Глава 1. Принципы построения систем спутниковой связи и вещания.            

   Этот тип орбиты, рисунок 4, используется для размещения космических аппаратов чаще всего, ведь он обладает существенными преимуществами: возможна непрерывная круглосуточная связь, а сдвиг частоты практически отсутствует. Геостационарные спутники располагаются на высоте около 36000 км над поверхностью Земли и двигаются со скоростью ее вращения, как бы «зависая» над определенной точкой экватора, «подспутниковой точкой». Однако, на самом деле, положение такого спутника не неподвижно: он испытывает некоторый «дрейф» из-за ряда факторов, как следствие – орбита слегка смещается со временем.

                          Рис.4.Геостационарная орбита

     Геостационарный спутник практически не требует перерывов в работе, так как отсутствует взаимное перемещение космического аппарата и его наземной станции. Система, состоящая из трех спутников этого типа, способна обеспечить охват почти всей земной поверхности. Вместе с тем, такие системы не лишены и определенных недостатков, главный из которых – некоторая задержка сигнала. Поэтому спутники на геостационарных орбитах применяются чаще всего для осуществления радио- и телевещания, в которых задержки в обоих направлениях 250 мс не сказываются на качестве сигнала. Существенно более ощутимыми оказываются задержки в системе радиотелефонной связи (с учетом обработки сигнала в наземных сетях, суммарное время уже примерно 600 мс). Кроме того, зона охвата подобных спутников не включает высокоширотные районы (свыше 76,50° с.ш. и ю.ш.), то есть действительно глобальный охват не гарантируется. В связи с бурным развитием спутниковой связи, в последнее десятилетие на геостационарной орбите стало «тесно», а с размещением новых аппаратов возникают проблемы. Дело в том, что, в соответствии с международными нормами, на околоэкваториальной орбите можно разместить не более 360-ти спутников, иначе будут возникать взаимные помехи.

     Изучив орбиты искусственных спутников, переходим к рассмотрению зон обслуживания.

     Зона видимости, рисунок 5, это часть земной поверхности, с которой виден спутник под углом места больше заданного.

                       Рис.5.Зона видимости спутника

      Зона покрытия спутника — часть поверхности земного шара (или часть зоны видимости), в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от спутника, необходимый для их приема с заданным качеством, а также гарантируется способность приема на входе ИСЗ сигналов от земной станции, обладающей определенными параметрами рисунок 6.

       Зона покрытия зависит от таких параметров как позиция спутника на орбите (необязательно геостационарной), диаграммы направленности транспондеров, и мощности передатчика.

      Виды зон покрытия спутника:

-глобальные (вся видимая с ИСЗ часть поверхности Земли при малой неравномерности усиления бортовой антенны. Ширина луча антенны ИСЗ при этом составляет 17,4° для угла прихода 0°);

-полуглобальные;

-зональные.

                               Рис.6. Зона покрытия спутника

      Проекция зоны покрытия на географическую карту называется картой покрытия. На карте покрытия указываются уровни мощности сигнала, например — 53 dbW, 50 dbW, 48dbW, 45 dbW и 40 dbW. Чем больше мощность, тем меньшего диаметра антенна требуется для нормального приема сигнала.

     Зона покрытия спутника является основной характеристикой, определяющей возможность принятия сигнала со спутника.

     Зона покрытия конкретного транспондера[1] спутника с геостационарной орбитой определяется по карте покрытия и ограниченна его зоной видимости, расстоянием до него, геологическими и иными препятствиями (картой покрытия не учитываются). Покрытия конкретной местности сигналами со спутников определяется по зонам их покрытия. Обычно, сразу же, ограничиваются спутниками находящимися в прямой видимости (выше горизонта), определяя углы минимальной и максимальной долготы.

      Для облегчения расчётов, обычно, применяются специализированные программы. Они позволяют как минимум отфильтровать спутники, находящиеся не в прямой видимости с конкретной местности, например, Satellite Antenna Alignment и SATTV.

