CC BY
16ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ INFORMATION TECHNOLOGIES
УДК 621.39
Повышение пропускной способности радиолинии космос - Земля с использованием частотного разнесения каналов
А.В. Тихомиров, Е.В. Омельянчук, А.Ю. Семенова, В.Ю. Михайлов
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
A Method of Increasing Satellite Radio Downlink Capacity Using Diversity of Channels
A. V. Tikhomirov, E. V. Omelyanchuk, A. Y. Semenova, V. Y. Mikhaylov
National Research University of Electronic Technology, Moscow
Проанализирована возможность использования частотного разнесения каналов для повышения пропускной способности радиолинии космос - Земля спутниковой службы исследования Земли. Исследована четырехканальная схема передачи информации на основе известных решений и радиационно стойкой элементной базы, применяемых в X-диапазоне рабочих частот. Предложенная схема позволяет вести передачу в K-диапазоне, обеспечивая значительное повышение пропускной способности при неизменном качестве передачи и удовлетворении требованиям электромагнитной совместимости.
Ключевые слова: пропускная способность; спутниковая радиолиния; X-диапазон; K-диапазон; межканальная интерференция.
The possibility of increasing the satellite radio downlink capacity for remote sensing systems by means of the frequency separation has been analyzed. The four-channel transmitter structure has been studied in terms of the channel capacity and interchannel interference. The proposed scheme allows transmission in K-band, providing a significant capacity increase with the unchanged quality of transmission and satisfying electromagnetic compatibility compared to the existing X-band radio links.
Keywords: channel capacity; satellite radio link; X-band; K-band; interchannel interference.
Введение. Развитие телекоммуникационных услуг нового поколения на базе космических систем имеет особое значение для России. В данной области разработка но© А.В. Тихомиров, Е.В. Омельянчук, А.Ю. Семенова, В.Ю. Михайлов, 2016
вых космических средств и инфраструктуры направлена на оказание потребителям доступных и качественных телекоммуникационных услуг, в том числе за счет увеличения скоростей передачи данных [1].
Основным фактором, ограничивающим пропускную способность радиолинии космос - Земля систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), является ширина полосы частот в традиционном для этих систем Х-диапазоне. Скорость передачи информации в радиолинии космос - Земля современных спутников ДЗЗ в настоящее время достигает максимального значения 700-800 Мбит/с для Х-диапазона при использовании поляризационной развязки двух передатчиков [2]. При этом обычно применяются сигнально-кодовые конструкции (СКК), рекомендованные Международным консультативным комитетом по космическим системам передачи данных (CCSDS) [3], такие как 4-, 8- и 16-уровневая фазовая манипуляция, амплитудно-фазовая манипуляция и их дифференциальные аналоги. Переход на более эффективные методы модуляции приводит к снижению помехоустойчивости, что определяет высокие требования к помехоустойчивым кодам для достижения приемлемой вероятности ошибки на бит, которые также рекомендованы CCSDS [4].
Помимо выбора оптимальных СКК, одним из возможных решений рассматриваемой проблемы является переход в диапазон с выделенной для спутниковой службы исследования Земли более широкой полосой частот. Для этого предлагается осуществлять передачу информации по радиолинии космос - Земля систем ДЗЗ в К-диапазоне, в котором для систем ДЗЗ выделена частотная полоса 1500 МГц.
Цель настоящей работы - исследование возможности построения спутниковой радиолинии в К-диапазоне частот на базе отработанных решений и готовых узлов, применяемых в радиолиниях Х-диапазона. Такое решение позволит даже в условиях ограниченной номенклатуры элементной базы, которая может быть использована для радиотракта К-диапазона, создать высокоскоростную радиолинию в данном диапазоне с системными параметрами, не уступающими аналогичным параметрам существующих радиолиний Х-диапазона.
Предлагаемое решение. Одним из возможных решений поставленной проблемы является разделение информационного потока на несколько параллельных подпотоков и дальнейшее использование частотного разнесения каналов для их одновременной передачи по радиолинии ДЗЗ. Так как выделенные для систем ДЗЗ полосы рабочих частот в Х- и К-диапазонах являются кратными, целесообразно разбиение выделенной в К-диапазоне полосы шириной 1500 МГц на четыре поддиапазона по 375 МГц.
