Системы спутниковой связи

Быстрое развертывание надежных и эффективных сетей на большой территории.

C помощью спутниковых каналов  можно достаточно быстро сформировать  сетевую инфраструктуру, охватывающую  большую территорию и не зависящую  от наличия или состояния наземных  каналов связи. Использование  современных технологий доступа  к ресурсу спутниковых ретрансляторов  и возможность одновременной  доставки информации практически  неограниченному числу потребителей  значительно снижают затраты  на эксплуатацию сети.

Эти возможности спутниковой связи  делают ее высокоэффективной даже в  регионах с хорошо развитыми наземными  телекоммуникациями. Более того, в  настоящее время многие компании с территориально-распределенной структурой крайне озабочены снижением затрат на оплату услуг связи и все  чаще отказываются от услуг сетей  общего пользования, предпочитая создавать  собственные, более экономичные  корпоративные сети связи.

Наиболее эффективный и экономически оправданный способ резервирования каналов.

Для компаний, в которых обеспечение  высокого уровня надежности передачи данных играют важную роль, каналы спутниковой  связи являются оптимальным вариантом  для резервирования существующих наземных сетей.

[http://www.dignum.ru/articles/oborud/preimuwestva-sputnikovoj-svjazi.html]

Космический сегмент

Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты, в которых  период орбиты равен периоду отметки  на поверхности Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии 35800 км в плоскости экватора. Большая  высота, требуемая для поддержания  геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками. В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно; 67о по 143о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки. Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна. Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции  положения, на спутник передаются соответствующие  команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и коррекция  осуществляется.

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. 

Поваляев А.А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных  координат / Под ред. А. И. Канащенкова – М.: Радиотехника, 2008, 328 с.

Диапазоны частот 
 
В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот. 
 
Район 1 - включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ.  
 
Район 2 - охватывает территорию Северной и Южной Америки.  
 
Район 3 - это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихоокеанского региона. 
 
В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита. 
 
Таблица 1

 
Большинство действующих систем спутниковой  связи на базе геостационарных спутников  работают в диапазонах С (6/4 ГГц) и  Ku (14/11 ГГц). Ка - диапазон в нашей стране пока широко не применяется, но идет его бурное освоение в Америке и Европе. Эффективность приемных зеркальных антенн ("тарелок") пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. А длина волны с увеличением частоты уменьшается. Следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см. 
 
При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дб больше, чем в диапазоне C. Обычно, ЭИИМ спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C. Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsat) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках. 
 
В пользу диапазона Ku говорит также факт, что полоса частот, выделенных МСЭ для систем спутниковой связи в этом диапазоне, более чем два раза превышает полосу в диапазоне C. К недостаткам диапазона Ku следует отнести повышенные, по сравнению с диапазоном C, потери во время дождя, что требует создания запаса по усилению антенны для их компенсации. Это ограничивает применение диапазона Ku в регионах с тропическим и субтропическим климатом. Для большинства же районов России необходимый запас не превышает 3-4 дб, для создания которого достаточно увеличить диаметр антенны на 20-30% в сравнении с регионами с сухим климатом. 
 
В связи с изложенным, большинство сетей спутниковой связи на базе VSAT строятся в диапазоне Ku. Для работы систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в рамках которых возможно размещение большого числа каналов. При используемых в настоящее время методах модуляции полоса частот одного симплексного (однонаправленного) канала, выраженная в килогерцах (Кгц), примерно равна скорости передачи, выраженной в килобитах в секунду (Кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 Кбит/с требуется полоса около 65 Кгц, а для канала Е1 (2048 Кбит/с) необходима полоса частот около 2 МГц. Для двухсторонней (дуплексной) связи требуемую полосу необходимо удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с потребуется полоса частот около 4 МГц. Это соотношение выполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых. 
 
Для стандартного спутникового ствола с полосой 36 МГц максимальная скорость передачи составляет около 36 Мбит/с. Но большинству пользователей такие высокие скорости не нужны и они используют лишь часть этой полосы. 
 

Услуги, предоставляемые  системами спутниковой связи

В зависимости от вида предоставляемых  услуг спутниковые системы связи  можно разделить на три основных класса:

> Системы пакетной передачи  данных (доставки циркулярных сообщений,  автоматизированного сбора данных  о состоянии различных объектов, в том числе транспортных средств  и т. д.)

> Системы речевой (радиотелефонной)  связи

> Системы для определения местоположения (координат) потребителей

Системы пакетной передачи данных предназначены  для передачи в цифровом виде любых  данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и др.) Скорость пакетной передачи данных в космических  системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В  этих системах, как правило, отказываются от непрерывности обслуживания и  не предъявляют жестких требований к оперативности доставки сообщений, В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация опоминается  бортовым компьютером и доставляется корреспонденту и заранее определенное время суток).

При радиотелефонной связи в  спутниковых системах используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно  должны выполняться общепринятые международные  стандарты. В таких системах задержка сигнала на трассе распространения  не должна превышать 0,3 с и переговоры абонентов не должны прерываться  во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным  и проходить в реальном масштабе времени. В этом случае при построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать, что:

> Спутники должны оснащаться  высокоточной системой ориентации  для удержания луча их антенны  в заданном направлении

> Количество спутников в системе  должно быть достаточным для  обеспечения сплошного и непрерывного  покрытия зоны обслуживания

Для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться  многолучевые антенные системы, работающие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что  значительно усложняет конструкцию  антенн и космических аппаратов (КА)

>Для обеспечения непрерывности  радиотелефонной связи через  спутник, оснащенный многолучевыми  антенными системами, требуется  большое количество узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным  оборудованием

Во многих случаях абоненту необходимо знать свое местоположение (координаты) на Земле. Для этих целей применяют  аппаратуру двух типов: