книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей
..pdfС увеличением значения угла 0 огибающая боковых лепестко
падает по закону ~251g0 дБ или как 0”2,5в типовом случае.
Если мощность принимаемого наземной станцией полезное
сигнала в центральном луче есть Рс, то мощность помех, прини маемых наземной станцией в центральном луче по первому пути
Pni, при идентичных наземных станциях системы связи
Аналогично значение мощности помех, поступающих по вто рому пути, есть Р„г= Рп\, так что суммарная мощность помехи
Р„=2Р„\ =9,65iPc.
Отношение помеха-сигнал на входе демодулятора приемника
наземной станции в центральном луче с учетом аддитивных шу мов мощностью Рш
р |
+ р |
Р |
1 |
шп |
= — + 9,65i |
|
|
р |
р |
|
|
‘с |
‘с |
|
|
где h2 - тр еб у ем о е отн ош ен и е м ощ н остей си гн ал -п ом еха на входе дем о д у л ято р а п ри ем н и ка.
О бозн ачи м Рс/Рш~Цмн h2, где г)мн - тр еб у ем о е у вели ч ен и е эн е ргетики ради оли н и и за сч ет п ом ех о т д р у ги х лучей . Т огда получим
5 | < Л м н ~ 12
9,блмнЛ
или в дец и белах
5 Л " 16’7"*2 |
при |
т1мн=1ДБ» |
|
[ - 1 9 ,5 - Л 2 |
при |
Г|м н = 0 ,5 д Б . |
|
В л и я н и е у гл о в о й н естаб и л ь н о сти осей |
ста б и л и зац и и К А |
||
п ри м н о го л у ч ево й ан тен н е . Н естабильность |
осей стабилизации |
||
КА определяет м инимальную ш ирину узкого луча ретранслятора. Д иаграм ма направленности антенны в области основного л е
пестка хорош о аппроксимируется вы раж ением
C (e> = <70 c „ s ^ ) ,
где 0О—ширина диаграммы направленности по уровню - 3 дБ.
На рис. 5.22 показаны кластер лучей при ккл = 3 и сечение диа граммы направленности узкого луча в плоскости А , перпендику лярной плоскости рисунка. Имеется некий угловой допуск А, в пределах которого луч может перемещаться за счет нестабильно стей осей стабилизации КА. Пусть основной лепесток может захо-
- 2 6 0 -
дить в зону соседнего одно именного луча, обозначенного штриховкой, с уровнем, кото рый не должен превышать уро вень первого бокового лепестка или уровень -25 ч- -3 0 дБ. Зна чение угла 0 = 0 Ь при котором G (0|)/G o= -3O дБ есть 0i=O,980o.
Из уравнения 0 f +Д < 20оЛ/з найдем, что
0п > |
5,7Д, |
|
2%/з- 0,98 |
где Д - угловая нестабильность осей стабилизации КА. При Д = 0,1° получим 0о>О,57°и 0,6°. Полученная величина 0О соот ветствует минимальной ширине узкого луча 0,6°, принятой в настоящее время в рекоменда циях МСЭ.
Рис. 5.22. Диаграмма направленности
узкого луча в кластере лучей
5.6.3. Отношение сигнал-шум в составной радиолинии
Радиолинии "Земля-Космос" и "Космос-Земля" образуют со ставную линию связи между двумя наземными станциями спутни ковой системы связи. Если рассмотреть отдельно радиолинию "Земля-Космос", называемую также радиолинией вверх, и радио линию "Космос-Земля" (радиолиния вниз), то из уравнения для энергетического потенциала следует, что при одинаковых шумо вых температурах приемных систем ретранслятора и наземной станции потребуются одинаковые мощности на канал, подводи мые к передающим антеннам ретранслятора и наземной станции, которые могут отличаться своими коэффициентами усиления. На наземной станции всегда можно обеспечить излучаемую мощность на канал, во много раз большую, чем в спутниковом ретранслято ре, поэтому энергетика в спутниковой системе связи всегда огра ничивается энергетикой радиолиний вниз, которая в свою очередь определяет необходимую апертуру приемной антенны наземной станции.
В ретрансляторе с прямой ретрансляцией сигналов шумы ра диолинии вверх добавляются к переизлучаемому ретранслятором сигналу, ухудшая энергетику радиолинии вниз.
Определим условия, при которых мощность переизлучаемых шумов радиолинии вверх будет иметь допустимую величину. Рас смотрим рис. 5.1 и ретранслятор с прямой ретрансляцией сигнала. Обозначим мощность сигнала на выходе приемника ретранслятора в одном канале связи через PQ\, а мощность шума —через Рш\. От ношение мощностей сигнал-шум в радиолинии вверх обозначим как
А
't
Для рассматриваемой отдельно радиолинии вниз мощность принимаемого сигнала на выходе приемника наземной станции в одном канале есть Рс2 и мощность шума (без учета радиолинии вверх) —РШ2. Обозначим отношение мощностей сигнал-шум в ра диолинии вниз как
О= i k .
