CC BY
9УДК 691.396.946
Особенности построения бортового коммуникационного оборудования спутника-ретранслятора для многостанционного доступа с частотным разделением
Цветков К.Ю., Родионов А.В., Акмолов А.Ф., Косаревич Д.В., Викторов Е.А.
В работе предложены рекомендации по построению бортового коммуникационного комплекса спутника-ретранслятора при использовании многостанционного доступа с частотным разделением для обеспечения информационного обмена в многоспутниковой системе связи.
Ключевые слова: спутник-ретранслятор, многостанционный доступ, системы спутниковой связи.
Введение
К перспективным системам спутниковой связи (ССС) предъявляются требования по организации обмена различными видами информации, включая передачу массивов данных, интерактивный обмен данными, передачу факсимильной, речевой и видео информации в условиях реального масштаба времени, а также передачу мультимедийной информации. ССС должны также обеспечивать информационное взаимодействие с другими сетями связи стационарных и мобильных абонентов. Широкое распространение спутниковой связи обусловлено: высокой гибкостью при реконфигурации сети связи, возможностью оперативной организации связи на обширных пространствах, независимостью стоимости и качества спутниковых каналов от их протяжённости.
Существующие в настоящее время варианты построения ССС на высокоэллиптических, геостационарных, средневысотных и низких орбитах обладают определёнными достоинствами и недостатками с точки зрения возможности и эффективности решения задач обеспечения информационного обмена с различными группами пользователей [1]. В связи с этим представляется перспективным создание такой комбинированной структуры ССС, которая бы позволяла сочетать преимущества различных типовых вариантов её построения и за счёт этого компенсировать их отдельные слабые стороны. Одним из возможных подходов к построению ССС с комбинированной структурой является размещение космических аппаратов (КА) на
низких и средних круговых околополярных орбитах в нескольких орбитальных плоскостях. Таким образом, связная группировка разновысотной многоспутниковой системы связи (МСС) представляется в виде совокупности кластеров на основе КА первого и второго высотных ярусов.
Преимуществом предлагаемой структуры построения МСС на основе разновысотных спутников-ретрансляторов (СР) по сравнению с существующими системами является снижение требуемого числа КА при обеспечении глобального покрытия земной поверхности с возможностью обеспечения различного информационного обмена между мобильными абонентами системы, использующими многофункциональные терминалы [2].
Для обеспечения информационного обмена в МСС с учётом требуемого качества предоставления услуг различным пользователям необходима разработка перспективных СР, обеспечивающих как преемственность существующих технологий, так и клонирование технологий, используемых на различных уровнях разновысотной группировки СР, наземных шлюзовых станций (ШС) спутниковой связи и мобильных абонентских терминалов (МТ). При этом, альтернативными вариантами реализации МСС являются варианты использования различных методов многостанционного доступа: с частотным (МДЧР), временным (МДВР) и кодовым (МДКР) разделением в пределах зоны покрытия СР первого яруса, а также использование мультиплексированных АТМ-радиолиний для организации постоянных межспутниковых ра-
диолиний (между СР второго высотного яруса) и временных связей (между СР первого и второго высотных ярусов). АТМ-технологии в настоящее время достаточно хорошо отработаны и получили широкое практическое распространение в наземных широкополосных цифровых сетях интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО), что позволяет рекомендовать их применение на основе межспутни-ковых радиолиний и фидерных радиолиний для связи КА второго яруса с наземными ШС спутниковой связи.
Общим для всех вариантов реализации КА является наличие канала управления (КУ), обеспечивающего решение всех задач по установлению, поддержанию, разрушению и тарификации всех видов соединений. При этом КУ предлагается реализовать на основе протокола случайного множественного доступа Р-АЬОЫА для СР с приёмной многолучевой антенной (МЛА) и коммутируемым моноканалом в виде передающей антенны с широким лучом [3].
Реализации бортового коммуникационного комплекса КА первого высотного яруса МСС на основе МДЧР
На рис. 1 представлено распределение полосы частот ствола ретрансляции КА первого яруса между КУ, информационными каналами местной (в зоне покрытия данного КА) и внешней связи (в зоне покрытия других КА) МСС. Полоса частот, отведенная под КУ и каналы местной связи, передаётся КА перво-
го яруса в режиме прямой ретрансляции, а исходящие каналы внешней связи демодули-руются на борту КА первого яруса для последующей передачи в направлении КА второго яруса в АТМ-потоке.
