Все о спутниковой связи. Подвижная спутниковая связь. Принцип работы спутниковой связи

Наболевшие проблемы решаемы цепочкой космических станций периодом обращения 24 часа, оккупировавших высоту 42000 км относительно центра Земли… в плоскости экватора.

А. Кларк, 1945 год.

В каменном веке связная сеть работает путём многократного повторения действий по регулированию объёма испускаемого костром дыма. Земля знала скороходов, лучшим стал Маленький Мук. Современная система использует космические летательные аппараты. Плюсом спутника назовём большое покрытие территории. Волны используют преимущественно короткие, способные распространяться по прямой. Мир один – везде свои цены…

Предпосылки использования

Идею ретрансляции зародил Эмиль Гуарини-Форезио в 1899 году. Концепцию опосредованной передачи сигнала опубликовал немецкий Журнал для электротехника (том 16, 35-36). Артур Кларк в 1945 году озвучил концепцию системы связи меж геостационарными космическими аппаратами. Писатель отказался брать патент, отнекиваясь двумя умозаключениями:

1. Малая вероятность осуществления задумки.
2. Необходимость подарить идею человечеству целиком.

Одновременно учёный указал координаты наилучшего покрытия областей поверхности планеты:

• 30 градусов в.д. – Африка, Европа.
• 150 градусов в.д. – Китай, Океания.
• 90 градусов з.д. – Америка.

Писатель занизил рабочую частоту, высказав намерение применить 3 МГц, уменьшив гипотетические рефлекторы (несколько футов).

Наземные системы СВЧ

Англо-французский консорциум, возглавляемый Андре Клавиром, пошёл дальше. Первые успешные попытки использования диапазона СВЧ связью датированы 1931 годом. Английский Канал продемонстрировал передачу информации частотой 1,7 ГГц (современный сотовый диапазон) на 64 километра станциями, оснащёнными тарелками диаметром 3 метра, соединяя Дувр и Кале.

Интересно! Первый коммерческий телевизионный канал УКВ использовал частоту 300 МГц.

Историки склонны считать Вторую мировую войну лошадкой, вывезшей отрасль на вершину. Изобретение клистрона, усовершенствование технологий изготовления параболоидов внесли неоценимый вклад. Расцвет трансатлантических отношений датируется 50-ми годами XX века.

Для справки! Первая релейная линия, образованная восемью ретрансляторами, Нью-Йорк – Бостон, построена в 1947 году.

Америка и Европа наладили передачу информации ретрансляторами (радиосвязь, называемая релейной). Немедля началось коммерческое телевещание. Особенностью СВЧ связи называют возможность точного предсказания результата уже на этапе проектирования системы.

Для справки! Релейная связь – технология передачи цифровых, аналоговых сигналов меж приёмниками, находящимися в поле видимости.

Космические аппараты

Первый советский спутник (1957 год) нёс связную аппаратуру. Тремя годами позже американцы подняли на высоту 1500 км надувной шар, служивший пассивным ретранслятором, благодаря металлизированному покрытию сферы. 20 августа 1964 года 11 стран, включая СССР, подписали договор о создании Intelsat (международная связь). Советский блок шёл путём секретности, пока запад зарабатывал. Восточный блок создал собственную программу в 1971 году.

Спутники явились настоящей находкой, позволяя соединить противоположные берега океана. Альтернативой выступает оптическое волокно.

Первыми тёмную лошадку запустили военные наравне с тропосферной связью, использовавшей эффект отражения волны верхними слоями. Советскую микроволновую связь перехватывала небесная группа Риолит. Система, разработанная для ЦРУ (США). Аппарат занимал позицию, захватываемую наземным лучом советской релейной связи, записывая послания. Контролировались территории Китая, Восточной Европы. Диаметр зонтоподобных рефлекторов достигал 20 метров.

Руководство США всегда знало намерения руководителей СССР, прослушивая все, вплоть до телефонных звонков. Сегодня спутниковые системы позволяют, благодаря эффекту Допплера, дистанционно посещать любые «конфиденциальные» беседы, проводимые в помещениях, снабжённых типичным оконным стеклопакетом.

Зарегистрированы первые попытки осуществить идеи Николы Тесла в космосе: беспроводная передача электроэнергии спутниковыми антеннами. Эпопея стартовала в 1975 году. Ныне концепция вернулась домой. Башня Ворденклифф давно разрушена, однако главный остров Гавайи получил свою порцию 20 Вт беспроводным путём.

Для справки! Использование космической связи оказалось экономически оправданной альтернативой оптического волокна.

Особенности сигнала

Неудивительно использование спутников, учитывая сказанное.

Окна прозрачности

Явление поглощения атмосферой волн известно давно. Учёные, исследовав феномен, заключили:

• Затухание сигнала определено частотой.
• Наблюдаются окна прозрачности.
• Явление модулируется погодными условиями.

Например, миллиметровый диапазон (30-100 ГГц) сильно угнетается дождём. Окрестности частоты 60 ГГц поглощают молекулы кислорода, 22 ГГц – водой. Частоты ниже 1 ГГц отсекаются излучениями галактики. Негативное влияние оказывают температурные шумы атмосферы.

Сказанное объясняет выбор современных частот космической связи. Полный перечень характеристик сигнала Ku-диапазона демонстрирует рисунок.

Используется также С-диапазон.

Зоны приёма

Луч, пересекая поверхность Земного шара, формирует изотропные кривые эквивалентного приёма. Суммарные потери составляют:

1. 200 дБ – С-диапазон.
2. 206 дБ – Ku-диапазон.

Солнечные помехи способны помешать ловле пакетов. Наихудшие условия длительностью 5-6 дней создаются межсезоньем (зима, осень). Интерференция светила снабжает техников наземных станций гарантированной работой. На время природного явления отключают системы слежения. Иначе тарелки могут поймать Солнце, отдав неправильные команды бортовым системам стабилизации. Банки, аэропорты получают предупреждение: связь временно нарушится.

Зоны Френеля

Препятствия вокруг вышки связи провоцируют сложение волн, формируя зоны затухания/подъёма сигнала. Феномен объясняет необходимость наличия чистого пространства близ приёмопередатчика. К счастью, СВЧ лишены указанного недостатка. Благодаря важной особенности, каждый дачник ловит НТВ+ тарелкой.

Мерцания

Непредсказуемые изменения атмосферы заставляют сигнал постоянно меняться. Колебания до 12 дБ амплитудой затрагивают полосу шириной 500 МГц. Явление длится 2-3 часа максимум. Мерцания мешают наземным станциям отслеживать спутник, требуя принятия превентивных мер.

Линейность луча

Особенностью СВЧ считают прямолинейную траекторию луча. Явление позволяет сконцентрировать мощность, понижая требования к бортовым системам. Наверняка первоначальной задачей стал шпионаж. Позже антенны перестали быть узконаправленными, покрывая громадные территории, как например, Россия.

Инженеры называют свойство недостатком: невозможно обогнуть горы, овраги.

Особенности сложения волн

Практически отсутствует интерференционная картина. Позволительно значительно уплотнить соседние частотные каналы.

Ёмкость

Теорема Котельникова определяет верхнюю границу спектра передаваемого сигнала. Порог напрямую задан частотой несущей. СВЧ, благодаря высоким значениям, вмещают до 30 раз больше информации, нежели УКВ.

Возможность регенерации

Развитие цифровых технологий открыло дорогу методикам коррекции ошибок. Искусственный спутник:

• принимал слабый сигнал;
• декодировал;
• исправлял ошибки;
• кодировал;
• передавал дальше.

Превосходное качество спутниковой связи стало «притчей во языцах».

Наземные антенны

Спутниковые тарелки называют параболоидами. Диаметр достигает 4 метра. Помимо указанных доступны 2 вида антенн релейной связи (оба наземные):

1. Диэлектрические линзы.
2. Рупорные антенны.

Параболоиды обеспечивают высокую избирательность, позволяя установить связь, преодолевшему тысячи километров лучу. Типичная тарелка неспособна передать сигнал, требуются более высокие характеристики.

Принцип действия

Спутники шпионы постоянно двигались, обеспечивая относительную неуязвимость и скрытность наблюдения. Использование мирных технологий пошло иным путём. Реализована концепция Кларка:

• Экваториальная орбита служит пристанищем сотен геостационарных спутников.
• Непоколебимость положения обеспечивает простоту наведения наземного оборудования.
• Высота орбиты (35786 метров) фиксированная, поскольку необходимо уравновесить силой центробежной земное тяготение.

Аппарат покрывает часть территории планеты.

Система Intelsat сформирована 19-ю спутниками, сгруппированными по четырём регионам. Абонент видит 2-4 одновременно.

Время жизни системы составляет 10-15 лет, затем отживающее срок оборудование меняют. Гравитационные эффекты планет, Солнца выявляют потребность использовать системы стабилизации. Процесс коррекций заметно снижает топливный ресурс аппаратов. Комплекс Intelsat допускает отклонения положения до 3-х градусов, продляя жизнь орбитального роя (свыше трёх лет).

Частоты

Окно прозрачности ограничено диапазоном 2-10 ГГц. Intelsat использует область 4-6 ГГц (С-диапазон). Повышение загрузки вызвало переход части трафика на Ku-диапазон (14, 11, 12 ГГц). Рабочий участок раздают порциями транспондерам. Земной сигнал принимается, усиливается, излучается назад.

Проблемы

1. Дороговизна запуска. Преодоление 35 тысяч километров отнимает немало ресурсов.
2. Задержка распространения сигнала превышает четверть секунды (достигая 1 с).
3. Малый угол наклона линии визирования искусственного летательного аппарата повышает энергетические затраты.
4. Площадь приёма покрыта неэффективно. Гигантские пространства лишены абонентов. КПД вещания чрезвычайно низок.
5. Окна прозрачности узкие, наземные станции приходится разносить территориально, менять поляризацию.

Пути решения

Частично недостатки устраняет внедрение наклонной орбиты. Спутник перестаёт быть геостационарным (см. выше спутники-шпионы времён Холодной войны). Необходимо минимум три равноудалённых аппарата, чтобы обеспечить связь круглосуточно.

Полярная орбита

Полярная орбита одна способна покрыть поверхность. Однако потребуется несколько периодов обращения космического аппарата. Рой спутников, разнесённых по углу, способен решить задачу. Полярные орбиты обошли стороной коммерческое вещание, став верным помощником систем:

• навигации;
• метеорологии;
• наземных станций управления.

Наклонная орбита

Наклон успешно использовался советскими спутниками. Орбита характеризуется следующими параметрами:

• период обращения – 12 часов;
• наклон – 63 градуса.

Видимые 8/12 часов три спутника обеспечивают связь полярным регионам, недоступным с экватора.

Спутниковый телефон

Мобильный гаджет напрямую ловит космос, минуя наземные вышки. Первый Inmarsat 1982 года обеспечивал доступ морякам. Семью годами позже создан наземный вид. Канада первой осознала преимущества оборудования пустынных территорий с редкими жителями. Вслед программу освоили США.

Проблему решает запуск низко летающих спутников:

1. Период обращения – 70..100 минут.
2. Высота 640..1120 км.
3. Зона покрытия – круг радиусом 2800 км.

Учитывая физические параметры, длительность индивидуального сеанса связи охватывает диапазон 4-15 минут. Поддержание работоспособности требует известных усилий. Пара коммерсантов США в 90-е обанкротились, не сумев набрать достаточно абонентов.

Массо-габаритные характеристики непрерывно улучшаются. Globalstar предлагает фирменное ПО смартфона, посредством Bluetooth ловящего сигнал сравнительно громоздкого приёмника спутников.

Спутниковым телефонам требуется мощная приёмная антенна, желательно зафиксированная. Оборудуют преимущественно здания, транспорт.

Операторы

1. ACeS охватывает одним-единственным спутником Азию.
2. Inmarsat старейший оператор (1979 год). Оборудует яхты, корабли. Обладая 11 летательными аппаратами, компания медленно осваивает рынок мобильных устройств, заручившись помощью ACeS.
3. Thuraya обслуживает Азию, Австралию, Европу, Африку, Средний восток.
4. MSAT/SkyTerra американский провайдер, использующей оборудование эквивалентное Inmarsat.
5. Terrestar покрывает Северную Америку.
6. IDO Global Communications на стадии бездействия.

Сети

Коммерческие проекты ограниченны.

GlobalStar

GlobalStar – совместное детище Qualcomm и Loral Corporation, позже поддержанное Alcatel, Vodafone, Hyundai, AirTouch, Deutsche Aerospace. Запуск 12 спутников был сорван, первый звонок состоялся 1 ноября 1998 года. Начальная стоимость (февраль 2000 года) составила 1,79 доллар/мин. Претерпев ряд банкротств и преобразований, компания обеспечивает клиентов 120 стран.

Обеспечивает 50% трафика США (свыше 10000 вызовов). Работоспособность поддерживают наземные репитеры. Всего 40, включая 7, вмещаемых Северной Америкой. Территории, лишённые наземных репитеров, образуют зону молчания (Южная Азия, Африка). Хотя аппараты регулярно бороздят небесную высь.

Абоненты получают американские телефонные номера, исключая Бразилию, где присваивают код +8818.

Список услуг:

• Голосовые вызовы.
• Системы определения местоположения с погрешностью 30 км.
• 9,6 кбит/с пакетный доступ в интернет.
• Мобильная связь CSD GSM.
• Роуминг.

Телефоны используют технологии Qualcomm CDMA, исключая Ericsson и Telit, принимающие традиционные SIM-карты. Базовые станции вынуждены поддерживать оба стандарта.

Iridium

Провайдер использует полярную орбиту, обеспечивая 100% покрытие планеты. Организаторы потерпели банкротство, компания возрождена в 2001 году.

Это интересно! Iridium – виновник ночных небесных вспышек. Летящие спутники хорошо видны невооружённым глазом.

Флотилия компании включает 66 спутников, используя 6 низкоорбитальных траекторий высотой 780 км. Аппараты общаются, задействовав Ka-диапазон. Львиная доля запущена бывшими банкротами. На январь 2017 обновлено 7 единиц. Регенерация продолжается: первая группа (10 штук) улетела 14 января, вторая – 25 июня, третья – 9 октября.

Это интересно! Спутник Iridium 33 10 февраля 2009 года протаранил русский Космос 2251. Небесные обломки сегодня летают над Сибирью.

Компания продолжает оказывать услуги 850 тысячам абонентов. 23% прибыли выплачено государством. Стоимость звонка составляет 0,75 – 1,5 доллара/мин. Обратные вызовы сравнительно дороги – 4 доллара/мин (Google Voice). Типичные сферы деятельности нанимателей:

1. Нефтедобыча.
2. Морской флот.
3. Авиация.
4. Путешественники.
5. Учёные.

Особую благодарность просили передать обитатели южной полярной станции Амундсена-Скотта. Компания повсеместно продаёт пакеты вызовов длительностью 50-5000 минут. Валидность первых оставляет желать лучшего, дорогие (5000 минут = 4000 долларов) сохраняют работоспособность 2 года. Месячно продление – 45 долларов:

• 75 минут стоят 175 долларов, срок использования – 1 месяц.
• 500 минут – 600-700 долларов, срок использования – 1 год.

Телефоны

Бывшие владельцы снабжали клиентов телефонными аппаратами двух изготовителей:

Моторола 9500 стал соратником первой коммерческой пробы компании. Бытующая поныне мобильная ударопрочная версия 9575 рождена 2011 годом, дополнена экстренной кнопкой вызова GSM, интерфейсом продвинутого определения местоположения. Аппарат настраивает Wi-Fi хот-спот, позволяя пользователям рядовых смартфонов посылать электронные письма, СМС, посещать интернет.

Техника Kyocera заброшена производителем. Модели распродают перекупщики. KI-G100 на базе GSM-телефона частоты 900 МГц снабжён чемоданчиком, оснащённым мощной антенной, ловящей вещание. Возможность приёма СМС обеспечена, отравлять могут лишь отдельные модели (9522). SS-66K снабжён нетипичной шаровой антенной.

1. 9575 ударопрочный, водонепроницаемый телефон, снабжённый пылезащитным корпусом. Выдерживает температуры минус 20 – плюс 50 градусов Цельсия.
2. 9555 – снабжён встроенной гарнитурой, USB-интерфейсом, переходником на последовательный порт RS-232.
3. 9505А – здоровенный гаджет формы кирпича. Снабжён родным интерфейсом RS-232.
4. SS-55K выпущен ограниченной партией. Неимоверных размеров, продаётся перекупщиками eBay.

Прочее оборудование компании включало:

1. Пейджеры.
2. Таксофоны.
3. Оснастку яхт, самолётов.

Буи

Плавучие бакены, напоминающие систему отслеживание цунами, способны вести приём/передачу коротких сообщений. Интерфейс позволит использовать функционал фирменного телефона, отказывающегося ловить спутники.

Владельцы мобильных телефонов при всех их возможностях могут звонить лишь там, где оборудованы станции мобильной связи. А что делать там, где таких станций нет?

Выход только один - использовать телефоны спутниковой связи, дающее возможность звонить практически из любой точки мира. Как понятно из названия связи, соединение происходит не через наземные станции, а через спутники, находящиеся на околоземной орбите.

По всем сетям спутниковой связи предоставляется надежная и качественная телефония. Сети различаются по предлагаемым абонентам дополнительным услугам, по областям покрытия сетью, и по цене самих аппаратов и стоимости услуг связи.

На сегодняшний день спутниковая связь представлена в мире различными системами со своими достоинствами и недостатками. Что же касается России, то пока на ее территории доступными являются системы Инмарсат, Турайя, Глобалстар и Иридиум:

• Инмарсат (Inmarsat) - первый и пока единственный оператор мобильной спутниковой связи, предлагающий все услуги современной спутниковой связи на водных пространствах, на земле и в воздухе.
• Турайя (Thuraya) - мобильная спутниковая связь, покрывающая одну треть земного шара и предлагающая недорогие звонки своим абонентам с ценой от $0,25 за минуту исходящего звонка и бесплатные входящие (по спутнику). Спутниковые телефоны Турайя совмещены с сотовыми, в которых есть приемник GPS, определяющий местонахождение с точностью до 100 метров. Связь доступна на 1/3 территории России.
• Глобалстар (Globalstar) - это спутниковая связь нового поколения. Глобалстар предоставляет телефонную связь в тех районах Зземли, где раньше ее не было вообще или были серьезные ограничения в ее использовании и дает возможность звонить или обмениваться данными в практически любом районе планеты.
• Иридиум (Iridium) - предоставляет беспроводную спутниковую сеть, обеспечивающую телефоннию везде и всегда. Связь от Иридиума покрывает всю поверхность Земли. В России сеть Иридиум доступна на всей территории, однако пока на обладает лицензией предоставлять услуги на территории РФ.

Спутниковая связь Инмарсат

Система Инмарсат предоставляет стационарную спутниковую связь, определяющую главное направление ее использования.

Эта система широко используется на наземном, морском, речном, воздушном транспорте, в органах управления, работниками государственных учреждений, в подразделениях гражданской обороны, в спасательных организациях и подразделениях МЧС, а также главами государств.

Система Инмарсат действует уже более 25 лет и проверена временем. На данный момент это третье поколение данной системы. Задействованные четыре геостационарные спутника покрывают весь Земной шар и только полюса земли остались без покрытия этой системой.

C терминала Инмарсат звонок сначала попадает на спутник, который его перенаправляет на станцию (LES). Она в свою очередь отвечает за перенаправление звонка в телефонные сети общего пользования или в интернет. Спутник может выделить дополнительные лучи на работу с регионом, в котором наблюдается большая активность абонентов.

Система не только поддерживает стандартные телефоны, но и оборудование, которое отслеживает местонахождение абонентов, что позволяет производить мониторинг движущихся объектов, таких как суда, автомобили, самолеты. Система используется для безопасности в мореплавании (ГМССБ) и для организации управления воздушного движения.

К достоинствам системы Инмарсат отнесем ее работу практически на всей поверхности Земли, за исключением Северного и Южным полюсов.

Инмарсат - официальная система обеспечения безопасности на море. Система в достаточной мере конфиденциальна, несложна в использовании, снабжается инструкциями на русском языке.

Биллинговая онлайн-система позволяет следить через интернет за состоянием счета с полной статистикой по телефонным звонкам. Доступны дополнительные аксессуары, например, специальные комплекты на автомобили, факсы и другое оборудование, плюс бесплатные входящие звонки.

К недостаткам системы Инмарсат надо отнести высокую стоимость самих телефонов, их цена начинается от $3000, высокую стоимость исходящих звонков - от $2,8 за минуту, а также сами терминалы размером с ноутбук и весящие порядка 2 кг.

Для использования телефонов этой системы на территории определенной страны требуется получить специальные разрешения. В России компанией ТЕССКОМ телефоны Инмарсат продаются уже с разрешением пользоваться системой Инмарсат на территории нашей страны.

Спутниковая связь Турайя

Сначала система Турайя была рассчитана на обслуживание региона с 1,8 миллионами потенциальных абонентов.

Работу системы обеспечивают 2 спутника, способные одновременно обслужить 13750 телефонных каналов. Система способна работать как со спутниковыми, так и с сотовыми каналами связи. Но, порой, звонки в роуминге обходятся в пять раз дороже, чем через спутник. Пользоваться системой Турайя можно на 35% территории России.

К достоинствам Турайя можно отнести небольшие размеры телефонов и их невысокую стоимость (начиная с $866), использование единого номера для спутниковой или сотовой связи, приемлемую стоимость исходящих звонков (от $0,25/минута) и бесплатные входящие звонки через спутник.

Недостатки системы Турайя: доступность сети только на 35 % территории РФ. Правда, положение значительно улучшится с вводом в действие еще одного спутника. Тогда покрытие территории России будет достигать уже 80%. Но это пока вопрос времени.

Спутниковая связь Глобалстар

Глобалстар является системой, основу которой составляет подвижная спутниковая связь. С самого начала сеть Глобалстар формировалась как система, взаимодействующая с существующими мобильными сетями. То есть вне действия сотовых сетей, с которыми заключен договор, телефоны Глобалстар переключаются на спутниковую связь, а при хорошем сигнале наземной мобильной связи они работают как обычной сотовый.

Система рассчитывалась на широкий круг потребителей. И действительно, сейчас сетью Глобалстар пользуются как частные лица, так и организации.

Самые активные пользователи этой системой - нефтяники и газовики, геологи и геофизики, добытчики и переработчики драгметаллов, строители, энергетики. Успешно используется эта Глобалстар в транспорте, в войсках, на флоте, в МЧС.

