изменяемой избыточностью, или простых изменений вида модуляции системы МДЧУ и МДВУ можно приспособить к различным условиям распространения и к ЗС, приемные характеристики которых могут различаться на 10 - 15 дБ. В случае МДВУ один пакет может содержать сообщения, предназначенные для станций с различными скоростями приема.
Для ССС разработаны различные методы распределения пропускной способности ИСЗ по запросам. Эти методы разделяют на две группы: методы коммутации каналов, предназначенные для обработки телефонных сообщений, и методы коммутации пакетов предназначенные для обработки данных. Во второй группе выделяют три способа: случайный доступ, неявное резервирование и явное резервирование. 2. 6. 1. Системы с коммутацией каналов с временным уплотнением В подобных системах пропускная способность ретранслятора распределяется по каналам путем организации многостанционного доступа с частотным уплотнением (МДЧУ). Все каналы системы, кроме одного служебного, динамически перераспределяются по запросам станций. Служебный канал используется по способу МДВУ. Таким образом, каждой станции в кадре служебного канала постоянно выделяется один временной сегмент. Когда на интерфейс ЗС по линии наземной связи поступает новый запрос на соединение (вызов), эта станция посылает в собственном сегменте служебного канала требование на выделение двухстороннего канала, т. е. пары каналов из совокупности перераспределяемых каналов МДЧУ. При наличии хотя бы одного свободного канала между вызывающей и вызываемой станциями устанавливается полная дуплексная связь. По окончании соединения любая из пары станций освобождает канал путем посылки сигналов в собственном сегменте служебного канала.
В системе с МДВУ каждому каналу в пределах кадра, длительностью 125 мкс при скорости передачи данных 64 кбит/с выделяется временной сегмент, вмещающий 8 бит цифрового сигнала речи, полученного путем импульсно кодовой модуляции (ИКМ). В каждом кадре каналы распределены на группы, причем каждой абонентской станции выделена своя группа. Количество каналов в каждой группе периодически перераспределяется, так что ЗС с большой нагрузкой могут использовать большое количество каналов.
Обе системы эффективны при телефонной связи, для обслуживания которой они и были предназначены, поскольку длительность телефонного разговора, как правило, значительно превышает время, необходимое для выделения нового канала. Однако при пульсирующем трафике, требующем кратковременного занятия каналов, эти системы не позволяют значительно повысить эффективность использования каналов .
2. 6. 2. Коммутация пакетов
Для нужд пакетной связи потребовались разработки новых методов распределения пропускной способности ИСЗ с коммутацией пакетов и множественным или многостанционным доступом абонентских станций к спутниковой системе. Метод организации связи, получивший название метода "коммутации пакетов" (КП), предполагает разделение входного информационного потока на небольшие сегменты или пакеты данных, которые перемещаются по сети связи или сети передачи данных аналогично письмам в почтовой системе, но с гораздо большей скоростью. Использование этого метода обеспечивает значительное повышение эффективности системы, по сравнению с системами коммутации каналов, но имеют более сложную систему управления. Последнее обстоятельство стало и технически и экономически преодолимо за последнее десятилетие , благодаря бурному развитию высокоинтегральных микроэлектронных схем и микропроцессорной техники. Первыми разработками в области систем связи с множественным доступом и пакетной коммутацией (эти же разработки получают развитие и до сего времени) стали: случайный метод, неявного резервирования и явного резервирования. Описание организации множественного или многостанционного доступа рассматривается подробнее, так как эти методы управления в наибольшей степени согласуются с принципом организации взаимосвязи компьютерных информационных систем и сетей ЭВМ.
2. 7. Многостанционный доступ в ССС.
Особенностью спутниковой связи, обусловленной самим принципом этого вида связи, является возможность одновременного доступа к ретранслятору космической станции сигналов нескольких ЗС. Пропускная способность ретранслятора оказывается при этом несколько ниже, чем в односигнальном режиме работы. В зависимости от метода разделения сигналов на приеме различают три основных способа многостанционного доступа: с частотным разделением каналов (МДЧР), с временным разделением (МДВР) и с кодовым разделением (МДКР) .
