Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Принципи побудови систем персонального супутникового зв'язку і їх використання в інфокомунікаційних мережах.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра Телекомунікацій
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Теорія мобільного зв'язку
Група:
ІМЗм-12
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
Кафедра телекомунікацій
Курсова робота
з дисципліни: „Теорія мобільного зв’язку”
на тему:
”Принципи побудови систем персонального супутникового зв’язку і їх використання в інфокомунікаційних мережах”
Львів 2008
АНОТАЦІЯ
Курсова робота виконана на тему «Принципи побудови систем персонального супутникового зв’язку і їх використання в інфокомунікаційних мережах». Метою даної курсової роботи є вивчення, детальний розгляд і дослідження систем персонального супутникового зв’язку.
У курсовій роботі розглядається сутність супутникового зв’язку, принципи формування та організація радіоканалів, план розподілу частот, проаналізовано розрахункові параметрів, а також описано послуги, які супутниковий зв’язок надає на сьогодні.
ANNOTATION
A term paper is executed on a theme «Principles of construction of personal satellite communication and their use in infokomunication networks». The purpose of this term paper is a study, detailed consideration and research of personal satellite communication networks.
Essence of satellite communication, forming principles and organization of radio channels, plan of distributing of frequencies, is examined in a term paper, a calculation is analysed parameters, and also services which satellite communication gives for today are described.
ЗМІСТ
ВСТУП 4
РОЗДІЛ 1. СУТЬ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО СУПУТНИКОВОГО
ЗВ’ЯЗКУ 5
РОЗДІЛ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СУПУТНИКОВОГО ЗВ’ЯЗКУ 9
РОЗДІЛ 3. ОРГАНІЗАЦІЯ РАДІОКАНАЛІВ 14
РОЗДІЛ 4. ПЛАН ЧАСТОТ 30
РОЗДІЛ 5. РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ 34
РОЗДІЛ 6. МЕТОДИКА НАДАННЯ ПОСЛУГ 46
ВИСНОВКИ 58
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 59
ВСТУП
Значення супутникового зв'язку для розвитку телекомунікації і засобів передачі даних важко переоцінити. Поява супутникового зв'язку тут зіграла не менш важливу роль, чим впровадження оптоволокна. У першому розділі цієї курсової роботи приводиться огляд ключових понять і параметрів безпровідного зв'язку, пов'язаних з супутниковими антенами, що використовуються тут.
Одній з найбільш помітних тенденцій в розвитку телефонії в останнє десятиліття є швидке зростання числа абонентів стільникового зв'язку. За 26 років, що пройшли від моменту зародження ідеї до теперішнього часу, число абонентів, стільникових систем, що користуються послугами, досягло 200 млн, а до 2001-2002 років воно збільшиться до 500-600 мільйонів. Проте можливість ефективної побудови наземних стільникових систем існує далеко не скрізь, і альтернативним варіантом - особливо для надання телекомунікаційних послуг в труднодоступних і малонаселених районах - є застосування супутникових систем персонального зв'язку (ССПЗ).
Ідея побудови ССПЗ полягає у використанні методів стільникового зв'язку, але з розміщенням ретрансляторів базових станцій в космічному просторі. В результаті зона обслуговування однієї станції багато разів збільшується, і з'являється можливість створення на базі штучних супутників Землі (ІСЗ) глобальної системи, що забезпечує користувача зв'язком в будь-якій точці планети. Поєднання наземних і супутникових систем персонального зв'язку і їх інтеграція забезпечать можливість прийому і передачі мові, даних і факсимільних повідомлень в будь-якому регіоні Землі з прийнятним рівнем цін на послуги, що надаються.
РОЗДІЛ 1. СУТЬ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО СУПУТНИКОВОГО
ЗВ’ЯЗКУ
Супу́тниковий зв'язо́к — один з видів радіозв'язку, заснований на використанні штучних супутників Землі як ретрансляторів. Супутниковий зв'язок здійснюється між земними станціями, які можуть бути як стаціонарними, так і рухливими.
Рис. 1.1. Супутник зв'язку TDRS (Trackіng and Data Relay Satellіte)
Оскільки супутниковий зв'язок є радіозв'язку, для передачі через супутник сигнал повинен бути модульована. Модуляція виробляється на земній станції. Модульований сигнал підсилюється, переноситься на потрібну частоту й надходить на передавальну антену.
Звичайний (нерегенеративний) супутник, прийнявши сигнал від однієї наземної станції, переносить його на іншу частоту, підсилює й передає іншій наземній станції. У супутнику може бути кілька незалежних каналів, що здійснюють ці операції, кожний з яких працює з певною частиною спектра (ці канали обробки називаються транспондерами).
Регенеративний супутник робить демодуляцію прийнятого сигналу й заново модулює його. Завдяки цьому помилки виправляються два рази: на супутнику й на приймаючій земній станції. Недоліком цього методу є складність, наслідком якої є набагато більш висока ціна супутника.
Рис. 1.2. Супутникові антени стальна і алюмінієва
Системи супутникового зв'язку та мовлення мають реальні перспективи подальшого розвитку завдяки своїм винятковим можливостям. Концепція розвитку супутникового звя`зку та мовлення України визначає шляхи розвитку цих систем у мережі зв'язку загального користування України. Основні положення концепції можна викласти так.