Входящие каналы внешней связи, принятые и выделенные из АТМ-потока КА второго яруса, вводятся на передачу в соответствующую полосу частот ствола КА первого яруса и передаются вместе с ретранслируемыми сигналами каналов местной связи. Параллельно с прямой ретрансляцией пакетов в КУ связной процессор (СП) КА первого яруса осуществляет прием всех успешно переданных пакетов, поступающих от лучей приёмной МЛА в соответствии с протоколом Р-АЬОЫА. Пакеты управления от СП вводятся на передачу путем перехвата моноканала с учетом сигналов блока анализа активности (БАА) лучей приемной МЛА и передаются в свободные интервалы времени.
Структурная схема бортового ретрансляционного оборудования КА при использовании МДЧР представлена на рисунке 2.
Пакет управления от МТ согласно протоколу Р-АЬОЫА применительно к коммутируемому моноканалу поступает на вход приемной МЛА КА первого яруса. С выхода каждого луча приемной МЛА сигнал одновременно поступает на сумматор 1 и гребенку из семи полосовых фильтров, где происходит выделение сигналов, соответствующих частотным зонам кластера первого уровня.
Полоса частот приема КА первого яруса Ствол КА первого яруса
Канал управления (P-ALOHA)
^----------------------- Режим прямой ретрансляции
Рис. 1. Распределение полосы частот ствола ретрансляции КА первого яруса
Радиотехнические и телекоммуникационные системы, 2011, №4
00
о
и
о
W
я
§5
ё
а
•3
g
ш
д
я
to
«
>
Д
CD
Ъ
03 О
4 О
to
тз
v:
о
р
о
Д
£
д
CD
0
о\
гз
р
01 о ч я р
43
CD
■3
S
о
и
to
д
д
to
о
д
ч
д
р
о о
« в
о
03
Е
X о tí о td
Д О
и о о о
03 й
и о
►в* ^ К Û3 Й g й-1 О
•з s
о
03
о
о
ч
03
и
to
о
4 о to
о
и
о
tí
5 В д
О
д
ч
Д
Р
КА второго яруса
Рис. 2. Структурная схема бортового коммуникационного комплекса спутника-ретранслятора при использовании много станционного доступа с частотным разделением
Системы, сети и устройства телекоммуникаций ISSN 2221-2574
ливаются в Ус.1...Ус.7 и поступают на блок анализа активности и коммутации сигналов управления, а также на соответствующий вход коммутатора 1 «7х1». БАА формирует управляющее воздействие на коммутатор 1 «7х1», обеспечивая прохождение сигнала активного луча на преобразователь частоты
2. Этим же сигналом управляется коммутатор 2 «7х1», обеспечивая выборку соответствующей частотной подставки, формируемой в генераторном оборудовании. Кроме того, по отдельной цепи БАА информирует СП о том, занят или свободен КУ (моноканал) в данный момент времени.
С выхода преобразователя частоты 2 в полосе промежуточной частоты АРдром сигнал управления одновременно поступает на приемник канала управления кластера первого уровня и соответствующий вход коммутатора 3 «2х1». Приемник КУ кластера первого уровня обеспечивает демодуляцию сигнала управления и его последующую передачу в виде пакета в соответствующий порт СП КА первого яруса. Таким образом, все успешно переданные пакеты управления обрабатываются СП в соответствии с алгоритмами обслуживания местных и внешних соединений. Этот же сигнал КУ с выхода преобразователя частоты 2 поступает на вход коммутатора 3 «2х1».
Передача управляющих пакетов от СП в направлении МТ зоны покрытия КА первого яруса осуществляется с учетом управляющего сигнала БАА. СП формирует управляющий пакет, который через соответствующий порт поступает на вход передатчика КУ кластера первого уровня. При этом сигнал управления от СП поступает на коммутатор 3 «2х1», обеспечивая перехват моноканала. Таким образом, в отсутствие активности приемных лучей СП может осуществлять передачу управляющих пакетов в нисходящей радиолинии через антенну с широким лучом. Отметим также возможность реализации алгоритма перехвата моноканала СП КА без учета сигнала БАА, т.е. с абсолютным приоритетом. Пакеты управления (ретранс-
лируемые от терминалов или передаваемые СП) с выхода коммутатора 3 «2х1» поступают на соответствующий вход сумматора 2 для передачи в нисходящей радиолинии КА первого яруса.