2. 7. 1. Описание основных методов многостанционного доступа
В данном разделе не преследуется цель подробного описания всех существующих в спутниковых системах связи методов управления доступом к среде. Рассматриваются те, которые в большей степени совместимы с принципами организации взаимодействия ССС с компьютерными абонентскими станциями, автономными или подключаемых к сети ЭВМ.
2. 7. 1. 1. Доступ с частотным разделением каналов (МДЧР)
МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых ССС. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном ей участке полосы пропускания ретранслятора. Основной недостаток МДЧР - уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 4.... 6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС. В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи "один канал на несущей" (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию. Метод МДЧР широко используется в ССС "Интерспутник", intelsat, национальных ССС многих стран. Данный метод сложно использовать для подключения большого числа компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ.
2. 7. 1. 2. Доступ с временным разделением (МДВР)
Метод МДВР нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. При этом каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытие их не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора. Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи и с помощью аппаратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через главные ЗС. Для подключения большого числа автономных компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ с непосредственной связью со спутниковой станцией требуются значительные затраты при ограниченных возможностях по числу ЗС.
2. 7. 1. 3. Доступ с кодовым разделением (МДКР)
Метод кодового разделения основан на одновременной передаче в полосе частот ретранслятора сигналов нескольких станций, модулированных информационным сигналом и кодовым сигналом - длинной псевдошумовой последовательностью. На приеме информация выделяется путем умножения принятого сигнала на копию псевдошумовой последовательности. Надежное разделение достигается благодаря ортогональности кодовых сигналов отдельных ЗС.
Широкополосные сигналы используются в радиоастрономии и военной связи (для обеспечения секретности). К преимуществам их использования в спутниковой связи относятся :
- малые помехи другим системам и слабая чувствительность к помехам от других систем;
- низкая вероятность перехвата;
- невосприимчивость к засветке Солнцем (при малых антеннах). Основным недостатком МДКР является низкая эффективность использования пропускной способности ретранслятора (1-2%). Использование МДКР с широкополосными сигналами оправдано в сетях с большим числом редко работающих терминалов при значительном уровне помех, когда экономическая эффективность определяется не степенью загрузки ретранслятора, а резким снижением затрат на земную сеть.
2. 7. 2. Сравнительное сопоставление основных методов
Основные преимущества метода МДЧР заключаются в простоте оборудования, невысоких требованиях к параметрам тракта передачи, меньшей мощности передатчика ЗС по сравнению с МДВР. С ростом числа участвующих в работе ЗС пропускная способность ствола ретранслятора в режиме МДВР эффективнее, чем в режиме МДЧР.
МДВР позволяет легко регулировать трафик между отдельными ЗС изменением длительности их пакетов или числа пакетов в кадре. В системе с МДЧР изменение пропускной способности отдельных ЗС связано со сложной перестройкой оборудования на всех ЗС. Еще одно преимущество метода МДВР проявляется при анализе построения аппаратуры ЗС. МДВР проявляется при анализе построения аппаратуры ЗС. С ростом числа станций в сети число преобразователей частоты в аппаратуре МДЧР достигает десятков, при МДВР достаточно одного преобразователя частоты на ствол.
Вместе с тем метод МДВР имеет существенный недостаток, ограничивающий его применение на линиях с малым трафиком - он требует использования на ЗС большой антенны, передатчика сравнительно большой мощности и сложной аппаратуры синхронизации независимо от трафика станции. Специально для сетей с малыми станциями разработаны методы комбинированного частотно-временного доступа, совмещающие преимущества МДЧР и МДВР.