Супутниковий зв'язок – економiчно доцільний вид міжконтинентального зв'язку та зв'язку з віддаленими регіонами (Америка, Азія, Африка, Австралія, периферія Європи, азiатскі регіони СНД та iн.). У межах одного супутникового стрибка (зоні радiовидимостi супутника – до 10 тисяч кілометрів) вартість каналу супутникового зв'язку не залежить від відстані між пунктами зв'язку, в той же час для наземних систем зв'язку вартість каналу пропорційна відстані.
Супутниковий зв'язок дозволяє вилучити транзити територіями третіх країн, котрі дорого коштують. Для України це питання важливе у зв'язку з тим, що схема організації міжнародних зв'язків Україна має досить багато транзитів низької якості територіями Росії й інших держав СНД, котрі крім того ще й дорого коштують.
Системи супутникового зв'язку дозволяють задовольнити нагальні потреби в каналах зв'язку, забезпечити швидке перемикання каналів на інші напрямки у залежності від зміни трафiку, організувати оперативний зв'язок в умовах стихійних лих та катастроф.
Системи супутникового зв'язку широко застосовуються для резервування наземних каналів. У відповідності до світової практики сучасні лінії волокно-оптичного зв'язку з ділянками, котрі проходять акваторіями морів i океанів, резервуються каналами супутникового зв'язку.
Сучасні технології супутникових телекомунікацій забезпечують велику гнучкість при створенні мереж відомчого та ділового зв'язку в інтересах державних та комерційних структур, при організації некомутованих каналів для побудови комп'ютерних мереж на великих територіях (технології VSAT), забезпечують можливість надавати водночас кілька видів послуг за допомогою однієї станції супутникового зв'язку (передавання даних, двосторонній телефонний, вiдеоконферентзв’язок тощо).
В останні роки інтенсивно розвиваються засоби рухомого супутникового зв'язку й персонального радiовиклику. Ці види зв'язку є додатковими до стільникових мереж рухомого та фіксованого наземного радіозв'язку на територіях, котрі не охоплені подібними послугами. Рухомий супутниковий зв'язок стає особливо актуальним у зв'язку з очікуваним введенням у дію в 1998 – 2000 роках глобальних систем з використанням низькоорбітальних ретрансляторів. На базі терміналів рухомого супутникового зв'язку можливе також розгортання мереж фіксованого телефонного зв'язку за типом «переговорних пунктів» у сільській місцевості, де організація телефонних каналів іншими засобами економiчно недоцільна.
Супутникові засоби здатні задовольнити зростаючі потреби перспективних систем розподілу та обміну телевізійними й аудiомовними програмами як всередині, так i за межами України, а також організувати багатопрограмне безпосереднє телевізійне мовлення. Формування й передавання програм телевізійного й звукового мовлення, а також додаткової інформації доцільно провадити в універсальній цифровій формі.
Станції супутникового зв'язку мають бути встановлені якнайближче до міжнародних i міжміських центрiв комутації, а також в місцях закінчення морських ділянок ВОЛЗ. Це дозволяє вилучити транзити наземними лініями, котрі підвищують вартість послуг зв'язку. Маршрутизація каналів має здійснюватись таким чином, щоб при застосуванні геостацiонарних супутників уникнути подвійних стрибків.
Сучасні цифрові канали супутникового зв'язку стикуються з цифровими комутаційними станціями й підтримують всі види сигналізації.
При створенні розгалужених мереж супутникового зв'язку та мовлення економiчно доцільним є володіння власним геостаціонарним супутником зв'язку. Це особливо привабливо для України, де є високорозвинута ракетно-космічна індустрія. Ресурс геостацiонарної орбіти обмежений. Доцільно мати частотні канали й позиції на геостацiонарнiй орбіті та використовувати їх для роботи власних або арендованих супутників.
З останнього переліку видно, що Україна стала на шлях впровадження систем супутникового зв'язку та мовлення. Одним з напрямків цієї роботи є розробка і виробництво коналостворюючої апаратури. Як відомо ефективність використання каналів зв'язку, в тому числі і спутникових, в значній мірі визначається функціонуванням кінцевої каналостворюючої апаратури, в якій важливим блоком є кодек. Тому актуальність проектування кодеків не викликає сумніву.
Згорткове кодування, що найбільш широко використовується разом з декодуванням по Вітербі, у дійсний час стало одним з кращих методів виправлення помилок. Причина цього полягає як у простоті реалізаціі, так і в відносно великому досягненні при цьому виграша кодування. Цей відносно великий виграш пояснюється в цілому легкістю, з якою алгоритм можна будувати у розрахунку на використання демодулятора з м'яким виграшем, що підвищує виграш на 2 дБ у порівнянні з демодулятором з жорстким рішенням.
Сам алгоритм Вітербі базується на послідовній структурі згорткового коду, та детальний аналіз алгоритму допомагає зрозуміти, як властивості коду впливають на характеристики систем кодування.
РОЗДІЛ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СУПУТНИКОВОГО ЗВ’ЯЗКУ
2.1. Погіршення якості зв'язку
Продуктивність супутникового каналу зв'язку залежить від трьох чинників:
• відстані між антенної наземної станції і антеною супутника;
• у низхідному каналі - від відстані між антенної наземної станції і "точкою прицілу" супутника;
• атмосферного поглинання.
Розглянемо дані чинники докладніше.
Відстань
Формула втрат у вільному просторі:
(2.1)
Тут,
Рt - потужність сигналу на передавальній антені;
Рr - потужність сигналу на приймаючій антені;
- довжина хвилі несучої;
d - відстань розповсюдження між антенами.
Величини d і вимірюються в одних одиницях (наприклад, в метрах).
Чим вище частота сигналу (тобто чим менше його довжина хвилі), тим більшими будуть втрати. Для геостационарного супутника втрати у вільному просторі на екваторі складають:
(2.2)
Втрати для точок земної поверхні, віддалених від екватора, але все ще видимих з супутника, будуть дещо більше. Максимальна відстань (від супутника до горизонту) для геостационарного супутника рівна 42 711 км. Втрати у вільному просторі при проходженні сигналом такої відстані рівні:
(2.3)
Загасання сигналу як функції частоти і висоти орбіти показано на рис. 2.1.
2.2. Атмосферне поглинання
Головною причиною загасання сигналу в атмосфері є наявність кисню, від якого, звичайно ж, нікуди не подітися, а також волога. Поглинання, обумовлене наявністю води, відбувається в туман і в дощ. Ще одним чинником, що впливає на загасання сигналу, є значення кута піднесення супутника, який залежить від положення наземної станції (кут 9 на мал. 5.3.1). Чим менше кут піднесення, тим більший шлях в атмосфері доведеться пройти сигналу. Нарешті, величина атмосферного загасання залежить від частоти сигналу. У загальному випадку чим вище частота сигналу, тим сильніше він затухає. На мал. 1.7 показана характерна величина загасання як функція кута піднесення для частот смуги С. Конечно загасання, обумовлене туманом і дощем, виникає тільки у разі присутності цих явищ в атмосфері.
Рис. 2.2.1. Мінімальні втрати у вільному просторі як функція висоти орбіти
Рис. 2.2.2. Типовий слід супутника
Рис. 2.2.3. Загасання сигналу (смуги З), обумовлене атмосферним поглинанням
2.3. Конфігурації супутникової мережі
На рис. 2.3.1. схематично зображені дві найбільш поширені конфігурації супутникових систем зв'язку. У першій конфігурації супутник використовується для забезпечення двоточкового зв'язку між двома видаленими наземними антенами. У другій конфігурації супутник забезпечує повідомлення між одним наземним передавачем і декількома наземними приймачами.
Рис. 2.3.1. Конфігурації систем супутникового зв'язку
Існує також різновид другої конфігурації, в якій здійснюється двосторонній зв'язок між комплексом наземних станцій, що складається з одного центрального концентратора і безлічі видалених абонентських Станцій. Такий тип конфігурації, показаний на рис. 2.3.2, використовується в системах VSAT (Very Small Aperture Terminal - термінал зі сверхмалой апертурою світивши). Недорогими антенами VSAT оснащено багато абонентських станцій. Встановивши певний порядок, ці станції спільно використовують пропускну спроможність супутника для передачі даних станції-концентратору. Концентра, тор може обмінюватися повідомленнями з будь-яким абонентом і ретранслювати з. спілкування, що йдуть від одного абонента іншому.
Рис. 2.3.2. Конфігурація типової системи VSAT
РОЗДІЛ 3. ОРГАНІЗАЦІЯ РАДІОКАНАЛІВ
3.1. Розподіл пропускної здатності – частотне розділення
Як правило, один геостационарний супутник працює в досить широкій смузі частот (наприклад, 500 Мгц), яка ділиться на декілька каналів, що мають меншу ширину (наприклад, по 40 Мгц). У кожному з таких каналів потрібно розподілити пропускну спроможність. Іноді, наприклад при телемовленні або передачі одиничного потоку цифрових даних із швидкістю 50 Мбіт/с, весь канал виділяється для одного користувача або додатку. В той же час якщо відкинути такі крайні випадки, то можна сказати, що економне використання супутника неможливе без розділення каналу між декількома користувачами. Тому завдання розподілу, в основному, зводиться до ущільнення каналів. В деяких випадках розподіл проводиться під централізованим управлінням, здійснюваним зазвичай з супутника. Пропускна спроможність може також розподілятися динамічно за допомогою команд, передаваних наземними станціями. Нижче на прикладах розглянуто обидва випадки.
Всі стратегії розподілу відносяться до однієї з трьох категорій.
• Множинний доступ з частотним розділенням (Frequency Division Multiple Access - FDMA).
• Множинний доступ з тимчасовим розділенням (Time Division Multiple Access - TDMA).
• Множинний доступ з кодовим розділенням (Code-division Multiple Ас-• cess - CDMA).
У цьому і наступних розділах ми вивчимо схеми FDMA і ТОМИ.
3.1.1. Ущільнення з частотним розділенням (FDM)
Як уже згадувалося, повна пропускна спроможність супутника зв'язку ділиться на декілька каналів. Це верхній рівень ущільнення, далі пропускна спроможність розподіляється усередині кожного каналу. На мал. 1.10 приведений приклад схеми ущільнення з частотним розділенням (FDM), типовому для геостационарних супутників зв'язку. Ця схема використовується в супутниках Galaxy корпорації Panamsat3. Використовувані супутником частоти належать смузі З, ширина смуги супутника рівна 500 Мгц і розбита на 24 канали по 40 Мгц. Втиснути 24 канали в смугу шириною 500 Мгц вдається за допомогою багатократного використання частоти: кожна з частот, що виділяються, використовується двома що несуть, поляризації яких ортогональні. У кожен канал шириною 40 Мгц входить захисна смуга, що становить 4 Мгц, так що реальна ширина кожного каналу рівна 36 Мгц. При використанні двоточкової конфігурації (мал. 1.8, а) кожен канал можна застосовувати для різних альтернативних цілей. Наприклад:
• 1200 каналів мовного діапазону (VF); ft один потік даних із швидкістю 50 Мбіт/с;
• 16 каналів із швидкістю 1,544 Мбіт/с в кожному;
• 400 каналів із швидкістю 64 Кбіт/с в кожному;
• 600 каналів із швидкістю 40 Кбіт/с в кожному;
• один аналоговий відеосигнал;
• від шести до дев'яти цифрових відеосигналів.
Ширина смуги для аналогового відеосигналу може показатися дуже Випій. Розрахуємо її, використовуючи правило Карсона. Ширина смуги відеосигналу, що супроводжується аудіосигналом, приблизно рівна 6,8 Мгц. Потім сумарний сигнал за допомогою частотної модуляції (FM) переноситься на ту, що несе 6 Ггц. Максимальне відхилення частоти сигналу при використанні цієї процедури рівне Af= 12,5 Мгц. Визначимо ширину смуги передаваного сигналу:
ВТ = 2ΔF + 2В = 2(12,5 + 6,8) = 38,6 МГц, (3.1.1.)
що прийнятно для транспондера на 36 Мгц.
У цифровому відео використання стиснення може привести до того, що швидкість передачі даних в одному каналі складе 3-5 Мбіт/с, залежно від того, наскільки відеоматеріал насичений рухом.
а). Горизонтальна поляризація
а). Вертикальна поляризація
Рис. 3.1.1. - Типовий план розподілу частот супутникового транспондера для низхідних каналів зв'язку (щоб скласти план для висхідних каналів зв'язку, до приведених на малюнку значень слід додати 2225 Мгц)
3.1.2. Множинний доступ з частотним розділенням (FDMA)
У попередньому розділі передбачалося, що супутник використовується як проміжний пристрій, що забезпечує, по суті, двоточковий зв'язок між двома наземними станціями. Оскільки зона обслуговування супутника вельми велика, він може виконувати значно більше функцій. Наприклад, для серії супутників INTELSAT (INTELSAT (International Telecommunications Satellite Organization - Міжнародна організація супутникових телекомунікацій) - це консорціум національних постачальників супутникового зв'язку, заснований згідно з міжнародною угодою. INTELSAT займається придбанням космічних апаратів, враховуючи глобальний попит на телефонні і телевізійні послуги. Діє консорціум як оптовий продавець, надаючи ділянки космічного простору кінцевим користувачам, що працюють на власних наземних станціях. Представником Сполучених Штатів в цьому консорціумі є COMSAT. В даний час INTELSAT знаходиться в процесі приватизації) канал шириною 36 Мгц можна розділити, використовуючи ущільнення з частотним розділенням, на декілька менших каналів, в кожному з яких можна використовувати частотну модуляцію. Кожен з цих менших каналів, у свою чергу, несе декілька сигналів мовного діапазону (VF), для чого використовується ущільнення з частотним розділенням. Можливість отримання декількома наземними станціями доступу до одного і тому ж каналу називається схемою FDMA (frequency division multiple access - множинний доступ з частотним розділенням).
Кількість підканалів, на які можна розбити супутниковий канал за допомогою технології FDMA, обмежена трьома чинниками:
• тепловий шум;
• комбінаційні перешкоди;
• перехресні перешкоди.
Дія перших двох чинників прямо протилежного. Передаваний сигнал дуже малої інтенсивності спотворюватиметься фоновим шумом. При дуже великій інтенсивності сигналу нелінійні ефекти, що мають місце в підсилювачах супутників, приведуть до сильних комбінаційних перешкод. Перехресні перешкоди відбуваються при спробах збільшити пропускну спроможність шляхом багатократного використання частот. Перехресні перешкоди обмежують застосування цієї практики, проте не зводять її нанівець. Смугу частот можна багато разів використовувати в тому випадку, якщо є антени, які можуть випромінювати два поляризовані сигнали однакової частоти з ортогональними поляризаціями. Як і раніше, якщо інтенсивність сигналу дуже висока, то стає значною і інтерференція.
Можливі дві форми FDMA.
• Множинний доступ з фіксованим розподілом (fixed-assignment multiple access - FAMA). Розподіл пропускної спроможності супутникового каналу між безліччю станцій проводиться заздалегідь. В результаті значна частина пропускної спроможності не використовується, t оскільки попит на частоти може мінятися в процесі зв'язку.
• Множинний доступ з розподілом за запитом (demand-assignment multiple access - DAM А). Розподіл пропускної спроможності серед безлічі станцій міняється із зміною попиту на частоти. Це дозволяє оптимально розподілити пропускну спроможність супутника.
