Спутниковая связь. 2

 Спутниковая связь  — один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными. 
 
Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает. Для передачи через спутник сигнал должен быть модулирован. Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. 
 
  Исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. Толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи. Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР в 1957 г., однако в силу большей закрытости космической программы развититие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 г.  
 
В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы, которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованны электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами). Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

Орбиты спутников связи:

 Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса:

1 - экваториальные,  2 - наклонные,   3 - полярные

 Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно. Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является большая высота, а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. 
 
Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи. 
 
Полярная орбита — При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки. Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. 
 

Типовая схема  организации услуг спутниковой  связи выглядит следующим образом:

• оператор спутникового сегмента создает за счет собственных средств спутник связи, размещая заказ на изготовление спутника у одного из производителей спутников, и осуществляет его запуск и обслуживание. После выведения спутника на орбиту оператор спутникового сегмента начинает предоставление услуг по сдаче в аренду частотного ресурса спутника-ретранслятора компаниям-операторам услуг спутниковой связи.
• компания-оператор услуг спутниковой связи заключает договор с оператором спутникового сегмента на использование (аренду) емкостей на спутнике связи, используя его в качестве ретранслятора с большой территорией обслуживания. Оператор услуг спутниковой связи выстраивает наземную инфраструктуру своей сети на определенной технологической платформе, выпускаемой компаниями-производителями наземного оборудования для спутниковой связи.

Сферы применения спутниковой связи:

• Магистральная спутниковая связь: изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объёмов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat, затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat, Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объёме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных. С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи.
• Системы VSAT: системы VSAT (Very Small Aperture Terminal — терминал с очень маленькой апертурой антенны) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокая пропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с. Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне — 0,75-1,8 м. В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.
• Системы подвижной спутниковой связи: особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала.

Принципы организации  спутниковой связи VSAT: 
 
Типовая схема организации спутниковой сети VSAT выглядит следующим образом:

• спутник-ретранслятор, расположенный на орбите (спутник связи)  
  
• центр управления сетью (ЦУС) компании-оператора сети VSAT, обслуживающий оборудование всей сети через спутник связи  
  
• оборудование (спутниковые модемы или терминалы) расположенное на стороне клиента и взаимодействующие с внешним миром или между собой посредством оператора VSAT в соответствие с топологией сети  
  

 Основной элемент спутниковой сети VSAT — ЦУС. Именно Центр Управления Сетью обеспечивает доступ клиентского оборудования с сети интернет, телефонной сети общего пользования, другим терминалам сети VSAT, реализует обмен трафиком внутри корпоративной сети клиента. ЦУС имеет широкополосное подключение к магистральным каналам связи, предоставляемым магистральными операторами и обеспечивает передачу информации от удаленного VSAT-терминала во внешний мир. ЦУС оборудован мощным приемо-передающим комплексом, транслирующим все информационные потоки сети на спутник связи. В состав ЦУС входит каналообразующее оборудование (спутниковая приемо-передающая антенна, приемо-передатчики и пр) и HUB (центр обработки и коммутации всей информации в сети VSAT) 
 
На рисунке показана типовая схема организации сети VSAT 
                           Принципы организации подвижной спутниковой связи: 
 
Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего мобильного спутникового приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

• Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (Thuraya).
• Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar.

Спутниковая связь  Inmarsat

 Система Inmarsat - это система стационарной спутниковой связи, что само по себе уже определяет направления ее использования. Система широко используется на морских и речных судах, кроме того, пользователями системы являются транспортные компании, авиалинии, авиапассажиры и органы управления воздушным движением, работники государственных учреждений, подразделения гражданской обороны, спасательные организации и подразделения министерства по чрезвычайным ситуациям, а также главы государств.

