Моделирование беспроводных систем связи

оформленных в виде специально построенных зданий в специально выбранных местах (на рисунке 10.2б).

а) б)

Рисунок 10.2 – Антенны земных станций космической связи

Через ЦЗС центры управления сетью (NOC — Network Operation Center) координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В

частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети,

обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между ЗС связные ресурсы сети, архивируются данные об использовании этих ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация.

При помощи контрольно-измерительной станции сети центр управления полетом (FCC — Flight Control Center) получает и обрабатывает данные внешнетраекторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный режим работы бортовых систем ретранслятора, которые в виде цифровых команд передаются на ГСР.

Одним из важных достоинств геостационарной орбиты является возможность обеспечения значительной области обслуживания. Размеры области обслуживания ограничиваются следующими условиями [25]:

1. В пределах области обслуживания угол возвышения, или, что то же самое, угол места антенн земных станций (угол между направлением на

192

точку стояния ГСР и плоскостью местного горизонта) не должен быть менее некоторого порогового значения min , определяемого назначением сети.

Малые углы возвышения приводят к возможности затенения ГСР местными предметами, окружающими ЗС, к увеличению потерь полезного сигнала в атмосфере и шумов антенной системы ЗС, обусловленных радиошумовым излучением Земли. Для сетей фиксированной спутниковой службы, в

которых затенение можно исключить путем выбора места установки ЗС, угол

ограничивается снизу величиной 10°-12°. Для сетей же персональной подвижной службы угол возвышения ГСР над горизонтом должен быть не менее 30°.

2. В любой точке области обслуживания при заданных параметрах ЗС на линии связи должны обеспечиваться энергетические соотношения не хуже заданных.

Перечислим основные характерные особенности радиоканалов связи через ГСР:

1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности (35875 -

41000 км) задерживают сигналы на сравнительно большое время (задержка распространения) — 120-136 мс в одном направлении. При направленной передаче информации такая задержка несущественна, но при интерактивной связи (телефония, видеоконференцсвязь, мультимедийные приложения и т.д.)

она может приводить к ощутимым неудобствам. Наличие задержки усложняет и снижает эффективность управления процессом информационного обмена в сети, которое применяется с целью более экономного использования связных ресурсов.

2.Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного происхождения.

3.Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов в свободном пространстве (рассеянию энергии и поглощению

193

мощности в различных слоях атмосферы), что в сочетании с большим уровнем внешних шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи информации весьма значительных энергозатрат. Стремление снизить эти затраты и повысить пропускную способность ГССС обуславливает необходимость использования оптимальных или близких к ним структур передаваемых радиосигналов и способов их обработки.

4. Спутниковые каналы связи являются каналами с переменными параметрами, что обусловлено неопределенностью положения ГСР в пространстве, его ориентации и, главным образом, разбросом параметров атмосферы Земли на трассе распространения радиосигналов. Коэффициент передачи по мощности канала изменяется во времени, причем характер этого изменения содержит регулярную и случайную составляющие.

ГСР, как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:

1.Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), являющийся полезной нагрузкой ГСР и выполняющий все необходимые сетевые функции космического сегмента.

2.Систему коррекции орбиты.

3.Систему ориентации.

4.Систему энергообеспечения.

5.Систему терморегулирования, поддерживающую температурный

режим аппаратуры ГСР в пределах, обеспечивающих еѐ нормальное функционирование.

6. Информационно-управляющую систему, обеспечивающую взаимодействие с командно-измерительной станцией, сбор и обработку измерительной информации, формирование, распределение и исполнение различных команд, обеспечивающих необходимые режимы работы систем ГСР.

Обычно системы энергообеспечения, терморегулирования, командно-

измерительная, защитные экраны выполняются в виде единой космической

194

платформы, на которой могут быть установлены БРТК различных типов и назначения. В последнее время все чаще используются бесконтейнерные негерметизированные конструкции, обеспечивающие лучшие массогабаритные характеристики.

Теоретически неподвижный относительно земной поверхности ГСР на практике дрейфует относительно своей номинальной точки стояния, что обусловлено неизбежным отличием параметров орбиты от номинальных и влиянием различных возмущающих воздействий. Смещение ГСР относительно рабочей позиции имеет периодическую и регулярную составляющие, возникающие по следующим причинам:

•при отличии угла наклонения орбиты от нулевого спутник колеблется относительно рабочей точки в направлении север-юг с периодом 24 часа и амплитудой равной углу наклонения орбиты;

•при отличии орбиты ретранслятора от круговой он совершает суточные колебательные смещения относительно точки стояния в направлении восток — запад, причем амплитуда смещения пропорциональна эксцентриситету орбиты;

•если период вращения ГСР менее 24 часов, он «уходит» из рабочей точки в восточном направлении, а в противном случае — в западном;

•переменность во времени вектора гравитационного притяжения в связи с изменением пространственного расположения Земли, Солнца и Луны,

давление света, потоки космических частиц и другие дестабилизирующие факторы приводят к суточным, месячным и годовым циклическим, а также направленному смещениям ГСР относительно номинальной точки стояния.

На практике перечисленные факторы действуют одновременно и приводят к сложной траектории движения ГСР в пространстве, причем, если не приняты специальные меры, спутник постепенно увеличивает амплитуду своих колебаний и перестает выполнять свою целевую функцию.

