CC BY
189
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 629.78
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОПОЛОГИЙ СЕТЕЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
С. В. Зинкин1, Р. М. Каркаев2, В. С. Перетрухин3
1'2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1sergius-@bk.ru 2rinkarkaevm@mail.ru 3vladislavperetruhim155@gmail.com
Аннотация. В зависимости от назначения и вида передаваемых сообщений различают три основных класса сетей спутниковой связи: однонаправленные (радиовещательные) сети, в которых одна центральная станция (ЦС) передает через ретранслятор (РТР) сигналы, принимаемые множеством периферийных земных станций (ПЗС), при этом ПЗС служат только для приема сигналов с борта спутника-ретранслятора (СР) и сами не могут служить источником сигналов; сети с топологией типа «звезда», в которых сигналы ПЗС принимаются только центральной земной станцией (ЗС), а ПЗС могут принимать сигналы, передаваемые только ЦС (в этом случае при необходимости связи между двумя ПЗС потребуется трехкратная ретрансляция сигнала: ПЗС1^РТР^ЦС^РТР^ПЗС2, т.е. дважды через РТР и один раз через ЦС); полносвязные сети, в которых ЗС, входящие в состав сети, могут организовать между собой связь по принципу «каждый с каждым». Проведен теоретический анализ для сетей спутниковой связи второго и третьего классов, в которых собственно и происходит разделение радиоресурса РТР. Рассмотрены важные вопросы эффективной организации многостанционного доступа. Указаны особенности функционирования каждой из рассмотренных сетей спутниковой связи.
Ключевые слова: сеть спутниковой связи, однонаправленная сеть, сеть с топологией типа «звезда», полносвязная сеть, многостанционный доступ
Для цитирования: Зинкин С. В., Каркаев Р. М., Перетрухин В. С. Теоретический анализ топологий сетей спутниковой связи // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 1. С. 95-104.
В зависимости от назначения и вида передаваемых сообщений различают три основных класса сетей спутниковой связи:
1. Однонаправленные (радиовещательные) сети (рис. 1), в которых одна центральная станция (ЦС) передает через ретранслятор (РТР) сигналы, принимаемые множеством периферийных земных станций (ПЗС). При этом ПЗС служат только для приема сигналов с борта спутника-ретранслятора (СР) и сами не могут служить источником сигналов. Примером таких сетей могут служить сети непосредственного телевизионного вещания.
© Зинкин С. В., Каркаев Р. М., Перетрухин В. С., 2022
95
Рис. 1. Однонаправленные (радиовещательные) сети спутниковой связи
2. Сети с топологией типа «звезда» (рис. 2), в которых сигналы ПЗС принимаются только центральной земной станцией (ЗС), а ПЗС могут принимать сигналы, передаваемые только ЦС. В этом случае при необходимости связи между двумя ПЗС потребуется трехкратная ретрансляция сигнала: ПЗС^РТР^ЦС^РТР^ПЗС2, т.е. дважды через РТР и один раз через ЦС.
Ретранслятор
Рис. 2. Сети спутниковой связи с топологией типа «звезда»
3. Полносвязные сети (рис. 3), в которых ЗС, входящие в состав сети, могут организовать между собой связь по принципу «каждый с каждым» [1].
Очевидно, что вопросы эффективной организации многостанционного доступа (МД) актуальны лишь для сетей второго и третьего классов, в которых собственно и происходит разделение радиоресурса РТР.