Рш2
Пусть РС2 = кРс\, где к - некоторый коэффициент передачи ли нии связи "Ретранслятор-Земля".
Результирующее отношение мощностей шум-сигнал в состав ной радиолинии, состоящей из радиолинии вверх и радиолинии вниз, будет
Рш |
кРш\ + рш2 _ Рш1 |
гш2 _ |
||
К Рс . |
|
кР, |
Р* |
Рс2 |
|
с 1 |
|||
Отсюда |
|
|
|
|
|
Рс |
- ( Р |
1 |
(pcfp«h |
|
} |
|
||
|
Рш )^ |
-S- 1 + f f l . ] |
||
|
|
k |
/ f |
Л |
Из приведенного выражения следует, что для получения усло вия (Рс/Рш)£« (Рс/Рш)|, т.е. для того, чтобы шумы радиолинии вверх заметно не увеличивали шумы радиолинии вниз, необходимо, что бы выполнялось условие (Рс /Pj)t/(PC/Рш) | » 1 •
Потери в энергетике радиолинии вниз за счет переизлучения
шумов радиолинии вверх |
|
|
|
, |
_ |
{PJPxnh |
, (Рс/Рщ)^ |
|
С0СТ |
( W l |
(Ре/Рш) Г |
Кривая потерь Lcoct изображена на рис. 5.23.
Если требуемое отнош ение сигнал-шум в составном канале связи (Рс/Рш)£ = (Рс/Рш)1 ксост к дБ, где h требуемое отношение
энергии бита к спектраль ной плотности шумов на входе демодулятора прием ника для заданной вероят ности ошибки на бит, то не обходимое отношение мощ ностей сигнал-шум в радио линии вниз (Рс /Рш) | = h\ = ~~h ■+■Z,C0CT.
LCOCT*дБ
Рис. 5.23. Потери в энергетике составной ра
диолинии для ретранслятора с прямой рет рансляцией сигнала
5.7. Геостационарные спутниковые системы связи с мобильными и персональными терминалами
Ранее дальняя связь с морскими судами и самолетами осуще ствлялась в диапазоне коротких волн за счет многократного отра жения радиосигналов от слоя F2 ионосферы и поверхности Земли. Однако связь в диапазоне коротких волн характеризуется низкой надежностью и неудовлетворительным качеством передачи теле фонного сигнала из-за большого количества помех разного рода в этом диапазоне волн и неустойчивого характера распространения радиосигналов.
Создание спутниковых систем связи с мобильными термина лами позволило разработать надежные высококачественные кана лы дальней связи с морскими и воздушными судами, а также с су хопутными мобильными терминалами. В настоящее время спут никовые каналы связи с мобильными терминалами обеспечивают передачу в цифровой форме телефонных сигналов, факсимиле, электронной почты. На повестке дня стоит создание спутниковых высокоскоростных мультимедийных каналов связи для мобильных терминалов.
КА фиксированной спутниковой связи и КА телевещания ос вещают главным образом сушу земного шара и не могут использо ваться для связи с морскими судами и самолетами межконтинен тальных авиалиний. Кроме того, антенны наземных станций фик сированной связи имеют большие габариты и по конструктивным соображениям не могут устанавливаться на самолеты, автомобили и другие мобильные объекты. В связи с вышеизложенным необхо димо для мобильных терминалов создавать отдельные специали зированные системы спутниковой связи.
В этих системах должна обеспечиваться работа мобильных терминалов с малогабаритными антеннами. Из-за недостаточной энергетики спутниковых каналов связи с малогабаритными терми налами скорости передачи информации в этих каналах оказывают ся существенно более низкими по сравнению со спутниковыми каналами связи со стационарными станциями. На сегодня можно
Рис. 5.24. Структура спутниковой системы мобильной связи
сказать, что скорости передачи информации в спутниковых систе мах связи с мобильными терминалами определяются исключи тельно энергетикой спутниковых радиолиний.
На рис. 5.24 показана структура спутниковой системы мо бильной связи. Радиолинии подразделяются на абонентские линии связи и фидерные линии связи. Абонентские радиолинии "Терми- нал-КА" и "КА-терминал" работают в полосах частот, выделенных для спутниковой мобильной связи. Для абонентских линий связи наиболее интенсивно используется дециметровый диапазон волн.
Направления связи "КА-базовая станция" и "Базовая станцияКА" используют полосы частот, выделенные для фиксированной спутниковой службы в диапазонах 4/6, 7/8, 11/14 ГГц и др. Радио линии "Базовая станция-КА" и "КА-базовая станция" называются фидерными линиями связи.