Связь в системе Глобалстар обеспечивается 48 низкоорбитальными спутниками. Сигнал одновременно через несколько спутников принимается ближайшими наземными станциями сопряжения, затем наиболее устойчивый маршрутизируется по наземным сетям до абонента.

Глобалстар является единственной из подобных систем связи, которая обеспечивает почти полное покрытие территории Российской Федерации с Запада на Восток и до 74-го градуса на Севере.

К достоинствам Глобалстара отнесем работу практически на всей территории Земли, за исключением полярных областей; небольшие размеры и вес телефонов, сравнимые по этим показателям с обычными сотовыми телефонами; автоматическое переключение между спутниковой и сотовой системами связи; простоту в использовании; инструкции на русском языке. Весьма приемлемая цена телефонов - от $699.

Если используется спутниковый канал связи, то цена звонков в Глобалстаре начинается с $1.39. Зчительно дешевле становится при звонках через сотовые каналы.

Предлагается много дополнительных аксессуаров. В отличие от систем, работающих на среднеорбитальных и геостационарных спутниках, при работе в Глобалстаре практически незаметны задержка голоса или "эхо".

Недостатков у Глобалстар мало. Хотя, в целом, разрешение на телефоны системы Глобалстар не требуется, есть страны, где их использование ограничивается или полностью запрещается.

Спутниковая связь Иридиум

Связь в системе Иридиум обеспечивается 66 низкоорбитальными спутниками, которые покрывают 100% земной поверхности. Но в Северной Корее, Венгрии, Польши и Северной Шри-Ланке система не работает. В РФ сеть Иридиум на сегодняшний день не лицензирована, но доступна на всей ее территории. Так как расстояние до спутников небольшое, а скорость у них высокая, то сигналы передаются почти без задержки. В районах с доступной сотовой связью телефон может работать как обычный сотовый.

Главное достоинство Иридиум - устойчивая связь на всей территории планеты.

Иридиум может похвастаться и самыми маленькими из всех спутниковыми телефонами. Как и в других системах, телефоны автоматически переключаются между спутниковыми и мобильными сетями. Недорогие звонки, всего от $1 по спутниковому каналу, а через сотовую связь - еще дешевле. Входящие звонки полностью бесплатны. Как и в системе Глобалстар, в Иридиуме практически незаметна задержка голоса и эхо.

Единственным значимым недостатком Иридиума является отсутствие лицензии для работы на территории РФ. Правда, как утверждают представители компании, разрешение для работы в России вскоре будет получено.

Услуги для абонентов спутниковых сетей

Услуга	Инмарсат	Турайя	Глобалстар	Иридиум
Телефон	+	+	+	+
Факс	+	-	-	-
Электронная почта	+	+	-	-
Передача данных	+	+	+	+
Телекс	+	-	-	-
GPS	+	+	+	-
SMS	-	-	-	-
Пейджинг	-	-	-	+

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. VSAT (Very Small Aperture Terminal)- малая спутниковая наземная станция, то есть терминал с маленькой антенной, используется в спутниковой связи с начала 90-х годов. Системы VSAT 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.

Рисунок 3.14 – Система VSAT

Потребителей российского рынка VSAT можно разделить на четыре сегмента:

1. Государственные учреждения 2. Крупные корпорации с разветвленной сетью филиалов и представительств. 3. Средний и малый региональный бизнес. 4. Частные пользователи.

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. Антенна показана на рис. 3.9.

В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы (рис.3.14).

Центральная земная станция в сети спутниковой связи выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети.

Типы управления . При централизованном управлении такой сетью центр управления сетью (ЦУС) выполняет служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети, но не участвует в передаче трафика. Обычно ЦУС устанавливается на одной из абонентских станций сети, на которую приходится наибольший трафик.

В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой управления отличаются повышенной "живучестью" и гибкостью за счет усложнения оборудования, расширения его функциональных возможностей и удорожания VSAT терминалов. Эта схема управления целесообразна лишь при создании небольших сетей (до 30 терминалов) с высоким трафиком между абонентами.

Абонентская станция VSAT Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приемопередатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.).

Спутники ретрансляторы сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Современные VSAT работают как правило в Ku диапазоне частот 11/14 ГГц (одно значение частоты на прием, другое на передачу), также есть системы использующие С диапазон 4/6 ГГц, также сейчас осваивается Ка диапазон 18/30 ГГц.

Современные VSAT имеют один и более портов Ethernet и встроенные функции маршрутизатора. Некоторые модели, посредством расширения могут оснащаться 1-4 телефонными портами.

Спутниковый модем . DVB-карта - компьютерная плата расширения, предназначенная для приёма данных со спутника, своеобразный «спутниковый модем». Он может быть с интерфейсом PCI, PCI-E или USB, выбор зависит от того, что вам удобнее подключать к компьютеру

DVB-карта устанавливается в свободный PCI-слот или USB-порт компьютера и подключается коаксиальным кабелем к конвертеру спутниковой антенны, то есть выполняет функции классического спутникового ресивера и передаёт полученные данные другим узлам компьютера. В целом, процесс установки и настройки DVB-карты ничем не отличается от установки любого другого устройства.

Основные производители VSAT в мире :

Codan (Австралия);

Hughes Network System (США) - HughesNet (DirecWay), HX;

Gilat (Израиль) - SkyEdge;

ViaSat (США);

iDirect(США);

NDSatCom (Германия).

Типичная стоимость VSAT для конечного клиента около 2500..3000 долларов США.

Краткий список VSAT-сервисов:

Интернет через спутник

Дистанционное обучение

Сельская связь

Телемедицина

Служба чрезвычайных ситуаций

Закрытые группы пользователей государственных служб

Национальные и многонациональные сети

Широкополосная передача данных

Широковещательные службы

Службы правительственных и корпоративных организаций

Службы расширения инфраструктуры ТфОП

Коллективный доступ в Интернет

Рисунок 3.15 - DVB-карта (PCI) TT-budget S-1401

Системы подвижной спутниковой связи. Владельцы мобильных телефонов при всех их возможностях могут звонить лишь там, где оборудованы станции мобильной связи. А что делать там, где таких станций нет? Выход только один – использовать телефоны спутниковой связи , дающие возможность звонить практически из любой точки мира. Как понятно из названия связи, соединение происходит не через наземные станции, а через спутники, находящиеся на околоземной орбите.

Спу́тниковый телефо́н - мобильный телефон, передающий информацию напрямую через специальный коммуникационный спутник. В зависимости от оператора связи, областью охвата может быть или вся Земля, или только отдельные регионы. Связано это с тем, что используются либо низколетящие спутники, которые при достаточном количестве покрывают зоной охвата всю Землю, либо спутники на геостационарной орбите, где они не двигаются относительно Земли и не «видят» её полностью.

По размеру спутниковый телефон сравним с обычным мобильным телефоном, выпущенным в 1980х-1990х годах, но обычно имеет дополнительную антенну. Существуют также спутниковые телефоны в стационарном исполнении. Такие телефоны используются для связи в зонах, где отсутствует сотовая связь.

Номера спутниковых телефонов обычно имеют специальный код страны. Так, в системе Inmarsat используются коды с +870 по +874, в Iridium +8816 и +8817. На сегодняшний день спутниковая связь представлена в мире различными системами со своими достоинствами и недостатками. Что же касается России, то пока на ее территории доступными являются системы Инмарсат, Турайя, Глобалстар и Иридиум.

Инмарсат (Inmarsat) - первый и пока единственный оператор мобильной спутниковой связи, предлагающий все услуги современной спутниковой связи на водных пространствах, на земле и в воздухе.

Рисунок 3.16- Телефон системы Inmarsat

Турайя (Thuraya) - мобильная спутниковая связь, покрывающая одну треть земного шара и предлагающая недорогие звонки своим абонентам с ценой от $0,25 за минуту исходящего звонка и бесплатные входящие (по спутнику).

Рисунок 3.17 - Спутниковые телефоны Thuraya

Спутниковые телефоны Турайя совмещены с сотовыми, в которых есть приемник GPS, определяющий местонахождение с точностью до 100 метров. Связь доступна на 1/3 территории России.

Глобалстар (Globalstar) – это спутниковая связь нового поколения.

Рисунок 3.18 - Спутниковые телефоны Globalstar

Глобалстар предоставляет телефонную связь в тех районах Зземли, где раньше ее не было вообще или были серьезные ограничения в ее использовании и дает возможность звонить или обмениваться данными в практически любом районе планеты.

Иридиум (Iridium) – предоставляет беспроводную спутниковую сеть, обеспечивающую телефоннию везде и всегда. Связь от Иридиума покрывает всю поверхность Земли. В России сеть Иридиум доступна на всей территории, однако пока на обладает лицензией предоставлять услуги на территории РФ.

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала.

Для того чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений. Спутники располагаются на геостационарной орбите.

Рисунок 3.19 - Спутниковые телефоны Iridium

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 (например, 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.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

Рисунок 3.20 – Схема мобильной связи

Принципы организации подвижной спутниковой связи. Для того чтобы мощность сигнала, достигающего мобильного спутникового приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

1. Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик.

2. 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.

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.)

Спутниковый Интернет. Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Особенностями такого вида доступа являются:

Разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения. Поэтому такие соединения называют асимметричными.

Одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями: через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал (по этой причине возможна «Рыбалка со спутника»).

По типу исходящего канала различают:

Терминалы, работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету, поставщика которого называют наземным провайдером. Для работы в такой схеме привлекается туннелирующее программное обеспечение, обычно входящее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью по сравнению с dial-up за сравнительно небольшую цену.

Приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению с входящим). Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера.

И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.

Недостатки спутниковой связи:

1. Слабая помехозащищённость. Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

2. Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере.

3. Поглощение в тропосфере.Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

4. Ионосферные эффекты. Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико. Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

5. Задержка распространения сигнала. Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс. Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс. В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

6. Влияние солнечной интерференции. При приближении Солнца к оси спутника - наземная станция радиосигнал, принимаемый со спутника наземной станцией, искажается в результате интерференции.

2.1 VSAT (Very Small Aperture Terminal)

VSAT-станция - станция спутниковой связи с антенной малого диаметра, порядка 1.8 ... 2.4 м. VSAT-станция используются для обмена информацией между наземными пунктами, а также в системах сбора и распределения данных. ССС с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают телефонную связь с цифровой передачей речи, а также передачу цифровой информации. При передаче телефонного трафика спутниковые системы образуют групповые тракты (совокупность технических средств, обеспечивающих прохождение группового сигнала, т.е. несколько телефонных подканалов объединяются в один спутниковый) и каналы передачи (совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов от одной точки в другую).

Каналы и групповые тракты ССС широко используются на участках магистральной и внутризоновой телефонных сетей. В ряде случаев на местных линиях связи ССС позволяют: организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания ИСЗ. А также работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении потребностей трафика на сети, а также использоваться наиболее эффективно - полнодоступными пучками.

К настоящему времени создано несколько ССС с использованием VSAT. Одной из типичных систем такого рода является система, организованная на базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы, установлены в ряде стран, в том числе и в России.

Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи.

Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации на высоких скоростях (10 кбит/с и более), существуют системы, использующие временное, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими ЗС.

Еще одним параметром, позволяющим классифицировать ССС, является использование протокола. Первые спутниковые системы были беспротокольными и предлагали пользователю прозрачный канал. Недостатком таких систем являлась, например, передача информации пользователя без, как правило, подтверждения ее доставки принимающей стороной. Иначе говоря, в подобных системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией. В этом случае качество ССС определяется качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10-6..10-7 передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что невозможна.

Спутниковая станция типа VSAT по конструктивному признаку состоит из высокочастотного (ODU) и низкочастотного (IDU) модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей аппаратуры).

Стандартный вариант комплектации включает параболическую антенну небольшого диаметра и приёмопередатчик. В зависимости от месторасположения спутниковой станции по отношению к центру зоны освещения спутника и скорости передачи в канале используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и мультиплексор. ODU и IDU соединены между собой радиочастотными (RF) кабелями. По ним идет сигнал промежуточной частоты (IF). IF бывает 70 или 140 МГц.

Внешний блок. Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне. Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу “вверх”. Также прием высокочастотного сигнала со спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку. Антенна. Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным центром). Схема офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи. Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора. связь спутниковый цифровой сигнал

Антенна состоит из:

• * рефлектора (зеркала);
• * системы облучения;
• * опорно-поворотного основания (ОПО).

Основной терминал состоит из:

• * СВЧ блока преобразования частот;
• * усилителя мощности (SSPA или TWT);
• * малошумящего конвертора (LNC);
• * блока электропитания (PS);
• * соединительных кабелей.

Функция приемопередатчика заключается в преобразовании, после модулятора, сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и в преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор.

Внутренний блок. Внутренний блок представляет собой 19” стойку с установленными в ней спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно.

Спутниковый модем. Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для кодирования передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора.

Мультиплексор. Мультиплексор предназначен для мультиплексирования голосовой, факсимильной информации и передаваемых данных. Мультиплексор позволяет скомбинировать ежедневные телефонные и факсимильные сообщения с синхронной и асинхронной передачей данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или спутниковым линиям. Это позволяет снизить телекоммуникационные затраты путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного уменьшения пропускной способности канала.

Спутниковый Шлюз. Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы (большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции).

Шлюз может обеспечивать обеспечивает:

• * выход на телефонные сети;
• * услуги междугородной связи с выходом на сеть общего пользования;
• * услуги международной телефонной связи;
• * выход на специальные телефонные сети, например "Искра-2";
• * выход на сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.);
• * возможность аренды наземного канала до любой точки.

Высокоскоростной выход на INTERNET и другие сети передачи данных.

Шлюз позволяет обеспечить высокоскоростной выход на INTERNET, до 2 Мбит/сек. В данном варианте, возможно, получить доступ ко всем услугам INTERNET (WWW, TelNet, E-mail, FTP и др.). Все описанное выше, также относится и к другим глобальным сетям передачи данных. VSAT - это небольшая станция спутниковой связи с антенной диаметром 0,9 - 3,7 м, предназначенная, главным образом, для надежного обмена данными по спутниковым каналам. Она не требует обслуживания и подключается напрямую к терминальному оборудованию пользователя, выполняя роль беспроводного модема.

Как работает сеть VSAT. Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы.

Центральная земная станция (ЦЗС). Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик (рис.16).

Каналообразующая аппаратура обеспечивает формирование спутниковых радиоканалов и стыковку их с наземными линиями связи. Каждый из поставщиков систем спутниковой связи применяет свои оригинальные решения этой части ЦЗС, что часто исключает возможность использования для построения сети аппаратуру и абонентские станции других фирм. Обычно эта подсистема строится по модульному принципу, что позволяет по мере роста трафика и количества абонентских станций в сети легко добавлять новые блоки для увеличения ее пропускной способности. Центр управления сетью обеспечивает контроль за работой сети, выявление неисправностей, перераспределение ее ресурсов между абонентами, тарификацию предоставляемых услуг и т.п.