Ретранслятор
ЗС1
Рис. 3. Полносвязные сети спутниковой связи
Полносвязные сети спутниковой связи
В полносвязной сети каждая ЗС должна иметь возможность организовать радиолинию связи через РТР с любой другой ЗС, входящей в состав сети. При многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР) это означает, что каждой ЗС необходимо выделить столько несущих частот, сколько ЗС могут вести радиообмен с данной ЗС в составе сети (рис. 4). Если в состав сети входит N станций, то для организации полносвязной сети потребуется N(N—1) несущих и, соответственно, полоса частот РТР будет разбита на такое же число диапазонов. Такой режим организации радиообмена в сети спутниковой связи получил название режима ОКН («один канал на несущую»), например, при N = 100 требуемое число диапазонов составит N(N - 1) = 9900. Такое дробление полосы частот ретранслятора с учетом того, что между соседними полосами необходим защитный промежуток, часто оказывается невыгодным. При этом полоса частот, выделяемая каждой станцией, оказывается слишком узкой, соответственно, низка и скорость передачи информации. Каждая ЗС в этом случае должна быть укомплектована (N - 1) передатчиком и (N - 1) приемником [2].
Рис. 4. Полносвязная сеть в режиме МДЧР ОКН, включающая N земных станций
Другой режим организации радиообмена при МДЧР изображен на рис. 5.
ЗС1 ЗСг ЗСN
Рис. 5. Полносвязная сеть из N ЗС в режиме МДЧР МКН
В этом режиме сигнал каждой ЗС может уплотняться по времени или частоте сигналами, предназначенными для различных ЗС-адресатов, т.е. каждая ЗС формирует групповой сигнал и передает его на своей несущей частоте. Такой режим радиообмена получил название МКН («много каналов на одну несущую»). На приеме ЗС демодулиру-ют весь групповой сигнал и выделяют из него лишь те фрагменты, которые для них предназначены. В этом случае каждой ЗС по-прежнему требуется N - 1) приемник и только один, но более мощный передатчик [3]. Дополнительно для каждой ЗС требуется устройство формирования группового сигнала (мультиплексор).
Проблема необходимости наличия множества передатчиков и/или приемников на каждой ЗС упрощается в том случае, если ЗС может вести радиообмен одновременно лишь с одной ЗС. В этом случае на каждой ЗС достаточно иметь лишь по одному приемнику и передатчику с перестраиваемыми диапазонами частот. Поскольку для дуплексной связи через СР для каждой пары ЗС нужна пара несущих частот, эти частоты могут выделяться станциям по запросу на период сеанса связи некоторой центральной ЗС, выполняющей роль диспетчера.
Схема организации полносвязной сети при использовании многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР) подобна изображенной на рис. 5. Только в этом случае каждая ЗС передает и принимает на одной несущей частоте. Такой способ организации полносвязных сетей на основе МДВР выглядит более перспективным вследствие явной экономии в оборудовании ЗС, однако сложность и, соответственно, стоимость оборудования МДВР заметно выше.
Схема организации полносвязной сети при многостанционном доступе с кодовым разделением сигналов (МДКР) подобна изображенной на рис. 4, с той лишь разницей, что каждой станции для связи с другой выделяется не отдельная полоса частот, а уникальный код (сигнал сложной формы), обеспечивающий выделение его из множества других.
Наибольшее распространение на начальном этапе развития систем спутниковой связи получили сети на основе МДЧР вследствие простоты реализации. В последнее время все более широкое распространение получают сети на основе комбинированного частотно-временного разделения (ЧВР) и временного разделения сигналов вследствие более высокой гибкости и более эффективного использования мощности бортового ретранслятора. Сети на основе МДКР особенно перспективны для использования вследствие более высокой помехозащищенности сигналов.
Сети с топологией «звезда»
Звездообразные сети включают N периферийных земных станций и одну центральную станцию. Основная особенность таких сетей состоит в том, что сигналы, излучаемые всеми ПЗС, после ретрансляции через спутник связи принимаются ЦС, которая играет роль центрального устройства распределения информации. С центральной станции принятые сигналы далее могут доставляться адресату либо через наземные сети связи, либо по обратному спутниковому каналу на ПЗС, к которой подключен вызываемый абонент. Таким образом, связь между двумя ПЗС возможна только через ЦС, что приводит к необходимости двухкратной ретрансляции сигналов через РТР и, как следствие, большим задержкам в доставке сообщений [4].