      Зона обслуживания (зона уверенного приема-передачи) - территория, в пределах которой в присутствии помех и шумов обеспечивается устойчивый прием и передача с заданным качеством, рисунок 7.

                      Рис.7.Зона обслуживания спутника

Многостанционный доступ

      Одной из основных проблем построения систем мобильной радиосвязи является решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Число каналов базовых станций ограничено. По назначению эти каналы могут быть служебными и трафиковыми, по которым передаются команды и информация.
     К служебным относятся каналы, обеспечивающие поддержку функционирования абонентской сети и назначение каналов трафика подвижным абонентам на этапе вхождения в связь.
     Трафиковые каналы предназначены для передачи информации и команд, обеспечивающих процессы ведения связи с требуемым качеством и восстановления связи (хэндовер) при перемещениях подвижных абонентов по зоне обслуживания.
     Задачей многостанционного доступа (уплотнения, мультиплексирования) является разделение между абонентскими станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.
      По способам предоставления системного ресурса абонентам систем мобильной радиосвязи существуют следующие варианты многостанционного доступа:

· с пространственным разделением каналов;

• с частотным разделением каналов;
• с временным разделением каналов;
• с кодовым разделением каналов.

      Многостанционный доступ спространственным разделением каналов (Space Division Multiple Access, SDMA) — это метод доступа, при котором вся зона обслуживания разбивается на множество узких областей, охватываемых отдельными лучами диаграмм направленности антенн. Связь между абонентами, работающими в разных зонах, осуществляется за счет меж лучевой коммутации. При этом каждая абонентская станция может вести передачу только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения. Еще недавно данный метод считался малоэффективным, до тех пор, пока не получили развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон отдельных передатчиков. С появлением аппаратуры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на основе секторных антенн (или антенн с перестраиваемой диаграммой направленности), данный метод получил широкое распространение.

     Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access, FDMA) характерен тем, что каждая абонентская станция работает на строго определенной частоте, благодаря чему множество устройств могут вести передачу данных на одной территории. Исторически это наиболее ранний метод уплотнения каналов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи. Характерной особенностью многостанционного доступа с частотным разделением каналов является наличие защитных полос между соседними каналами, что уменьшает количество возможных каналов и, соответственно, спектральную эффективность системы. Ширина полосы канала зависит от требуемого качества передачи информации. Главным недостатком этого метода является неоправданное расходование частотных ресурсов, поскольку требуется выделение отдельной частоты для каждой абонентской станции.

      Многостанционный доступ свременным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA) — это метод доступа, при котором все абоненты передают свои сообщения на одной несущей частоте, но в разные, как правило, циклически повторяющиеся интервалы времени при жестких требованиях к синхронизации процесса передачи. Таким образом, абонентской станции в течение фиксированных интервалов времени предоставляется вся пропускная способность канала. Основная единица времени называется кадром (frame). Каждый кадр разделен на фиксированное количество временных интервалов (slot). Максимально возможное количество одновременно обслуживаемых абонентов равно количеству временных интервалов в кадре. Обычно количество абонентов меньше, т. к. часть временных интервалов используется для передачи сигналов управления, контроля и синхронизации. Поэтому кадры часто организуются в структуры более высокого порядка (мультикадры, суперкадры и т. д.). Недостатком многостанционного доступа с временным разделением каналов является то, что если канал не используется для передачи в выделенный ему временной интервал, другие каналы не могут передавать данные в это время. Тем не менее, подобная схема достаточно удобна, т. к. временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Так, устройствам с высоким трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

     Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех. Временное уплотнение возможно только для цифрового сигнала. Метод TDMA требует наличия защитных временных промежутков между блоками данных, занимающих соседние временные интервалы. Это обусловлено конечным временем включения оборудования и прохождения сигнала по радиоканалу. В реальных системах часто используется комбинация методов FDMA и TDMA. В этих системах рабочая полоса частот делится на частотные каналы, которые уплотняются по времени.
     Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA) основан на использовании сигналов с расширенным спектром и одновременной передачей большого числа сигналов в общей полосе частот. Их разделение осуществляется по виду кодовых последовательностей, поступающих от каждого абонента. При этом все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте. При использовании CDMA каждый бит исходного потока данных заменяется на CDMA-символ, или кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32 или 64 элементов ("чипов"). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы взаимная корреляция двух любых CDMA- кодов была минимальна. В приемнике известен CDMA-код передатчика, сигналы которого он должен принимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. В специальном устройстве (корреляторе) производится операция свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнала с известным ему CDMA-кодом. Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что символ 0 или 1 является принятым. При этом сигналы других передатчиков с другими CDMA-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов) средняя мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с суммарной средней мощностью шума. Используя CDMA-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей, добиваются, в определенном смысле, сходства CDMA-сигналов со случайным шумом. Такие кодовые последовательности и, соответственно, модулированные ими сигналы называют шумоподобными. При передаче посредством шумоподобных сигналов спектр исходного сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра посредством прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). Наиболее сильная сторона данного метода заключается в повышенной помехозащищенности и скрытности передачи данных, т. к. не зная, кода, трудно обнаружить присутствие сигнала. Кроме того, количество возможных сигналов оказывается значительно большим по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код.
    Теоретически метод CDMA позволяет выделять информацию одного пользователя до тех пор, пока используемые коды взаимно ортогональны. Эффект многолучевости распространения радиоволн приводит к потере ортогональности сигналов на входе приемника, что приводит к снижению качества приема информации.
    Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации работы передатчика и приемника для гарантированного приема сообщений.
Уплотнение с кодовым разделением часто совмещается с частотным либо временным методами. В наиболее "чистом" виде метод кодового уплотнения реализуется в случае DSSS. Однако используются также и другие методы расширения спектра — посредством частотных и временных скачков (Frequency/Time Hoping Spread Spectrum, FHSS/THSS).
    В случае расширения спектра посредством частотных скачков в заданной частотной полосе F одновременно работает несколько передатчиков, каждый в узкой полосе, во много раз меньшей F. Центральная частота каждого передатчика в ходе работы скачкообразно изменяется по закону, задаваемому уникальной для него кодовой последовательностью. Приемник знает эту кодовую последовательность и перестраивает частоту приема синхронно с передатчиком. Кодовые последовательности выбирают так, чтобы минимизировать вероятность одновременной работы двух передатчиков на одной и той же частоте. Данный метод в ряде случаев оказывается весьма эффективным и применяется, в частности, в такой популярной сегодня технологии, как Bluetooth.

    Для многих систем сотовой связи характерен обмен информацией в обоих направлениях, что требует дуплексного канала связи. Дуплексная передача, когда весь выделенный системе частотный спектр делится между двумя противоположными направлениями, называется дуплексной передачей с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD). В том случае, если весь частотный диапазон используется для передачи информации в обоих направлениях, а передача в различных направлениях разнесена по времени, осуществляется дуплексная передача с временным разделением (Time Division Duplex, TDD). Дуплексная передача с частотным или временным разделением используется в комбинации с описанными выше методами многостанционного доступа.