195

9.2Спутниковые системы связи с использованием негеостационарных ретрансляторов

Внастоящее время наряду с ГССС уже успешно функционируют системы, которые могут обеспечить своим пользователям более широкий спектр услуг с более высоким качеством. Это ССС на негеостационарных орбитах (НССС), включая низкоорбитальные сети — LEO, в состав орбитальных группировок которых входят от десятков до сотен космических аппаратов (КА). Последние успехи в области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить массовое производство космических аппаратов данного типа.

Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных районах, в

районах Крайнего Севера и приполярных областей, а также совершенствование конструкции и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в совокупности с применением новых информационных технологий значительно повысили интерес к этим сетям связи.

Современные условия характеризуются непрерывным расширением рынка и качества новых услуг связи, которые в сочетании с отсутствием развитой инфотелекоммуникационной структуры большинства стран мира обуславливают актуальность решения задачи по использованию новых нетрадиционных технологий при сравнительно небольших финансовых затратах. Одним из решений этой задачи является использование НССС.

Ранее НССС широко использовались исключительно в военных целях и реже — в научных. Но в последние годы мировому сообществу были успешно продемонстрированы технологические преимущества данных сетей.

Правда, этого нельзя сказать об использованных в них бизнес-моделях (в

частности, из нескольких компаний, развернувших низкоорбитальные спутниковые сети, НССС LEO Iridium и Globalstar воспользовались для

196

защиты от кредиторов соответствующими статьями закона о банкротстве).

Как уже упоминалось ранее, ГССС имеют такие существенные недостатки, как [25]:

1. Большое время распространения радиосигналов между абонентами (около 250 мсек), что приводит к появлению эффекта эха. Эта же причина объясняет и высокую стоимость наземных станций ГССС (особенно станций-шлюзов при передаче информационных потоков на скоростях свыше 2 Мбит/с) из-за необходимости обеспечения требуемых энергетических характеристик космических радиолиний. Каждая ЗС представляет в этом случае достаточно громоздкую сложную конструкцию,

для размещения которой не всегда легко отыскать место (особенно в городе)

и обеспечить еѐ сопряжение с наземными сетями связи. Это привело к тому,

что ГССС обладают высокой стоимостью эксплуатации, требуют использования мощных передатчиков, используют в основном стационарные ЗС с зеркальными параболическими антеннами, имеют ограничения по мобильности абонентов. К тому же и стоимость терминалов составляет свыше нескольких тысяч долларов.

2.Пространственный дефицит для размещения новых СР на геостационарной орбите (в частности, из-за необходимости обеспечить требования электромагнитной совместимости различных ССС).

3.Невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах

идр.

Этих недостатков нет у НССС, либо они выражены в меньшей степени.

Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:

меньшая высота орбит КА (от 700-1500 км - у LEO, до 10000-

правило, не превышает 250-750 кг;

высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность времени радиовидимости (например, в LEO средняя продолжительность времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи составляет только 6-7 минут). Вследствие этого в конце 80-х

годов точное предварительное позиционирование антенн абонентов было сложно реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью фазированных антенных решеток;

высокие доплеровские сдвиги частот (около +/-40 кГц в L-

диапазоне);

использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн терминалов, например 20°-40°, что обеспечивает надежность связи около 99,9%, и др.

Другие отличия LEO НССС от ГССС приведены в таблице 9.3 (в

таблице условно LEO разбиты на два класса: небольшие (весом до 125 кг) и

большие (весом до 500-700 кг).

Первой коммерческой являлась LEO-система Iridium. Каждый из 66

спутников Iridium действует как коммутатор, маршрутизируя вызовы непосредственно с одного на другой. Поэтому два пользователя телефонов НССС Iridium, находящиеся в любой точке мира, могут связываться между собой независимо от какой-либо наземной инфраструктуры через межспутниковые линии связи. Iridium является единственной системой,

которая охватывает 100% поверхность земного шара.

Для уменьшения стоимости и сложности сети связи в НССС Globalstar

используется меньшее число КА в орбитальной группировке, а абонентский трафик направляется от спутников-ретрансляторов к станциям-шлюзам и далее по наземной телекоммуникационной инфраструктуре. На рисунке 10.3

представлена зона покрытия системы GlobalStar.

Орбитальные группировки (ОГ) НССС Iridium и Globalstar были

198

выбраны таким образом, чтобы в зоне видимости абонента находился один или более спутник-ретранслятор. Системы другого класса, например

Orbcomm и «Гонец» (Gonetz), предоставляют более дешевый,

ориентированный на передачу данных, сервис по доставке сообщений в режиме нереального времени. Если спутник отсутствует в зоне радиовидимости наземного терминала, то данные, предназначенные для передачи, хранятся в его запоминающем устройстве до момента входа спутника в его зону видимости и только после этого передаются [25].

В НССС ICO, которая относится к классу МЕО — среднеорбитальных систем, задержка и еѐ вариация имеют промежуточные значения между значениями для LEO и GEO. Это обстоятельство свидетельствует о привлекательности систем МЕО для предоставления интегральных услуг связи. Корпорация Hughes также намеревается вывести на орбиту один спутник МЕО в качестве «орбитального резерва» для своей ГССС Spaceway,

зону обслуживания которой составляет Северная Америка (Spaceway должна стать платформой для широкополосной версии DirecPC со скоростью передачи до 6 Мбит/с, при этом в ней не будет эхо-сигналов). Orbital Sciences

в своей системе Orb Link для охвата всей поверхности Земли будет также использовать спутники МЕО с передачей в V-диапазоне (38 и 48 ГГц).

199

Рисунок 10.3 – Зона покрытия системы GlobalStar [31]

Таблица 10.4 – Основные качественные характеристики НССС и ГСС