Однако такая топология за счет создания мощной ЦС (с большой антенной, высокочувствительным приемником, мощным передатчиком), позволяет значительно упростить ПЗС. Такие ПЗС имеют небольшую антенну (до 3,5 м в диаметре) и несложное при-емо-передающее устройство.
Звездообразные сети спутниковой связи нашли широкое распространение для передачи данных в территориально распределенных вычислительных системах, преимущественно для организации доступа удаленных терминалов к центральной ЭВМ. Кроме того, топология «звезда» широко используется в тех случаях, когда требуется обеспечить дешевизну и низкие массогабаритные характеристики ПЗС, например, в сетях мобильной спутниковой связи.
Сигналы, предназначенные для ПЗС, формируются ЦС и в виде группового сигнала передают через РТР.
В зависимости от способа разделения сигналов ПЗС и способа формирования группового сигнала на ЦС различают следующие классы звездообразных сетей спутниковой связи.
Сети класса «МДЧР-ОКН/ЧРК-ОКН». ПЗС используют МДЧР для доступа к РТР. Каждый сигнал передается на отдельной несущей частоте. Групповой сигнал ЦС формируется также на основе частотного разделения каналов (ЧРК), каждый сигнал передается на отдельной несущей частоте. Таким образом, для организации дуплексной связи требуется одна несущая частота для канала ПЗС-ЦС и вторая несущая - для канала ЦС-ПЗС (рис. 6).
Рис. 6. Звездообразная сеть в режиме МДЧР ОКН
Сети класса «МДЧК-ОКН/ЧРК-МКН». ПЗС в таких сетях используют МДЧР в режиме ОКН для передачи сигналов на ЦС. Групповой сигнал на ЦС формируется на основе ЧРК, при этом сигналы для каждой ПЗС объединяются в отдельный групповой сигнал в режиме МКН (рис. 7). Каждая ПЗС принимает адресуемые ей сигналы на своей несущей частоте [5].
Рис. 7. Звездообразная сеть в режиме МДЧК-ОКН/ЧРК-МКН
Сети класса «МДЧР-ОКН/ВРК». В сетях этого класса доступ ПЗС организуется так же, как и в предыдущих сетях, а групповой сигнал ЦС формируется на основе временного разделения каналов (ВРК) (рис. 8). Каждая ПЗС принимает весь групповой сигнал, демодулирует его и выделяет адресуемые ей сообщения.
Рис. 8. Звездообразная сеть в режиме МДЧР-ОКН/ВРК
Сети класса «МДЧР-МКН/ВРК». В сетях этого класса ПЗС из сигналов, предназначенных для других ПЗС, формирует групповой сигнал, который на одной несущей в режиме МКН через РТР передается на ЦС, где после демодуляции и разделения направляется адресуемому абоненту. Групповой сигнал на ЦС формируется на основе ВРК (рис. 9).
Рис. 9. Звездообразная сеть в режиме МДЧР-МКН/ВРК
Сети класса «МДВР/ВРК». При МДВР каждая ПЗС передает свой сигнал на РТР в течение строго ограниченного интервала времени Тк, называемого кадром передачи (рис. 10). Последовательность кадров передачи всех ПЗС, входящих в состав сети, образует цикл передачи длительностью
Тц * ^Тк + Тз),
где Тз - защитный интервал, учитывающий погрешность системы синхронизации [6].
Рис. 10. Звездообразная сеть в режиме МДВР/ВРК
В каждом цикле все ПЗС поочередно передают свои сигналы на одной несущей в одной и той же полосе с одинаковой скоростью Ямдвр. С учетом того, что интервал между последовательными кадрами передачи составляет Тц, реальная скорость передачи ПЗС при ВРК составит
Rm,bp = R ' Тк/Тц.
Если сравнить две ПЗС, работающие: первая - в режиме МДВР, а вторая - МДЧР, и обеспечивающие передачу информации с соизмеримыми средними скоростями (Rm,bp « Rm,4p), то окажется, что требуемая мгновенная скорость передачи R в пределах кадра первой ПЗС (МДВР) составит в Тц/Тк раз больше, чем для второй ПЗС (МДЧР):
Rm,bp = Rm,4p ' Тц/Тк.
