662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

маршрутизации сообщений, статистического мультиплексировании информационных потоков, подавления шумов каналов ЗС-СР.

Для реализации преимуществ статистического мультиплексирования и маршрутизации можно использовать двухскачковую схему передачи, предусматривающую наличие центральной станции, которая осуществляет демодуляцию сигналов, извлекает необходимую информацию и осуществляет целенаправленную коммутацию. Однако наличие двух скачков при передаче удваивает задержку распространения сигналов, а необходимость переизлучать одни и те же сигналы дважды приводит к дополнительным затратам связных ресурсов СР, компенсирующим в значительной мере выигрыш, обусловленный возможностью быстрой коммутации и мультиплексирования.

Перечисленные недостатки можно исключить, если возложить на СР функции не только физического, но канального и сетевого уровней.

Рассмотрим каналы ЗС-СР. В данном случае m-лучевая приемная антенна ретранслятора позволяет:

при неизменных связных ресурсах земных станций (по сравнению с глобальной антенной) повысить пропускную способность каналов связи ЗС-СР

вт раз;

при фиксированных пропускной способности каналов связи ЗС-СР и качестве передачи в т раз снизить мощность передатчиков земных станций,

либо в m раз уменьшить диаметр их антенн, что позволяет существенно удешевить наземный сегмент сети.

Благодаря возможности многократного использования одинаковых полос частот в различных лучах, применение многолучевых приемных антенн позволяет повысить эффективность использования полосы частот.

Эта возможность реализуется при помощи пространственного разделения (разделения по направлению прихода) сигналов, перекрывающихся в частотной области. Эффективность пространственного разделения может быть оценена в зависимости от формы диаграммы направленности конкретной антенны и величины углового разноса между источниками разделяемых сигналов. Наличие боковых лепестков ДН не позволяет реализовать в диапазонах радиочастот пространственное разделение в чистом виде, т.е. использовать во всех приемных лучах одну и ту же полосу частот.

На практике не допускается использование одинаковых сигналов в соседних лучах, а возможно применение одинаковых частот, пространственно разнесенных не менее чем через один луч. Но даже и в этом случае к уровню боковых лепестков многолучевых бортовых антенн предъявляются существенно более жесткие требования, чем к однолучевым антеннам. Эффективность многократного использования полосы частот определяют отношением числа лучей к числу используемых разных полос частот (это отношение называется коэффициентом многократного использования частоты).

121

Пространственное расположение отдельных лучей при их относительно небольшом числе выбирается таким образом, чтобы обеспечить полное покрытие области обслуживания заданной конфигурации. На рис 2.21 для примера показано покрытие зоны обслуживания восемью лучами. Коэффициент многократного использования частоты в рассматриваемом примере равен двум. При большом числе лучей их центры располагаются в узлах гексагональной решетки, которая строится на основе покрытия плоскости равносторонними треугольниками.

Правильная гексагональная решетка приводит к формированию области обслуживания, близкой по форме к правильному шестиграннику (рис 2.22). На практике соседние лучи перекрываются, как правило, на уровне минус 3 дБ, таким образом, чтобы обеспечить сплошное покрытие области обслуживания.

Рис. 2.21. – Покрытие зоны обслуживания восемью лучами

Если угловое расстояние между центрами соседних зон обслуживания равно α, то ширина ДН используемых лучей, обеспечивающих сплошное покрытие области обслуживания по уровню не менее минус 3 дБ, должна быть равна α/cos30° = 1,1547α.

В ситуациях, когда форма области обслуживания сильно отличается от правильной, возможно исключение из решетки части периферийных лучей таким образом, чтобы максимально приблизиться к требуемой конфигурации области обслуживания. У каждого луча решетки число соседних лучей не превышает шести, поэтому для исключения использования одинаковых частот в смежных лучах понадобится 7 различных частот и коэффициент многократного использования частоты для гексагональной решетки равен m/7 (m – количество зон обслуживания). Дополнительно, применяя поляризационное разделение, величину этого коэффициента можно увеличить до значения m/4.

122

4 1

6 5

Рис. 2.22. – Гексагональная решетка

Таким образом, применение многолучевых приемных бортовых антенн необходимо в первую очередь при построении высокоскоростных сетей связи, например, широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания, а также в ситуациях, когда энергетические и массо-габаритные характеристики аппаратуры пользователей жестко ограничены, например, в сетях VSAT, сетях персональной подвижной спутниковой службы, сетях сбора информации. Возможность эффективного использования частотного ресурса сетей связи весьма привлекательна для сетей персональной подвижной службы L -диапазона, в котором доступная в соответствии с Регламентом полоса частот не превышает нескольких десятков МГц.