      1.3.Энергетика спутниковых линий

    Для обеспечения качественной связи в ССС ПО необходимо обеспечить во всех радиолиниях определенный энергетический баланс. В ССС ПО используются пять типов радиолиний: радиолинии вверх «Земля—Космос» (З-К) типа ЗС-СР, ЦЗС- СР; радиолинии вниз «Космос—Земля «(К-З) типа СР-ЗС, СР-ЦЗС и радиолинии «Космос—Космос» (К-К) типа СР-СР. При этом наиболее напряженными в энергетическом отношении являются радиолинии ЗС-СР и СР-ЗС в связи с тенденцией перехода в ССС ПО от мобильных земных терминалов к «ручным» терминалам, т.е. к суще- ственному снижению мощности передатчика ЗС. Отличительной особенностью спутниковых радиолиний являются большие потери, обусловленные большой протяженностью трассы между ЗС и СР и не идеальностью распространения радиоволн. Так при размещении СР на геостационарном ИСЗ при трассе длиной (39…42)·103 км затухание радиосигнала в трех сантиметровом диапазоне волн может составлять более 200 дБ. Кроме затухания сигнала на трассе радиолинии в космическом пространстве необходимо учитывать потери в трактах антенно-фидерных устройств передатчиков и приемников ЗС и СР, в процессе распространения радиоволн в атмосфере Земли, из наличия несогласованности поляризаций антенн ЗС и СР, из-за неточности наведения антенн и пр. В ССС ПО поляризационные потери появляются не только за счет влияния магнитного поля Земли и атмосферы, но и за счет изменения пространственного по- ложения ЗС и СР. С целью устранения поляризационных потерь в ССС ПО рекомен дуется в передающих и приемных антеннах использовать круговую поляризацию одного направления вращения. Следует также учитывать, что на приемные устройства ЗС и СР, кроме тепловых флюктуационных шумов, могут воздействовать разного рода непреднамеренные помехи, связанные с излучением Космоса, Солнца, планет, спутников, находящихся на различных орбитах, наземных радиотехнических средств и иного рода источников по- мех.

      Каждая радиолиния состоит из передающей части, радиотракта или приемной части. К основным характеристикам радиолинии относятся:

 – мощность передатчика Рп, отнесенная к одному каналу;

– коэффициент усиления передающей антенны Gn;

– коэффициент усиления приемной антенны Gпр;

– коэффициент потерь в свободном пространстве L;

– коэффициент дополнительных потерь в радиолинии ΔL;

– мощность принимаемого сигнала Рпр, отнесенная к одному каналу.          

      Мощность передачи связана с выходной мощностью передатчика Рв соотношением

                                      Рп = Gп Рв,

 где Gп — коэффициент потерь в фидере передатчика.

      Коэффициент усиления направленной антенны (передающей или приемной) G показывает обеспечиваемый ею выигрыш в мощности сигнала по сравнению с ненаправленной антенной.

       Максимальное значение коэффициента усиления

                                      1

 где Sa — эффективная площадь антенны; λ — длина волны.

    В общем случае при проектировании радиолиний спутниковой связи необходимо рассчитывать на их работу в наиболее неблагоприятных условиях с наименьшими энергетическими затратами.

   1.4. Диапазоны частот, выделенные для спутнико­вой связи и        

           вещания, и   регулирование их ис­пользования

     Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными правилами. Это необходимо для обеспечения электромагнитной совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб.
    В соответствии с Регламентом радиосвязи вся территория Земли разделена на три района, каждый из которых имеет свое распределение полос радиочастот.
Район 1 включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ.
Район 2 охватывает территорию Северной и Южной Америки.
Район 3 - это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.
     В соответствии с Регламентом, для работы систем спутниковой связи распределено несколько диапазонов частот.

                        Наименование диапазонов и полосы частот
L –диапазон 1452-1550 МГц и 1610-1710 МГц
S – диапазон 1930 – 2700 МГц
C – диапазон 3400 -5250 МГц и 5725 – 7075 МГц
X – диапазон 7250 – 8400 МГц
Ku – диапазон 10,70 - 12,75 ГГц и 12,75 - 14,80 ГГц
Ka – диапазон 15,40 - 26,50 ГГц и 27,00 - 30,20 ГГц
K – диапазон 84,0 - 86,0 ГГц

   Большинство действующих геостационарных спутниковых систем работают в диапазонах С (6/4 ГГц) и Ku (14/11 ГГц). Диапазон Ка в России пока не пользуется популярностью, но в Америке и Европе идет его бурное освоение.
     Дело в том, что эффективность антенн пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. И, поскольку, с ростом частоты длина волны уменьшается, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см.
     При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дБ больше, чем в диапазоне C. Обычно, э.и.и.м. спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни э.и.и.м. 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C.

Мы поможем в написании ваших работ!