В простейшем случае ЗС передают свои сообщения в виде пакетов в произвольные моменты времени и ждут подтверждения приема от адресата. Если часть сообщений утрачивается из-за наложения сигналов других ЗС, станция-отправитель повторяет свое сообщение полностью или частично. Протокол доступа ALOHA и его разновидности пригодны в сетях передачи данных при незначительном графике и обеспечивают эффективность использования ретранслятора не более 25%. На одной или нескольких несущих в МДЧР-системе могут передаваться сравнительно низкоскоростные потоки с временным разделением сигналов нескольких ЗС с малым трафиком. Этот метод совместим с существующими МДЧР-сетями, требует не очень большого увеличения мощности передатчика и дает некоторый выигрыш пропускной способности ретранслятора. В сети с двумя, скачками на линии "центральная ЗС малая ЗС" может при этом использоваться МДВР.
Другой метод - МДВР с многими несущими, иначе называется многочастотным МДВР или МДЧР/МДВР. В режиме МДВР с многими несущими полоса частот ретранслятора делится на ряд меньших полос, в каждой из которых передается на отдельной несущей индивидуально или методом МДВР сравнительно низкоскоростная (до 2 Мбит/с) информация от малых ЗС. Эффективность использования ретранслятора снижается в меньшей степени, чем при МДЧР, и в то же время каждая ЗС работает с меньшей скоростью, чем в классическом МДВР с одной несущей. В одном из вариантов ЗС может передавать свои пакеты поочередно на разных несущих частотах, занимая свободные окна в кадре. Синхронизация осуществляется путем сравнения тактовых частот, генерируемых различными ЗС и передаваемых периодически в составе пакетов, с тактовой частотой, генерируемых на борту. Разностный сигнал транслируется на ЗС и используется для подстройки тактового генератора. Мощность ЗС на передачу при этом будет минимальной, а использование ретранслятора - максимальным. Практическую реализацию указанного режима затрудняет сложность бортового ретранслятора, который должен обеспечить демодуляцию принятых сигналов, выделение цифровых потоков отдельных ЗС, компрессию, объединение в общий цифровой поток, формирование сигналов управления и сигнализации.
Возможны промежуточные, менее сложные режимы обработки сигнала на борту, используемые также на линиях магистральной связи: коммутация на сверхвысоких частотах (СВЧ), коммутация в групповом спектре частот с регенерацией и без регенерации сигнала. В спутнике с многолучевыми антеннами и коммутацией на борту бортовая коммутационная матрица осуществляет необходимые соединения между лучами линий вверх и вниз в соответствии с потребностями трафика. Недостатком метода обработки на борту является жесткая привязка конструкции ИСЗ к конфигурации сети и способам формирования передаваемых сигналов. 2. 8. Земные станции (ЗС) спутниковых систем связи
ЗС принято разделять в зависимости от выполняемых функций:
- приемо-передающие, работающие в сети магистральной телефонной связи и обмена другими видами сообщений;
- приемные станции распределительных систем (ТВ, звукового вещания, циркулярной информации);
- передающие ЗС и приемные установки систем спутникового телевещания (СТВ); - абонентские терминалы подвижных служб.
Малые ЗС занимают промежуточное положение между первыми двумя категориями. Основными показателями для всех ЗС являются:
- диапазон частот на передачу и прием;
- добротность станции (отношение коэффициента усиления к суммарной шумовой температуре ВЧ-тракта);
- эквивалентная изотропно излучаемая мощность.
2. 8. 1. Антенны ЗС
Антенна ЗС должна иметь высокий коэффициент использования поверхности, отличаться низкой температурой и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности, не превышающим международных норм, давать возможность наведения луча на ИСЗ. В системах с разделением по поляризации антенна должна обеспечивать кроссполяризационную развязку более 27 дБ. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяет двухзеркальная антенная система Кассегрена, наиболее часто применяемая на ЗС. В простых приемных установках ТВ-вещания чаще используется однозеркальная схема. Для снижения уровня боковых лепестков антенну выполняют неосесимметричной с вынесенным облучателем, незатеняющим основное эеркало. Для снижения шумовой температуры фидерного тракта стремяться уменьшить потери в нем путем применения лучевода или выноса малошумящего усилителя (МШУ) к облучающей системе.
2. 8. 2. Построение типовой ЗС
Типовая ЗС Intelsat стандарта В работает в диапазоне 6/4 ГГц и содержит двухзеркальную антенну Кассегрена с диаметром основного зеркала 9 - 14 м. Среднеквадратичное отклонение профиля зеркала от расчетного не превышает 1 мм. Уровень боковых лепестков диаграммы направленности удовлетворяет типовым нормам. Автосопровождение ИСЗ осуществляется методом экстремального регулирования, точность наведения составляет 0, 06 град. В качестве МШУ в зависимости от диаметра используются неохлаждаемые параметрические усилители или транзисторные. Для работы в системе добротность станции должна быть более 31, 7 дБ/К.
Станция обеспечивает работу в режимах МДЧР/ЧМ с числом каналов в стволе до 252, МДЧР/ОКН с ИКМ-ФМ с разносом несущих 45 кГц, МДВР со скоростью 120 Мбит/с, передачу данных со скоростями от 64 Кбит/с до 44 Мбит/с, обмен ТВ-программами в полосе ствола 36 МГц.
Для работы в диапазоне 30/20 ГГц в Японии используются ЗС с антенной диаметром 5 м, что равносильно 25 м в диапазоне б/4ГГц. лая компенсации затухания в осадках применяется управление мощностью на передаче. Скорость передачи составляет 1, 544 Мбит/с на несущую, что обеспечивает одновременную передачу речевых сообщений, данных, факсимиле, неподвижных изображений. В рамках Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) проведены работы по унификации требований к ЗС, что позволило получить рациональные схемные решения. В настоящее время многими компаниями выпускаются специализированные интегральные микросхемы отдельных узлов приемных и передающих устройств, что снизило стоимость ЗС. Стоимость приемной установки с антенной диаметром 1, 8 м составляет 1000 -2000 долларов.
2. 8. 3. Малые ЗС
Еще одной новой формой использования спутниковой связи являются системы, ориентированные на пользователя. С ростом энергетических возможностей ИСЗ, формированием многолучевых диаграмм направленности бортовых антенн становится возможным применение при скоростях передачи до 2 - 8 Мбит/с простых и недорогих малых ЗС, размещаемых непосредственно на здании пользователя, что повышает оперативность, гибкость и надежность связи, исключает необходимость наземной соединительной линии и в конечном счете повышает экономическую эффективность использования спутниковых каналов. Малые ЗС могут использоваться для связи периферийных ЭВМ и персональных компьютеров с центральной большой ЭВМ, дирекции предприятия с филиалами, для периодической передачи собираемой информации и во всех других случаях, когда требуется обеспечить связь с большим числом станций, трафик которых невелик. По данным США , создание в рамках компании частной спутниковой сети оправдано в любом из следующих случаев: товарооборот превышает 500 млн. долл. ; численность персонала более 10 тыс. человек; число производственных объектов более 500; затраты на услуги связи превышают 2 млн долл. в год; объем экспорта составляет более 20% от общего товарооборота. Первые сети малых ЗС создавались в диапазоне 6/4 ГГц, однако, для подавления помех от соседних ИСЗ приходилось применять либо антенны довольно большого диаметра (3.... 4, 5 м), либо неэффективные методы многостанционного доступа. Скорость передачи не превышала 9, 6 Кбит/с. В этом диапазоне работают международные системы деловой связи и передачи данных IBS, VISTA, Intelnet. С переходом в диапазон 14/11 ГГц стало возможным обмениваться информацией со скоростью до 64 Кбит/с с малой станцией, имеющей антенну диаметром 1, 2.... 1, 8 м. Стоимость данной ЗС составляет около 10000 долларов и продолжает быстро снижаться.
В зависимости от назначения и энергетики ИСЗ сеть малых ЗС может иметь радиальную (с одним или двумя скачками), смешанную или узловую структуры. В сети с одним скачком периферийные станции связываются с центральной, а та, в свою очередь, соединяется по наземным линиям связи с телефонной сетью или сетью передачи данных. В сетях с двумя скачками периферийные ЗС могут связываться между собой через центральную ЗС, выполняющую функции коммутатора, при этом из-за большой задержки сигналов передачи речевых сообщений затруднена. В смешанной сети возможны два варианта организации связи. Наибольшей эффективностью обладает узловая структура сети, когда каждая станция может связываться с каждой напрямую, на одном скачке, а центральная станция выполняет функции контроля и предоставления каналов. В последнем варианте требуется наличие ИСЗ с повышенной энергетикой, например, за счет формирования узких направленных лучей, и обработкой сигналов на борту.
