Разработка системы управления спутниковых каналов связи для АО "Казтелеком" на базе платформы labview

 

Максимальная достигнутая  в настоящее время емкость  аналоговых систем с ЧМ при той  же полосе составляет 3600 КТЧ. Таким  образом, можно считать, что эффективность использования полосы частот в наиболее совершенных цифровых РСП приближается к эффективности аналоговых систем с ЧМ. В РСП с малой и средней пропускной способностью эффективность использования полосы частот в цифровых системах не ниже, чем в аналоговых системах с ЧМ.

Среди рассмотренных  видов манипуляций наибольшей простотой  реализации отличаются двоичные AM и  ЧМ, а также трехуровневая и  четырехуровневая ЧМ при использовании  частотного дискриминатора для демодуляции  сигналов. Сравнительно просто реализуются ОФМ-2 и ОФМ-4 при дифференциально-когерентном детектировании сигналов, основные сложности связаны с необходимостью восстановления опорного колебания на приемном конце.

Наибольшие трудности  возникают при использовании  ОФМ-8 и

АФМ-16, причем в последнем случае возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения высокой линейности амплитудной характеристики всего линейного тракта.

Двоичные некогерентные AM и ЧМ применяются в РСП с  малой пропускной способностью, а  также в перевозимых РРСП, двоичная ОФМ - в РСП с малой и средней пропускной способностью. Широкое применение в РСП с различной пропускной способностью нашли ОФМ-4. Наряду с ОФМ-4 АФМ-16 становится основным видом манипуляции для цифровых РСП с высокой пропускной способностью. Для передачи цифровых сигналов в аналоговых РСП применяются двоичная и многоуровневая ЧМ с числом уровней при использовании аналогового частотного детектора для демодуляции.

 

2. Спутниковые и комбинированные сети

 

Применение космических спутников связи привело к возможности создания глобальных радиосетей. Средства коммуникаций включают спутники связи (СС), наземные радиостанции (PC) и проводные каналы связи между ЭВМ и PC (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 – Структура  спутниковой радиосети

 

Достоинства сети:

• используя разные частоты, можно организовать несколько сетей, работающих параллельно и не мешающих друг другу;
• достаточно просто реализовать связь с движущимися абонентами;

Недостаток: высокая стоимость реализации спутниковой связи.

В настоящее время  среди глобальных сетей все большее  распространение получают комбинированные  сети, в которых передача данных через наземные УК дополняется радиосвязью  абонентов с УК, а при необходимости - и спутниковой связью.

2.1 Геостационарные спутники

 

Согласно закону Кеплера, орбитальный период спутника пропорционален радиусу его орбиты в степени 3/2. Около поверхности Земли период обращения составляет около 90 мин. Спутники связи, летящие на таких низких орбитах, довольно неудобны, поскольку они находятся в зоне видимости расположенной на земле станции лишь на очень короткий интервал времени.

Однако на высоте около 36 000 км над экватором период обращения  спутника составляет 24 часа, то есть спутник  обращается вокруг Земли за тот же период времени, что и сама планета. Для земного наблюдателя двигающийся по подобной орбите спутник кажется неподвижным. Спутники на геостационарных орбитах чрезвычайно полезны для средств связи, поскольку навести антенну на неподвижный спутник гораздо легче (и дешевле), чем на двигающийся. При современной технологии следует располагать спутники не ближе, чем на расстоянии в 2 градуса друг от друга на 360-градусной дуге экватора, во избежание интерференции. Таким образом, одновременно в небе могут находиться только 360/2 - 180 геостационарных спутников. Некоторые из данных участков орбиты уже зарезервированы за различными классами пользователей, такими как телевизионное вещание, правительственная и военная связь и т. д. К счастью, спутники используют различные частотные диапазоны, поэтому каждый из 180 спутников может одновременно принимать и передавать в различных частотных диапазонах несколько потоков данных. Либо два или более спутников, работающих в различных частотных диапазонах, могут занимать один сектор орбиты. Чтобы не допустить хаоса в небе, был принят ряд международных соглашений по вопросу использования участков орбит и частотных диапазонов. Основные коммерческие диапазоны перечислены в табл. 2.5. Первым диапазоном, разработанным для коммерческой спутниковой связи, был диапазон С. Он состоит из двух полос частот, нижняя из которых предназначена для передачи со спутника, а верхняя — для передачи с Земли на спутник. Для дуплексной связи требуется пара каналов. Эти полосы частот уже переполнены, так как они также применяются в системах наземной микроволновой связи.

 

Таблица 2.1 – Основные частотные диапазоны спутниковой связи

Диапазон	Частоты	Прием, ГГЦ	Передача, ГГц	Проблемы
С Ku Ка	4/6 11/14 20/30	3,7-4,2 11,7-12,2 17,7-21,7	5,925-6,425 14,0-14,5 27,5-30,5	Помехи от наземных систем Дождь Дождь, стоимость оборудования

 

Следующий большой диапазон, доступный для коммерческой связи, — диапазон Ku. Этот диапазон еще не переполнен, кроме того, в данном диапазоне частот спутники могут размещаться на расстоянии до 1 градуса друг от друга. Однако данная длина микроволн отлично поглощается водой, в частности дождем. К счастью, сильные штормы обычно происходят локализованно, так что данная проблема может быть решена с помощью установки дополнительных сильно разнесенных наземных станций. При этом, конечно, понадобятся дополнительные антенны, кабели и электронное оборудование для быстрого переключения с одной станции на другую. Кроме того, в коммерческих целях можно использовать диапазон частот Ка. Однако оборудование для работы со столь высокими частотами все еще весьма дорого. Кроме приведенных в таблице коммерческих диапазонов спутниковой связи существует еще ряд диапазонов частот, используемых для правительственной связи и в военных целях. Обычный спутник оснащается 12-20 транспондерами, с полосами частот шириной от 36 до 50 МГц. Транспондер с пропускной способностью в 50 Мбит/с может использоваться для передачи одного канала со скоростью 50 Мбит/с или 800 цифровых голосовых каналов с пропускной способностью в 64 кбит/с, либо других комбинаций. Кроме того, два транспондера могут работать в одном и том же частотном диапазоне, используя волны с перпендикулярной поляризацией. В первых спутниках связи применялось статическое разделение транспондеров на отдельные частотные каналы. В настоящее время также применяется мультиплексирование с временным разделением, поскольку оно предоставляет значительно большую гибкость. У первых спутников связи был один пространственный луч, освещавший всю Землю. Со временем, благодаря огромному снижению стоимости, размеров и энергии, потребляемой микроэлектроникой, стала возможной гораздо более сложная стратегия широковещания. На каждом спутнике теперь устанавливается несколько антенн и несколько транспондеров. Каждый передаваемый со спутника луч может быть сфокусирован на небольшом участке земли, поэтому возможна одновременная передача и прием по нескольким каналам с одного спутника. Так называемые точечные лучи обычно имеют эллиптическую форму и могут быть всего лишь несколько сот километров в поперечнике. Спутники связи, применяемые в США, обычно имеют один широкий луч, охватывающий 48 штатов, плюс два точечных луча для Аляски и Гавайских островов. Новым шагом в развитии систем 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 Ватта. 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, конечно). Для связи таких микростанций требуется специальная промежуточная наземная ретрансляционная станция с большой антенной и мощным усилителем, показанная на рисунок 2.2. 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), значительное 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 от 250 до 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.

 

Рисунок 2.2 – Использование промежуточного ретранслятора для связи систем VSAT

Особенностью спутников  является также то, что 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 замечательно низким уровнем ошибок. Кроме того, она может быть установлена практически мгновенно, что очень важно для военных средств связи.

2.2 Низкоорбитальные спутники

 

В течение первых 30 лет спутниковой  эры низкоорбитальные спутники очень  редко использовались для связи, поскольку они очень быстро появляются и скрываются из виду. В 1990 г. компания Motorola начала освоение новых земель, подав заявку в Федеральную комиссию связи США на запуск 77 низкоорбитальных спутников для проекта Iridium (77-й элемент в периодической таблице Менделеева). Впоследствии проект был пересмотрен, и количество спутников было уменьшено до 66, таким образом, проект следовало бы переименовать в Dysprosium, однако, по-видимому, название этого химического элемента звучало похоже на название болезни. Идея проекта заключалась в том, что как только один спутник исчезал из виду, в поле зрения наземной станции появлялся другой. Это предложение вызвало нечто вроде спутниковой лихорадки среди компаний, занимающихся средствами связи. Все вдруг захотели запустить цепочку низкоорбитальных спутников связи. Мы кратко опишем систему Iridium, остальные системы весьма похожи на нее.

Основной целью системы Indium было предоставление услуг связи по всему миру с помощью устройств размером с телефонную трубку, общающихся напрямую со спутниками Iridium. Предполагалось предоставление услуг по передаче голоса, данных, факсов, а также навигационных услуг в любой точке земного шара. Данная служба должна была вытеснить системы PCS/PCN.

В основе системы 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 как в случае пользователей, двигающихся относительно ячеек, так и в случае ячеек, двигающихся относительно пользователей.

Спутники должны были размещаться  на круговых полярных орбитах на высоте 750 км над поверхностью земли. Они  должны были образовать вытянутые с  севера на юг цепочки или ожерелья, со спутником через каждые 32 градуса широты. Шесть таких ожерелий должны были покрыть всю поверхность Земли, как показано на рисунок 2.3, а. Люди, плохо разбирающиеся в химии, могут считать такую схему очень большим атомом диспрозия, где Земля выступает в качестве ядра, а спутники — в качестве электронов.

У каждого спутника должно было быть 48 точечных лучей, что давало в сумме 1628 ячеек, покрывавших всю поверхность  Земли, как показано на рисунок 2.3, б. Частоты могли использоваться повторно на расстоянии двух ячеек, как в обычной сотовой связи. Каждая ячейка должна была поддерживать 174 дуплексных канала, что составило бы 283 272 канала на весь земной шар. Некоторые из них могли бы использоваться для навигации или пейджинга, что почти не требует пропускной способности. (Пейджеры обычно отображают всего две строки символов.)

Связь между спутником и наземным устройством должна была поддерживаться в частотном диапазоне L, около 1,6 ГГц, благодаря чему для связи со спутником могли использоваться небольшие устройства с питанием от батарейки. Сообщения, получаемые одним спутником, но адресованные удаленному спутнику, должны ретранслироваться между спутниками в диапазоне Ка. В космосе связь между спутниками обладала бы достаточной пропускной способностью. Ограничением пропускной способности всей системы служили бы каналы связи спутников с Землей. Компания Motorola считает, что 200 МГц было бы достаточно для всей системы.

Предполагаемая цена услуги для  оконечного пользователя должна была составить около 3 долларов за минуту. Если данная технология может предоставить универсальные услуги в любой точке земного шара, то маловероятно, что данный проект не состоится из-за отсутствия спроса. Деловые люди и другие путешественники, желающие постоянно иметь надежную связь, даже в неразвитых регионах, будут записываться толпами. Однако в развитых регионах система Iridium встретила бы в лице PCS/PCN серьезных конкурентов с телеточками в виде тостеров на телефонных столбах.

 

Рисунок 2.3 – Система Iridium из шести спутниковых ожерелий (а); 1628 перемещающихся ячеек (б)

2.3 Спутники против  оптоволоконных кабелей

 

Сравнение спутниковой связи с  наземными видами связи может  быть поучительно. Не более 20 лет назад  казалось, что будущее систем связи  за спутниками. В конце концов, телефонная система почти не изменилась за последние 100 лет и, казалось, не изменится еще столько же. Эта неизменность была вызвана 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. Вот, собственно, и все, что было в области связи.

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 типа SMDS и B-ISDN. 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 крупную нишу, предоставляя услуги, недоступные для кабельной связи. Рассмотрим некоторые из них.

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 старая добрая 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 28,8 кбит/с, независимо от того, 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 мотива-ционным 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.

Второй нишей спутниковой  связи является обслуживание 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 данной 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, например, 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.