Inmarsat - первая и проверенная временем система мобильной спутниковой связи (существует более 25 лет). Сейчас функционирует уже третье поколение системы. Четыре геостационарных спутника обеспечивают покрытие всего земного шара за исключением полюсов. Звонок с терминала Inmarsat попадает на спутник, который спускает его на наземную станцию (LES). LES отвечает за перенаправление звонков в/за телефонных сетей общего пользования и Интернет. Если в каком-либо районе наблюдается повышенная активность абонентов, спутник выделяет несколько дополнительных лучей на работу с этим регионом.

В дополнение к стандартным  телефонам система поддерживает оборудование, позволяющее отслеживать  местонахождение абонентов. Терминалы  стандарта Inmarsat-применяются как для передачи текстовых сообщений, так и для мониторинга подвижных объектов (судов, автомобилей, самолетов). Система применяется для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ) и для управления воздушным движением.

Услуги, доступные для  абонентов системы спутниковой  связи Inmarsat:

• Телефон
• Факс
• Электронная почта
• Передача данных (в.т.ч. высокоскоростная)
• Телекс (для некоторых стандартов)
• GPS

Достоинства системы спутниковой  связи Inmarsat:

• Работает на всей территории земного шара, кроме полярных областей
• Является официальной системой обеспечения безопасности мореплавания
• Достаточно конфиденциальна
• Простая в использовании, есть подробные инструкции на русском языке
• Есть онлайновая биллинговая система, позволяющая из любой точки планеты посмотреть через Интернет состояние своего счета, подробную статистику телефонных звонков, распечатать ее
• Большое количество дополнительных аксессуаров, включая автомобильные комплекты, факсы и другое
• Входящие звонки - бесплатно

Недостатки системы спутниковой  связи Inmarsat:

• Относительно высокая стоимость телефонов (от $3000)
• Относительно высокая стоимость исходящих звонков ($2.80)
• Относительно большие размеры и вес терминалов (размером с ноутбук, весом около 2 кг)
• Необходимость получения разрешения на использование телефона на территории каждой конкретной страны (компания ТЕССКОМ продает телефоны с разрешением на использование на территории России, получение же разрешения на использование телефона на территории других стран может занять некоторое время из-за необходимости оформления большого количества документов, уплаты пошлин и т.д.)

Спутниковая связь  Thuraya

Система изначально рассчитана на обслуживание региона с 1,8 миллионов  потенциальных абонентов. Состоящая  из двух спутников, она рассчитана на обслуживание 13,750 телефонных каналов  одновременно. Система адаптирована под использование как спутниковых, так и сотовых каналов связи. Часто позвонить через спутник  выгоднее, чем по роумингу, более  чем в 5 раз. Доступна на 35% территории РФ.

Услуги, доступные для  абонентов системы спутниковой  связи Thuraya:

• Телефон
• Электронная почта
• Передача данных
• GPS

Достоинства системы спутниковой  связи Thuraya:

• Небольшой размер телефонов
• Относительно невысокая стоимость телефонов (от $866)
• Единый номер для спутниковой и сотовой связи
• Небольшая стоимость звонков (исходящие - от $0.25, входящие в спутниковом режиме - бесплатно)

Недостатки системы спутниковой  связи Thuraya:

• Доступна только на 35% территории РФ. После запуска второго спутника будет доступна на 80% территории РФ.

Спутниковая связь Globalstar

 Система Globalstar - это система подвижной спутниковой связи. Она изначально формировалась как система, предназначенная для взаимодействия с существующими сотовыми сетями. Это означает, что находясь в зоне действия сотовой сети, с которой у Globalstar есть договор, телефон работает как сотовый, а вне зоны сотовой сети переключается на спутниковый канал.

Система рассчитана на широкого потребителя. В настоящее время  она успешно используется как  частными лицами, так и организациями. Наиболее активными пользователями системы Globalstar являются такие отрасли промышленности как добыча и переработка нефти и газа, разведка недр (геология и геофизика), добыча и переработка драгметаллов, строительство, энергетика. Кроме того, данная система с успехом может быть использована на любом виде транспорта (включая автомобильные перевозки), в МЧС, в армии, на флоте и пр.

Спутниковую связь в системе Globalstar обеспечивают 48 низкоорбитальных спутников. Принимая сигнал абонента, несколько спутников одновременно транслируют его на ближайшую наземную станцию сопряжения. Наземная станция выбирает наиболее сильный сигнал и маршрутизирует его по наземным сетям до вызываемого абонента.

Globalstar - единственная из систем подвижной спутниковой связи практически полностью покрывает всю территорию Российской Федерации (полный охват с Запада на Восток и устойчивый прием до 74-го градуса на Севере).

Услуги, доступные для  абонентов системы спутниковой  связи Globalstar:

• Телефон
• Передача данных
• Служба коротких сообщений (SMS)
• Пейджинг
• GPS

Достоинства системы спутниковой  связи Globalstar:

• Работает на всей территории земного шара, кроме полярных областей
• Очень портативные и легкие телефоны, размером и весом немного больше сотового телефона
• Автоматическое переключение между спутниковой и сотовой связью
• Простая в использовании, есть подробные инструкции на русском языке
• Относительно невысокая стоимость телефонов (от $699)
• Относительно небольшая стоимость звонков (от $1.39 при использовании спутникового канала, еще дешевле - при переключении на сотовый канал)
• Большое количество дополнительных аксессуаров, включая автомобильные комплекты, факсы и другое
• Задержки голоса и эхо практически незаметны по сравнению с системами, использующими среднеорбитальные и геостационарные спутники

Недостатки системы спутниковой  связи Globalstar:

• Разрешение на использование не требуется, однако перед ввозом такого телефона в каждую конкретную страну желательно ознакомиться с ее законодательством - в некоторых странах использование телефонов запрещено или ограничено

Спутниковая связь Iridium

 С помощью 66 низкоорбитальных спутников Iridium обеспечивает 100% покрытие Земли. Однако в 4-х странах система не работает: Сев. Корея, Венгрия, Польша, Сев. Шри Ланка. На территории РФ доступна, но пока не лицензирована. Благодаря небольшому расстоянию до спутника и высокой скорости спутников сигнал передается практически без задержек. В районах, где доступна сотовая связь, телефон работает как сотовый.

Услуги, доступные для  абонентов системы спутниковой  связи Iridium:

• Телефон
• Передача данных
• Пейджинг

Достоинства системы спутниковой  связи Iridium:

• Работает практически на всей территории земного шара
• Самые маленькие телефоны из всех спутниковых (размер чуть больше сотового)
• Автоматическое переключение между спутниковой и сотовой связью
• Относительно небольшая стоимость звонков (от $1.00 при использовании спутникового канала, еще дешевле - при переключении на сотовый канал)
• Входящие звонки - бесплатно
• Задержки голоса и эхо практически незаметны по сравнению с системами, использующими среднеорбитальные и геостационарные спутники
• оборудование клиента (мобильные спутниковые терминалы, спутниковые телефоны) взаимодействует с внешним миром или друг с другом посредством спутника-ретранслятора и станций сопряжения оператора услуг мобильной спутниковой связи, обеспечивающих подключение  к внешним наземным каналам связи (телефонной сети общего пользования, сети интернет и пр.)

 
 
  
На рисунке показана типовая схема  организации сети спутниковой мобильной  связи 
                               

                                Технологии, используемые  в спутниковой связи: 
 

                       - многократное использование частот в спутниковой связи: 
 
Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних и тех же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами:

• пространственное разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного района, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты.
• поляризационное разделение — различные антенны принимают и передают сигнал во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации, при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей).

                                                    - частотные диапазоны: 
 
Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше). Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами:

 
Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи. Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.  
 
                                - модуляция и помехоустойчивое кодирование 
 
Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

• значительной удаленностью приемника от передатчика,
• ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая  связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для  передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую  модуляцию. 
 
Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. 
 
Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты сверточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды. 
 
                         - общие принципы организации спутникового доступа: 
 
Сеть спутниковой связи включает в себя один или несколько спутников-ретрансляторов, через которые и осуществляется взаимодействие земных станций спутниковой связи (ЗССС). В состав любой земной станции спутниковой связи входит радиочастотное и каналообразующее оборудование. Первое — это антенна и приемопередатчик, которые должны соответствовать типу выбранного спутника и обеспечивать работу каналообразующего оборудования. Каналообразующее оборудование определяет принцип работы ЗССС и всей спутниковой сети. В настоящее время существуют четыре основные технологии для сетей спутниковой связи. Все они имеют свои достоинства и недостатки, и ни одна из них не является универсальной. Для повышения эффективности работы во многих современных сетях успешно сочетаются несколько технологий одновременно. Основное различие между ними — способ использования ресурса спутникового ретранслятора. 
 
• · SCPC (Single Channel Per Carrier) активно применяют для построения небольших сетей с интенсивным трафиком. Каждая ЗССС, реализующая SCPC, имеет выделенный постоянный сегмент емкости спутникового ретранслятора и поддерживает постоянное соединение. Основное достоинство данной технологии состоит в том, что она гарантирует необходимую пропускную способность канала спутниковой связи, а основной недостаток — отсутствие в ней возможности динамического перераспределения ресурса ретранслятора между узлами сети. 
 
• · DAMA (Demand Assigned Multiple Access) предоставляет ресурс спутникового ретранслятора по требованию. В сетях с технологией DAMA канал связи выделяется пользователю только на время проведения сеанса связи, что значительно экономит ресурсы спутникового ретранслятора. Структура канала в этой сети аналогична структуре канала SCPC. В некоторых реализациях технологии DAMA предусмотрена возможность установления соединений с разной пропускной способностью для разных сеансов связи. DAMA оптимальна для создания телефонных сетей с полносвязной топологией. Ресурс ретранслятора распределяется центральной станцией сети, что можно считать основным недостатком технологии, так как функционирование всей сети зависит от состояния одной этой станции. 
 
• · TDMA (Time Division Multiple Access) предоставляет множеству станций динамический доступ к общему каналу с временным разделением. В отличие от технологии DAMA с ее достаточно большим временем установления соединения такой доступ предоставляется значительно быстрее. Однако ЗССС сети TDMA стоят довольно дорого, поскольку любая из этих станций — даже с самым минимальным трафиком — должна передавать данные со скоростью, равной общей пропускной способности разделяемого по времени канала. В сетях TDMA центральная управляющая станция, как правило, отсутствует.  
 
• · TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access) — комбинированная технология сетей с топологией типа “звезда”. В сети TDM/TDMA  центральная ЗССС связывается со станциями пользователей при помощи одного или нескольких закрепленных каналов TDM (с временным мультиплексированием), а станции пользователей осуществляют доступ к центральной ЗССС через каналы TDMA.  Поскольку все станции пользователей напрямую взаимодействуют только с центральной ЗССС, появляется возможность применять довольно маломощные станции, скомпенсировав недостаток их энергетики использованием антенны большого диаметра и мощного передатчика на центральной ЗССС. За счет такого дисбаланса параметров станций удается существенно снизить стоимость проектов с большим числом станций пользователей. Обязательное наличие центральной ЗССС (которая выполняет функцию концентратора сети) обусловливает высокие требования к ее готовности — ведь от состояния этой станции зависит функционирование всей сети. 
 
В сети TDM/TDMA данные, передаваемые между двумя любыми станциями пользователей, дважды проходят через спутник-ретранслятор (“двойной скачок”). При этом возникает существенная (1—2 с) задержка сигнала, которая делает данную сеть малопригодной для использования телекоммуникационных приложений, чувствительных к таким задержкам.