CC BY
74«c@yl@qyiym-j©yrmal»#3îii),2©2© / technical science
9
УДК. 621.396
Якушенко Сергей Алексеевич профессор, кандидат технических наук, доцент Забело Александр Николаевич доцент, кандидат военных наук Антонов Владимир Владимирович старший преподаватель Веркин Сергей Сергеевич преподаватель, кандидат технических наук Смирнов Александр Александрович докторант, кандидат технических наук Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного (г. Санкт-Петербург)
DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11288 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СПУТНИКОВОГО
ДОСТУПА
Yakushenko Sergey Alekseevich
Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Zabelo Alexander Nikolaevich
Associate Professor, Candidate of Military Sciences Antonov Vladimir Vladimirovich Senior Lecturer
Verkin Sergey Sergeevich
Lecturer, Candidate of Technical Sciences Smirnov Alexander Alexandrovich Doctoral student, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny (Saint Petersburg)
ANALYSIS OF TECHNOLOGIES FOR ORGANIZING A HIGH SPEED SATELLITE ACCESS
Аннотация
В статье рассмотрены основные технические решения, влияющие на эффективность работы современных сетей спутниковой связи при организации высокоскоростного спутникового доступа, которые используются при построении современных спутниковых сетей связи. Основное внимание уделено методам множественного доступа к ресурсам спутника-ретранслятора. Abstract
The article considers the main technical solutions that affect the efficiency of modern satellite communications networks in organizing high-speed satellite access, which are used in the construction of modern satellite communications networks. The main attention is paid to the methods of multiple access to the resources of the relay satellite.
Ключевые слова: сеть спутниковой связи, множественный доступ, земная станция, спутник, высокоскоростной спутниковый доступ, ресурс.
Keywords: satellite communications network, multiple access, earth station, satellite, high speed satellite access, resource.
Введение
Ресурс связи представляет время и ширину полосы, доступные для передачи сигнала в определенной системе. Графически ресурс связи можно изобразить на двухмерном графике, где ось абсцисс представляет время, а ось ординат - частоту. Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать распределение ресурса между пользователями системы, чтобы время/частота использовались максимально эффективно. Результатом такого планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу. С проблемой совместного использования ресурса связаны термины «уплотнение» и «множественный доступ».
Отличие между этими понятиями минимально. При использовании термина «уплотнение» требования пользователя к совместному использованию
ресурса связи постоянны либо (в большинстве случаев) изменяются незначительно. Распределение ресурса выполняется априорно, а совместное использование ресурса обычно привязывается к локальному устройству (к примеру, монтажной плате). Применение множественного доступа, как правило, требует удаленного совместного использования ресурса, как, например, в случае спутниковой связи. При динамической схеме множественного доступа контроллер системы должен учитывать потребности каждого пользователя ресурса связи. Время, необходимое для передачи соответствующей управляющей информации, устанавливает верхний предел эффективного использования ресурса связи.
Распределение ресурса связи.
TECHNICAL SCIENCE / «Ш11ШетУМ~^©УГМа1>#Щ11)),2©2©
10
Существует три основных способа увеличения пропускной способности (общей скорости передачи данных) ресурса связи.
Первый состоит в увеличении эквивалентной изотропно-излучаемой мощности передатчика или в снижении потерь системы, что в любом случае приведет к увеличению отношения сигнал/шум.
Второй способ - это увеличение ширины полосы канала.
Третий способ заключается в повышении эффективности распределения ресурса связи. Одна из возможных реализаций этого способа - множественный доступ. Пример: спутниковый транспон-дер, который должен эффективно распределить ограниченный ресурс связи между большим количеством пользователей, обменивающихся цифровой информацией. При этом пользователи могут требовать различных скоростей передачи данных и иметь разные рабочие циклы.
Методы множественного доступа, повышающие эффективность использования спутниковых ресурсов
Основные способы распределения ресурса связи, следующие:
Частотное разделение (frequency division -FD). Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.
Временное разделение (time division - TD). Пользователям выделяются периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.
Кодовое разделение (code division - CD). Выделяются определенные элементы набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.
Пространственное разделение (space division -SD), или многолучевое многократное использование частоты. С помощью точечных лучевых антенн радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны. Данный метод допускает многократное использование одного частотного диапазона.
Поляризационное разделение (polarization division - PD), или двойное поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортогональная поляризация, что позволяет использовать один частотный диапазон.
Исторически первый метод мультиплексирования - это частотное разделение каналов (FDM), в том числе и дуплексных (FD). Самая простая его разновидность - фиксированное назначение диапазона каждой станции (FAMA - fixed-assignment, multiple access). Каждому каналу присваивается свой фиксированный диапазон (своя несущая). В результате для того, чтобы установить дуплексное соединение между двумя станциями, необходимо задействовать четыре частотных канала (то есть два транспондера). Данный механизм существенно упрощает бортовую аппаратуру КА, ретранслятор работает в режиме повторителя. Однако его ресурс
расходуется достаточно неэффективно, фактически число возможных соединений точка-точка между наземными станциями равно числу транспондеров у КА.
Типичный пример - системы спутниковой связи (ССС), работающие в С-диапазоне (подавляющее большинство стволов отечественных геостационарных ССС). Ширина полосы восходящего/нисходящего канала при этом 500 МГц. Как правило, КА поддерживает 12 транспондеров, ширина канала каждого - 36(72) МГц (плюс защитный интервал 4 МГц между каналами и по 10 МГц на краях диапазона 500 МГц). Число каналов можно удвоить, используя ортогональную поляризацию сигнала: 12 нечетных транспондеров работают с вертикальной поляризацией антенн, 12 четных - с горизонтальной. При этом центральная несущая вертикально поляризованных каналов смещена на 20 МГц относительно горизонтально поляризованных.
Метод FDM/FD/FAMA хотя и наиболее простой в реализации, но и наиболее неэффективный, особенно когда увеличивается число наземных терминалов.
Дальнейшим развитием множественного доступа (МД) с частотным разделением каналов (FDMA) стал метод SCPC (single channel per carrier) - один канал на несущую. Речь идет в данном случае о телефонном канале шириной 4 кГц. Суть его в том, что весь частотный диапазон делится, например, на субканалы 4 кГц, каждый со своей независимо модулируемой несущей. Распределение подканалов между станциями происходит на основе метода DAMA (demand assignment multiple access) -множественный доступ с назначением канала по запросу. Это означает, что перед началом трансляции каждая станция сообщает центральной (управляющей), что она хочет установить соединение с другой станцией. Для служебных сообщений выделяется специальный сигнальный канал, с помощью которого происходит распределение подканалов между станциями, так, чтобы не было двух станций, одновременно работающих в одном частотном подканале. Скорость передачи данных в каждом подканале зависит от его ширины, механизма кодирования и вида модуляции. Впервые механизм FDMA/DAMA был реализован компанией Comsat в спутниках Intelsat серий IV А и V. В этой системе в сигнальном канале обмен происходит в режиме доступа с разделением времени (TDM).
Информация передается в циклически повторяющихся кадрах длительностью 50 мс. Кадр разбит на 50 тайм-слотов по 1 мс. Каждый тайм-слот закреплен за определенной наземной станцией (в системе Intelsat их не более 50). В течение тайм-слота наземная станция может передать на частоте служебного канала 128 бит - запросы на предоставление голосового канала или сообщение об освобождении канала.
Исторически следующим после FDMA стали использовать механизм множественного доступа с разделением каналов по времени (TDMA - time-
<<Ш11ШетиМ~^©и©Ма1>#Щ51)),2©2© / TECHNICAL science
division multiple access). Принцип его прост: вся передача происходит в циклически повторяющихся кадрах (фреймах), разделенных на интервалы (тайм-слоты) равной длительности. Каждому передатчику назначается (на постоянной или временной основе) определенный тайм-слот.
Основная проблема при этом - не потерять кадровую синхронизацию, для чего в начале каждого кадра передается определенная синхропосле-довательность импульсов. В свое время Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств (СЕРТ) приняла как стандарт структуру базового TDMA-кадра для передачи голосовой информации. Предполагается, что после оцифровки и кодирования поток голосовых данных в каждом канале представляет последовательность 8-разрядных выборок с частотой 16 кГц. Один TDMA-кадр обслуживает 16 независимых голосовых каналов. Выборки каждого из них (по 8 бит) последовательно формируют подкадр из 128 бит. Скорость передачи (с учетом частоты выборок 16 кГц) 2,048 Мбит/с. 32 последовательных подкадра образуют кадр длительностью 2 мс. Это означает, что каждая наземная станция может передавать данные в одном голосовом канале порциями по 32 8-разрядные выборки каждые 2 мс. Отметим, что реальное время передачи базового TDMA кадра в 59 раз меньше (33,9 мкс) - скорость передачи наземной станцией базового TDMA-кадра СЕРТ составляет 120,832 Мбит/с.
Достоинство технологии TDMA перед FDMA прежде всего в том, что в транспондере все время присутствует одна модулированная несущая, т.е. существенно снижаются межканальные интермодуляционные помехи. Упрощается и аналоговая часть аппаратуры (нет необходимости отдельно обрабатывать множество частотных каналов). Технология TDMA гораздо лучше подходит для множественного доступа при передаче цифровых данных.
Технология кодового разделения каналов (CDMA) является более универсальным и перспективным методом множественного доступа. Основные ее достоинства: невысокая пиковая мощность сигнала, гибкость перестройки каналов и выбора полосы канала, простота перехода с канала на канал, возможность работы нескольких станций в одном частотном диапазоне. Метод этот относительно недавно нашел применение в ССС (впервые - в системе Omnitracs). Характерные примеры использующих его систем - ССС Globalstar и Ellipso [1]. Отметим, однако, что именно на CDMA (в различных вариациях этой технологии) основываются многие проекты перспективных ССС.
Еще один перспективный метод множественного доступа - мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM). Он требует относительно сложных средств цифровой обработки сигнала, поэтому до определенного момента и не получил должного распространения. Однако именно на основе данной технологии построен стандарт цифрового телевизионного вещания DVB.
11
Основные технические решения, применяемые при построении современных систем спутниковой связи типа VSA T
Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы [2].
Сети спутниковой связи с использованием абонентских (удаленных) станций с малой апертурой антенны (VSAT) могут иметь различную топологию. Как правило, такие сети в большинстве своем имеют топологию «звезда» с центральной станцией («хабом»), которая располагается в крупном городе и высокоскоростными каналами связи соединяется с глобальными сетями - интернет и телефонной сетью общего пользования.
Обычно центральная земная станция (ЦЗС) устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети. На «хабе» устанавливаются антенна большого размера (обычно от 3,5 до 9 м и более), мощный передатчик (до 400 Вт) и интеллектуальная система управления сетью.
Благодаря этому на периферии сети можно использовать абонентские станции с маленькими антеннами (от 0,6 м), слабыми передатчиками (от 1,0 Вт) и относительно простыми и дешевыми абонентскими терминалами Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приёмопередатчик или приёмник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т. д.).
Спутники-ретрансляторы сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников связи. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нём. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Надежные современные VSAT работают, как правило, в Ки-диапазоне частот от 11 до 14 ГГц, также есть системы, использующие Ка-диапазон от 18 до 30 ГГц и сейчас осваивается Q/V -диапазон 40/50 ГГц.
Некоторые платформы VSAT поддерживают одновременно как «Стар», так и «Меш» - полносвязную топологию, при которой абонентские станции могут связываться друг с другом непосред-
TECHNICAL SCIENCE / «Ш[[ШетиМ~^©иГМа[>#Щ11)),2©2©
12_
ственно. Абонентские терминалы для «Меш» топологии существенно дороже и используются намного реже.
Сети VSAT столь популярны на сегодняшний день в мире благодаря следующим особенностям.
Связь через спутник можно организовать в любой географической точке, единственное необходимое условие - наличие электропитания и видимость спутника ретранслятора в месте установки.
Абонентский терминал имеет небольшой вес и габариты, монтируется и приводится в рабочее состояние за несколько часов. Не требуется проведения большого объема проектных и строительных работ, как для организации кабельной или радиорелейной линий связи. Главная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) РФ выпустила свои решения, направленные на максимальное упрощение легализации абонентского терминала с минимальными финансовыми затратами.
Со стороны клиентского оборудования абонентский терминал имеет в обязательном порядке интерфейс компьютерной локальной сети Ethernet, через который передаются данные по интернет-протоколу - IP, интерфейс и протокол, приспособленные для передачи любого вида трафика: данных, голоса, видео. К тому же специализированные терминалы могут быть укомплектованы специальным оборудованиям присущим силовым и правительственным организациям.
Потребителей российского рынка VSAT можно разделить на четыре сегмента:
1) государственные учреждения;
2) крупные корпорации с разветвлённой сетью филиалов и представительств;
3) средний и малый региональный бизнес;
4) частные пользователи (спутниковый Интернет).
Активными пользователями VSAT являются морские суда, где используются стабилизированные антенны, которые позволяют отслеживать
спутник, несмотря на изменение курса судна. В настоящее время практически все пассажирские круизные суда имеют на борту установку морского VSAT. Как правило, основной проблемой для морских пользователей является правильный выбор оператора VSAT, имеющего неограниченную зону покрытия по всему миру, а также автоматический переход с одного спутника на другой во время плавания.
Основные производители VSAT в мире [3]:
- Advanetch Wireless (Канада);
- Hughes Network System (США) - HughesNet (DirecWay), HX;
- Gilat (Израиль) -SkyEdge;
- ViaSat (США);
- iDirect(США);
- NDSatCom (Германия);
- Истар (Россия);
- Newtec(Бельгия)
- ComTech.
Выводы
Для обеспечения высокоскоростного спутникового доступа нужно основное внимание уделять применению самых эффективных методов множественного доступа и ориентироваться на оборудование ведущих спутниковых вендоров в данной области.
Список литературы
1. Satellite Industry Association. State of the Satellite Industry Report.// September 2014.
2. ComNews Research. Российский рынок спутникового широкополосного доступа. Итоги 2013 г. Отчет по итогам инициативного исследования.
3. Satellite Communications & Broadcasting Markets Survey. // Euroconsult, 2014.