Абонентская станция VSAT. Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приемо-передатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.).

Спутник ретранслятор. Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. Мощность передатчиков колеблется от 20 до 100 и более ватт. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Действующие российские спутники имеют передатчики меньшей мощности, поэтому большое количество российских сетей строятся на базе зарубежных спутников.

2.2 SCPC (Single Channel per Carrier)

SCPC (Single Channel per Carrier, один канал на несущую) - классическая технология спутниковой связи. Сущность ее очень проста: для связи двух земных станций А и В на спутнике выделяются две полосы частот: одна для передачи в направлении А-В, другая - для передачи в направлении В-А.

Эти полосы частот «монопольно» используются только станциями А и В и не могут быть использованы кем-то еще. Таким образом, SCPC - выделенный физический канал связи.

В России и в Европе существуют сети VSAT-станций, работающих на принципе SCPC. Стандартный вариант связи SCPC где используется связь по принципу “point-to-point” (“точка-точка”) - это две VSAT-станции, соединенные спутниковым каналом и расположенные у пользователей.

При наличии такого канала пользователи могут устанавливать связь друг с другом в любой момент. Чаще приходится иметь дело с конфигурацией сети типа “звезда” (принцип “центр с каждым”), когда имеется одна станция в головном офисе (отделении, представительстве и т.п.) и несколько станций в удаленных отделениях, филиалах. При использовании данной схемы возможна организация потоков цифровой информации со скоростью от 32 кбит/сек до 8 Мбит/с и обеспечение телефонной, телефаксной связи между центром и периферией. Данная система открывает возможность выхода через спутниковые станции на международный телепорт в Берлине и далее в любую страну мира. Кроме этого возможно получение прямого московского номера и через телепорт в Москве возможно ведение телефонных переговоров по странам бывшего СССР. В целом следует отметить, что SCPC-система является очень мощной альтернативой арендованных некоммутируемых каналов, ведомственных линий и т.п. Весьма привлекательна она как средство передачи больших объемов информации с высокой скоростью. Вследствие использования спутниковых цифровых каналов, она является некритичной к дальности и помехозащищенной.

Подключение удаленной базовой станции сотовой связи. Это единственный способ подключения удаленной базовой станции сотовой связи через спутник, который гарантирует качественную связь и функционирование всех сервисов сотового оператора в полном объеме. Используется пара модемов с последовательными синхронными интерфейсами G.703, через которые передается цифровой поток Е1 (2048 кбит/с), полный или дробный.

Канальный доступ в Интернет. Спутниковый канал SCPC можно использовать в качестве внешнего канала доступа в Интернет для провайдерского узла в регионе. Как правило, в этом случае спутниковый канал связи «приземляется» на узел крупного оператора связи в Москве. Обычно у такого оператора есть центральная земная станция с антенной больших размеров и мощным передатчиком. За счет этого его клиент в регионе может использовать земную станцию с антенной несколько меньших размеров.

Спутниковая сеть радиовещания. PC Audio- классическая технология доставки сигналов сетевой FM-радиостанции ее партнерам-ретрансляторам в других городах. Особенно актуально использование SCPC для региональных радиостанций, у которых студии находятся не в Москве. Аренда спутникового канала SCPC обходится дешевле, чем аренда такого же по скорости канала любой другой технологии. Правда, на приемных станциях приходится использовать довольно дорогое специфическое оборудование. Однако, станций-ретрансляторов, как правило, немного, и стоимость единожды купленного оборудования быстро окупается экономией на платежах за связь. Земная станция спутниковой связи, установленная в студии, работает только на передачу. На ней устанавливается обычный спутниковый модем с последовательным интерфейсом RS-449 и кодер ComStream DAC700, который преобразует звук в последовательный цифровой поток со скоростью 128…392 кбит/с. Используется цифровое сжатие звука MPEG-1 Layer3. На станциях-ретрансляторах устанавливаются обычные приемные спутниковые антенны - такие же, как для спутникового телевидения. К антенне подключается специфический приемник ComStream ABR202, который сочетает в себе однонаправленный спутниковый модем и декодер MPEG. Между модемом земной станции и сетевым оборудованием провайдера устанавливается маршрутизатор.

TES-система предназначена для обмена телефонной и цифровой информацией в сетях, что построены по принципу “mesh” (“каждый с каждым”) или, другими словами, в сетях с полным доступом. Это означает, что возможна телефонная связь между любыми двумя абонентами сети, кроме этого абонентам обеспечивается выход в международную сеть общего пользования через телепорт (Gateway) в Берлине. В простейшей конфигурации обеспечивается связь по одному телефонному или факсимильному каналу. Абоненту предоставляется дополнительная возможность организации передачи цифровой информации между двумя станциями, входящими в сеть. Сеть работает по принципу DAMA - когда абонент не имеет жестко закрепленного за ним спутникового канала, а этот канал предоставляется ему по первому требованию, причем с высокой (более 99 %) вероятностью. Этот способ позволяет уменьшить число арендуемых спутниковых каналов и обеспечить приемлемые цены для абонентов. В целом, использование именно TES-системы является самым оперативным и действенным способом доступа в международную телефонную сеть, а также хорошим средством связи с теми областями, которые обладают либо неразвитой инфраструктурой связи, либо вообще не имеют таковой.

Система персональных земных станций (Personal Earth Station) PES™- спутниковая диалоговая пакетно-коммутируемая сеть, предназначенная для обмена телефонной и цифровой информацией в рамках ССС с топологией типа "звезда", с возможностью полного дуплекса. Система располагает крупной и дорогой центральной станцией (HUB station) и многими небольшими и недорогими периферийными станциями PES или remote. Большая эффективная излучаемая мощность высокое качество приема центральной станции делает возможным применение на PES малых антенн диаметром 0,5-1,8 м и маломощных передатчиков мощностью 0,5-2 Вт.

Это значительно снижает стоимость абонентской ЗС. В отличие от других вышеназванных систем, в этой передача информации всегда идет через HUB. С точки зрения энергетики системы и ее стоимости (соответственно и стоимости предлагаемых услуг) оптимально расположение центральной ЗС в центре зоны освещения спутника. Например, в сети, работающей через спутник INTELSAT-904, центральная ЗС расположена в Москве.

Достоинства СКС:

Спутниковые системы связи могут различаться также и типом передаваемого сигнала, который может быть цифровым или аналоговым. Передача информации в цифровой форме обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами передачи. К ним относятся:

• * простота и эффективность объединения многих независимых сигналов и преобразования цифровых сообщений в “пакеты” для удобства коммутации;
• * меньшие энергозатраты по сравнению с передачей аналогового сигнала;
• * относительная нечувствительность цифровых каналов к эффекту накопления искажений при ретрансляциях, обычно представляющему серьезную проблему в аналоговых системах связи;
• * потенциальная возможность получения очень малых вероятностей ошибок передачи и достижения высокой верности воспроизведения переданных данных путем обнаружения и исправления ошибок;
• * конфиденциальность связи;
• * гибкость реализации цифровой аппаратуры, допускающая использование микропроцессоров, цифровую коммутацию и применение микросхем с большей степенью интеграции компонентов.

Недостатки СКС:

Слабая помехозащищённость. Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере. Поглощение в тропосфере. Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

Ионосферные эффекты. Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят: мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

Задержка распространения сигнала. Проблема задержки распространения сигнала, так или иначе, затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс. Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

3 Обобщенная характеристика состояния и тенденций развития ССС

Для организации каналов связи преимущественно используются космические аппараты (КА), расположенные на геостационарной орбите (ГСО). Возможности создания телекоммуникационных сетей на основе спутников на негеостационарных орбитах ограничены незначительной зоной обслуживания, невозможностью предоставления услуг на постоянной основе и рядом других факторов. Большинство этих факторов может быть устранено при использовании группировки спутников, но появляется необходимость слежения за ними. Преимущественно такие группировки используются для организации подвижной связи и радиовещания. Наибольшие из них Iridium (88 КА), Globalstar (48 КА), Orbcomm (31 КА). Для предоставления телекоммуникационных услуг, в особенности вещания, используются геостационарные спутниковые системы связи.

Ежегодно на ГСО выводится от 15 до 30 КА и завершают свою работу 10-15 спутников. За последние 10 лет ежегодный усредненный прирост количества КА составил около 3 %. Однако, при рассмотрении вопроса о росте потребностей в спутниковых каналах, чем обуславливаются запуски КА, следует учитывать не абсолютный прирост, а возможности выводимых на ГСО спутников. Наблюдается тенденция к запуску более эффективных в отношении прибыль/цена «тяжелых» КА, имеющих телекоммуникационную полезную нагрузку около 50 стволов и более. Из 83 работающих «тяжелых» КА 69 было выведено на орбиту после 2000 года (33 % от общего количества запусков).

По состоянию на начало марта 2011 года на геостационарной орбите (ГСО) в различных службах функционирует 319 спутников-ретрансляторов гражданского назначения. Услуги телекоммуникаций предоставляют 67 международных и национальных операторов, которым принадлежат 89 спутниковых систем связи. ССС зарегистрированы в 35 странах, перечень которых приведен в Приложении А.

В список стран, приведенный в Приложении А, следует включить Казахстан, Нигерию, Аргентину, потерявшие к настоящему времени свои спутники, но восстанавливающих функционирование ССС. В этом году Казахстан в рамках национальной системы спутниковой связи Kazsat выведет на ГСО два КА, Нигерия в рамках Nigcomsat - три КА. Аргентина строит новую систему спутниковой связи Arsat в составе трех КА. Спутники, находящиеся на ГСО, имеют около одиннадцати тысяч транспондеров разных служб, мощности и емкости, из которых задействовано около 8000 столов. Поскольку транспондеры значительно отличаются полосой частот, то более приемлемым критерием для оценки распределения является суммарная полоса частот стволов.

По состоянию на конец февраля 2011 г. общий частотный ресурс транспондеров выведенных на ГСО спутников достигла примерно 450 ГГц полосы частот, из которого более половины в диапазоне Ku (51,4 %), 35,1 % в диапазоне С и 12,0 % в диапазоне Ka.

При ежегодном увеличении количества действующих КА на 3 % ежегодный прирост частотного ресурса заметно больше, примерно 13 %, что связано с запуском «тяжелых» КА. За десять лет общая полоса спутниковых каналов выросла примерно в два раза. В диапазонах Ku и C наблюдается почти линейный рост суммарной емкости, более интенсивными темпами внедряется диапазон Ka.

Тенденции к монополизации на рынке спутниковых телекоммуникаций начали проявляться с 2001 года после слияния SES Astra с GE Americom и образования корпорации SES Global. В 2006 г. корпорация приобрела ССС NSS, в 2009 г. - часть расформированной ССС Protostar, а в марте 2010 г. полностью выкупила ССС Sirius. Кроме того SES Global владеет 70 % акций ССС Ciel и 49 % акций оператора Quetzsat, планирующего запуск первого КА в 2011 г.

Международная организация INTELSAT после приобретения в 2003 г. части ССС Telstar (4 КА) и слияния с PanAmSat (2005 г.) стала наибольшим спутниковым оператором. Дополнительно в 2009 г. организация выкупила три КА Amos 1, Protostar 2 и JCSat 4R.

Третий по величине оператор EUTELSAT проявил заинтересованность в приобретении ССС Satmex, под его контролем находится около трети активов оператора Hispasat.

Канадский оператор Telesat в 2007 г. приобрел остатки ССС Telstar (4 КА) и стал четвертым в мире международным оператором.

В 2008 г. японские операторы JSAT и SCC (ССС Superbird) образовали корпорацию JSAT Perfec Pro, в которую входит также ССС NSat и частично ССС Horizons.

В 2006 г. оператор Cablevision перешел под управление оператора Echostar, который большей своей частью входит в корпорацию Dish Network, находящуюся под контролем группы DIRECTV, владеющей ССС DTV и контролирующей ССС Spaceway. Можно говорить о практическом объединении трех систем DTV, Echostar и Spaceway.

В 2010 г. три китайских оператора систем Chinasat, Sinosat, Chinastar объединились и создали новую организацию Chinasat.

В 2010 году было объявлено образование новой организации Sirius XM Radio после слияния XM Satellite Radio и Sirius FM Radio. Космический флот данного оператора кроме шести геостационарных спутников включает четыре низкоорбитальных КА.

Имеющаяся тенденция к монополизации не является сдерживающим фактором развития малых по количеству КА ССС. Планируется не только запуск спутников на замену отработавшим свой срок, но и создание новых систем, включая национальные ССС.

В течение последующих трех лет ожидается пополнение списка стран создающих национальные системы спутниковой связи:

• - 2011 г., Иран: ССС Zohreh (2 КА);
• - 2011 г., ОАЭ: ССС Yachsat (2 КА);
• - 2011 г., ОАЭ совместно с Иорданией: ССС SmartSat (1 КА);
• - 2012 г., Украина: ССС Lybid (1 КА);
• - 2012 г., Азербайджан: ССС AzerSpace, (2 КА), один КА совместно с Малайзией;
• - 2013 г., Катар: ССС Eshail (1 КА), совместно с Eutelsat;
• - 2013 г., Боливия: ССС Tupac Katani (1 КА);
• - 2013 u/? Kfjc^ CCC Laosat (1 RF)

Страны, имеющие спутниковые группировки, в соответствии с потребностями рынка создают новые системы:

• - 2011 г., Россия: ССС Luch (3 КА) для услуг передачи данных;
• - 2011 г., США: Viasat (2 КА) для предоставления услуг высокоскоростного доступа;
• - 2011 г., Мексика: ССС QuetzSat (1 КА) для предоставления услуг вещания и фиксированной связи;
• - 2012 г., США: ССС Jupiter (1 КА) и ССС OHO (3 КА) для предоставления услуг высокоскоростного доступа и телевидения высокой четкости;
• - 2012 г., Мексика: ССС Mexsat (3 КА), которые будут работать в подвижной, фиксированной и вещательной службах;
• - 2012 г., Австралия: ССС Jabiru (1 КА) для предоставления услуг вещания и фиксированной связи;
• - 2013 г., ОАЭ: S2M (1 КА) для предоставления услуг вещания мобильным пользователям;
• - 2013 г., Канада: ССС Canuk (1 КА) для системы высокоскоростного доступа.

В рамках системы подвижной связи Inmarsat новая серия КА пятого поколения и два КА Alfasat и Europesat ориентируются на новый для данного оператора вид услуг - вещание на подвижные объекты.

Приоритетным видом услуг остается спутниковое вещание. Кроме стандартного набора услуг непосредственного вещания, раздачи программ на сети наземного эфирного и кабельного вещания через спутники ETS 8 и MBSat уже ведется экспериментальное телевизионное вещание на подвижные объекты. Для оказания такого вида услуг планировался запуск трех КА (Eutelsat 2A, Echostar 13 или CMBstar и S2M 1), из которых Eutelsat 2A был запущен, однако неполадки с развертыванием антенны не позволили начать реализацию услуг в европейском регионе. Спутниковые каналы интенсивно используются для предоставления услуг высококачественного и интерактивного вещания, началось внедрение 3D-телевидения.