3.1.3. FAMA-FDMA
На мал. 1.11 приведений приватний приклад схеми FAMA-FDMA, в якій сім наземних станцій спільно використовують висхідний канал зв'язку з пропускною спроможністю 36 Мгц. Станції А виділяється смуга частот шириною 5 Мгц, від 6237,5 до •2,5 Мгц, в якій можна розмістити 60 голосових каналів, використовуючи ущільнення з розділенням частот у поєднанні з частотною модуляцією (FDM-FM). Тобто FDM використовується для розділення смуги на 60 каналів, а частотна модуляція - для модуляції каналів на тій, що несе 6240 Мгц. Як вказано на малюнку, трафік від станції А до інших станцій виглядає таким чином: 24 канали до станції B, 24 канали до станції D і 12 каналів до станції Е. Оставшийся спектр каналу, загальна ширина якого складає 36 Мгц, розподіляється між іншими наземними станціями відповідно до їх потреби в трафіку. У зв'язку з цим прикладом слід зазначити декілька повчальних моментів.
На схемі показані елементи як технології FAMA, так і технології FDMA. Термін FAMA відображає той факт, що між станціями наперед задані логічні зв'язки. Тому на рис. 3.1.3 показано, що станція А має три прямі двоточкові зв'язки - по одній із станціями В (24 канали), D (24 канали) і Е (12 каналів). Термін FDMA відображає той факт, що безліч станцій мають доступ до супутникового зв'язку, використовуючи при цьому різні смуги частот.
а). Розпділ частот в висхідному транскодері
б). Передавальне обладнання наземної станції А
Рис. 3.1.3 Схема фіксованого розподілу частот FDMA для супутникового зв'язку
Не дивлячись на те що наземна станція може передавати на супутник що тільки одну несе (наприклад, станція А передає на частоті 6,24 Ггц в смузі шириною 5 Мгц), вона повинна бути здібна до прийому принаймні по тій, що одній несе від кожної видаленої станції, з якою вона хоче підтримувати зв'язок (наприклад, станція А повинна приймати три що несуть, які є частиною передачі станцій В, D і Е).
Супутник не виконує функцій комутатора, хоча він приймає від різних джерел окремі ділянки каналу шириною 36 Мгц. На супутнику відбувається тільки прийом сигналів в межах цього спектру, їх перетворення в смугу, що центрується на частоті 4 Ггц, і повторна передача. Використовувана смуга частот має досить значну ширину. Наприклад, станція А повинна передавати 60 голосових каналів, які займають всього 240 кгц (тобто один канал займає 4 кгц), а виділена для цієї станції смуга шириною 5 Мгц. Така широка смуга потрібна із-за використання частотної (а не амплітудною) модуляції, яка дозволяє зберегти сигнал при передачі його на великі відстані, а також мінімізувати вимоги до потужності супутника.
3.1.4. DAMA-FDMA
Тільки що описана схема FAMA-FDMA виявляється не дуже ефективною. У смузі З використовувана ширина кожного каналу зазвичай рівна 36 Мгц. У одній схемі FDMA, використовуваною корпорацією INTELSAT, ця смуга поділена на 7 блоків по 5 Мгц, кожен з яких несе групу з 60 голосових каналів. Таким чином, їх загальна кількість складає 420. У розглянутому прикладі (мал. 1.11) також присутньо 420 голосових каналів. Якщо смугу частот розділити на 14 підканалів шириною по 2,5 Мгц, то в кожному підканалі можна буде розмістити 48 голосових каналів, тобто всього 336 каналів. Найефективніше виявляється уникати створення груп і просто ділити смугу в 36 Мгц на окремі голосові канали. Ця схема відома як "один канал - що одна несе" (single channel per carrier - SCPC).
Схема SCPC в даний час реалізована в смузі С. Одін канал шириною 36 Мгц розділяється на 800 аналогових каналів по 45 кгц, кожен з яких виділяється для сімплексного каналу зв'язку з використанням частотної модуляції. Існує також цифровий варіант схеми SCPC, в якому використовується модуляція QPSK, що дає в тій же смузі 45 кгц швидкість передачі 54 Кбіт/с; це досить для передачі оцифрованій мові. За допомогою технології FAMA пари (повнодуплексних) каналів розподіляються по парах наземних станцій. Як правило, канали кожної наземної станції доводиться додатково ущільнювати, оскільки вона обслуговує деяку кількість призначених для користувача станцій. Якщо кожна наземна станція працює з великим числом призначених для користувача станцій, то навіть при використанні технології FAMA досягається високий ступінь зв'язності. Тоді, як і в звичайній схемі FDMA, супутник приймає частоти в межах каналу шириною всього 36 Мгц, транслює їх в смугу, що центрується на частоті 4 Ггц, і передає канал всім станціям.
Технологія SCPC приваблива для видалених областей, в яких знаходиться хоч би декілька призначених для користувача станцій. Якщо FDMA використовується якості основного засобу в системах зв'язку на великі відстані, SCPC доставляє послуги безпосередньо кінцевому користувачеві. Хоча в схемі SCPC ширина смуги використовується ефективніше, ніж в FDMA, ця технологія має всі недоліки фіксованого розподілу. Вона виявляється особливо зручною для дуже видалених областей, в яких наземна станція часто звужує всього одну або дві призначені для користувача станції. Підвищити ефективність дозволяє використання схеми DAMA, згідно якої в каналі виділяється набір підканалів, що розглядається як резерв зв'язку. Якщо потрібно встановити повнодуплексний зв'язок між двома наземними станціями, резерву виділяється пара підканалів.