Предлагаемое четырехканальное решение позволяет обеспечить компромисс между аппаратной сложностью реализации прекодера, разделяющего информационный поток на четыре подпотока, и цифровой части модулятора за счет снижения в четыре раза частоты передискретизации цифровых канальных фильтров по сравнению с реализацией одноканальной схемы в полосе частот 1500 МГц. Четырехканальная схема, представленная на рис.1, состоит из типовых блоков и не требует дополнительных пояснений.
Оценка достижимой канальной скорости. На пропускную способность радиоканала существенно влияют ограничения, налагаемые Международным союзом электросвязи [5] на уровень внеполосных и побочных излучений, определяющих скорость вне-полосного убывания мощности в спектре информационного сигнала за счет частотной избирательности радиоканала. Очевидно, что реальная скорость передачи информации зависит от постоянства группового времени задержки в полосе сигнала, которое, в свою очередь, однозначно связано с крутизной спада амплитудно-частотной характеристики
Рис.1. Четырехканальная схема спутникового передатчика
(АЧХ) канального фильтра вне рабочей полосы частот. Таким образом, можно считать, что при использовании частотного разнесения нескольких каналов требования к крутизне спада АЧХ уменьшаются. При этом снижается неравномерность группового времени задержки в полосе рабочих частот каждого канала, что приводит к увеличению скорости передачи информации в каждом из каналов. Однако из-за возникающей межканальной интерференции необходимо ввести защитные интервалы между каналами, что приведет к уменьшению полной скорости передачи информации. Задача настоящей работы - оценка указанных потерь скорости передачи информации.
Разработана математическая модель в среде Matlab/Simulink, позволяющая оценить влияние межканальной интерференции на достоверность приема сигнала. К сигналу в канале связи добавлен второй сигнал с центральной частотой, отличающейся на 375 МГц. Аналоговые фильтры в модели отсутствуют. На приемной стороне косинусным фильтром выделяется только тот сигнал, который находится на основной частоте. Такая модель позволяет оценить влияние внеполосных излучений для случая четырехканального передатчика в K-диапазоне рабочих частот и сделать выводы о том, необходимо ли дополнительное подавление спектра излучений каналов, находящихся в центре выделенной для передачи полосы.
Моделирование показывает, что при увеличении скорости битового потока взаимное влияние сигналов в двух каналах увеличивается. Как видно из рис.2, достоверность приема информации, выраженная как вероятность битовой ошибки (BER -Bit Error Rate) в условиях наличия в канале
Рис.2. Зависимость достоверности приема данных БЕЯ с модуляцией ФМ-8 от отношения энергии сигнала на бит к спектральной плотности шума EbIN0 при различных значениях доли используемой полосы
сигнала на другой частоте при изменении символьной скорости, т. е. процента использования выделенной полосы частот, ухудшается. Моделирование проведено для ряда значений символьной скорости в постоянной полосе 375 МГц. Видно, что при символьной скорости 160 Мсимв/с увеличения вероятности битовой ошибки по сравнению с одноканальной передачей информации не происходит.
Можно сделать вывод, что процент использования полосы в разных каналах четы-рехканальной схемы К-диапазона значительно различается. Скорость во «внешних» каналах ограничена требованиями по подавлениям побочных излучений и соответствующими возможностями фильтров и не превышает 150 Мсимв/с, в то время как скорость во «внутренних» каналах ограничена ухудшением достоверности в результате межканальной интерференции и может достигать 170 Мсимв/с. Таким образом, достижимая скорость передачи информации при четырехканальной передаче при использовании двухуровневой модуляции в К-диапазоне составляет 640 Мбит/с, при однока-нальной передаче - 150 Мсимв/с. Тогда максимально достижимая скорость передачи информации в радиолинии, работающей в К-диапазоне частот, составляет 1,920 Гбит/с при использовании модуляции ФМ-8 и 2,560 Гбит/с при использовании модуляции ФМ-16. Максимально достижимая скорость передачи информации в одном канале составляет 450 Мбит/с при использовании модуляции ФМ-8 и 600 Мбит/с при использовании модуляции ФМ-16.
Оценим потери скорости передачи информации, т.е. эффективность использования полосы частот четырехканальной схемы для передачи информации в К-диапазоне частот. Информационная скорость для данного случая может быть рассчитана по формуле
К = ■ 1о§2 т [симв/с],
где А/выд - полоса выделенных Регламентом радиосвязи частот (1500 МГц); т - число точек сигнального созвездия для выбранного вида модуляции.
Результирующая скорость в данной формуле вычисляется без учета влияния фильтров, обеспечивающих подавление внеполосных излучений. При сравнении результатов расчета с полученной путем моделирования достижимой скоростью передачи информации с помощью четырехканальной схемы с учетом межканальных искажений при использовании ФМ-2 640 Мбит/с в К-диапазоне определено, что скорость понижается на 17%. При этом по сравнению с одноканальной схемой в Х-диапазоне скорость передачи информации увеличивается приблизительно в 4 раза. С учетом влияния фильтров, снижающих уровень побочных излучений, скорость передачи информации для одноканальной и четырехканальной схем понизится пропорционально. В связи с ограниченностью элементной базы в К-диапазоне [6] предложенное решение представляется целесообразным для повышения пропускной способности существующих спутниковых радиолиний систем ДЗЗ.
Заключение. Рассмотренный способ повышения пропускной способности спутниковой радиолинии путем перехода в К-диапазон частот за счет разделения информационного потока на несколько параллельных подпотоков и дальнейшего использования частотного разнесения каналов для их одновременной передачи приемлем с нескольких точек зрения:
- скорость передачи информации в радиолинии К-диапазона за счет более широкой полосы может быть повышена до четырех раз относительно Х-диапазона частот;
- цифровая часть передатчика в таком случае является унифицированной как для Х-, так и для К-диапазона частот;
- применение четырехканальной схемы спутникового передатчика в К-диапазоне позволяет упростить решение проблемы подавления побочных излучений в этом диапазоне;
- использование такого решения позволяет снизить требования к параметрам цифровой части схемы по сравнению с одноканальной схемой для К-диапазона и, как следствие, понизить стоимость оборудования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (ПНИ RFMEFI57514X0056, соглашение 14.575.21.0056).
Литература
1. Блинкин М.Я., Гохберг Л.М. Прогноз научно-технологического развития России: 2030. Транспортные и космические системы. - М: Верже-РА, 2014. - 40 с.
2. Data system design for a hyperspectral imaging mission concept / C.M. Hartzell, L.C. Graham, T.S. Tao et al. // IEEE Aerospace Conference (7-14 march 2009). - 2009. - P. 1-21.
3. TM synchronization and channel coding recommended standard CCSDS 131.0-B-2. -URL: http://public.ccsds.org/publications/archive/131x0b2ec1.pdf (дата обращения: 15.12.2015).
4. Recommended standard for TC synchronization and channel coding. Системные требования: Adobe Acrobat Reader. - URL: http://public.ccsds.rg/publications/archive/231x0b2c1.pdf (дата обращения:
15.12.2015).
5. Radio Regulations. Edition of 2012. - URL: http://www.itu.int/pub/R-REG-RR-2012 (дата обращения:
26.01.2016).
6. Шипилов К. Особенности применения новой электронно-компонентной базы в космических разработках // Вестник электроники. - 2012. - № 2. - URL: http://vestnikmag.ru/articlesposts/statya-4/ (дата обращения: 26.01.2016).
Статья поступила после доработки 16 марта 2016 г.
Тихомиров Андрей Викторович - старший преподаватель кафедры телекоммуникационных систем (ТКС) МИЭТ. Область научных интересов: спутниковые системы связи.
Омельянчук Елена Владимировна - старший преподаватель кафедры ТКС МИЭТ. Область научных интересов: беспроводные системы связи.
Семенова Анастасия Юрьевна - ассистент кафедры ТКС МИЭТ. Область научных интересов: беспроводные системы связи. E-mail: semenova.anastasia.y@gmail.com
Михайлов Виктор Юрьевич - студент кафедры ТКС МИЭТ.