Прямая ретрансляция сигналов местных соединений осуществляется следующим образом. На выходе сумматора 1 присутствует сигнал в полосе частот всего ствола ретранслятора. В соответствии с типом ствола направляющий фильтр информационных каналов выделяет полосу частот местной и внешней связи. С выхода направляющего фильтра групповой сигнал информационных каналов поступает на вход широкополосного усилителя 1 и далее на преобразователь частоты 1, где с помощью соответствующей частотной подставки, создаваемой генераторным оборудованием, переносится в промежуточную полосу частот ретранслятора АРпром. Далее сигнал одновременно поступает на полосой фильтр местных соединений, обеспечивающий выделение полосы частот, где передается информация между абонентами одного СР кластера первого уровня, а также на полосовой фильтр исходящих каналов, который обеспечивает выделение полосы частот, предназначенной для связи с абонентами, находящимися вне зоны обслуживания данного ретранслятора КА первого яруса. С выхода полосового фильтра местных соединений сигнал в полосе участка АРпром поступает на соответствующий вход сумматора 2 для передачи в режиме прямой ретрансляции в нисходящей радиолинии.
При обслуживании внешних соединений обеспечивается формирование исходящих каналов в направлении КА второго яруса и входящих каналов в направлении МТ зоны покрытия КА первого яруса.
Передача сигналов в исходящих каналах осуществляется следующим образом. Полосовой фильтр исходящих каналов обеспечивает выделение из полосы АРпром соответствующего участка полосы частот, отведенного для передачи внешних соединений. Группо-
вой сигнал исходящих каналов поступает в блок канальных приемников. Каждый приемник осуществляет демодуляцию соответствующего индивидуального сигнала мобильного терминала. Далее сигналы исходящих соединений мультиплексируются в АТМ-мультиплексоре и поступают на вход передатчика исходящих каналов. Далее через усилитель мощности 2, сумматор 3 и дуплек-сер осуществляется передача мультиплексированного сигнала в соответствующей полосе частот с помощью антенны верхней полусферы в направлении КА второго яруса.
Организация передачи входящих каналов от КА второго яруса в направлении МТ осуществляется следующим образом. Полоса частот радиолинии для связи между КА первого и второго ярусов обеспечивает обмен пакетами данных в КУ кластера второго уровня и передачу мультиплексированных АТМ-потоков (рис. 3).
Принимаемый мультиплексированный сигнал от КА второго яруса через приемопередающую антенну верхней полусферы, дуплексер, поступает на вход широкополосного усилителя 2 и далее через соответствующие полосовые фильтры на приемник входящих каналов. Цифровой поток с выхода приемника входящих каналов поступает на соответствующий вход АТМ - мультиплексора, который осуществляет его демультиплексирование и разделение по соответствующим информационным входам блока канальных передатчиков. В канальных передатчиках
осуществляются модуляция и формирование сигналов в полосе промежуточной частоты ствола ретранслятора КА первого яруса. Сигналы с соответствующих выходов канальных передатчиков через сумматор 2 поступают на преобразователь частоты 3, с помощью которого переносятся в полосу частот передачи ствола КА первого яруса. Далее сигналы входящих каналов передаются в нисходящей радиолинии в направлении МТ.
Взаимодействие КА первого яруса с КА второго яруса осуществляется по КУ кластера второго уровня, функционирующего в соответствии с протоколом Р-ЛЬОИЛ применительно к коммутируемому спутниковому моноканалу. В этом случае КА первого яруса в кластере второго уровня выступает в качестве МТ кластера первого уровня. Последнее обеспечивает возможность построения канала управления кластера второго уровня аналогично кластеру первого уровня, т.е. реализуется принцип клонирования технологий.
Передача пакетов в КУ кластера второго уровня осуществляется следующим образом. СП через соответствующий порт передает пакеты управления и взаимодействия через передатчик канала управления кластера второго уровня, который осуществляет их передачу в полосе частот восходящей радиолинии КА первого яруса - КА второго яруса в режиме Р-ЛЬОИЛ.
Прием успешно переданных пакетов управления, ретранслируемых КА второго яруса в режиме прямой ретрансляции сигна-
^ Полос Г1 Г7 а частот приема КА первого яруса ^
Канал управления
мультиплексированного АТМ-сигнала
Режим прямой ретрансляции
Рис. 3. Полоса частот радиолинии для связи между КА первого и второго ярусов
лов, осуществляется соответствующим приемником управления кластера второго уровня.
Пакеты управления, принятые по каналу прямой ретрансляции КА второго яруса, поступают через соответствующий порт в СП КА первого яруса. Прием пакетов управления от СП КА второго яруса осуществляется на общей частоте Рку2. Принятые пакеты поступают на соответствующий порт СП КА первого яруса.
