Файл: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок.pdf

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
94 качество и надежность каналов связи. Эти достоинства, которые определяют широкие возможности спутниковой связи, делают ее уникальным и эффективным средством связи. Спутниковая связь в настоящее время является основным видом международной и национальной связи на большие и средние расстояния. Использование искусственных спутников Земли (ИСЗ) для организации связи продолжает расширяться по мере развития существующих сетей связи. Многие страны создают собственные национальные сети спутниковой связи.
Все системы можно разделить на системы двух видов: работающие через спутники на негеостационарных и геостационарных орбитах [11].
Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность – невозможность поддержания круглосуточной связи с земной станцией (ЗС).
Однако, перемещаясь по заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с большой площади земной поверхности.
Геостационарные спутники выводятся на такую орбиту в плоскости экватора, при которой их угловая скорость совпадает со скоростью
вращения Земли вокруг своей оси. Высота над поверхностью Земли, где выполняются условия постоянства скоростей и равенства центробежной и гравитационной сил, составляет 36 тысяч километров. Теоретически, один расположенный таким образом спутник может обеспечить качественную связь для трети земной поверхности. В действительности обслуживаемые территории существенно меньше.
Особенностью спутников на геостационарных орбитах является значительная временная задержка
(порядка 240 мс) в спутниковом канале, вызванная необходимостью два раза преодолевать расстояние в 36 тысяч километров от ЗС до спутника [11].
Мы будем рассматривать системы, где применяются спутники связи, обращающиеся на орбитах синхронно с вращением Земли. Это позволяет существенно упростить систему связи. В этом случае каждая земная станция работает непрерывно с одним и тем же спутником связи. Ранее, при

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
95 использовании не синхронных спутников, существовала необходимость периодического переключения антенной системы каждой земной станции с одного спутника на другой, что естественно вызывало перерывы связи. К тому же, значительную часть стоимости ЗС составляла не очень надежная аппаратура слежения. Использование стационарных спутников связи обеспечивает бесперебойную связь, но требует дополнительного запаса рабочего тела для проведения многократных коррекцией орбиты ИСЗ.
Считается, что этот дополнительный запас рабочего тела для коррекции орбиты является сравнительно небольшой платой за простоту эксплуатации системы и отсутствие перерывов связи. Земные станции при использовании стационарных спутников упрощаются за счет отказа от сложной и дорогой системы слежения [11].
Спутниковые системы связи могут различаться также и типом передаваемого сигнала, который может быть цифровым или аналоговым.
Передача информации в цифровой форме обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами передачи. К ним относятся
[11]
:
1. Простота и эффективность объединения многих независимых сигналов и преобразования цифровых сообщений в ―пакеты‖ для удобства коммутации;
2. Меньшие энергозатраты по сравнению с передачей аналогового сигнала;
3. Относительная нечувствительность цифровых каналов к эффекту накопления искажений при ретрансляциях, обычно представляющему серьезную проблему в аналоговых системах связи;
4. Потенциальная возможность получения очень малых вероятностей ошибок передачи и достижения высокой верности воспроизведения переданных данных путем обнаружения и исправления ошибок;
5. Конфиденциальность связи;
6. Гибкость реализации цифровой аппаратуры, допускающая использование микропроцессоров, цифровую коммутацию и применение микросхем с большей степенью интеграции компонентов.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
96
9.2. VSAT-станция спутниковой связи
VSAT
1
-станция – станция спутниковой связи с антенной малого диаметра, порядка 1.8 ... 2.4 м. VSAT-станция используются для обмена информацией между наземными пунктами, а также в системах сбора и распределения данных. Спутниковые системы связи с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают телефонную связь с цифровой передачей речи, а также передачу цифровой информации [11].
К станциям спутниковой связи типа VSAT относятся станции спутниковой связи, обладающие определенными характеристиками, описанными в Рекомендациях №№ 725-729 ММКР (CCIR
2
).
При передаче телефонного трафика спутниковые системы образуют групповые тракты (совокупность технических средств, обеспечивающих прохождение группового сигнала, т.е. несколько телефонных подканалов объединяются в один спутниковый) и каналы передачи (совокупность средств, обеспечивающих переду сигналов от одной точки в другую). Каналы и групповые тракты ССС широко используются на участках магистральной и внутризоновой телефонных сетей, в ряде случаев на местных линиях связи
ССС позволяют
[
11
]
:

организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания ИСЗ,

работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении потребностей трафика на сети,

использоваться наиболее эффективно - полнодоступными пучками.
К настоящему времени создано несколько ССС с использованием VSAT.
Одной из типичных систем такого рода является система, организованная на базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы, установлены в ряде стран, в том числе и в России.
1
Very Small Aperture Terminal
2
Center for Communication Interface Research

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
97
Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи. Вообще станциями VSAT называются станции, обладающие определенными характеристиками, описанными в рекомендациях 725-729 ММКР.
Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации на высоких скоростях (10 Мбит/с и более), существуют системы, использующие временное, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими ЗС.
Еще одним параметром, позволяющим классифицировать ССС, является использование протокола.
Первые спутниковые системы были беспротокольными и предлагали пользователю прозрачный канал.
Недостатком таких систем являлась, например, передача информации пользователя без, как правило, подтверждения ее доставки принимающей стороной. Иначе говоря, в подобных системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией. В этом случае качество ССС определяется качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10
-6
..10
-7
передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что невозможна.
Современные ССС используют протокол, повышающий надежность связи при сохранении высокой скорости обмена информацией между абонентами.
Так, например, для рассматриваемой ниже системы передачи данных типа
PES™ (Personal Earth Station – персональная земная станция) вероятность ошибки на символ не превышает 10
-9
для 99% времени связи [11].
В настоящее время в России сетей и земных станций типа VSAT в строгом их понимании пока мало, но их число будет расти, так как наша страна, наряду с большой протяженностью, обладает плохо развитой инфраструктурой связи, особенно на периферии.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
98
При выборе столь сложной аппаратуры, следует обращать внимание на многие факторы, одним из важнейших является то, насколько распространена аппаратура данного типа в мире, сколько времени на рынке существует фирма, занимающаяся разработкой подобной техники. Это позволит гарантировать надежность работы системы, обеспечить связь с другими системами.
9.2.1. Система SCPC
В России и в Европе существуют сети VSAT-станций, работающих на принципе SCPC [11]. Стандартный вариант связи SCPC где используется связь по принципу «point-to-point» («точка-точка») – это две VSAT-станции, соединенные спутниковым каналом и расположенные у пользователей (см. рисунок 9.1).
BERLIN
BREMEN
SCHLESWIG
-
HOLSTEIN
MECKLENBURG-VORPOMMERN
HAMBURG
NIEDERSACHSEN
BRANDENBURG
NORDRHEIN
-
WESTFALEN
HESSEN
THЬ RINGEN
SACHSEN
RHEINLAND
- PFALZ
SAARLAND
BAYERN
BADEN
-
WЬ RTTEMBERG
SACHSEN-
ANHALT
Fax
Fax

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
99 кбит/сек до 8 Мбит/с и обеспечение телефонной, телефаксной связи между центром и периферией. Данная система открывает возможность выхода через спутниковые станции на международный телепорт в Берлине и далее в любую страну мира. Кроме этого возможно получение прямого московского номера и через телепорт в Москве возможно ведение телефонных переговоров по странам бывшего СССР. В целом следует отметить, что
SCPC-система является очень мощной альтернативой арендованных некоммутируемых каналов, ведомственных линий и т.п. Весьма привлекательна она как средство передачи больших объемов информации с высокой скоростью. Вследствие использования спутниковых цифровых каналов, она является некритичной к дальности и помехозащищенной.
9.2.2. TES-система
TES-система предназначена для обмена телефонной и цифровой информацией в сетях, что построены по принципу «mesh» («каждый с каждым») или, другими словами, в сетях с полным доступом. Это означает, что возможна телефонная связь между любыми двумя абонентами сети, кроме этого абонентам обеспечивается выход в международную сеть общего пользования через телепорт (Gateway) в Берлине [11]. В простейшей конфигурации обеспечивается связь по одному телефонному или факсимильному каналу. Абоненту предоставляется дополнительная возможность организации передачи цифровой информации между двумя станциями, входящими в сеть (см. рисунок 9.2).