Першою доступною для комерційних цілей системою DAMA SCPC була SPADE (single-channel-per-carrier, pulse code modulation, multiple-access demand ssignment equipment - устаткування імпульсно-кодової модуляції з множинним доступом з розподілом запитів на вимогу і одноканальним користуванням тієї, що несе), введена в дію на початку 70-х і в даний час доступна через супутники INTELSAT. Кожен підканал цієї системи несе QPSK-модулированный сигнал із швидкістю 64 Кбіт/с, що займає смугу 38 кгц, а також захисну смугу 7 кгц. Як правило, цей сигнал використовується для передачі голосового сигналу з імпульсно-кодовою модуляцією. Разом із службовими підканалами, які будуть розглянуті нижче, загальна кількість доступних підканалів досягає 794 (мал. 1.12, а). Ці підканали розбиті на пари так, щоб два канали, віддалені один від одного на 18,045 Мгц, завжди створювали повнодуплексний контур зв'язку (наприклад, канали з номерами 3 і 404, 4 і 405, 399 і 800). Крім того, є загальний канал передачі сигналів (common-signaling channel - CSC) шириною 160 кгц, по якому передається сигнал PSK із швидкістю 128 Кбіт/с.
а). Розподіл частот
б). Можлива конфігурація передавача QPSK SCPC
в). Формат кадра TDMA CSC
Рис. 3.1.4 Система спутниковой связи SPADE для коммутируемой службы SCPC
Виділення каналів на вимогу здійснюється наземною станцією за допомогою каналу CSC. Канал CSC використовується для передачі кадрів TDM, що повторюються, як показано на мал. 1.12, в. Кадр роздільний на 50 інтервалів, перший з яких містить початкову послідовність бітів, потрібну для синхронізації. Решта інтервалів закріплена за 49 станціями. Ці станції мають привілей при формуванні повнодуплексних контурів на вимогу. Розподіл на вимогу здійснюється таким чином. Припустимо, що станція Si бажає встановити канал зв'язку із станцією Sj. Si випадковим чином вибирає підканал з доступних незайнятих каналів і передає ідентифікатор підканалу і адресу станції Sj в часовий інтервал станції Si . Приблизно через 0,25 із станція Sj отримає запит по низхідному каналу зв'язку. Якщо припустити, що підканал залишився доступним і що доступна станція Sj, то вона передасть підтвердження в свій власний часовий інтервал, який станція Si, отримає ще через чверть секунди. Коли сеанс зв'язку завершиться, в тимчасовому інтервалі однієї із станцій буде передана інформація про роз'єднання, щоб повідомити інші станції про те, що підканал знову вільний.
Оскільки в описаній схемі можуть брати участь тільки 49 станцій, для розподілу на вимогу більшість підканалів не потрібні і використовуються по звичайній схемі FAMA SCPC.
3.2. Розподіл пропускної здатності - часове розділення
Хоча ущільнення з частотним розділенням до цих пір широко використовується в супутниковому зв'язку, все великої популярності набувають схеми ущільнення з часовим розділенням. Перерахуємо причини, по яких це відбувається.
• Безперервне падіння вартості цифрових складових.
• Переваги цифрових методів обробки, включаючи можливість виправлення помилок.
• Підвищена ефективність схем TDM, яка обумовлена відсутністю комбінаційних перешкод.
Як і при частотному розділенні, всі схеми часового розділення забезпечують множинний доступ і включають схеми FAMA-TDMA і DAMA-TDMA. Метод FAMA-TDMA, по суті, не відрізняється від синхронного тимчасового розділення. Передача здійснюється у формі послідовності кадрів, що повторюється, кожен з яких ділиться на декілька тимчасових інтервалів. Кожне положення інтервалу в послідовності кадрів відповідає певному передавачу. Періоди кадрів лежать в діапазоні від 10 мкс до більш ніж 2 мс і складаються з 3-100 інтервалів і більш. Швидкість передачі даних складає від 10 Мбіт/с до більш ніж 100 Мбіт/с.
Типовий формат кадру показаний на рис. 3.2.1. Як правило, кадр починається з двох опорних пакетів, що визначають початок кадру. Ці два пакети надаються двома різними наземними станціями, так що «система може продовжувати функціонувати навіть при втраті зв'язку з однією з шорних станцій унаслідок несправності. Кожен опорний пакет починається з послідовності для відновлення тактової синхронізації і що несе, унікальною, що є, і такою, що дозволяє синхронізуватися з центральним тактовим генератором. Кожною з N станцій виділяється один або декілька інтервалів в кадрі. Станція використовує виділений нею інтервал для передачі пакету даних, що складається з попередньої послідовності і призначеної для користувача інформації. Попередня послідовність містить інформацію, що управляє, і інформацію про синхронізацію плюс дані, що ідентифікують станцію призначення. Окремі пакети розділені захисними інтервалами, що запобігають накладенню даних.
