книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей
..pdfпри МДЧР организуются, как каналы Найквиста, - путем установ ки соответствующих фильтров в модемы наземных станций.
М етод М ДЧР имеет недостаток, связанный с необходимостью обеспечения квазилинейного режима работы усилителя мощности ствола ретранслятора. Дело в том, что для основных типов усили телей мощности на лампах бегущей волны и транзисторах потреб ляемая мощность от первичного источника питания слабо зависит от мощности раскачки усилителя. Поэтому желательно, чтобы усилитель мощности работал в режиме, близком к режиму насы щения. В этом случае КПД усилителя мощности будет максималь ным.
При МДЧР входной сигнал усилителя мощности ретранслято ра состоит из большого числа несущих, которые в сумме образуют случайный сигнал с гауссовским распределением вероятностей мгновенных значений напряжения.
На рис. 5.16 показан процесс ограничения суммарного сигнала в усилителе мощности для линейно-ломаной амплитудной харак теристики усилителя.
Сигнал на выходе усилителя можно рассматривать как сумму неискаженного сигнала (показан пунктиром как продолжение вы ходного сигнала) и сигнала ошибки s(/). Этот сигнал ошибки e(f), называемый перекрестной помехой, состоит из коротких импуль сов со случайной амплитудой, длительностью и временем появле ния, имеет широкий спектр и попадает во все частотные каналы ствола ретранслятора.
Пусть Рс - средняя мощность полезного многоканального сиг нала на выходе усилителя мощности для случая идеального ли нейного усилителя без насыщения, а Р0 - выходная мощность ре ального усилителя мощности в режиме насыщения. Отношение вы ходных мощностей Рс/Р0<1 в дБ называется смещением рабочей
Рис. 5.16. Перекрестная помеха на выходе усилителя
мощности ретранслятора:
а- линейно-ломаная амплитудная характеристика усилителя;
б- сигнал и перекрестная помеха е(/) на выходе усилителя
точки усилителя мощности по его выходу. Эта величина определя ет потери в потреблении электроэнергии усилителя мощности от источников питания бортового ретранслятора.
Величина Рс/Ро оптимизируется по допустимому уровню пе рекрестных помех и в современных системах лежит в пределах Рс/Ро = -3 -5 дБ, где Рс/Ро = -3 дБ обеспечивается при использо вании помехоустойчивого кодирования в радиолиниях, которое допускает больший уровень помех в канале связи.
5.5.2. Многостанционный доступ с временным
разделением сигналов наземных станций
При МДВР в стволе ретранслятора организуется ретрансляция сигналов наземных станций по очереди. За наземной станцией за крепляется на все время работы или на некоторый сеанс связи временное окно в некотором общем кадре. Это временное окно повторяется в каждом кадре.
В своем временном окне наземная станция передает пакет двоичных символов, состоящий из преамбулы и пакета данных. Преамбула содержит биты синхронизации приемника по несущей частоте (отрезок несущей частоты), по тактовой частоте симво лов (меандр), адресную информацию и символы сигнализации (рис. 5.17). Одна из станций сети связи является ведущей и излуча ет кадровый сигнал синхронизации, который принимается всеми станциями сети и служит для синхронизации всех наземных ста нций.
Достоинством метода МДВР по отношению к МДЧР является отсутствие перекрестных помех в ретрансляторе, поскольку в лю бой момент времени усилитель мощности ретранслятора КА уси ливает сигнал только от одной станции и вследствие этого усили тель мощности может работать все время в режиме, близком к ре жиму насыщения. Последнее следует уточнить. Так как в радио линии используются сигналы со спектром Найквиста с целью ми нимизации помех между соседними частотными стволами, то уси литель мощности не должен искажать форму импульсов сигнала. В противном случае в режиме насыщения усилителя мощности ра-
Пакет от |
Пакет от |
Кадровый |
Пакет от |
станции № 1 |
станции .№ 2 |
сигнал |
станции № 1 |
/
Защитный
интервал
Преамбула Данные
Рис. 5.17. Передача пакетов при МДВР
-2 5 1 -
диоимпульсы примут прямоугольную форму со спектром типа (sin*)/*, что создаст сильные помехи соседним стволам. Поэтому при М ДВР усилитель мощности ретранслятора КА должен также работать в квазилинейном режиме. Ввиду небольшого пикфактора сигналов Найквиста усилитель мощности ретранслятора дол жен иметь смещение рабочей точки Рс/Ро = -1 -г- -1,5 дБ.
