Спутниковая связь

Спутниковая связь

Спутниковая связь

Введение

Спутниковые линии (СЛ) используют сантиметровый диапазон волн. Отличие от РРЛ в том, что ретранслятор поднят на околоземную орбиту.

Существует три различных вида спутников: низкой, средней околоземной орбиты и геостационарные. Высота геостационарной орбиты составляют 36 000 км, на этой орбите спутник вращается с угловой скоростью Земли. Три спутника под углом 1200 способны обеспечить связью всю планету.

Рис. 1. - Охват Земли тремя геостационарными спутниками

Спутниковые линии связи применяют для:

вещания ТВ программ;

связи с удаленными труднодоступными районами (крайний Север, дальный Восток);

для военных нужд.

Стоимость канала спутниковой линии достаточно высока, большую часть стоимости составляет запуск спутника.

Классификация спутников:

. По зоне обслуживания:

глобальные;

региональные;

национальные.

. По типу услуг:

- стационарная служба связи (fixed service satellite - FSS);

радиовещательная служба связи (broadcast service satellite - BSS);

мобильная служба связи (mobile service satellite - MSS).

3. По характеру использования:

коммерческие;

военные;

любительские;

экспериментальные.

Классификация орбит:

. По форме:

круговая;

эллиптическая.

. По плоскости:

экваторивальная;

полярная;

наклонная.

. По высоте над уровнем моря:

геостационарные околоземные орбиты (geostationary earth orbit - GEO);

средние околоземные орбиты (medium earth orbit - MEO);

низкие околоземные орбиты (low earth orbit - LEO).

1. Геостационарные спутники

Высота орбиты составляет 35863 км. Число геостационарных спутников на орбите достигло того, что спутники располагаются на орбите достаточно близко друг к другу. Круговая орбита проходит вдоль экватора Земли.

Достоинства геостационарной орбиты:

отсутствие эффекта Доплера (изменение частоты сигнала при относительном движении спутника и антенн, т.к. спутник неподвижен относительно Земли);

упрощенная процедура отслеживания;

простота в покрытии больших территорий.

Недостатки геостационарной орбиты:

серьезное ослабление сигнала (большие расстояния);

полярные области северного и южного полюсов практически недоступны;

большая задержка при прохождении сигнала, ок. 0,12 секунд в одном направлении и это только для абонентов на экваторе. На территории задержка больше;

из-за большого охвата территории имеется низкое использование полосы частот. Т.е. всей полосой спутника пользуются все охватываемые им территории, что плохо для многоточечных приложений (телефонная связь), но хорошо для вещательных.

Решить многие проблемы спутников GEO призваны спутники MEO и LEO.

2. Спутники низкой околоземной орбиты

Высота орбиты: от 500 до 1500 км. Орбита эллиптическая или круговая. Период орбиты - 1,5-2 часа. Диаметр зоны обслуживания равен приблизительно 8000 км. Задержка не более 20 мс (вверх-вниз). Время связи со спутником с точки на Земле - 20 минут.

Особенности:

наличие больших доплеровских сдвигов по частоте усложняется оборудованием;

большое сопротивление атмосферы движению спутников. Требуется корректировка орбиты из-за ее деформации;

из-за малой зоны покрытия при связи 2-х наземных станций, сигнал передается с одного спутника на другой.

меньшая задержка сигнала;

меньшее затухание сигнала;

эффективное использование частот.

LEO рекомендованы для использования на мобильных и персональных терминалах.

В качестве примера приведем два коммерческих применения спутников LEO:

. Малые кластеры LEO.

Используют частоты менее 1 ГГц при полосе не более 5 МГц. Скорость передачи данных до 10 кбит/с.

Пример: система Orbcomm для слежения за служебным транспортом (ж/д перевозки), наблюдение за хранилищами нефти и газа, скважинами и трубопроводами, а также для связи с удаленными регионами.

. Большие кластеры LEO.

Рабочая частота более 1 ГГц.

Пример: Globalstar по технологии CDMA - на орбите находятся 48 рабочих + 8 запасных спутников на высоте 1413 км.

3. Спутники средней околоземной орбиты

Высота орбиты 5000…12000 км. Орбита круговая. Период орбиты - 6 часов. Диаметр зоны обслуживания - 10000…15000 км. Задержка сигнала - менее 50 мс. Время наблюдения спутника с точки на земле - примерно час.

Для передачи спутниковых сигналов используют частоты указанные в табл. 1.

Таблица 1

Диапазон частот, ГГц

Суммарная ширина полосы, ГГц

Применение

L

1-2

1

MSS

S

2-4

2

MSS, NASA, исследование дальнего космоса

C

4-8

4

FSS

X

8-12,5

4,5

Военные FSS, метеоспутники

KU

12,5-18

5,5

FSS, BSS

K

18-26,5

8,5

FSS, BSS

Ka

26,6-40

13,5

FSS

спутник орбита геостационарный связь

где BSS - вещательные приложения; MSS - мобильные приложения; FSS - военные приложения.

Полоса восходящего канала всегда берется выше, т.к. наземные станции более мощные и могут излучать высокочастотный сигнал, который подвержен рассеиванию больше, чем низкочастотный.

Спутники используют узконаправленные антенны для работы на СВЧ, т.е. сигнал со спутника нацеливается на определенную точку Земли.

Рис. 3. - След спутника

В центральной части точки имеется максимальный уровень сигнала, на периферии - минимальный.

4. Конфигурация спутниковой сети

. Двухточечный канал связи (рис. 4.).

Рис. 4. - Пример двухточечного канала связи

. Широковещательный канал связи (рис. 5.).

Рис. 5. - Пример широковещательного канала связи

Разновидностью широковещательного канала связи является система VSAT (very small aperture terminal) - терминал со сверхмалой апертурой луча. VSAT технология малых спутниковых терминалов, устанавливаемых прямо у пользователей, и непосредственного спутникового телевизионного вещания.

Рис. 6. - Система VSAT

5. Способы уплотнения каналов

1. FDMA - frequency division multiple access - множественный доступ с частотным разделением.

. TDMA - time division multiple access - множественный доступ с временным разделением.

. CDMA - code division multiple access - множественный доступ с кодовым разделением.

Существует два способа построения систем с уплотнением:

. FAMA - fixed assignment multiple access - множественный доступ с фиксированным распределением.

. DAMA - demand-assignment multiple access - множественный доступ с распределением по запросу.

5.1 FAMA - FDMA

Распределение пропускной способности спутникового канала производится заранее.

Рис. 7. - Пример схемы FAMA-FDMA

В результате большая часть пропускной способности не используется.

5.2 DAMA-FDMA

Распределение пропускной способности спутникового канала производится в зависимости от спроса на частоты.

Рис. 8. - Сигналы распределения каналов по полосе в DAMA-FDMA

Один спутник может иметь несколько антенн, направленных на разные области земли. Это позволяет эффективней использовать спутник.

Кроме того, такие спутники часто оборудованы системами коммутации SS (satellite-switched). Тогда один спутник может коммутировать сигналы разных областей.

При передаче вверх станции транслируют сигнал в своих временных окнах, а при передаче вниз коммутированного сигнала спутник широковещательно передает сигнал соответствующей области.