Рис. 3.2.1. Приклад формату кадру TDMA
На рис. 3.2.2. показаний принцип дії систем FAMA-TDMA. Окремі наземні станції по черзі використовують висхідний канал зв'язку і можуть поміщати пакети даних у виділені для них тимчасові інтервали. Супутник ретранслює вхідні дані всім станціям. Таким чином, передача і прийом інформації кожною станцією здійснюється в певний часовий інтервал. Супутник також повторює опорні пакети даних, тому всі станції, що приймають ці пакети, мають можливість синхронізувати свою роботу.
Кожен з тимчасових інтервалів, що повторюються, є каналом і не залежить від інших каналів. Тому його можна використовувати будь-яким способом, по вибору передавальної станції. Можна, наприклад, організувати комутацію, включивши в кожен часовий інтервал поле адреси. Тоді, хоча тимчасові інтервали і залишаться закріпленими за станціями, в кожному низхідному інтервалі декілька станцій зможуть чекати дані, адресовані саме ним. За допомогою ще однієї схеми передавальна наземна станція може розділити свій часовий інтервал на подинтервали і, таким чином, відправляти дані по декількох підканалах в одному каналі TDMA.
а). Висхідний канал зв’язку
б). Нисхідний й канал зв’язку
Рис. 3.2.2. Функціонування системи FAMA-TDMA
Звичайна схема TDMA ефективніша за традиційну схему FDMA, оскільки на захисні інтервали і керівники биті TDMA витрачається менша пропускна спроможність, чим на захисні смуги FDMA. Це проілюстровано на рис. 3.2.3. Звернете увагу на вражаюче падіння пропускної спроможності для FDMA у міру збільшення числа каналів. У разі використання схеми TDMA при збільшенні числа тимчасових інтервалів (тих же каналів) пропускна спроможність зменшується набагато повільніше. Крім того, при використанні довших кадрів також збільшується ефективність зв'язку. Для порівняння, система SCPC забезпечує постійну пропускну спроможність в 800 каналів, незалежно від того, поділена її смуга частот між безліччю станцій або між всього декількома наземними станціями.
Рис. 3.2.3. Відносна ефективність різних супутникових схем розподілу пропускної спроможності
У смугах з вищою частотою (Кі і К) можна досягти навіть більшої ефективності. При таких частотах промені, передавані з супутника, можна досить точно сфокусувати, що дозволить передавати багато променів однієї і тієї ж частоти в різні зони. Таким чином, супутник зможе обслуговувати досить багато зон, в кожній з яких може знаходитися багато наземних станцій. Повідомлення між цими станціями в межах однієї зони здійснюється по звичайній схемі FAMA-TDMA. Більш того, можна організувати повідомлення між станціями, що належать різним областям, якщо супутник має можливість перемикати тимчасові інтервали з одного променя на іншій. Цей метод відомий як TDMA з супутниковою комутацією (satellite-switched TDMA - Ss/tdma).
На рис. 3.2.4. показана проста система Ss/tdma, обслуговуюча дві зони, в кожній з яких розташовано по дві станції. Як і в звичайній схемі TDMA, в межах однієї зони в кожен момент часу передавати може стільки одна станція. Таким чином, в межах зони А в будь-який конкретний часовий інтервал може передавати або станція 1, або станція 2. Так само і в межах зони В передавати в даний момент часу може або станція 3, або станція 4. Сигнали із станцій з різних зон не інтерферують, завдяки використанню по-різному поляризованих сигналів або використанню різних частот. На супутнику дані, що приймаються, тут же ретранслюються на частоті низхідного каналу зв'язку. При цьому використовуються два різних низхідних світивши. На супутнику є комутатор для з'єднання вхідних променів, що виходять. Варіанти з'єднань, що виконуються комутатором, можуть мінятися з часом. На малюнку низхідний промінь А повторює висхідний промінь А протягом періодів 1 і 3 і повторює висхідний промінь Протягом періоду 2. Таким чином, будь-яка станція в будь-якій зоні може відправляти дані будь-якої іншої станції.
Для супутника, обслуговуючого N зон, існує N вхідних потоків TDM. У будь-який конкретний момент часу перемикач налаштований на особливий вид перетворення цих висхідних променів в N низхідних променів. Кожна конфігурація називається режимом, і для повної зв'язності системи потрібний N! різних режимів. У табл. 1.2 приведені режими для системи з трьома променями. Наприклад, станції в зоні А можуть повідомлятися один з одним в режимах 1 і 2, сполучатися із станціями зони В режимах 3 і 5 і так далі Супутник періодично міняє режим. Швидше за все, зміна режимів відбуватиметься один раз за інтервал. Структуру режиму і його тривалість зазвичай можна настроювати командами із Землі, щоб вчасно реагувати на вимоги, що змінилися.
Таблиця 3.2.1
Режими системи SS/TDMA (три променя)
Нарешті, з супутниковими схемами TDMA використовуються методи DAMA. Система Ss/tdma є в певному значенні системою DAMA, якщо структура режиму може бути змінена командою із Землі. Досить часто, якщо мова заходить про тимчасове розділення, схему DAMA називають схемою множинного доступу з сумісним використанням одного каналу. Такі методи зазвичай служать основою для кооперації наземних станцій з метою сумісного використання каналу.