Так как полоса частот и, соответственно, мощность излучения передатчика прямо пропорциональны скорости передачи, то при МДВР каждая ПЗС должна обладать более мощным широкополосным передатчиком и приемником по сравнению с ПЗС МДЧР (рис. 11).
При большом числе станций в сети, например, порядка 100, такая разница в мощности может достигать 20 дБ, что является неприемлемым для малогабаритных ПЗС. Поэтому число станций в сети при МДВР, как правило, невелико. Учитывая, что МДВР обладает целым рядом преимуществ, на практике все чаще используют гибридные схемы множественного доступа, сочетающие преимущества частотного и временного разделения сигналов, в частности, многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов (МДЧВР).
Сети класса «МДЧВР/МДЧР-МКН». С целью ограничения требований к мгновенной скорости передачи и, соответственно, мощности передатчика при МДВР используется следующий подход [7].
мощность сигнала
Гц
Гк <->
f
-
t
Рис. 11. Мощность сигнала
Все ПЗС делятся на группы, по L станций в каждой. Каждая группа работает на своей несущей частоте. Внутри группы ПЗС для доступа к РТР используется МДВР (рис. 12).
ЦС передает сигналы для каждой группы ПЗС также на своей несущей частоте (МДЧР) с временным разделением каналов в режиме МКН.
Рис. 12. Звездообразная сеть с частотно-временным уплотнением в режиме МДЧВР/МДЧР-МКН
Сети с использованием МДКР. Успехи в разработке новых классов сложных сигналов приводят ко все более широкому распространению комбинированных схем доступа с использование кодового разделения сигналов. На рис. 13 приведены различные варианты построения сети спутниковой связи с использованием МДКР. Групповой сигнал ЦС при этом может формироваться различными способами.
Рис. 13. Варианты построения сети спутниковой связи: а - на основе КРК; б - ЧРК-ОКН; в - ЧРК-МКН; г - ВРК
Таким образом, в статье проведен теоретический анализ топологий сетей спутниковой связи (в частности, однонаправленная сеть, сеть с топологией типа «звезда», полносвязная сеть), указаны особенности функционирования каждой из рассмотренных сетей.
Список литературы
1. Бабышева Е. Е. Перспективы развития спутниковой связи // Экономика и качество систем связи. 2017. № 3. С. 38-45.
2. Чипига А. Ф. Анализ возможностей практической реализации системы спутниковой связи на участке «космический аппарат - земля» при работе на пониженных частотах // Наука. Инновации. Технологии. 2013. № 1. С. 63-70.
3. Спутниковые системы связи : учеб. пособие для вузов / под ред. А. М. Сомова. М. : Горячая линия - Телеком, 2012. 244 с.
4. Назаров С. Н. Влияние основных характеристик приемников и передатчиков земных станций и геостационарных ретрансляторов на пропускную способность спутниковых каналов связи // Вестник УлГТУ. 2010. № 3. С. 41-44.
5. Немировский М. С., Локшин Б. А., Аронов Д. А. Основы построения систем спутниковой связи : учебник / под ред. М. С. Немировского. М. : Горячая линия - Телеком, 2017. 432 с.
6. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учеб. пособие. 2-е изд., доп. М. : ВП, 2010. 603 с.
7. Huang J., Cao J. Recent Development of Commercial Satellite Communications Systems // Artificial Intelligence in China. Lecture Notes in Electrical Engineering / Liang Q., Wang W., Mu J., Liu X., Na Z., Chen B. (eds). Singapore : Springer, 2020. Vol. 572. 678 р.
Информация об авторах
Зинкин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радио- и спутниковая связь», Пензенский государственный университет
Каркаев Ринат Марадович, преподаватель кафедры «Радио- и спутниковая связь», Пензенский государственный университет
Перетрухин Владислав Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
