РЕАЛИЗАЦИЯ НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ДОСТУПА В ИНТЕРНЕТ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Реализация низкоорбитальной сети спутниковой связи для предоставления доступа в интернет

О.Н.Пищин, Н.С.Мальцева, И.В.Викторов Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Россия

Аннотация: В работе решена задача организации точки доступа к низкоорбитальной сети на платформе имени Грайфера; произведён расчет параметров сети. Построение узла низкоорбитальной сети спутниковой связи в Астраханской области позволит обеспечить широкополосным доступом в интернет удалённый объект -нефтедобывающую платформу имени В. Грайфера, располагающуюся в Каспийском море. Спутниковая связь в данном случае не имеет альтернатив: протягивать оптоволоконный кабель по суше и морю затратно, а использование радиорелейных линий не представляется возможным, так как расстояние от платформы до суши больше 50 км. Геостационарные спутниковые системы не могут обеспечить качественного соединения по современным меркам, так как имеют большой показатель задержки (около 600 миллисекунд в двух направлениях, в то время как низкоорбитальные системы позволяют снизить показатель до 30-50 миллисекунд). Использование системы связи на основе низкоорбитальных спутниковых группировок позволит создать каналы связи между этим месторождением, другими месторождениями, офисом компании «ЛУКОЙЛ» в городе Астрахань и городе Москва. Также, благодаря низкоорбитальным сетям связи открывается возможность обеспечить связью и другие объекты, находящиеся в Каспийском море.

Ключевые слова: низкоорбитальная сеть, интернет, спутник, канал связи, широкополосный доступ, геостационарный спутник, потери сигнала, запаздывание сигнала.

Введение

В современном мире, охваченным разнообразием цифровых технологий, необходим повсеместный доступ к сети Интернет как для бытовых нужд физических лиц, так и для более глобальных промышленных нужд юридических лиц и корпораций.

Наземные сети связи, использующие оптоволоконные кабели, до сих пор не могут обеспечивать связью и доступом в Интернет отдалённые регионы России и мира, именно поэтому в настоящее время происходит активное освоение космоса с целью исследования и массового внедрения низкоорбитальных систем спутниковой связи. Основными целями низкоорбитальных спутниковых систем являются: составление конкуренции геостационарным спутниковым системам и удовлетворение потребности отдалённых регионов в широкополосном доступе к Интернету [1, 2, 3].

1. Постановка задачи

В статье поставлена задача изучить существующие технологий широкополосного доступа, рассмотреть возможность их применения для предоставления доступа к услугам связи на платформе им. В. Грайфера.

Основываясь на проведённых исследованиях построить схему сети и произвести расчет основных параметров.

2. Обзор известных

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Астрахань - старейший экономический и культурный центр Нижнего Поволжья и Прикаспия. В связи с распоряжением Президента

РФ от 30 сентября 2018 года №2101-р принят «Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года», который включает перечень задач на ближайшие годы по развитию Международного Транспортного Коридора (МТК) «Север-Юг». Водная часть коридора проходит через акваторию Каспийского моря, а наземный путь -через Астраханскую область. МТК «Север-Юг» имеет стратегически важное значение для России.

На территории Астраханской области и в акватории Каспийского моря существует множество удалённых стратегически важных объектов, на которых отсутствует доступ к интернету. Одним из таких объектов является нефтедобывающая платформа имени В. Грайфера. Месторождение им. В. Грайфера (бывшее Ракушечное), открытое в 2001 году, является третьим проектом, который компания «ЛУКОЙЛ» реализует на Каспии (см. Рис. 1). Месторождение расположено в непосредственной близости от месторождения им. В. Фила-новского, благодаря чему планируется использование уже построенной инфраструктуры. Это даст возможность сократить сроки и затраты на обустройство месторождения. Ближайшая к платформе базовая станция (БС) оператора сотовой связи находится в порту посёлка Оля. Уровень её покрытия не позволяет обеспечить связью платформу имени В. Грайфера.

Обеспечение такого объекта широкополосным доступом в интернет является важной задачей, так как спутниковая связь в данном случае не имеет альтернатив: протягивать оптоволоконный кабель по суше и морю

затратно, а использование радиорелейных линий не представляется возможным, так как расстояние от платформы до суши больше 50 км. Геостационарные спутниковые системы не могут обеспечить качественного соединения по современным меркам, так как имеют большой показатель задержки (около 600 миллисекунд в двух направлениях, в то время как низкоорбитальные системы позволяют снизить

показатель до 30-50 миллисекунд). Столь высокий показатель в геостационарных системах не позволит пользователям, например, совершать видеозвонки в реальном времени. Также, за счёт меньшей высоты орбиты достигается снижение потерь энергии в радиоканале, и это позволяет использовать антенны меньших размеров.

Рис. 1. Расчёт зоны покрытия БС в программном к(

з. Предлагаемая структура

Для обеспечения инфокоммуникационными услугами сотрудников нефтедобывающей платформы предлагается использовать низкоорбитальные сети спутниковой связи, космический сегмент которых включает группировки из тысяч спутников, способных покрыть весь земной шар.

Спутник на низкой орбите (600 км) способен покрыть пятно на Земле радиусом около 900 км. Такая площадь позволяет расположить шлюз

;ОНЕГА

Gateway на Земле в районе города Лиман в Астраханской области (так как там имеется доступ к подключению к оптоволоконной сети и г. Лиман находится на расстоянии ~135 км от месторождения, что входит в зону покрытия одного спутника) для обмена сигнала между спутником и центром управления сетями [1]. Схема предлагаемой сети показана на Рис. 2.

Рис. 2. Схема предлагаемой сети

4. РАСЧЁТ ЗАПАЗДЫВАНИЯ СИГНАЛА

Большая длина линий связи между Землей и ИСЗ приводит к задержке. В геостационарных системах спутниковой связи этот показатель достигает 600 миллисекунд, что критически не соответствует современным требованиям и запросам пользователей инфокоммуникаци-онных сетей [2]. Задержка сигнала определяется по формуле:

^ , (1) где Н - расстояние от спутника до поверхности Земли (выбираем Н=1200 км), с = 3 • 108м/с -скорость света.

Величина запаздывания сигнала (или спутниковой задержки) составит приблизительно:

^ ~ 2Н _ 2 1200 103 _ _

Ь = — = -5— = 8мс

с 3108

Учитывая этот показатель, задержка на оборудовании абонента составит 16 миллисекунд, что в десятки раз ниже, чем в геостационарных системах.

Потери сигнала, обусловленные затуханием его энергии и расстоянием между космическим аппаратом и земными узлами связи - одна из главных особенностей и проблем спутниковой связи. В системах связи, использующих геостационарные аппараты (располагающихся на высоте 36 000 км над Землей) величина потерь при аналогичных расчётах будет выше. Интенсивно развивающиеся низкоорбитальные системы помогают снизить этот показатель.

В общем случае потери в реальных условиях вычисляют по формуле:

^ = ^св.пр. + Ьатм + ^п , (2)

где ¿свпр. - потери сигнала в свободном пространстве; Ьатм - потери в атмосфере; Ьп -потери из-за погодных условий [4].

Проведя расчеты, получим, что суммарный показатель потерь составляет 177,25 дБ, в то время как в геостационарных системах при аналогичных расчетах он будет выше, так как только величина потерь в свободном пространстве из-за высоты орбиты (36 000 км) составит 185 дБ. Можно сделать вывод, что пропускная способность сети с использованием спутниковой связи максимальна в низкоорбитальных системах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучены существующие технологии широкополосного доступа, сделан вывод, что для предоставления доступа к услугам связи на платформе им. В. Грайфера наилучшим вариантом являются низкоорбитальные сети спутниковой связи.

На основе проведённых исследований построена схема сети и произведен расчет ее основных параметров.

Расчёт задержки спутникового сигнала в низкоорбитальных системах связи показал, что примерное значение задержки в НССС составляет 8 миллисекунд в одном направлении, что в несколько десятков раз меньше, чем в геостационарных системах спутниковой связи.

Осуществлен расчёт потерь энергии в спутниковом канале, который показал, что суммарные потери в низкоорбитальных системах существенно ниже, чем в геостационарных системах.

Таким образом, можно сделать вывод, что исследование и разработка методики внедрения низкоорбитальных систем спутниковой связи является перспективным направлением и имеет стратегически важное значение для Астраханской области.

ЛИТЕРАТУРА

[1]

Анпилогов В.Р., Гриценко А.А. Результаты моделирования многоспутниковых систем связи на низких и высокоэллептических орбитах и оценка помеховой обстановки при совместном использовании полос радиочастот // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание - 2019». - 2018. -№6.- с. 42-47.