а). Висхідний канал зв’язку
а). Нисхідний канал зв’язку
Рис. 3.2.4. Функціонування системи SS/TDMA
РОЗДІЛ 4. ПЛАН ЧАСТОТ
У табл. 4.1 перераховані смуги частот, доступні для супутникового зв'язку. Звернете увагу, що чим вище частота смуги, тим більше її доступна ширина. Втім, смуги вищої частоти сильніше схильні до спотворень передачі. Службам мобільному супутниковому зв'язку (MSS) виділені частоти в смугах S і L. Якщо порівняти ці смуги із смугами вищих частот, то тут спостерігається більше заломлення світивши і його проникнення через фізичні перешкоди, такі, як листя і неметалічні структури. Ці характеристики є украй важливими для послуг мобільного зв'язку. Крім того, смуги L і S широко використовуються для інших наземних застосувань, тому в даний час існує конкуренція між постачальниками послуг в СВЧ - диапазоні за можливість використання смуг L і S.
Таблиця 4.1.
Смуги частот для супутникового зв'язку
При наданні службі смуги частот діапазони для висхідного і низхідного каналів визначаються окремо, причому частота висхідного каналу завжди вища. Як відомо, для сигналу з вищою частотою розсіяння або втрати у вільному просторі більші, ніж для його низькочастотного доповнення. Втім, наземні станції мають в своєму розпорядженні достатню потужність, що дозволяє компенсувати низьку продуктивність на високих частотах.
Передача ведеться на вищій частоті, ніж прийом сигналу з супутника. Звичайний супутник володіє 12-20 транспондерами (приймачами), кожен з яких має смугу 36-50мгц, що дозволяє сформувати потік даних 50 Мбіт/с. Така пропускна спроможність достатня для отримання 1600 високоякісних телефонних каналів (32кбіт/c). Сучасні супутники використовують вузькоапертурну технологію передачі vsat (very small aperure terminals). Такі термінали використовують антени діаметром 1 метр і вихідну потужність близько 1 Вт. При цьому канал до супутника має пропускну спроможність 19,2 кбіт/с, а з супутника більше 512 кбіт/c. Безпосередньо такі термінали не можуть працювати один з одним, зрозуміло через телекомунікаційний супутник. Для вирішення цієї проблеми використовуються проміжні наземні антени з великим посиленням, що, правда збільшує затримку. Схема зв'язків в технології VSAT.
Рис. 4.1. Схема супутникового зв'язку VSAT
Термінальні антени vsat мають діаметр 1-1,5 м і випромінювана потужність 1-4 Вт, забезпечуючи широкосмугову до 64 кбіт/с. Такі невеликі антени не дозволяють таким терміналам спілкуватися безпосередньо. На рис. 4.1. станцій А і Б не можуть безпосередньо один з одним. Для передачі даних використовується проміжна станція з великою антеною і потужністю (на мал. антена В). Для створення постійних каналів телекомунікацій служать геостаціонарні супутники, що висять над екватором на висоті близько 36000 км.
Теоретично три таких супутника могли б забезпечити зв'язком практично всю жилу поверхню землі (див. рис. 4.2.). Супутники, що працюють на одній і тій же частоті повинні бути рознесені по куту на 2o. Це означає що число таких супутників не може бути більше 180. Інакше вони повинні працювати в різних частотних діапазонах. При роботі в ku-диапазоне кутова відстань між супутниками можна скоротити до 1o. Вплив дощу можна мінімізувати, використовуючи далеко віддалені наземні станції (розміри урагану кінцеві!).
Рис. 4.2. Схема покриття супутниками землі
Реально геостационарная орбіта переповнена супутниками різного призначення і національної приналежності. Зазвичай супутники позначаються географічною довготою місць, над яким вони висять. На практиці геостаціонарний супутник не стоїть на місці, а виконує рух по траєкторії, що має вид цифри 8. Кутовий розмір цієї вісімки повинен укладатися в робочу апертуру антени, інакше антена повинна мати сервопривод, що забезпечує автоматичне стеження за супутником. Із-за енергетичних проблем телекомунікаційний супутник не може забезпечити високого рівня сигналу. З цієї причини наземна антена повинна мати великий діаметр, а приймальне устаткування низький рівень шуму. Це особливо важливо для північних областей, для яких кутове положення супутника над горизонтом невисоко (це особливо істотно для широт більше 700), а сигнал проходить досить товстий шар атмосфери і помітно ослабляється. Супутникові канали можуть бути рентабельні для областей, віддалених один від одного більш ніж на 400-500 км. (за умови що інших засобів не існує). Правильний вибір супутника (його довготи) може помітно понизити вартість каналу.
Число позицій для розміщення геостаціонарних супутників обмежене. Останнім часом для телекомунікацій планується застосування так званих супутників, що летять низько (<1000 км.; період звернення ~1 година). Ці супутники рухаються по еліптичних орбітах і кожен з них окремо не може гарантувати стаціонарний канал, але в сукупності ця система забезпечує весь спектр послуг (кожен з супутників працює в режимі “запам'ятати і передати”). Із-за малої висоти польоту наземні станції в цьому випадку можуть мати невеликі антени і малу вартість.
Типовий супутник має 12-20 транспондерів, кожен з яких має смугу 36-50 Мгц. Один транспондер може забезпечити інформаційний потік в 50 Мбіт/с або 800 каналів 64-кіло...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора