книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

оптимальной рабочей частоте даст высокий уровень принимаемого сигнала только на выходе одной приемной антенны. На выходе другой приемной антенны сигнал высокого уровня может быть получен от второго передатчика, работающего на некоторой дру­ гой оптимальной рабочей частоте. В итоге для двухантенной тро­ посферной станции энергетика радиолинии с двумя оптимальными рабочими частотами будет ниже (в пределе на 3 дБ) энергетики радиолинии с широкополосными сигналами с разделением и сло­ жением отдельных лучей.

Из-за влияния межсимвольных помех максимальная скорость передачи информации в радиолинии с адаптивным выбором оп­ тимальной рабочей частоты будет иметь величину порядка 480 кбит/с.

Созданные в России мобильные тропосферные станции дос­ тигли высокого уровня совершенства. Однако, они имеют доста­ точно большие антенны и мощные передатчики. Перспективным направлением развития тропосферных систем является разработка и создание малогабаритных тропосферных станций с малыми ан­ тенными и передатчиками меньшей мощности.

В соответствии с материалом разд. 4.4.4 и рис. 4.42 при умень­ шении апертуры приемо-передающих антенн тропосферных стан­ ций необходимо использовать более высокие рабочие частоты. Од­ нако, на более высоких частотах падает мощность отраженного от тропосферы сигнала за счет уменьшения удельной ЭПР тропосфер­ ного объема и необходимо учесть еще поглощение радиосигнала в дожде, которое увеличивается с ростом рабочей частоты.

С другой стороны, расчет тропосферных радиолиний произ­ водится для наихудшего месяца, т.е. для зимы, когда медианное значение сигнала минимально. Летом, когда необходимо учи­ тывать влияние дождя, медианное значение сигнала всегда на 10-12 дБ выше чем зимой, что создает запас по энергетике радио­ линий для компенсации потерь радиосигнала в дожде в летние, осенние и весенние месяцы.

Поглощение радиосигнала на трассе “Земля - тропосферный объем” или “Тропосферный объем — Земля” определяется интен­

100 км эквивалентная длина трассы сигнала в дожде Рэ= 25 км, что дает суммарное ослабление сигнала в дожде на частоте 20 ГГц на трассах “Земля — тропосферный объем” плюс “Тропосферный объем — Земля ”не более 7,5 дБ, что не превышает имеющегося запаса по энергетике 10-12 дБ для летних месяцев.

Проведем оценку характеристик малогабаритной тропосфер­ ной станции по отношению к двухантенной тропосферной станции

(рис. 4.6), работающей в диапазоне частот 4,6 ГГц и имеющей ан­ тенны с размерами 3,8x2,2 м (см. рис. 4.42).

П рим ер 1. Уменьшим габариты антенн вдвое, т.е. выберем размер антенны 1,9x1,1м. В этом случае мы должны перейти в диапазон частот 9,2 ГГц, чтобы работать на оптимальной частоте, при которой ширина диаграммы направленности антенны 0,7°х 1,2° равна угловому размеру объема рассеяния тропосферы. По срав­ нению с двухантенной тропосферной станцией диапазона частот 4,6 ГГц, тропосферная станция диапазона 9,2 ГГц будет иметь энергетический потенциал на 9 дБ меньше (6 дБ за счет уменьшения размеров антенн и 3 дБ за счет уменьшения удельной ЭПР тропо­ сферного объема при увеличении рабочей частоты в два раза).

Согласно кривым рис. 4.43 для X » 3 см уменьшение энерге­ тического потенциала радиолинии на 1 дБ сокращает дальность связи на 8 км. Таким образом, уменьшение энергетического по­ тенциала радиолинии на 9 дБ (в 8 раз) может быть скомпенсирова­ но либо сокращением дальности связи на 72 км при той же скоро­ сти передачи информации 2,048 Мбит/с, либо при сохранении той же дальности связи - уменьшением скорости передачи информа­ ции в 8 раз до величины 256 кбит/с, либо при сокращении дально­ сти связи и скорости передачи информации можно уменьшить мощность передатчика и т.п.

П рим ер 2. Выберем апертуру антенны 1,9x1,1м и ширину диаграммы направленности 0,35°х0,6° так, чтобы антенна сфор­ мировала 4 узких приемо-передающих луча в угловой зоне тропо­ сферного переизлучающего объема.

В этом случае будем использовать одноантенную тропосфер­ ную станцию с четырехкратным угловым разнесенным приемом сигнала.

Рабочая частота тропосферной радиолинии должна лежать в диапазоне частот 18,4 ГГц. В такой одноантенной станции при той же мощности передатчика дополнительное по сравнению с приме­ ром 1 уменьшение энергетического потенциала радиолинии соста­ вит 9 дБ (3 дБ за счет уменьшения числа антенн, 3 дБ за счет уменьшения в 2 раза излучаемой мощности и 3 дБ за счет умень­ шения ЭПР тропосферного объема при увеличении рабочей часто­ ты в 2 раза), что должно быть скомпенсировано сокращением дальности связи и уменьшением скорости передачи информации.

На базе такой малогабаритной одномашинной станции может быть создан новый класс гибридных релейно-тропосферных стан­ ций, работающих в пределах прямой геометрической видимости как радиорелейная станция прямой видимости с большой скоро­ стью передачи информации, а на дальностях 70-120 км —как тро­ посферная станция с пониженной скоростью передачи информации.

•фиксированной спутниковой службы;

•подвижной спутниковой службы;

•вещательной спутниковой службы.

Системы фиксированной спутниковой службы предназначены для связи наземных стационарных станций между собой.

Системы подвижной спутниковой службы предназначены для связи мобильных объектов (морские, воздушные суда, автомобили

идр.) со стационарными наземными станциями спутниковой связи

иподключения к ведомственным сетям связи и сетям общего пользования, а также для связи персональных (носимых) термина­ лов с соответствующими наземными станциями и сетями связи.

Системы вещательной спутниковой службы предназначены для организации распределения телевизионных и радиовещатель­ ных программ по регионам страны для последующей их трансля­ ции по региональным эфирным сетям вещания, а также для орга­ низации непосредственного теле- и радиовещания на персональ­ ные телерадиоприемные устройства.

5.1.Основные диапазоны частот, используемые

вспутниковых системах связи и вещания

Спутниковые системы связи начали создаваться в то время, когда все основные диапазоны частот уже были распределены ме­ жду наземными радиосистемами. Вследствие этого спутниковые системы связи должны работать в условиях, когда в выделенных для спутниковой связи полосах частот работают другие радиосис­ темы, в основном радиорелейные системы связи.

С целью упрощения спутникового ретранслятора его полосы частот на передачу и прием разделены большим защитным про­ межутком, поэтому для спутниковой системы связи указываются два диапазона частот: на передачу и на прием. Более высокая час­ тота используется в радиолиниях "Земля-Космос", а более низкая частота —в радиолиниях "Космос-Земля". Например, спутниковая система связи диапазона 4/6 ГГц использует полосы частот в диа­ пазоне 4 ГГц в линиях "Космос-Земля" и полосы частот в диапазо­ не 6 ГГц —в линиях "Земля-Космос".

В технической литературе широко используются также бук­

держивается не всегда строго.

В порядке возрастания укажем основные диапазоны частот для спутниковых систем связи и вещания.

1. 0,24-0,4 ГГц. Диапазон частот используется для мобильных систем связи военного назначения, в первую очередь для военноморского флота и военно-воздушных сил.

2. 1,5/1,6 ГГц. В этом диапазоне частот выделена полоса час­ тот шириной 29 М Гц для создания спутниковых систем связи с мобильными объектами: морскими и воздушными судами, авто­ мобилями, для персональной связи. Наиболее крупной системой этого диапазона частот является глобальная международная (с участием России) спутниковая система связи INM ARSAT на базе геостационарных КА.

3.1,9/2,1; 1,6/2,5 ГГц. Полосы частот шириной порядка 30 МГц

вэтом диапазоне частот выделены для низко- и среднеорбиталь­ ных систем мобильной и персональной связи.

4 .4 /6 ГГц. Диапазон частот выделен для создания глобальных и региональных сетей связи со стационарными наземными стан­ циями на базе геостационарных КА. Несмотря на выделенную по­ лосу частот шириной 800 МГц, этот диапазон является перегру­ женным, и новые системы связи фиксированной спутниковой службы создаются в более высоких диапазонах частот.

5. 7/8 ГГц. Диапазон частот с полосой 500 М Гц используется для военных систем связи со стационарными и мобильными тер­ миналами.

6. 11/14 ГГц. Диапазон частот с полосой 800 М Гц выделен для создания сетей связи со стационарными станциями. В этом диапа­ зоне разрешено также создание на вторичной основе сетей связи с мобильными терминалами, за исключением самолетов. В этом диапазоне частот создаются в основном национальные или регио­ нальные системы связи. К настоящему времени этот диапазон бли­ зок к насыщению.

7. 12 ГГц. Каналы "Космос-Земля" в полосе 800 М Гц выделе­ ны для геостационарных систем непосредственного теле- и радио­ вещания на стационарные персональные приемники.

8. 20/30 ГГц. Диапазон частот с полосой 2,5 ГГц выделен для создания геостационарных и негеостационарных систем связи со стационарными и мобильными терминалами, кроме самолетов.

5.2. Орбиты телекоммуникационных космических аппаратов

Для создания спутниковых телекоммуникационных систем используются следующие группы космических аппаратов:

•на геостационарной орбите;

•на высокой эллиптической орбите типа "Молния";

•на круговых и эллиптических средневысотных орбитах;

•на круговых низких орбитах.

Высоты КА определяются расположением радиационных поя­ сов Земли. Вокруг Земли существует три радиационных пояса:

от 55000 до 75000 км (рис. 5.3).

Плотности потока частиц во внутреннем и внешнем радиаци­ онных поясах весьма велики, в самом внешнем радиационном поя­ се - много меньше, чем в двух первых радиационных поясах.

Пребывание КА в радиационных поясах Земли существенно увеличивает вероятность отказа электронной аппаратуры и требу­ ет ее радиационной защиты, что увеличивает массу КА или уменьшает массу полезной нагрузки (телекоммуникационного ретрансляционного комплекса).

С учетом вышесказанного наиболее привлекательными явля­ ются орбиты КА, лежащие между радиационными поясами. Для низкоорбитальных КА лучшими следует считать круговые орбиты на высотах 700-1400 км, для среднеорбитальных КА — круговые орбиты на высотах 10000 км (между внутренним и внешним ра­ диационными поясами) и 20000 км (между внешним и самым внешним радиационными поясами). Благополучной с точки зрения радиационной безопасности является и геостационарная орбита.

Рис. 5.3. Радиационные пояса Земли:

/ —внутренний; 2 - внешний; 3 - самый внешний

Рис. 5.4. Зоны обслуживания КА системы INMARSAT и расположение

береговых станций

Зоны обслуживания геостационарных КА на примере группы из трех КА системы INMARSAT показаны на рис. 5.4. Наземная или судовая станция внутри зоны обслуживания видит КА под углом места 5° и выше. Антенна спутникового ретранслятора, форми­ рующая такую зону обслуживания, имеет ширину диаграммы на­ правленности 17° и называется антенной с глобальным лучом.

КА на высокоэллиптической орбите типа "Молния" (рис. 5.5) имеют апогей в северном полушарии на высоте около 40000 км относительно поверхности Земли и перигей —в южном полушарии на высоте 500 км. Плоскость орбиты имеет наклонение 63,5°. КА вращается синхронно с Землей, имеет период 12 часов и появляет­ ся над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. КА медленно перемещается в апогее, обеспечивая длительность сеансов связи на территории России около 8 часов. Для непрерыв­ ной связи необходимо иметь группы КА на орбите из трех­ четырех спутников.

Достоинствами высокоэллиптических орбит являются:

•большие углы места для наземных станций, расположенных

всеверном полушарии, что позволяет мобильным наземным стан­ циям избежать экранирования трассы распространения сигнала местными предметами: лесом, холмами, зданиями и др.'

