549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Проблемы построения интегрированных спутниковых сетей связи с использованием вспомогательных наземных компонентов

А. С. Синявская

Работа посвящена специфике интегрированных систем, рассматриваются основные требования к космическому сегменту и вспомогательным компонентам. Также затрагиваются вопросы одновременного использования одних и тех же частот для работы оборудования бортового ретранслятора и базовых станций вспомогательных компонентов.

Ключевые слова: интегрированные спутниковые/наземные системы, вспомогательные наземные компоненты, совместное использование частотного ресурса.

1. Введение

Развитие систем подвижной спутниковой связи (СПСС) обусловлено возможностью организации значительных по размеру зон обслуживания вплоть до глобальных, а также обеспечением мобильности абонента по всей зоне видимости спутников. СПСС создаются по всему миру, вопросы проектирования таких систем актуальны также и для России в силу большой территории страны и неразвитой инфраструктуры в отдалѐнных малонаселѐнных районах. Но проблема спутниковых систем в том, что приѐм сигнала в зданиях, а также в условиях плотной застройки или затенения линии на спутник препятствиями, затруднѐн, в таких районах диапазон частот подвижной спутниковой связи используется неэффективно или вообще не используется. Решением этой проблемы является создание интегрированных спутниковых/наземных сетей, в которых применяются вспомогательные наземные компоненты (Ancillary Terrestrial Component - ATC, США, или Complementary ground component – CGC, Китай). В этом случае большая часть территории обслуживается СПСС с зональным обслуживанием (формируется множество спутниковых лучей), а в местности, где необходима связь в зданиях или в условиях застройки (и при этом отсутствуют наземные сети связи, т.к. они не всегда экономически эффективны), работают вспомогательные наземные компоненты ATC/CGC. В конечном итоге, объединение спутниковых сетей, вспомогательных наземных компонентов и наземных сетей позволит создать единую сеть на всей обслуживаемой территории таким образом, что абонентское устройство будет бесшовно переключать режимы работы при переходе из зоны обслуживания одного компонента в зону другого.

2. Требования к космическому сегменту

Одним из основных требований к интегрированным спутниковым/наземным сетям является выполнение условий концепции «прозрачности»: параметры абонентского устройства в такой сети не должны отличаться от параметров в наземных сетях связи. Это означает, что габариты устройства, его вес, антенна, а также уровень излучаемой мощности не должны превышать соответствующих параметров устройств наземных сетей. Для удовлетворения этим требованиям возникают ограничения на оборудование спутникового

221

сегмента: антенны бортового ретранслятора (БР) должны иметь большую апертуру и высокую добротность G/T для обеспечения энергетического запаса линии абонентское устройство – спутник в условиях ограниченной излучаемой мощности. Также важным условием является совместимость радиоинтерфейса спутниковой системы и наземных сетей: технологии передачи и стандарты наземных систем должны быть адаптированы к спутниковому каналу распространения (в первую очередь, необходимо учесть значительные задержки сигнала).

3. Совместное использование частотного диапазона

Для повышения эффективности использования частотного диапазона спутниковые и наземные компоненты могут одновременно использовать одни и те же частоты. В СПСС применяются цифровые антенные решѐтки (ЦАР) c адаптивным формированием лучей БР с учѐтом помеховой обстановки в системе. В интегрированной спутниковой/наземной сети организуется шлейф адаптивного контроля, благодаря которому отслеживается возникновение помех в канале приѐма сигнала со спутника от оборудования вспомогательных наземных компонентов. При цифровом формировании луча возможно уменьшение коэффициента усиления антенны в заданном направлении (в зоне, обслуживаемой ATC/CGC).

Исследования, проведѐнные американскими учѐными во главе с П. Карабинисом, США, показали, что предполагаемый уровень помех от вспомогательных наземных компонентов в канале приѐма сигнала со спутника относительно небольшой и зависит от нескольких факторов:

1.Плотность застройки

2.Неравномерность речевой активности абонентов

3.Поглощение энергии сигнала телом абонента

4.Регулирование уровня мощности

4. Особенности спецификации интегрированной системы BMSat

На сегодняшний день разработаны спецификации спутниковых радиоинтерфейсов BMSat, использующих дополнительные наземные компоненты CGC и основанные на стандарте LTE (пример системной модели приведѐн на рис. 1). В этих спецификациях также предполагается использование одних и тех же частот как спутниковым, так и наземным сегментом сети, но при этом применяется пространственно-временное кодирование (STC) по схеме Аламоути, что позволяет получить выигрыш от пространственного разнесения. Абонентское устройство принимает сигналы на одной частоте как от спутникового, так и от вспомогательного компонента, при оптимальном сложении на приѐме позволяет увеличить отношение сигнал/шум.

222

Рисунок 1 - Пример системной модели с использованием метода совместного разнесенного приема для интегрированной системы

5. Заключение

Построение интегрированных спутниковых/наземных систем может значительно повысить эффективность сети связи в конкретных случаях. На сегодняшний день продолжается разработка спецификаций и стандартов таких систем. В дальнейшем при проектировании интегрированных спутниковых/наземных сетей необходимо решить задачу частотно-территориального планирования (ЧТП). Требуется разработка методик и алгоритмов частотных присвоений как для одного спутника, так и между лучами БР и сотами вспомогательных наземных компонентов для обеспечения ЭМС. При этом необходимо учесть особенности системы (адаптивное цифровое формирование лучей или применение пространственно-временного кодирования) и разработать методики ЧТП для достижения максимальной пропускной способности системы в условиях ограниченного частотного ресурса.

Литература

1.Peter D. Karabinis, Ph.D., Santanu Dutta, Ph.D., and William W. Chapman, Ph.D. Interference Potential to MSS due to Terrestrial Reuse of Satellite Band Frequencies. Mobile Satellite Ventures. 2005. 12 p.

2.Подробные спецификации спутниковых радиоинтерфейсов перспективной Международной подвижной электросвязи (IMT-Advanced). Рекомендация МСЭ-R M.2047-0. 2013

3.Гениатулин, К. А. Применение метода координационных колец при частотно- территориальном планировании системы спутниковой связи с зональным обслуживанием / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Вестник СибГУТИ: научный журнал. –

Новосибирск, 2014. – № 1 (25). – C. 35-48.

223

Синявская Ася Сергеевна

ассистент кафедры систем радиосвязи СибГУТИ, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86)

тел. (383) 2-698-254, e-mail: sin.sibsutis@mail.ru

Problems of construction of integrated satellite communications networks using ancillary terrestrial components

A. Sinyavskaya

The work is devoted to the specifics of the integrated systems are considered the basic requirements for the space segment and ancillary terrestrial components. Also addresses the simultaneous use of the same frequency for the operation of the equipment board relay and base stations of ancillary components.

Keywords: integrated satellite / terrestrial systems, ancillary terrestrial components, sharing the frequency resource.

224

Исследование характеристик систем подвижной спутниковой связи

А. С. Синявская

Рассмотрены преимущества подвижной спутниковой связи, актуальность разработки и внедрения таких систем в России. Одним из наиболее перспективных направлений является развитие систем с зональным обслуживанием, в работе рассматривается одна из проблем проектирования таких систем – частотно-территориальное планирование. Проведѐн обзор основных направлений исследования и разработки алгоритмов частотных присвоений.

Ключевые слова: подвижная спутниковая связь, частотно-территориальное планирование, LEO, IMT-Advanced, ATC.

1.Введение

Втечение последних 15 лет системы подвижной спутниковой связи (СПСС) активно развиваются и привлекают всѐ большее число абонентов по всему миру. Спутниковая связь имеет ряд преимуществ, обуславливающих растущий интерес к таким системам:

– использование бортовых ретрансляторов на ИСЗ позволяет формировать большие зоны обслуживания, вплоть до глобальных;

– возможно обеспечение качественной связи независимо от расположения абонента в зоне обслуживания благодаря применению современных технологий передачи и цифровой обработки сигналов;

– также возможна оперативная организация связи в районах с неразвитой инфраструктурой.

Для России вопрос развития систем спутниковой связи, в том числе и подвижной, является актуальным сегодня, т.к. размеры территории страны и неравномерное распределение абонентов затрудняют предоставление услуг связи всем потребителям. Важность развития российских СПСС отражена в программах развития космической деятельности России. Также необходимо учесть, что на сегодняшний день не существует СПСС отечественного производства, способных удовлетворить потребности абонентов, поэтому сейчас на территории РФ используются зарубежные системы (такие как Thuraya, Iridium и др.).