Заметим, что отмеченные выше преимущества многолучевых бортовых приемных антенн с фиксированными лучами могут быть реализованы, когда земные станции разделены между зонами обслуживания достаточно равномерно, а трафик от зон обслуживания примерно одинаков. В противном случае, когда, например, подвижные пользователи, перемещаясь в пределах области обслуживания, могут концентрироваться в части зон, указанный выигрыш в пропускной способности и полосе частот снижается, а в пределе, когда весь трафик сети может сосредоточиться в одной из зон обслуживания, - выигрыш по сравнению с системой, использующей глобальный луч, отсутствует. В подобных случаях, при относительно небольшом числе мобильных абонентов, возможно использование узких сканирующих лучей, каждый из которых осуществляет обслуживание одного из абонентов.

123

Примером такой системы является американская система начала 80-х го-

дов TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), которая предназначена для управления и информационно-телеметрического обеспечения группировки низкоорбитальных космических аппаратов. В этой системе использована 30элементная ФАР, позволяющая при угловом размере области обслуживания около 26° формировать сканирующие приемные лучи шириной 26° / m ≈ 5°. Количество приемных лучей определяется числом комплектов аппаратуры формирования лучей и в рассматриваемой системе равно 20. Это позволяет одновременно обслуживать до 20 пользователей.

Функции ФАР распределены между космическим и наземным сегментами системы: приемные элементы установлены на борту ретранслятора, а аппаратура формирования лучей размещена на Земле. Каждый приемный элемент связан с наземной аппаратурой по отдельному частотному каналу. Описанный подход позволил обеспечить обслуживание динамично перемещающихся пользователей в зависимости от их расположения в пространстве. В процессе функционирования системы приемные лучи могут перекрываться, поэтому необходимо дополнительно разделять сигналы пользователей по частоте или форме, но при этом частотный выигрыш не может быть реализован.

Рассмотрим теперь каналы СР-ЗС. При использовании на СР глобального передающего луча каждая ЗС анализирует групповой информационный поток, передаваемый ко всем станциям области обслуживания, и выделяет предназначенную для нее информацию по присвоенному ей индивидуальному частотному, временному или кодовому признаку. Если информация для каждой из т равномерно распределенных по области обслуживания станций может одновременно передаваться с максимальной скоростью R, пропускная способность глобального луча составит mR.

При использовании m-лучевой передающей антенны коэффициент усиления каждого зонального луча увеличится в т раз по сравнению с глобальным, но ограниченный энергетический ресурс ретранслятора должен быть разделен между т лучами, поэтому ЭИИМ и соответственно пропускная способность каждого зонального луча будут такими же, что и у глобального. Если передаваемая информация носит многоадресный (циркулярный) характер, т.е. предназначена для всех станций области обслуживания, по каждому зональному лучу параллельно передается один и тот же информационный поток со скоростью mR.

Очевидно, что в рассматриваемом случае многолучевая передающая антенна не обеспечивает выигрыша в пропускной способности по сравнению с глобальным лучом, а с учетом реализационных потерь приводит к проигрышу. По полосе занимаемых частот многолучевая антенна приводит к проигрышу в число раз, равное количеству используемых частот.

По этим причинам в широковещательных сетях, в частности, сетях спутникового телевидения многолучевые передающие антенны для повышения

124

пропускной способности не используются. Увеличение пропускной способности широковещательных сетей может быть достигнуто лишь наращиванием энергетических ресурсов ретранслятора.

Возникающее при этом противоречие между массо-габаритными характеристиками СР и возможностями средств доставки на орбиту может быть разрешено последовательным выводом в рабочую точку нескольких менее мощных ретрансляторов, каждый из которых «освещает» определенную часть области обслуживания или передает на всю зону обслуживания часть из общего числа предназначенных для трансляции программ.

При передаче адресной информации, предназначенной для одной или нескольких близкорасположенных станций, возникает иная ситуация. Если разделить групповой информационный поток между передающими лучами таким образом, чтобы в каждый зональный луч направлялась только информация, предназначенная для станций обслуживаемой им зоны, многолучевая передающая антенна обеспечивает выигрыш по пропускной способности в т раз по сравнению с однолучевой. Однако этот выигрыш может быть реализован лишь при использовании коммутации на СР.