скости. Достоинствами средне- и низкоорбитальных группировок КА являются обеспечение глобальности связи и, главное, возмож­ ность работы наземных терминалов под высокими углами места, что принципиально необходимо для надежной работы мобильных и персональных терминалов. Так, группировка КА, приведенная на рис. 5.6, обеспечивает работу наземных терминалов под углами места 40° и выше.

5.3. Проблемы электромагнитной совместимости спутниковых телекоммуникационных систем

Частотный ресурс радиосистем, а также орбитальные позиции КА на геостационарных и других орбитах являются своеобразным ресурсом Земли, который принадлежит всему мировому сообще­ ству и поэтому подлежит распределению на международном уров­ не посредством соглашений.

В задачи обеспечения электромагнитной совместимости ра­ диосистем входит создание условий, при которых две или более радиосистемы могут работать на одних и тех же рабочих частотах, практически не мешая друг другу.

Электромагнитная совместимость спутниковых систем связи и наземных радиорелейных линий связи прямой видимости, рабо­ тающих в общем диапазоне частот, обеспечивается при выполне­ нии следующих условий: 1) наземные станции спутниковой связи должны работать при углах места 5° и выше. Так как РРЛ прямой видимости работают при нулевом угле места, то при этом исклю­ чается создание взаимных помех друг другу по основным лепест­ кам диаграммы направленности антенн; 2) нормируются макси­ мально допустимые спектральные плотности сигналов, которые излучаются как радиорелейными станциями, так и наземными станциями спутниковой связи. Кроме того, нормируется допусти­ мая спектральная плотность потока мощности у поверхности Зем­ ли, создаваемая излучением спутниковых ретрансляторов. На практике вместо спектральной плотности мощности нормируются допустимые плотности потока мощности у поверхности Земли в стандартной полосе 4 кГц или иногда в полосе 1 МГц.

Значительно более сложными являются вопросы электромаг­ нитной совместимости спутниковых систем связи между собой [15]. Методы обеспечения электромагнитной совместимости сис­ тем спутниковой связи существенно отличаются для систем ста­ ционарной и мобильной связи при использовании геостационар­ ных КА. Решение задачи обеспечения электромагнитной совмес­ тимости систем, использующих гео- и негеостационарные КА при работе в общей полосе частот, является отдельной проблемой.

Рассмотрим геостационарные спутниковые системы связи и вещания со стационарными наземными станциями. Создаваемые спутниковые системы связи могут работать на одних и тех же ра­ бочих частотах, но при этом они должны использовать разные КА, разнесенные по геостационарной орбите, и высоконаправленные антенны наземных станций, которые облучают КА других систем только своими боковыми лепестками достаточно малого уровня. Таким образом, совместная работа многих спутниковых систем связи и вещания в одних и тех же полосах частот обеспечивается пространственной селекцией радиолиний связи за счет узких диа­ грамм направленности антенн наземных станций. Чем уже диа­ грамма направленности антенн наземных станций, тем меньший разнос КА по орбите Д(р может быть использован.

На сегодняшний день стандартный разнос КА связи на гео­ стационарной орбите составляет от 2 до 3°. КА непосредственного телерадиовещания имеют угловой разнос по орбитальному поло­ жению, равный 6°. Разнос соседних КА по орбите на 2 -3° позво­ ляет разместить на геостационарной орбите сотни КА и получить в разных диапазонах частот гигантскую пропускную способность систем связи и вещания на геостационарной орбите.

Рассмотрим взаимные помехи в системах непосредственного телевизионного вещания в диапазоне частот 12 ГГц. На рис. 5.7 показана схема возникновения помехи при приеме сигналов теле­ вещания с КА-1. На наземный приемник воздействует помеха с соседнего КА-2, передающего в той же полосе частот свои сигна­ лы телевещания для другого региона или страны.

Примем, что передающие антенны КА-1 и КА-2 имеют доста­ точно широкие диаграммы направленности, так что в точку прие­ ма приходят сигналы от КА-1 и КА-2 одинаковой мощности. Если

КА -1 КА-2