Ерохин Г.А., Мандель В.И., Нестеркин Ю.А., Струков А.П. Методика расчета энергетического запаса радиолинии «космический аппарат -станция». Том 5, выпуск 1, 2018 - 71 с. Низкоорбитальные системы спутниковой связи URL: http://kunegin.com/ref1/sput/loworb.htm (Дата обращения: 10.04.2022) [4] Пищин О.Н. Справочные материалы по расчётам потерь распространения радиоволн в системах подвижной радиосвязи: Практикум / Пищин О.Н. / - М.: Изд-во АГТУ, 2017. - 76 с.

[2]

[3]

Олег Николаевич Пищин

- кандидат технических наук, заведующий кафедрой Связь Астраханского

государственного технического университета, г. Астрахань, ул.Татищева, 16. Email: o .pishin@yandex.ru

Наталия Сергеевна

Мальцева - кандидат технических наук, заместитель директора по учебно-методической работе института Информационных технологий и коммуникаций Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул.Татищева, 16. Email: maltsevans@mail.ru

Илья Вячеславович

Викторов, магистр направления «Инфокоммуни-кационные технологии и системы связи», Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул.Татищева, 16.

Email: depobulvar@mail.ru

Статья поступила 01.11.2022.

Implementation of a Low-Orbit Satellite Communication Network

to Provide Internet Access

O.N. Pishchin, N.S. Maltseva, I.V. Viktorov Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russia

Abstract: The problem of organizing an access point to a low-orbital network on the Greifer platform is solved; network parameters were calculated. The construction of a node of a low-orbit satellite communications network in the Astrakhan region will provide broadband Internet access to a remote facility - an oil platform named after V. Graifer, located in the Caspian Sea. Satellite communication in this case has no alternatives: it is costly to lay fiber optic cable over land and sea, and the use of radio relay lines is not possible, since the distance from the platform to land is more than 50 km. Geostationary satellite systems cannot provide a high-quality connection by modern standards, as they have a large delay indicator (about 600 milliseconds in two directions, while low-orbit systems can reduce the indicator to 30-50 milliseconds). The use of a communication system based on low-orbit satellite constellations will make it possible to create communication channels between this field, other fields, and the LUKOIL office in Astrakhan and Moscow. Also, thanks to low-orbit communication networks, it is possible to provide communication to other objects located in the Caspian Sea.

Key words: low orbit network, Internet, satellite, communication channel, broadband access, geostationary satellite, signal loss, signal delay.

References

[1] Anpilogov V.R., Gritsenko A.A. Rezul'taty modelirovaniya mnogosputnikovykh sistem svyazi na nizkikh i vysokoellepticheskikh orbitakh i otsenka pomekhovoy obstanovki pri sovmestnom ispol'zovanii polos radiochastot // Tekhnologii i sredstva svyazi. Spetsial'nyy vypusk «Sputnikovaya svyaz' i veshchaniye - 2019». - 2018. - №6.- s. 42-47.

[2] Yerokhin G.A., Mandel' V.I., Nesterkin YU.A.,

Strukov A.P. Metodika rascheta energeticheskogo zapasa radiolinii «kosmicheskiy apparat - stantsiya». Tom 5, vypusk 1, 2018 - 71 s.

[3] Nizkoorbital'nyye sistemy sputnikovoy svyazi URL: http://kunegin.com/ref1/sput/loworb.htm (Data obrashcheniya: 10.04.2022)

[4] Pishchin O.N. Spravochnyye materialy po raschotam poter' rasprostraneniya radiovoln v sistemakh podvizhnoy radiosvyazi: Praktikum / Pishchin O.N. / -M.: Izd-vo AGTU, 2017. - 76 s.

© ÄBTOMaraKa h nporpaMMHaa HH®£HepHfl. 2022, №3(41) http://www.jurnal.nips.ru

Oleg Pishchin - Candidate of Technical Sciences, Head of the Communications Department of the Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva St., 16. Email: o .pishin@yandex.ru

Natalia Maltseva - Candidate of Technical Sciences (PhD), Deputy Director for Educational and Methodological Work of the Institute of Information Technologies and Communications of the Astra-

khan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva St., 16.

Email: maltsevans@mail.ru

Ilya Viktorov, master of direction "Infocommunication technologies and communication systems", Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishchev St., 16. Email: depobulvar@mail.ru

The paper has been received on 01/11/2022.