CC BY
5Труды МАИ. Выпуск № 87 www.mai.ru/science/trudy/_
УДК 629.78
Принципы реализации сети спутниковой связи стандарта DVB-RCS с пространственно-частотно-временным разделением ресурса на основе многолучевых АФАР Х-диапазона
Генов А.А.1*, Осипов В.В.2**, Савилкин С.Б.2***
1 Корпорация «Комета», ул. Велозаводская, 5, Москва, 115280, Россия, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия
*e-mail: ovv_42@mail.ru **e-mail: kt-mati@mail.ru ***e-mail: savilkin@mail.ru
Аннотация
Применение стандарта DVB-RCS позволяет существенно расширить функциональные характеристики спутниковых сетей мобильной связи. Для перехода к более высоким скоростям передачи информации, принятым в сетях спутниковой связи стандарта DVB-RCS, необходимо более чем на порядок увеличить энергетические характеристики спутниковых радиолиний современных космических аппаратов (КА).
В статье рассматриваются методы увеличения энергетического потенциала радиолиний КА путем создания на их борту многолучевых приемно-передающих антенн (МЛА) Х-диапазона.
Ключевые слова: многолучевые приемно-передающие антенны, мобильная связь, распределенные ресурсы, DVB-RCS.
1. Введение
Спутниковые сети мобильных земных станций (ЗС) реализуются в настоящее время через КА на геостационарной орбите (ГСО), как правило, в режиме прямой ретрансляции с частотным разделением каналов (БОМА),
Переход к стандарту ВУБ-КСБ [1] с пространственно-частотно-временным разделением каналов (МБР-ТОМА), предполагает реализацию на борту КА многолучевых приемно-передающих антенн (гибридных МЛА или АФАР) и мультисервисных бортовых цифровых платформ (МБЦП) стандарта БУБ-КСБ, обеспечивающих многоканальную демодуляцию сигналов ЗС [2, 3, 4, 5],
Использование стандарта БУБ-КСБ с МБР-ТОМА позволяет существенно расширить функциональные характеристики сетей мобильной связи через КА на ГСО,
В качестве прототипа при рассмотрении вопросов создания мобильной сети спутниковой связи стандарта ВУБ-ЯСБ с МБР-ТОМА используется развернутая в настоящее время в Х-диапазоне сеть носимых ЗС, работающих в режиме прямой ретрансляции с частотным разделением каналов БОМА, ЗС в данной сети, несмотря на достаточно высокие функциональные и энергетические характеристики, для обеспечения прямой телефонной связи друг с другом вынуждено работают на минимально возможных (вокодерных) скоростях передачи информации.
Модернизация КА путем введения в состав КА МЦБП и МЛА позволит реализовывать в Х-диапазоне на базе ЗС, сети мобильной спутниковой связи
стандарта DVB-RCS (MSF-TDMA), в которых будет обеспечиваться возможность организации высокоскоростной прямой связи абонентских ЗС друг с другом,
2. Вариант модернизации КА путем установки на его борту приемно-передающей МЛА и МБЦП
Зона обслуживания КА, обеспечивающая работу сети носимых ЗС в режиме FDMA, представляет собой эллипс, вытянутый с Запада на Восток, и перекрывающий практически всю Европейскую часть РФ.
Используя в качестве многолучевой приемо-передающей антенны на борту КА многолучевую приемо-передающую АФАР в Х-диапазоне с размерами порядка 1,4м х 0,7м и шириной луча порядка 3,5° х 1,75° мобильная сеть спутниковой связи стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA может быть обеспечена 8-ми фиксированными в пространстве приемными лучами и одним перенацеливаемым по зоне обслуживания передающим лучом АФАР практически на всей населённой территории РФ.
Предлагаемая АФАР должна иметь 8 фиксированных по зоне обслуживания лучей в диапазоне 8ГГц и один перенацеливаемый луч в диапазоне 7ГГц. Время перенацеливания передающего луча порядка 1мсек, период перенацеливания порядка 15мсек, время полного обзора зоны обслуживания порядка 0,125сек. Число приемо-передающих модулей (излучателей) АФАР порядка 512.
Общая структура приемо-передающего тракта КА с многолучевой приемопередающей АФАР и МБЦП представлена на рис 1.
Сигналы MSF-TDMA от каждого из 512 приемных модулей поступают на канальные приемники (ПРМ 1^512), где после предварительного усиления на
несущей частоте, переносятся на 1-ю промежуточную частоту (ПЧ) и дополнительно усиливаются на 1-й ПЧ. Далее сигналы с выходов ПРМ (1^512) поступают на делители на 8 (по числу приемных лучей), а затем на 8 диаграммо-образующих схем (ДОС) приемного тракта, где переносятся на 2-ую промежуточную частоту и дополнительно усиливаются на 2-й ПЧ.
В ДОС (1^8) во взаимодействии с МБЦП осуществляются также:
- обмен с МБЦП по межмашинным каналам обмена (МКО) телеметрической информацией (ТМИ) и командами управления (КУ);
- расчет по командам МБЦП амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве АФАР, формирующего заданный приемный луч АФАР;
- выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из 512 каналов приема, команд для реализации заданного АФР;
- выдача в МБЦП телеметрической информации о состоянии каналов приема и фактически реализованном АФР в раскрыве АФАР;
- передача в МБЦП сигналов MSF-TDMA, поступивших от ЗС в заданном приемном луче АФАР.
->н
<— >— ПРД -1
<— >— ПРД -512
радиоканалы
каналы управления и ТМИ приемные модули (излучатели) передающие модули (излучатели)
Рис.1 Общая структура приемо-передающего тракта КА с многолучевой приемо-
передающей АФАР и МБЦП.
В передающем тракте (ПРД) групповой видео-сигнал ТДМА, сформированный МБЦП, поступает на ДОС ПРД, где преобразуется в радиосигнал на несущей частоте передачи АФАР, усиливается до заданного уровня и синфазно распределяется на все 512 канальных передатчиков ПРД (1^512).
В ДОС ПРД во взаимодействии с МБЦП осуществляется также: - обмен с МБЦП по МКО информацией ТМИ и командами КУ;
- расчет по командам МБЦП АФР в раскрыве АФАР, обеспечивающего перенацеливание передающего луча в заданный район зоны обслуживания;
- выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из канальных передатчиков ПРД (1^512) команд для реализации заданного АФР;
- выдача в МБЦП ТМИ о состоянии каналов передачи и фактически реализованном АФР в раскрыве АФАР;
- периодичная по командам МБЦП нормировка АФР относительно эталонного АФР, заданного для формирования передающего луча по нормали к плоскости раскрыва АФАР;
- последовательное перенацеливание по командам МБЦП передающего луча АФАР на 1^8 зоны обслуживания.
Энергетический потенциал спутниковых радиолиний КА с приемопередающей АФАР при мощности канальных передатчиков ПРД (1^512) порядка 0,25 Вт и температуре шума (Тш) канальных приемников ПРМ (1^512) порядка 200°С составит:
-ЭИИМ (Р пер х G пер) - 58 дб вт;
-Добротность ^ пр /Тш) - 14 дб; что на порядок выше соответствующих характеристик действующих КА.
3. Структура МБЦП стандарта БУБ-КС8 с пространственно-частотно-временным распределением ресурса МЗР-ТБМА.
На вход МБЦП от ДОС (1^8) приемного тракта (ПРМ) по 8 каналам на второй промежуточной частоте поступают групповые сигналы с MSF-TDMA от сети ЗС по каждой из 8-ми зон обслуживания.
В МБЦП сигналы, поступившие по каждому из 8-ми каналов, селектируются по частоте, декодируются, демодулируются канальными цифровыми приемными линейками (ЦПЛ) и передаются для логической обработки в центральный бортовой процессор (ЦБП) МБЦП.
ЦБП осуществляет селекцию служебных и информационных сигналов, поступивших от ЗС по всем 8-ми приемным лучам и формируют групповой видеосигнал (ГВС) ТДМА для передачи на ЗС. В состав ГВС ТДМА входят:
- пилот сигнал (ПС) для синхронизации работы ЗС по зоне обслуживания;
- информация управления для идентификации частотно-временного положения информационных пакетов для каждой из ЗС сети, выделенных ей в составе группового сигнала MSF-TDMA на линии Земля-борт и в составе группового сигнала борта с ТДМА на линии Борт-Земля;
- собственно информационные пакеты для ЗС сети.
Общая структура МБЦП стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA представлена на
рис 2.
Рис.2 Общая структура МБЦП стандарта DVB-R.CS c MSF-TDMA.
Каждая цифровая приемная линейка (ЦПЛ) выделяет на фиксированной частоте в полосе приема данного луча одну несущею на 2-й ПЧ со скоростью передачи информации 512 кбит/с, в которой уплотнены по времени 32 канала по 16 кбит/с.