2. 9. Бортовые ретрансляторы ССС
Радиотехническое оборудование космической станции - ретрансляторы и антенны является важной составной частью ССС, от которой в значительной степени зависят пропускная способность, надежность связи, искажения сигналов и другие показатели.
Основные показатели космической станции те же, что и ЗС:
- диапазоны частот на приема и передачу;
- добротность приемной части;
- число стволов;
- поляризационные характеристики.
С учетом характера преобразований сигнала различают:
- ретрансляторы гетеродинного типа, где усиление в основном происходит на ПЧ; - ретрансляторы прямого усиления (на частоте приема или передачи); - ретрансляторы с обработкой сигнала на борту в групповом спектре. Приемная часть бортового ретранслятора обычно начинается с МШУ, в качестве которого могут использоваться транзисторные или параметрические усилители, либо непосредственно со смесителя. Основными требованиями являются малая масса, габариты и высокая надежность выходного устройства. Типовая выходная мощность составляет 5 - 15 Вт для маломощных ИСЗ, 30 - 60 Вт для ИСЗ средней мощности и 100 - 250 Вт для мощных вещательных ИСЗ.
Условия выведения на орбиту и работы в открытом космосе предъявляют к аппаратуре космических станций ряд специфичных требований:
- минимальная масса при заданных требованиях надежности и электрических показателях;
- ограниченные габариты антенной системы, определяемые диаметром обтекателя ракеты-носителя (2, 5 - 3, 5 м для самых больших современных ракет); - способность выдерживать ускорения и вибрации, возникающие при работе двигателей, резкие перепады температур, воздействие невесомости, радиационного облучения и других факторов космического полета;
- высокая надежность в неослуживаемом режиме, длительный срок службы, достигающий 7-10 лет.
2. 9. 1. Антенны
Учитывая перечисленные требования, для изготовления бортовых антенн используют легкие металлы: магний, титан, алюминий, а также композитные материалы на основе графита, обладающие большой жесткостью и малым коэффициентом линейного расширения. Слабо направленными антеннами, формирующими глобальные и полуглобальные зоны обслуживания, обычно служат рупорные, штыревые или спиральные антенны, при необходимости формирования специальной формы или узких лучей применяются зеркальные антенны со сложными облучателями. 2. 9. 2. Ретрансляторы
Бортовые ретрансляторы ИСЗ также имеют ряд существенных отличий от аналогичной по выполняемым функциям аппаратуры, находящейся в наземных условиях. В первую очередь это относится к конструктивным особенностям, технологии изготовления, методам достижения высокой надежности.
В ретрансляторах, обеспечивающих обработку пакетов, наиболее сложным устройством является процессор, осуществляющий обработку высокоскоростных сигналов. Принятые пакеты МДВР поступают в демодуляторы, которые выбираются в соответствии с частотами несущих и скоростями передачи отдельных пакетов. Информационное содержание пакета записывается во входную память. В пределах кадра МДВР после приема эта информация подвергается декодированию (если на передаче применялось помехоустойчивое кодирование), преобразованию по формату и через коммутатор группового спектра направляется в устройство памяти соответствующей линии связи вниз. В пределах второго кадра после приема пакеты, направляемые по линии вниз, формируются путем вывода информационного содержания выходной памяти на вход модулятора через декодер с исправлением ошибок на входе (если кодирование необходимо). Благодаря работе в режиме переключения лучей каждый пакет передается в направлении той ЗС, для которой он предназначен. Для элементов коммутации и обработки пакетов выдвигаются требования высокого быстродействия. Так в ССС типа ACTS используется процессор фирмы Motorola (США), который обеспечивает работу со скоростью 3, 5 Гбит/с
Страницы: 1, 2