По сравнению с М ДЧР спутниковые системы с М ДВР имеют два недостатка:
1) при требуемой одинаковой средней излучаемой мощности наземных станций для М ДЧР и М ДВР при одинаковой диаграмме направленности антенны ретранслятора пиковая мощность излу чения наземной станции при М ДВР должна быть в л » 1 раз боль ше, чем при МДЧР, где п - число каналов (временных окон) в сис теме. Это усложняет и удорожает наземную станцию;
2) возможности адаптации отдельных радиолиний по энерге тике ограничены и могут быть реализованы только за счет измене ния скорости передачи информации и скорости кодирования, что нежелательно.
Однако энергетические возможности системы с МДВР могут быть многократно увеличены, если перейти от широкого луча ан тенны ретранслятора, покрывающего всю зону обслуживания КА, к прыгающему узкому или даже сверхузкому приемопередаю щему лучу ретранслятора КА, который направляется на наземную станцию в момент прихода пакета информации на ретранслятор от наземной станции и переключается на другую наземную станцию после окончания пакета. Концепция построения такой системы с
МДВР иллюстрируется рис. 5.18.
|
Энергетический выигрыш в |
|||
|
радиолиниях в дБ будет равен |
|||
|
разнице в коэффициентах уси |
|||
|
ления антенны ретранслятора с |
|||
|
узким лучом и антенны с лучом, |
|||
|
покрывающим всю зону обслу |
|||
|
живания. Этот выигрыш в энер |
|||
|
гетике радиолиний может быть |
|||
|
достаточно |
большим |
и может |
|
|
использоваться для уменьшения |
|||
|
излучаемой ретранслятором мо |
|||
|
щности |
сигналов, уменьшения |
||
|
диаметров |
антенн |
наземных |
|
|
станций, |
уменьшения |
мощно |
|
Рис. 5.18. Концепция узкого индивиду |
стей излучения наземных стан |
|||
ального прыгающего луча при МДВР |
ций и др. |
|
|
|
Высокие характеристики спутниковой системы связи по энер гетике с адаптацией к условиям распространения радиосигналов может обеспечить комбинированный метод многостанционного доступа МДЧР-МДВР, при котором в каждом стволе организуется одновременная работа, например, восьми-шестнадцати несущих частот (МДЧР) и на каждой несущей частоте организуется режим МДВР со сверхузкими прыгающими лучами.
5.5.3. Многостанционный доступ с кодовым
разделением сигналов наземных станций
Принимаем, что в зоне обслуживания КА радиосигналы от каждой наземной станции в стволе ретранслятора занимают всю полосу частот ствола и отличаются только формой псевдошумового сигнала. В приемнике наземной станции сигнал нужной стан ции выделяется с помощью коррелятора, опорный сигнал которого имеет форму, присвоенную сигналам принимаемого абонента.
Будем считать, что в системе с МДКР используются асин хронные сигналы, при которых временные сдвиги между сигнала ми от разных наземных станций являются неуправляемыми и мо гут быть любыми. При приеме сигнала от одной наземной станции сигналы от других наземных станций являются помехой, которая называется шумами неортогональности или внутрисистемной по мехой.
Введем обозначения: Af —полоса частот псевдошумового сиг нала, т.е. полоса частот радиосигнала в эфире; т0 - длительность информационного символа; т —длительность одного символа псев дошумового сигнала, т » 1/Д/ База радиосигнала В = to/т « т0Д /
Для минимизации внутрисистемных помех спектральные плотности сигналов на выходе ретранслятора от всех наземных станций должны поддерживаться одинаковыми. Примем, что на выходе приемной антенны наземной станции сигнал от ретрансля тора от одной станции имеет равномерный спектр со спектральной плотностью Pc/Af, где Рс —мощность сигнала на выходе приемной антенны от одной станции.
Отношение энергии бита к спектральной плотности помех на выходе приемной антенны наземной станции
_ |
^6 |
_ ^ст0 |
N01 |
N0 + N3 |
N0 + N3 ’ |
где N0 - спектральная плотность шумов, а Л/, - спектральная плот ность внутрисистемных помех.
Примем, что все наземные станции сети связи являются оди наковыми. Тогда, рассматривая излучения наземных станций как шум в полосе А / получим
¥
где п — число одновременно работающих станций в стволе ретранслятора. Тогда
^2 _ |
_ ______ Ррхо______ |
^ o z |
N0 + ( n - \ ) P j A f ' |
Это выражение не накладывает каких-либо ограничений на мето ды модуляции и кодирования сигналов.
При увеличении мощности сигнала, так что N0<g.N3, получим
, 1 |
тпД / |
В |
_ |
я |
= —— « —, л » 1 . Отсюда максимальное число каналов в полосе |
||
|
п -1 |
п |
|
A f есть л = Blh2. При стандартной величине А2 = 4 = 6 дБ (помехо устойчивое кодирование со скоростью кодирования гк = 1/2) имеем л = 5 /4 .
Для систем с МДЧР число |
каналов связи в полосе Af есть |
||
л = Д //Д /к, где Д /к - |
полоса частот, |
занимаемая одним каналом. |
|
Можно считать, что |
Д /к= —!— |
для |
четырехфазной модуляции |
|
2т0гк |
|
|
сигналов. При гк = 1/2 получим л « Д/т0 =В.
Таким образом, мы получили, что при МДКР число возмож ных каналов связи в четыре раза меньше по сравнению с системой с М ДЧР (и МДВР).
Запишем выражение для требуемой величины Л2 при я » 1 в следующей форме:
А2 |
РсЧ |
pSo |
\ |
|
|
||||
N 0 + nPc/ A f |
N0 1+ |
п |
||
|
||||
|
|
|||
|
|
N0 |
В J |
Требуемая величина А2 для МДКР больше требуемой величи ны A2 =PCT0/N0 для МДЧР или МДВР. Проигрыш в энергетике по сравнению с МДЧР или МДВР будет мал, когда
рсЧ |
" « 1 , т.е. при |
В |
Рс*0 |
|
11 |
||||
N0 |
В |
No ’ |
или когда число каналов при МДКР мало.
Таким образом, можно сделать общий вывод: в спутниковой системе связи с одним лучом антенны ретранслятора, охватываю щим всю зону обслуживания, асинхронный МДКР проигрывает М ДЧР и М ДВР как по энергетике радиолиний (за счет возникно вения внутрисистемных помех), так и по пропускной способности (по числу каналов в той же полосе частот).
Достоинством системы с МДКР является возможность созда ния системы связи с большим числом закрепленных каналов связи, когда каждой наземной станции присваивается своя форма псевдошумового сигнала. Число квазиортогональных форм или вели чина ансамбля квазиортогональных сигналов N ^ -В. Это позволяет любой наземной станции спутниковой связи выйти в эфир без сложной процедуры предоставления канала связи по требованию. Это важно при организации пакетных каналов связи при пульси рующем трафике с передачей коротких пакетов данных.
Характеристики системы связи с МДКР существенно улуч шаются при организации в стволе ретранслятора радиально узловой сети связи (конфигурация сети типа "звезда")» когда на земные терминалы связываются только с узловой (базовой) стан цией. В этом случае при передаче информации от базовой станции может использоваться синхронный режим МДКР с ортогональны ми псевдошумовыми сигналами, который по эффективности ис пользования спектра частот и помехоустойчивости эквивалентен МДЧР или МДВР. В обратном направлении от терминалов в сто рону базовой станции должна использоваться асинхронная пере дача сигналов с МДКР, что снижает пропускную способность об ратного направления. Однако это не является серьезным недостат ком при мультимедийном трафике, который асимметричен по своей природе.
Таким образом, МДКР является единственным многостанци онным доступом, который позволяет создавать разнообразные эф фективные спутниковые пакетные сети связи при пульсирующем трафике и сети связи с большим числом закрепленных каналов.
5.6. Геостационарные спутниковые телекоммуника ционные системы со стационарными станциями
Спутниковые телекоммуникационные системы, использую щие геостационарные КА для обмена информацией между стацио нарными наземными станциями по радиоканалам большой протя женности, предназначаются для организации:
•магистральных международных каналов связи;
•магистральных каналов связи для взаимоувязанной сети свя зи России;
•ведомственных или корпоративных телекоммуникационных
сетей;
•телекоммуникационных сетей со стационарными персо нальными терминалами.
При создании спутниковых международных или националь ных каналов и сетей связи используются ретрансляторы с широ
кими лучами приемопередающих антенн (17°х17° — глобальный
луч, 17°х8,5° —полуглобальный луч, например, для северного по лушария, 6°х12° — зональный луч для покрытия территории Рос сии и др.). Ш ирокие лучи антенн ретранслятора требуют установ ки на наземных станциях антенн большого диаметра (7—12 м). Диаметры этих антенн наземных станций будут минимальны в диапазоне 4/6 ГГц, где практически отсутствует поглощение ра диосигнала в дожде. В стволе с полосой 36 М Гц может быть обес печена передача информации со скоростью до 60 Мбит/с (ФМ -4), в стволе с полосой 72 М Гц обеспечиваются скорости передачи ин формации 140-155 М бит/с (ФМ-8).