При использовании одного дискретно сканирующего луча, благодаря возможности полностью использовать весь энергетический ресурс ретранслятора в этом луче его пропускная способность составит m2R, а средняя скорость передачи информации в каждую из зон равна mR, что в случае передачи адресной информации приводит к выигрышу в пропускной способности в т раз по сравнению с глобальным лучом, чего, как отмечено выше, не наблюдается при использовании «прыгающего» луча в качестве приемного.

В процессе функционирования сети «информационное тяготение» между зонами по разным причинам может изменяться, что порождает проблему перераспределения связных ресурсов ретранслятора в соответствии с текущим трафиком.

Основным достоинством «прыгающего» луча является простота перераспределения пропускной способности ретранслятора между зонами обслуживания, достигаемая путем распределения времени экспонирования каждой из зон в кадре экспонирования пропорционально требуемой пропускной способности. Однако схеме с прыгающим лучом присущи и серьезные недостатки:

1.Отсутствует возможность многократного использования частоты, поскольку в рассматриваемом случае зоны обслуживаются последовательно во времени единственным лучом, и ни о каком пространственном разделении частот речи быть не может. Это обстоятельство может служить препятствием при создании сетей сверхвысокой пропускной способности из-за отсутствия требуемой широкой полосы частот в диапазонах, определенных Регламентом радиосвязи.

2.Для обслуживания всей области необходим единственный приемопередатчик с полосой пропускания, равной пропускной способности сети. При

125

требуемой высокой пропускной способности препятствием для использования «прыгающего» луча может явиться отсутствие достаточно широкополосных приемопередатчиков.

3. При высокой пропускной способности ретранслятора ощутимыми становятся служебные затраты, связанные со временем переключения луча с одной пространственной позиции на другую.

Указанные причины приводят к тому, что один дискретно сканирующий передающий луч может быть использован лишь в сетях с относительно невысокой пропускной способностью (не более 150-200 Мбит/с) в Ка-диапазоне.

С другой стороны, многолучевая передающая антенна в значительной степени лишена перечисленных недостатков «прыгающего» луча, однако в этом случае существенно усложняется проблема перераспределения связных ресурсов ретранслятора между параллельно работающими передающими лучами.

Возможен комбинированный вариант построения бортовой передающей антенны, в котором для экспонирования т зон обслуживания используется п < т «прыгающих» лучей, каждый из которых сканирует по т/п зонам обслуживания. Подобный подход позволяет приблизиться к компромиссу между достоинствами многолучевой антенны и «прыгающего». Луча. Например, американ-

ский геостационарный СР ACTS (Advanced Communications Technology Satellite) оборудован передающей антенной Ka-диапазона, каждый из восьми лучей которой дискретно сканирует по восьми направлениям. При этом формируется в общей сложности 64 зоны обслуживания. Пропускная способность каждого луча составляет 150 Мбит/с, что обеспечивает пропускную способность ретранслятора 1,2 Гбит/с.

Конструктивно многолучевые бортовые антенны с фиксированной пространственной ориентацией лучей выполняются на основе общего отражателя (или линзы) и решетки, состоящей из смещенных относительно фокуса зеркала антенны облучателей (рис. 2.23). Вынос облучателя из фокуса приводит к отклонению луча от электрической оси антенны, но при этом увеличивается ширина луча, растет уровень боковых лепестков и снижается коэффициент использования поверхности антенны.

Считается, что приемлемые характеристики могут быть получены, если допускать отклонение лучей антенны от её электрической оси не более чем на 5 значений ширины диаграммы направленности лучей. Отсюда следует, что трудно обеспечить число лучей многолучевых антенн более 100. В случае необходимости использования большего количества лучей можно оборудовать ретранслятор несколькими многолучевыми антеннами (на практике двумя), причем для обеспечения лучшей развязки лучи от разных антенн при покрытии области обслуживания чередуются в шахматном порядке. В таблице 2.3 для примера приведены данные об антеннах некоторых проектов ССС.

126

Таблица 2.3. – Основные характеристики проектов коммерческих ССС

Для формирования прыгающего луча возможно использование ФАР, либо многолучевой антенны с коммутируемой решеткой облучателей (рис. 2.24). [2]

В зависимости от расположения антенных элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди которых наибольшее распространение получили прямолинейные и плоские АР. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объекта, на котором расположена АР. Такие АР называются конформными.

