Спутниковые системы передачи информации

Среди средств связи, стремительно развивающихся последние 20 лет, необходимо особо отметить спутниковые системы связи (ССС), имеющие в ряде случаев значительные преимущества по сравнению с наземными.

Благодаря большой зоне освещения, спутники обеспечивают связь между земными станциями (ЗС), удаленными на значительные расстояния. При этом стоимость передачи сигнала не зависит ни от числа ЗС, ни от расстояния между ними, так как сигналы, ретранслируемые спутником, принимают все ЗС, находящиеся в зоне его освещения.

ССС не требуют дорогостоящей прокладки наземных коммуникаций, а ЗС могут быть очень быстро установлены в любой точке зоны освещения спутника. По сравнению с радиорелейными линиями основным преимуществом ССС является независимость от рельефа местности и расстояния между станциями.

Сфера применения спутниковой связи весьма обширна: теле- и радиовещание, телефония, передача данных и видеоизображения. Для каждой области применения разработаны свои ССС, отражающие особенности передачи информации. Так, например, если речевой сигнал допускает искажение нескольких бит информации без потери общего смысла сообщения, являясь очень чувствительным к времени задержки в спутниковом канале, то совершенно обратная картина наблюдается при передаче данных: сигнал теряет свою достоверность при искажении или потере нескольких бит сообщения и мало зависит от величины задержки в канале. Системы, предназначенные для передачи телефонных сигналов, при помощи различных алгоритмов уплотняют поток голосовых данных в два и более раз и передают его в канал, что позволяет экономно обходиться с имеющимся частотным ресурсом1. При обмене данными, как правило, используется пакетная передача по некоторому протоколу2.

В рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением систем спутниковой передачи данных, появившихся в последнее время на рынке средств связи. Их можно разделить на системы двух видов: работающие через спутники на негеостационарных и геостационарных орбитах.

Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность — невозможность поддержания круглосуточной связи с ЗС. Однако, перемещаясь по заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с большой площади земной поверхности.

Геостационарные спутники выводятся на такую орбиту в плоскости экватора, при которой их угловая скорость совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Высота над поверхностью Земли, где выполняются условия постоянства скоростей и равенства центробежной и гравитационной сил, составляет 36 тыс. км. Теоретически, один расположенный таким образом спутник может обеспечить качественную связь для трети земной поверхности. В действительности обслуживаемые территории существенно меньше. Особенностью спутников на геостационарных орбитах является значительная временная задержка сообщения (порядка 240 мс) в спутниковом канале, вызванная необходимостью два раза преодолевать расстояние в 36 тыс. км от ЗС до спутника.

Геостационарные спутники сейчас работают в основном в двух частотных диапазонах: С (4 — 6 Ггц) и КU (11 — 14 Ггц). Отечественные спутники “Горизонт”, “Радуга” или международные спутники, например Intelsat, использующие С-диапазон, имеют довольно большую зону освещения земной поверхности, но для ЗС, работающих через эти спутники, требуются антенны большего диаметра (от 3,5 до 11 м) и очень мощные передатчики. Спутники, использующие KU-диапазон, освещают меньшие территории, но позволяют уменьшить диаметр антенн ЗС до 60 см и снизить мощность их передатчиков. Например, зона освещения восточным лучом KU-диапазона спутника Intelsat 6 показана на рис. 1.

Особенность спутников Intelsat 6 и Intelsat 7 — наличие весьма совершенной системы коррекции точки стояния на орбите. Это исключает необходимость использования антенн со сложной системой слежения за спутником, оборудованных электроприводом разворота. Такие механизмы значительно усложняют конструкцию ЗС и резко снижают надежность ее функционирования. ЗС, работающие через спутники Intelsat, жестко фиксируются в направлении на спутник и не требуют постоянной юстировки.

Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации с большой скоростью (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 пользователям прозрачный канал. К недостаткам таких систем можно отнести, например, передачу информации пользователя, как правило, без подтверждения ее доставки приемной стороной. Другими словами, 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 (Bit Error Rate — BER) в пределах 10-6 ... 10-7 передача больших файлов через спутниковые системы даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что невозможна. Современные ССС используют протокол, повышающий надежность связи при сохранении высокой скорости обмена информацией между абонентами. Так, например, для рассматриваемой ниже системы передачи данных типа PES (Personal Earth Station) вероятность ошибки на символ не превышает 10-9 для 99% времени связи.

Для дальнейшего рассмотрения принципов построения спутниковых систем передачи информации обратимся к конкретному примеру — системе PES, разработанной фирмой Hughes Network Systems.