2.Современное состояние вопроса

Наиболее перспективными и адаптированными для территорий с неравномерным распределением абонентов являются СПСС с зональным обслуживанием. Такие системы используют многолучевые антенны (МЛА) на основе цифровых антенных решѐток (ЦАР), позволяющих наиболее эффективно использовать пропускную способность и энергетических потенциал системы. СПСС с зональным обслуживанием также позволяют рационально использовать выделенный частотный диапазон за счѐт повторного использования частот.

Но в случае применения МЛА неизбежно возникает вопрос частотно-территориального планирования (ЧТП) для эффективного использования спектра в рамках ограниченного частотного ресурса, с одной стороны, и для обеспечения ЭМС, с другой стороны.

225

Существующих методик ЧТП зарубежных разработчиков нет в свободном доступе, т.к. они носят, в основном, коммерческий характер, поэтому возникает необходимость исследования методов, позволяющих производить оптимальные частотные присвоения в лучах одного спутника и распределение частотного ресурса системы в целом.

На сегодняшний день разработаны методики ЧТП для систем, использующих спутники на геостационарной орбите, они представлены в работах В.И. Носова, К.А. Гениатулина. Методики разрабатывались для стандарта GMR (GEO Mobile Radio), основанного на стандарте наземной связи GSM и применяемого, в частности, в системе Thuraya. При этом в силу особенностей спутниковой связи методики ЧТП для наземных сетей не могли быть применены в чистом виде и требовали значительных доработок. Разработанные методы ЧТП для СПСС на GEO базировались на методе координационных колец (МКК). Этот метод использует теорию графов и включает в себя несколько алгоритмов присвоения частот лучам антенны. По разработанной методике был проведѐн анализ эффективности этих алгоритмов по критериям максимальной пропускной способности и наименьшей размерности кластера. По результатам работы было выяснено, что применение некоторых алгоритмов МКК, модифицированного методом ветвей и границ (МКК МВиГ), даѐт выигрыш в пропускной способности. Таким образом, применение усовершенствованных методик ЧТП позволяет не только обеспечить ЭМС, но и увеличить пропускную способность системы.

3. Перспективные направления исследования

3.1. Исследование характеристик СПСС, использующих низкие круговые орбиты

(LEO).

Применение низкоорбитальных спутниковых группировок имеет ряд преимуществ, в том числе важных для использования таких систем на территории России:

-на LEO существует множество свободных орбитальных позиций для размещения новых ИСЗ (в отличие от GEO, которая заполнена на 2/3);

-использование наклонных орбит обеспечивает качественную связь в высоких широтах;

-космические аппараты имеют меньший вес и меньшую стоимость по сравнению со спутниками на геостационарной орбите;

-относительно небольшая высота орбит (700-1500 км), следовательно, малая задержка при распространении сигналов, что даѐт возможность работать с трафиком реального времени.

При разработке методик ЧТП для низкоорбитальных систем требуется учесть возможность влияния движения спутников относительно земной поверхности, энергетических параметров систем, ширины диаграммы направленности антенн, пересечения траекторий движения спутников и других факторов на выполнение условия ЭМС при частотных присвоениях как в лучах одного спутника, так и в системе в целом. Требуется сравнение существующих методик ЧТП и оценка возможностей их применения для СПСС на

LEO.

3.2. Исследование СПСС на GEO, построенных на основе стандарта LTE (системы

IMT-Advanced).

Как было сказано ранее, существует стандарт спутниковой подвижной связи, основанный на стандарте GSM – это стандарт GMR. Системы IMT-Advanced используют более современные технологии, разработка таких систем ведѐтся относительно недавно. Стандарт LTE относят к стандартам четвѐртого поколения, поэтому целесообразно развивать СПСС, использующие передовые технологии и совместимые с перспективным стандартом наземной подвижной связи.

226

Преимуществами LTE являются более высокие скорости передачи, а также возможность предоставления новых, в том числе широкополосных, услуг связи. Основным фактором, влияющим на разработку методик ЧТП для систем IMT-Advanced, является применение технологии OFDM (ортогональное частотное мультиплексирование): на линии к абоненту применяется OFDMA (многостанционный доступ с ортогональным разделением частот), на линии от абонента – SC-FDMA (многостанционный доступ с ортогональным разделением частот и одной несущей). Необходимо проанализировать, какие требования будут предъявляться к методикам присвоения частот в этом случае, а также учѐт других особенностей стандарта IMT-Advanced, влияющих на ЧТП.

3.3 Исследование вопросов совместного использования частотного диапазона СПСС и вспомогательными наземными компонентами (ATC либо CGC).