Взаимодействие СП и АТМ - мультиплексора осуществляется по соответствующей шине обмена данными. Управление блоками канальных приемников и канальных передатчиков осуществляется связным процессором по соответствующей шине.
СП КА первого яруса обеспечивает учет интервалов времени предоставления каналов местной входящей и исходящей связи при обслуживании каждого соединения. При переходе абонента в зону покрытия очередного КА первого яруса информация об учете предоставленных услуг данного абонента по ранее установленному соединению реализует очередной КА первого яруса. Вся информация о предоставленных услугах через КА второго яруса и приемо-передающий комплекс ШС передается в биллинговый центр. В результате обработки определяется суммарный временной интервал существования каждого соединения, т.е. длительность сеанса связи между абонентами.
Ретрансляция в нисходящей радиолинии в направлении МТ осуществляется следующим образом. Сигналы КУ местных и внешних соединений поступают на соответствующие входы сумматора 2. Далее групповой сигнал поступает на первый вход преобразователя частоты 3. На второй вход данного преобразователя поступает сигнал частотной подставки, с помощью которой осуществляется перенос всего спектра ствола из промежуточной полосы АРпром частот в полосу частот передачи ствола. Далее групповой сигнал, содержащий ретранслируемый сигнал КУ, сигналы местных и внешних соединений
усиливается и передается антенной с широким лучом в нисходящей радиолинии КА первого яруса. Высокая широкополосность передающей антенны обеспечивает возможность передачи сигналов всех типов стволов (8 штук) КА первого яруса и сигнала КУ СП на частоте Рку1 первого уровня.
Анализ структурной схемы КА первого яруса, реализующей МДЧР позволяет сделать следующие выводы:
1. МДЧР характеризуется тем, что МТ должны обеспечивать перестройку по частотным каналам восьми различных типов стволов ретрансляторов КА первого яруса в соответствии с частотным планом кластера первого уровня МСС;
2. кроме того, МТ, выбирая свободный частотный канал, должен обеспечивать процедуру сканирования и анализа частотных каналов ствола КА первого яруса с целью выбора наименее зашумленного информационного канала. Данное обстоятельство повышает сложность и стоимость МТ, доля которых в общем балансе стоимости МСС является доминирующей;
3. при реализации внешних соединений абонентов на борту КА первого яруса необходимо иметь большое число приемопередатчиков (по одному комплекту на каждый внешний канал связи), что существенным образом увеличивает весогабаритные характеристики и характеристики энергопотребления связного комплекса КА первого яруса;
4. реализация режима мягкого переключения МТ на частотный канал другого КА первого яруса требует предварительного анализа качества частотных каналов в зоне его покрытия. Осуществление дополнительного сканирования предъявляет жесткие временные ограничения, поскольку и сканирование частотных каналов, и сам мягкий переход должны быть завершены на длительности достаточно короткого интервала времени нахождения МТ в зоне перекрытия двух и более КА первого яруса. Последнее харак-
терно при обслуживании мобильных абонентов МСС на территории Российской Федерации и более северных широт акватории Северного Ледовитого океана.
Литература
1. Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи: Учебное пособие. - М.: «Альпина Паблишер», 2004. - 536 с.
2. Мальцев Г.Н., Цветков К.Ю., Родионов А.В.,
Акмолов А.Ф., Ефимов С.Н., Косаревич Д.В., Викторов Е.А. Концепция построения разновысотной многоспутниковой системы связи с мобильными абонентами. // Труды Военно-
космической академии имени А.Ф. Можайского. Выпуск № 630 / под ред. М.М. Пенькова. - СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2011. - С. 5-10.
3. Родионов А.В., Косяков Е.Н., Акмолов А. Ф. Спутниковый ретранслятор. Патент на изобретение № 2306671, 20.09.2007 Бюл. № 26.
Поступила 2S сентября 2G11 г.
Recommendations are offered in work on building of the on-board communication complex of the satellite retransmitter when use the multistation access with frequency division for ensuring information exchange in satellite communications network with ensemble satellite.
Key words: satellite retransmitter, multistation access, satellite communication systems.
Цветков Кирилл Юрьевич - доктор технических наук, профессор, начальник кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Родионов Александр Васильевич - кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Акмолов Алексей Феликсович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Косаревич Дмитрий Викторович - соискатель кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Викторов Евгений Александрович - адъюнкт кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
E-mail: akm78@mail.ru.