Вторым по приоритетности стало предоставление услуг высокоскоростного доступа. К функционирующим специализированным спутникам WildBlue 1, Spaceway 3, IPStar 1, недавно выведеных на ГСО КА Eutelsat KaSat и Hylas добавятся ориентированные на эти услуги спутники Viasat (2 КА), OHO (3 КА), Canuk, 3 КА Inmarsat пятого поколения, Jupiter и другие.

Дальнейшее направление развития спутниковых телекоммуникационных систем связывается с конвергенцией услуг и функций систем, далеких по принципам действия и назначениям, путем взаимопроникновения и использования общих технико-технологических решений. Конвергенция будет всё больше стирать различия между отдельными видами услуг, все сети будут предоставлять любой их вид в значительно расширенной номенклатуре и в большем объеме на основе единой технологической платформы, обеспечивающей развитие интерактивного и непосредственного вещания, высококачественного вещания, систем высокоскоростного доступа, дистанционного обучения, телемедицины, телебанкинга и прочих мультисервисных приложений. Корпоративный характер данных услуг из единого центра на пользовательскую сеть делает спутниковые системы связи наиболее пригодными для их предоставления. Новые услуги займут до 80 % спутникового ресурса.

Общий прирост объемов услуг спутниковых каналов за пятилетие составляет 76 %, а увеличение доходов по службам телекоммуникации соответственно составляет: ССВ - 82 %, ФСС - 97 %, ПСС - 29 %. Отметим, что приведенные в таблице 2 данные по услугам доступа относятся к предоставляемым по каналам вещания. Данный вид услуг в значительной мере также обеспечивается и каналами фиксированной связи, что в таблице отдельной графой из-за отсутствия информации не отмечено. Основную долю доходов ССС в 2009 г. (81 %) обеспечивает спутниковая служба вещания (ССВ), что подчеркивает степень ее приоритетности. Распределение уровня доходности между службами по опубликованным за последние пять лет данным Satellite Industry Association приведено в Приложении Б. Следует подчеркнуть, что телекоммуникационные услуги по спутниковым каналам определяют основные доходы от деятельности в космической отрасли индустрии. Из общего объема доходов равного 160,9 млрд. долл., доля от доходов телекоммуникаций составляет 58,2 %.

Возросла энерговооруженность КА. Мощности стволов в наиболее используемых диапазонах в среднем составляет: Ku 120 - 150 Вт, C - 50 - 60 Вт. Удельная мощность, приходящаяся на единицу полосы, достигла 1,2 Вт/МГц, что дает возможность использования в канале более эффективных многопозиционных сигналов и высокоскоростных каскадных кодов.

Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи Early Bird

По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I ) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи . В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании , Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи .

В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц .

В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник » которое было подписано только в 1971 году

Спутниковые ретрансляторы

Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная надувная сфера выполняла функции пассивного ретранслятора

В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры - спутники «Эхо» и «Эхо-2»), 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 оборудованы 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 спутниковых ретрансляторов

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

• экваториальные,
• наклонные,
• 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 больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите не способен 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 - предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

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.

Многократное использование частот. Зоны покрытия

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).

Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты :

• глобальный луч - производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника.

• лучи западной и восточной полусфер - эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной полусферах используется один и тот же диапазон частот.

• зонные лучи - поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи полусфер. Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи полусфер и глобальный луч.

При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной полусферах и в каждой из зон.

Частотные диапазоны

Антенна для приема спутникового телевидения (Ku-диапазон)

Спутниковая антенна для C-диапазона

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. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU -R V.431-6 :

Название диапазона	Частоты (согласно ITU-R V.431-6)	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая связь
X	Для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.	Фиксированная спутниковая связь (для военных целей)
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой. 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 (ИКМ) .

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 . Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK .

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну . Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Множественный доступ

Для обеспечения возможности одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа :

• Множественный доступ с частотным разделением - при этом каждому пользователю предоставляется отдельный диапазон частот.

• множественный доступ с временны́м разделением - каждому пользователю предоставляется определенный временной интервал (таймслот), в течение которого он производит передачу и прием данных.

• множественный доступ с кодовым разделением - при этом каждому пользователю выдается кодовая последовательность, ортогональная кодовым последовательностям других пользователей. Данные пользователя накладываются на кодовую последовательность таким образом, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на одних и тех же частотах.

Кроме того, многим пользователям не требуется постоянный доступ к спутниковой связи. Этим пользователям канал связи (таймслот) выделяется по требованию с помощью технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access - множественный доступ с предоставлением каналов по требованию).

Применение 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

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. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

• 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.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи . Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

Спутниковый Интернет

Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили » (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Особенностями такого вида доступа являются:

• Разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения. Поэтому такие соединения называют асимметричными .
• Одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями: через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал (по этой причине возможна «Рыбалка со спутника »).

По типу исходящего канала различают:

• Терминалы, работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету, поставщика которого называют наземным провайдером . Для работы в такой схеме привлекается туннелирующее программное обеспечение, обычно входящее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью по сравнению с dial-up за сравнительно небольшую цену.
• Приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению со входящим). Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера.

И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.

Недостатки спутниковой связи

Слабая помехозащищённость

Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны , малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды . Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Влияние атмосферы

На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере .

Поглощение в тропосфере

Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода) . В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания , причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

Ионосферные эффекты

Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание , поглощение , задержку распространения , дисперсию , изменение частоты , вращение плоскости поляризации . Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания , возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

Задержка распространения сигнала

Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс .

Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

Влияние солнечной интерференции

См. также

• ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Примечания

1. Вишневский В. И., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Исторический очерк развития сетевых технологий // Широкополосные сети передачи информации. - Монография (издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований). - М .: «Техносфера», 2005. - С. 20. - 592 с. - ISBN 5-94836-049-0
2. Communications Satellite Short History. The Billion Dollar Technology
3. Communications Satellite Short History. The Global Village: International Communications
4. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 18
5. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004
6. Официальный сайт компании «Интерспутник»
7. Концептуально-правовые вопросы широкополосных спутниковых мультисервисных сетей
8. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 167
9. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 2
10. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 73
11. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 108
12. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 28
13. Recommendation ITU-R V.431-6. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications
14. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 256
15. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 264
16. http://www.telesputnik.ru/archive/116/article/62.html Стандарт DVB-S2. Новые задачи - новые решения//Журнал по спутниковому и кабельному телевидению и телекоммуникациям «Телеспутник»
17. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 283
18. Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / пер. с англ. В. Б. Афанасьева . - М .: Техносфера, 2006. - 320 с. - (Мир связи). - 2000 экз. - ISBN 5-94836-035-0
19. Dr. Lin-Nan Lee LDPC Codes, Application to Next Generation Communication Systems // IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference . - October, 2003.
20. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. - 2 изд. - М .: «Вильямс», 2007. - С. 1104. - ISBN 0-13-084788-7
21. Система спутниковой связи и вещания «Ямал»
22. VSAT FAQ
23. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 68
24. Satellite Internet and VSAT Information Centrum
25. Satellite Communications and Space Weather
26. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 91
27. Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 93
28. Bruce R. Elbert. The Satellite Communication Applications Handbook. - Artech House, Inc., 2004, p. 34.
29. Satellite Communications in the Global Internet: Issues, Pitfalls, and Potential

Ссылки

• WTEC Panel Report on Global Satellite Communications Technology and Systems (англ.)
• О спутнике Early Bird на сайте boeing.com (англ.)
• Communications Satellites Short History (англ.)
• VSAT FAQ (англ.)