Вспомогательная наземная сеть востребована в тех случаях, когда не развита наземная сеть связи, но требуется связь со спутником в зданиях или в условиях плотной застройки. Создание интегрированной спутниковой/наземной сети позволило бы организовать непрерывную зону обслуживания, не зависящую от типа местности и наличия застройки, что актуально для малонаселѐнных или удалѐнных районов России, где отсутствуют системы сотовой связи. Использование радиоинтерфейса, базирующегося на стандартах наземных систем связи, позволило бы создать единую систему, охватывающую, к примеру, всю территорию РФ, и включающую в себя сотовые сети связи, спутниковый сегмент и вспомогательные наземные компоненты.

Использование одних и тех же частот как спутниковым, так и вспомогательным наземным компонентом, позволяет получить выигрыш от пространственного разнесения при применении пространственно-временного кодирования (например, по схеме Аламоути, как предлагают разработчики системы BMSat). В этом случае возможно оптимальное сложение сигналов с бортового ретранслятора и базовых станций вспомогательных компонентов, что позволит повысить помехоустойчивость системы в условиях ограниченных мощностей передачи и значительных потерь при распространении сигнала.

При исследовании этого вопроса необходимо проанализировать возможности использования одних и тех же частот, как спутниковым сегментом, так и вспомогательными наземными компонентами. Необходимо определить ограничения на присвоение одних и тех же частотных каналов для обеспечения ЭМС, принимая во внимание особенности цифрового формирования луча на борту спутникового ретранслятора (т.к. используются многолучевые антенны на основе ЦАР). Требуется разработка методов ЧТП для создания интегрированных космических/наземных систем.

Литература

1.Спутниковые сети связи: Учеб. пособие/ Камнев В. Е, Черкасов В. В., Чечин Г. В. – М.: «Альпина Паблишер», 2004. – 536 с.

2.Гениатулин, К. А. Планирование систем спутниковой связи с зональным обслуживанием / К. А. Гениатулин, В. И. Носов // Вестник СибГУТИ: научный журнал. – Новосибирск, 2009, – № 4. – C. 11-22.

3.Подробные спецификации спутниковых радиоинтерфейсов перспективной Международной подвижной электросвязи (IMT-Advanced). Рекомендация МСЭ-R M.2047-0. 2013

227

Синявская Ася Сергеевна

ассистент кафедры систем радиосвязи СибГУТИ, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86) тел.

(383)2-698-254, e-mail: sin.sibsutis@mail.ru

Investigation of characteristics of mobile satellite systems

A. Sinyavskaya

In this article advantages of mobile satellite communications, the relevance of the development and implementation of such systems in Russia are considered. One of the most promising area is the development of systems with a zonal service, one of the challenges of designing such systems considered - frequency planning. The review of the main directions of research and development of algorithms for frequency assignments is presented.

Keywords: mobile satellite communications, frequency planning, LEO, IMT-Advanced, ATC.

228

К вопросу о технических и экономических аспектах мониторинга планет и их естественных спутников с помощью космических станций

Д. С. Травин, Г. А. Травин

Предложен новый способ позиционирования космических станций в околопланетных космических пространствах для проведения мониторинга планет и их естественных спутников и организации комической радиосвязи. Рассмотрены особенности этого способа в сравнении с известным. Показано, что в отличие от известного способа при предлагаемом способе нет опасных для здоровья и жизни космонавтов перегрузок и явления невесомости, что существенно повысит сроки пребывания их в космосе и эффективность работы.

Способ органически вписывается в современные тенденции по интенсификации интеграционных экономических, научных и технических связей между странами.

Ключевые слова: мониторинг, экономика, планеты и их естественные спутники, космические станции, околопланетные и околоспутниковые космические пространства, позиционирование космических станций, сила тяжести, самоуравновешивающееся кольцо.

1. Введение

Исследование и освоение космоса – актуальная задача современности. Важное место в решении этой задачи занимает мониторинг околопланетных космических пространств, планет и их естественных спутников.

Наиболее перспективным методом организации и осуществления такого мониторинга является метод с использованием позиционируемых в околопланетных космических пространствах космических станций (наблюдательных, научно-исследовательских, для запуска и посадки космических кораблей и т. д.), оснащенных телекоммуникационными системами для приема, обработки и передачи информации.

При этом проблема позиционирования космических станций в околопланетных космических пространствах является ключевой.

Известен основополагающий способ позиционирования космических станций в околопланетных космических пространствах, базирующийся на фундаментальных законах И. Ньютона и использующий принцип непрерывного движения позиционируемых космических станций вокруг планет (или их естественных спутников) с определенной космической скоростью.

Основоположником этого способа является К. Э. Циолковский, впервые теоретически обосновавший возможность выхода человека в космос с помощью мощных ракет-носителей и ракетных двигателей, а первыми исполнителями этой возможности стали С. П. Королев и др., реализовавшие ее ценой огромных затрат с привлечением экономики всей страны.

Наряду с достоинствами, этот способ имеет и существенные, органически присущие ему недостатки, обусловленные исключительно используемым при этом способе принципом обязательного непрерывного движения космических станций с определенной космической скоростью по орбитам вокруг планет или их естественных спутников. Это:

- опасные для здоровья и жизни космонавтов огромные перегрузки при запуске и посадке космических кораблей и явление невесомости при движении станций по орбите вокруг планет или их естественных спутников;

229

- огромная стоимость и большие технические сложности реализации данного способа. Следует особо отметить, что огромные перегрузки и явление невесомости являются

принципиально неустранимыми недостатками этого способа.

Что касается огромных затрат и больших технических сложностей, обусловленных строительством и эксплуатацией дорогостоящих и технически сложных космодромов с их разветвленной инфраструктурой, затратных мощных одноразовых ракет-носителей, подвижных космических станций, ЦУП, необходимостью специальной дорогостоящей подготовки космонавтов, способных выдержать огромные перегрузки и явление невесомости, и т. д., то они в принципе преодолимы, но только для высокоразвитых стран с мощной экономикой, высоким уровнем науки и техники и интеграционными экономическими, научными и техническими связями между ними.

В связи с этими недостатками и, особенно, с принципиально неустранимыми огромными перегрузками и явлением невесомости, представляет интерес предложенный авторами качественно отличный способ позиционирования космических станций в околопланетных космических пространствах для проведения мониторинга планет и их естественных спутников и организации космической радиосвязи.

2. Особенности предложенного способа

Предложенный способ тоже базируется на фундаментальных законах И. Ньютона, но в нем, в отличие от вышеописанного известного способа, космические станции позиционируются в околопланетном (или околоспутниковом) космическом пространстве на неподвижной относительно планеты (или естественного спутника) космической опоре в виде самоуравновешивающегося твердого жесткого кольца вокруг планеты (или естественного спутника) с радиусом, большим радиуса планеты (или естественного спутника), с массой, значительно меньшей массы планеты (или естественного спутника), и расположенным в плоскости, проходящей через центр планеты (или естественного спутника).

При этом способе подлежащие позиционированию космические станции неподвижны относительно планеты или естественного спутника (их не нужно специально разгонять до какой-либо скорости, как это требовалось при вышеописанном известном способе). Поэтому при этом способе не нужны затратные одноразовые мощные ракеты-носители и связанные с ними космодромы с их разветвленной инфраструктурой, нет перегрузок и явления невесомости, что является большим достоинством по сравнению с известным способом.

Сущность предлагаемого способа и устройства для его осуществления иллюстрируется на рис. 1 в двух проекциях, где цифрами обозначены:

1 - планета (или естественный спутник) в виде идеального сплошного однородного шара с массой Мп, с радиусом Rп и с центром в точке О;

2 - твердое жесткое кольцо с массой Mк, значительно меньшей массы планеты (или естественного спутника), с идеальной формой и с одинаковой плотностью по всему контуру, охватывающее планету в плоскости, проходящей через ее центр и имеющее радиус Rк=Rп+h, больший радиус планеты на величину h.

На рис. 1 штриховкой на первой проекции показан разрез планеты (или естественного спутника) и кольца вокруг нее (него) в плоскости, проходящей через ее (его) центр, который совпадает с центром кольца.

Покажем механизм самоуравновешивания такого кольца. При этом будем опираться на общеизвестную научную фундаментальную информацию:

во-первых, на общеизвестный, широко используемый в физике продуктивный принцип суперпозиции, согласно которому результирующая сила тяжести, действующая на сложное по форме физическое тело, каковым в нашем случае и является кольцо, охватывающее планету (или естественный спутник) в плоскости, проходящей через ее (его) центр, определяется геометрической (векторной) суммой сил тяжести его элементарных частей [1];

230