Всего в одном луче от ЗС данной зоны обслуживания может быть одновременно принято до 8 каналов по 512 кбит/с (64 канала по 64 кбит/с, 128 каналов по 32 кбит/с или 256 каналов по 16 кбит/с).
Общая пропускная способность приемного тракта составляет соответственно 32,768 Мбит/с.
Служебная информация (запросы на регистрацию в сети, запросы на выделение ресурса и т.д.) от всех ЗС, работающих в сети, может передаваться в первых каналах 16 кбит/с в составе каждого из групповых сигналов 512 кбит/с.,
поступающих в МБЦП. Занятость служебных каналов определяется ЦБП на соответствующих служебных временных позициях группового сигнала TDMA, передаваемого по линии борт-Земля в каждую зону обслуживания сети.
В составе ГВС с TDMA формируемого ЦБП уплотняются: пилот сигнал, информация управления и информационные пакеты данных, которые сбрасываются по линии борт-Земля на каждую зону обслуживания в течении 14 мсек с периодом обзора всей зоны обслуживания 0,125 сек.
Скорость передачи информации передающего тракта на линии борт-Земля выше общей пропускной способности приемного тракта на 4,096Мбит/с и составляет соответственно 36,864 Мбит/с., что позволяет компенсировать потери, связанные циклическим обзором зоны облуживания и временем необходимым для перенацеливания передающего луча АФАР.
4. Вариант модернизации ЗС для обеспечения работы в мобильных сетях спутниковой связи стандарта БУБ-КС8 с М8Р-ТБМА.
Приемно-передающая антенна ЗС представляет собой однолучевую приемно-передающую АФАР в Х-диапазоне с ЭИИМ и добротностью, достаточной для обеспечения работы ЗС в МССС стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA. Недостатком данной АФАР является только то, что она не обеспечивает электронного управления лучом, а наведение луча на КА осуществляется вручную.
Модернизации должна быть подвергнута также аппаратура передающего тракта для обеспечения непрерывной работы в режиме MSF-TDMA и приемного
такта для обеспечения дискретной (с периодом обзора зоны обслуживания 0,125 сек) работы в режиме ТДМА.
Учитывая, что в каждый конкретный момент ЗС работает в каком-то одном из фиксированных приемных лучей АФАР КА, фактически в передающем тракте ЗС может быть реализован стандартный режим работы ЗС в сетях стандарта DVB-RCS с MF-TDMA. Аналогично в приемном тракте может быть реализован стандартный режим работы ЗС с TDMA на интервалах засветки заданного района обслуживания (14 мсек.) с периодом с повторения интервалов засветки125 мсек.
Общая структура модернизированной ЗС представлена на рис. 3.
>— ПРД -1
ПРМ -25
<— >— ПРД -25 |<-
—> >— ПРМ -1 - -> 25 » ДОС ПРМ ,Лч
✓ ч -►
МЦО
Оператор ЗС
1 ЛТ ДОС
ПРД
25
1
радиоканалы
каналы управления и ТМИ
—> >— приемные модули (излучатели) <— >— передающие модули (излучатели)
Рис. 3 Общая структура модернизированной ЗС
В модернизированной ЗС предполагается использовать фрагмент бортовой АФАР с размерами порядка 22см х 22см и шириной луча порядка 10°.
Сигналы TDMA от каждого из 25 приемных модулей поступают на канальные приемники (ПРМ 1^25), где после предварительного усиления на несущей частоте, переносятся на 1-ю промежуточную частоту (ПЧ) и поступают на диаграммо-образующую схему приемного тракта (ДОС ПРМ), где переносятся на 2-ую промежуточную частоту и дополнительно усиливаются на 2-й ПЧ.
В ДОС ПРМ во взаимодействии с модулем цифровой обработки (МЦО) осуществляются также:
- обмен с МЦО по межмашинным каналам обмена (МКО) телеметрической информацией (ТМИ) и командами управления (КУ);
- расчет по командам МОЦ амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве АФАР, формирующего заданный приемный луч АФАР;
- выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из 25 каналов приема, команд для реализации заданного АФР;
- выдача в МЦО телеметрической информации о состоянии каналов приема и фактически реализованном АФР в раскрыве АФАР;
- передача в МЦО сигналов с TDMA, поступивших от КА.
В передающем тракте групповой видео-сигнал с МР-ТДМА, сформированный МЦО, поступает на ДОС ПРД, где преобразуется в радиосигнал на несущей частоте передачи АФАР, усиливается до заданного уровня и синфазно распределяется на все 25 канальных передатчиков ПРД (1^25).
В ДОС ПРД во взаимодействии с МОЦ осуществляется также:
- обмен с МОЦ по МКО информацией ТМИ и командами КУ;
- расчет по командам МОЦ АФР в раскрыве АФАР, обеспечивающего наведение передающего луча на КА;
- выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из канальных передатчиков ПРД (1^25) команд для реализации заданного АФР;
- выдача в МОЦ ТМИ о состоянии каналов передачи и фактически реализованном АФР в раскрыве АФАР;
Энергетический потенциал модернизированной ЗС при мощности канальных передатчиков ПРД (1^25) порядка 0,25 Вт и температуре шума (Тш) канальных приемников ПРМ (1^25) порядка 60° С составит:
- ЭИИМ (Р пер х G пер) - 33 дб вт;
- Добротность ^ пр /Тш)-- 6 дб.
5. Энергетические запасы в радиолиниях Борт-Земля и Земля-Борт
По входу приемно-передающей АФАР КА на линии Земля-Борт в каждом из 8-ми парциальных лучей реализуется принятый в стандарте DVB-RCS метод многостанционного доступа MF-TDMA. Доступ абонентских ЗС к КА на каждой из 8-ми несущих парциального луча в режиме РЭМА обеспечивается со скоростью 512 кбит/сек. Для сигналов ЗС на линии Земля-Борт принимаем:
- кодирование/декодирование по «Витерби», FEC = 3/4;
- кодирование/декодирование Рида Соломона, РС = 47/51;
- метод модуляции/демодуляции - QPSC.
Энергетические запас в радиолинии Земля-Борт составляет порядка 6 дб.
По входу приемно-передающей АФАР ЗС на линии Борт-Земля в передающем луче АФАР КА реализуется принятый в стандарте DVB-RCS метод многостанционного доступа TDMA. со скоростью 36,864 Мбит/сек. Для группового сигнала КА на линии Борт-Земля принимаем:
- кодирование/декодирование по «Витерби», FEC = 3/4;
- кодирование/декодирование Рида Соломона, РС = 47/51;
- метод модуляции/демодуляции - QPSC.
Энергетические запас в радиолинии Земля-Борт составляет порядка 6дб.
6. Заключение
Предложенный в настоящее работе вариант модернизации КА путем установки на борту КА приемно-передающей МЛА и МБЦП, реализующих стандарт DVB-RCS с пространственно-частотно-временным разделением ресурса, позволяет обеспечить создание мобильных сетей спутниковой связи стандарт DVB-RCS через КА на ГСО.
К сожалению, пока остаются за кадром вопросы практической реализации полученных результатов для отечественных КА, хотя вопросы создания перспективных КА с МБЦП стандарта DVB-RCS уже не однократно обсуждались и нашли практическую реализацию в ряде зарубежных проектов.
Для практической реализации указанных выше предложений наибольшую сложность представляет создание быстродействующих цифровых коммутаторов,
являющихся ключевым элементом МБЦП и многолучевых МЛА для КА на ГСО, реализующих зональное обслуживание,
Представленные результаты получены в рамках выполнения гранта РФФИ
16-07-00511-а
Библиографический список
1. Макаров Е.А Аппаратная платформа цифровой антенной решетки для работы в диапазонах 2,4 - 2,5 и 4,9 - 5,9 ГГц. // Антенны. 2012. №3. С. 37-45.
2. Генов А.А. Оценка эффективности использования пространственно-частотно-временного ресурса КА с МЛА и БЦП в сетях связи стандарта DVB-RCS // Программные продукты и системы. 2009. №4. С. 21-24.
3. Зинин Е. Д., Мельников Г.А., Милосердов А. С. Перспектива использования фазированных антенных решеток в бортовых антеннах глобальной спутниковой сотовой связи // Труды МАИ, 2014. №73, URL: www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=48566
4. Шаханов А.Е., Рученков В. А., Круть А.В. Коммутируемые антенные системы Х-диапазона для применения на борту космического аппарата // Труды МАИ, 2013. № 68, URL: www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=41971
5. Генов А.А Бортовые цифровые платформы - технологический прорыв в повышении эффективности спутников связи и вещания // «Broadcasting». 2002. №3. C. 47-54.