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
100
Fax
Fax
IDU
IDU
ODU
ODU
Intelsat VI 60є
32
k
bp
s
3
2
k
b
p
s
32
kbp
s
3
2
k
b
p
s
PSTN
Gateway Berlin
16 m
Antenna
NCS
1 2
3
n
1 2
n
1 2
n
transparent
Data Link
transparent
Data Link
Рисунок 9.2 Схема работы TES-системы
Сеть работает по принципу DAMA – когда абонент не имеет жестко закрепленного за ним спутникового канала, а этот канал предоставляется ему по первому требованию, причем с высокой (более 99%) вероятностью. Этот способ позволяет уменьшить число арендуемых спутниковых каналов и обеспечить приемлемые цены для абонентов. В целом, использование именно TES-системы является самым оперативным и действенным способом доступа в международную телефонную сеть, а также хорошим средством связи с теми областями, которые обладают либо неразвитой инфраструктурой связи, либо вообще не имеют таковой.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
101 9.2.3. Система PES
Система персональных земных станций (Personal Earth Station) PES™ – спутниковая диалоговая пакетно-коммутируемая сеть, предназначенная для обмена телефонной и цифровой информацией в рамках ССС с топологией типа «звезда», с возможностью полного дуплекса [11]. Система располагает крупной и дорогой центральной станцией (HUB station) и многими небольшими и недорогими периферийными станциями PES или REMOTE
(см. рисунок 9.3).
INTELSAT VI 60є
64 kbps kbps
64 kbps
Центральная
станция (Hub)
IDU
DU
ODU
IDU
ODU
IDU
ODU
Главный оффис
LAN филиала
LAN филиала
64 kbps
64 kbps
Рисунок 9.3 Структура PES-системы
Большая эффективная излучаемая мощность и высокое качество приема центральной станции делает возможным применение на PES малых антенн диаметром 0,5-1,8 м и маломощных передатчиков мощностью 0,5-2 Вт. Это значительно снижает стоимость абонентской ЗС. В отличие от других вышеназванных систем, в этой передача информации всегда идет через HUB.
С точки зрения энергетики системы и ее стоимости (соответственно и

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
102 стоимости предлагаемых услуг) оптимально расположение центральной ЗС в центре зоны освещения спутника. Например в сети, работающей через спутник INTELSAT-604, центральная ЗС расположена в Москве.
9.2.4. Описание VSAT-станции
Стандартный вариант связи SCPC (связь по топологии «точка-точка») – это две VSAT-станции, расположенные у в двух пунктах, и соединяются через спутник. Канал связи жестко закреплен за пользователем [11].
Радиочастоты и другие параметры спутникового канала
Станции спутниковой связи работают обычно в 2 диапазонах: С- диапазон (прием 4 ГГц, передача 6 ГГц) и Кu-диапазон (прием 11 ГГц, передача 14 ГГц).
Так как передача идет в цифровом виде, то используется фазовая модуляция. Так как, чем уже занимаемая полоса, тем меньше используется ресурс спутника, то применяется модуляция QPSK
3
, которая эффективнее в
1,5 раза модуляции BPSK
4
, т.е. в один и тот же период времени при всех остальных равных условиях с помощью QPSK передается в 1,5 раза больше информации, чем с использованием BPSK.
Для увеличения надежности приема передаваемого сигнала, требуемая по стандарту SSOG-309 величина ошибок BER
5 1

10
-8
, применяются различные методы помехозащитного кодирования. Одним из таких методов является метод прямого исправления ошибок (FEC
6
), при этом методе сообщение делится на некоторые кванты и отдельные кванты передаются повторно.
3
QuadriPhase Shift Keying – квадратичная манипуляция
4
Binary Phase Shift Keying – двоичная манипуляция
5
Bit Error Rate – вероятность ошибки
6
Forward Error Corect