Простейшей является линейная АР, в которой излучающие элементы расположены вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях друг от друга (эквидистантная АР). Расстояние d между фазовыми центрами парциальных излучателей называют шагом решетки. Линейная АР помимо самостоятельного значения зачастую является основой при анализе других типов АР.

127

Рис 2.23. – Многолучевая антенна отражательного типа

Рис 2.24. – Антенна отражательного типа с прыгающим лучом

Принцип работы всякой решетки излучателей сводится к созданию таких фазовых сдвигов в питающих токах (при работе на передачу), при которых волны, формируемые антенными элементами, в некотором направлении складываются синфазно в дальней зоне. При работе на прием выходные сигналы на элементах решетки изменяют по фазе таким образом, чтобы они оказались синфазными на входе суммирующего устройства для заданного направления приема.

Рассмотрим принцип действия АР на примере простейшей системы ненаправленных излучателей, расположенных на одинаковых расстояниях друг от

128

друга вдоль одной линии эквидистантной АР. Предположим, что на решетку падает плоская волна, направление прихода которой перпендикулярно раскрыву антенны. Поле в месте расположения элементов одинаковое, следовательно, напряжения на выходах антенных элементов также будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, а напряжение на выходе сумматора будет постоянным.

При изменении направления прихода волны амплитуда поля по раскрыву антенны не меняется, но появляются фазовые сдвиги, величина которых зависит от угловой координаты источника излучения, расстояния между элементами и длины волны. Межэлементный набег фазы определяется величиной

где θ – угол между направлением на источник излучения и нормалью к решетке;

λ – длина волны.

Для того чтобы АР имела максимальную направленность по углу θ, необходимо либо механически довернуть ее, либо ввести с помощью фазовращателей фазовые сдвиги в напряжения, подаваемые на сумматор.

Для k-го антенного элемента fk(θ) эквидистантной линейной антенной решетки после синфазного суммирования напряжений по выходам R излучателей имеет вид:

где Fk(θ) – ДН одиночного элемента; θk – направление максимума ДН.

Если ДН излучателей идентичны и изотропны (не зависят от направления излучения), то выражение упростится:

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности

129

определяется выражением:

Таким образом, ширина ДН зависит от размера линейной решетки Rd, длины волны λ и величины отклонения луча θ. По мере отклонения луча от направления нормали к решетке происходит его расширение в 1/cosθk раз.

Особенностью антенной решетки, как дискретной системы излучателей, является повторяемость максимумов ДН. В случае, когда расстояние между соседними излучателями больше половины длины волны, в диаграмме направленности могут появиться боковые лепестки, максимумы которых равны по амплитуде максимуму главного лепестка. Они возникают в тех направлениях, для которых разность фаз полей соседних излучателей равна 2πn, где n = ±1, ±2,

... (n = 0 соответствует главному максимуму).

Эти боковые лепестки называют дифракционными максимумами. Направления дифракционных максимумов и их количество зависят от длины волны, расстояния между соседними излучателями и направления главного максимума. Для борьбы с дифракционными лепестками ДН используют направленные свойства антенного элемента решетки Fk(θ). При этом выбирают излучатели с такой ДН Fk(θ), чтобы интенсивность дифракционных максимумов в значительной степени ослаблялась.

Если межэлементное расстояние меньше или равно половине длины волны излучения, то дифракционные максимумы отсутствуют при любых положениях главного лепестка.

ФАР представляет собой антенную систему, состоящую из элементов с независимым управлением фазой [7]. В решетке подобного типа используется самый распространенный способ электрического сканирования – фазовый. При этом используются фазовращатели, с помощью которых обеспечивается изменение сдвига по фазе между токами в излучающих элементах. Изменение фазового сдвига может быть плавным или дискретным. В тех случаях, когда требуются большие скорости изменения фазы, применяются электрические фазовращатели на полупроводниковых диодах или ферритах.

Наиболее перспективным способом реализации многолучевой ФАР с узкими лучами, является применение технологий цифрового формирования лучей (ЦФЛ) антенны, которое обеспечивает формирование множественных узких, независимо настраиваемых и динамически перенастраиваемых лучей. Использование узких лучей за счет использования алгоритмов цифровой обработки сигналов позволяет гибко распределять частотный и энергетический ресурс спутникового ретранслятора, динамически оптимизировать обслуживаемую зону покрытия, оперативно перенацеливая приемопередающие лучи в зависимости от территориального распределения абонентов [5, 7-9].

130