В диапазоне 4/6 ГГц с широкими лучами приемопередающих антенн ретранслятора созданы и успешно эксплуатируются меж дународные системы спутниковой связи INTELSAT, ИНТЕРСПУТНИК, а также многие региональные и национальные систе мы спутниковой связи. Спутниковые магистральные сети и линии связи испытывают острую конкуренцию со стороны волоконнооптических линий связи, которые в ряде случаев оказываются бо лее экономически выгодными.
5.6.1. Ведомственные спутниковые сети VSAT
При использовании более узких зональных лучей антенн ретранслятора КА, таких как 5°х5° в диапазоне 4/6 ГГц и порядка 2°хЗ° в диапазоне 11/14 ГГц, за счет существенного увеличения ЭИИМ ретранслятора в зоновом луче, связанного с увеличением коэффициента усиления бортовой антенны, можно создавать на земные сети связи типа "звезда" или "каждый с каждым" с терми налами, которые могут иметь антенны с малыми апертурами (VSAT - Very Small Aperture Terminal) и твердотельные усилители мощности с относительно небольшой выходной мощностью.
Уменьшение размеров антенн терминалов ограничивается требованиями по электромагнитной совместимости спутниковых систем связи (см. разд. 5.3).
5.6.2. Спутниковые системы персональной связи со стационарными малогабаритными терминалами
Дальнейшее уменьшение размеров антенн наземных термина лов и переход к персональным ультрамалым терминалам USAT (Ultra Small Aperture Terminal) с диаметром антенн 60-70 см и ме нее возможен в диапазоне частот 20/30 ГГц и в более высоких диапазонах частот при переходе к многолучевым антеннам с узки ми парциальными лучами с высокой ЭИИМ на ретрансляхоре КА. При выполнении требований по электромагнитной совместимости возможно создание сетей USAT и в диапазоне 11/14 ГГц.
в
Рис. 5.20. Кластеры:
а - из трех лучей; б - из четырех лучей; в - из семи лучей
чевой системе и получаемая за счет повторного использования частот в повторяющихся кластерах лучей.
Таким образом, в спутниковой системе связи с /и-лучевой приемопередающей антенной ретранслятора по сравнению со слу чаем широкой однолучевой антенны ретранслятора обеспечивает ся выигрыш:
•по энергетике радиолиний примерно в т раз, что позволяет использовать наземные терминалы с меньшими диаметрами ан тенн;
•по используемой полосе частот в т /к^ раз, что позволяет в такое же число раз повысить пропускную способность спутнико вой системы связи.
М инимальное значение ^ = 3 предъявляет наиболее жесткие требования к уровню боковых лепестков спутниковой многолуче вой антенны. Рассмотрим эти требования.
Геометрия сечения узких лучей на поверхности сферы с КА в центре этой сферы показана на рис. 5.21. Проекция этой поверхно сти сферы на поверхность Земли определяет очертания парциаль ных зон обслуживания в узких лучах.
Рассмотрим случай, когда число лучей т < 100 (далее кон кретно рассмотрим т = 91), и возьмем наихудший случай с точки зрения уровня взаимных помех, когда терминал или базовая стан ция, испытывающие помехи от других лучей, находятся в центре зоны обслуживания. Из геометрии лучей рис. 5.21 можно опреде-
Рис. 5.21. Покрытие зоны обслуживания кластерами с ккл ~ 3
лить, что помехи станциям в центральном луче будут создаваться всеми остальными заштрихованными лучами (30 лучей при
т = 91), из которых 6 находятся на расстоянии dx = %/30о от центра центрального луча, 6 — на расстоянии d2= 30о, 6 — на расстоянии d3 = 2-у/30о и 12 —на расстоянии d4 = 4,580О.
Помехи от других работающих на тех же частотах станций приходят на станцию в центральном луче по двум путям: 1) принимаются боковыми лепестками центрального приемного луча ретранслятора и ретранслируются в центральном передаю щем луче ретранслятора; 2) принимаются основными лепестками диаграммы направленности ретранслятора тех лучей, где находят ся мешающие станции, и после ретрансляции через боковые лепе стки передающих лучей создают помехи станциям в центральном луче.
Примем, что мешающие станции занимают случайное поло жение по отношению к боковым лепесткам приемного централь ного узкого луча ретранслятора, поэтому их уровень будет опре деляться эффективным значением боковых лепестков приемной антенны ретранслятора, который мы примем на 3 дБ меньше оги бающей боковых лепестков. Обозначим максимальный относи тельный уровень первого бокового лепестка по мощности через 5ь значение по уровню половинной мощности первого бокового ле пестка, находящегося на расстоянии d\ от центра центрального луча, примем равным Sj/2.