Рассмотрим схему (протокол) организации связи на примере международной морской спутниковой системы связи INMARSAT, в которой для абонентских радиолиний используются диапазоны частот 1,5/1,6 ГГц, а для фидерных линий — 4/6 ГГц. Система INM ARSAT использует многостанционный доступ с частотным разделением каналов и метод передачи телефонного сигнала "один канал на несущую", что означает, что мобильные терминалы яв
ляются одноканальными. На выделяемой несущей частоте мо бильный терминал может работать либо в телефонном режиме, либо в режиме передачи данных, либо в телеграфном режиме (те лекс).
В системе INMARSAT для каналов внеполосной сигнализа ции выделяются одна закрепленная несущая частота в системе для приема запросных сигналов от терминалов или береговых (базо вых на рис. 5.24) станций и одна закрепленная несущая частота для передачи сигналов управления и сигнализации терминалам и береговым станциям от так называемой координирующей станции системы. В исходном состоянии приемники терминалов и один приемник береговой станции настроены на прием несущей часто ты сигналов управления и сигнализации.
При необходимости в связи судовой терминал передает на общей запросной частоте в диапазоне 1,6 ГГц короткий запросный пакет с указанием типа сообщения (телефон и др.), адреса берего вой станции и междугородного или международного номера вы зываемого абонента наземной сети общего пользования, к которой подсоединена береговая станция. Ретранслятор с глобальным лу чом принимает запросный сигнал в диапазоне частот 1,6 ГГц, пе реносит его в диапазон частот 4 ГГц и переизлучает в глобальном луче.
Этот сигнал запроса принимается координирующей станцией сети связи, которая выделяет пару свободных дуплексных частот для связи и по каналу управления передает значения этих частот терминалу и береговой станции вместе с запросным пакетом. Син тезаторы частот терминала и береговой станции автоматически перестраиваются и устанавливают нужные частоты своей приемо передающей аппаратуры. При этом организуются канал связи "Терминал-береговая станция" и обратный канал связи. Затем про изводится вызов абонента наземной сети связи общего пользова ния. По окончании связи терминал и береговая станция посылают сигнал "конец связи" в сторону координирующей станции. Осво бодившиеся частоты связи могут быть предоставлены другим тер миналам.
Г и п отети ческая эталонная ли н и я связи состоит из двух участков: фидерной линии и абонентской линии связи. К фидер ной линии связи предъявляются требования, аналогичные требо ваниям к спутниковым каналам фиксированной службы, в том числе допустимый процент времени появления кратковременных прерываний сигнала, когда BER > 10~3, не должен превышать 0,01% времени любого года.
Для абонентских линий связи, которые подвержены замира ниям сигнала, экранированию местными предметами и др., требо вания высокой надежности связи приводят к чрезмерным энерге
тическим затратам в радиолиниях, вследствие чего для надежно сти связи по условиям распространения сигнала должны быть взя ты более низкие значения. К настоящему времени для мобильных систем связи не установлены конкретные допустимые проценты времени кратковременных и долговременных прерываний сигнала. М СЭ только для международных систем морской спутниковой связи установил, что надежность связи по условиям распростране ния сигнала (для долговременных прерываний сигнала) должна быть не менее 99% за любой год. Эту цифру надежности связи це лесообразно принять и для кратковременных прерываний сигнала, т.е. допустить B E R > 10“3 при передаче данных и B E R > 10 -2 для речи не более чем в 1% времени года.
Условия работы и соответственно каналы связи для разных классов мобильных терминалов (морских, авиационных, автомо бильных) существенно различаются, и системы спутниковой связи для мобильных терминалов создаются с учетом этих различий.
С точки зрения упрощения антенной системы и станции в це лом для мобильного объекта предпочтительно использование мет рового и дециметрового диапазонов волн. В настоящее время для геостационарных спутниковых коммерческих систем в этих диапа зонах волн выделен только диапазон частот 1,5/1,6 ГГц с полосой рабочих частот 29 МГц. Распределение этой полосы частот между различными службами показано на рис. 5.25.
и |
и |
я =г |
д |
-ч |
[— |
L- |
I— L- |
[— |
U |
о |
|
П- »г> |
2 |
2 |
т |
«О |
С\ |
||
гп |
-=* "3* |
«/э |
ю |
|
|
|
VO ю |
|
«о |
Ю |
«О |
«Оиэ |
|
|
•О vO |
|
VO |
■Tf rf |
|
чо vO |
Рис. 5.25. Полосы частот ретранслятора КА: а - на передачу; 6 - на прием
«п |
• о |
VO |
о |
• о |
VO |
VO |
VO |
Рассмотрим связь с морскими судами. Для этой цели исполь зуется международная система спутниковой связи INMARSAT с четырьмя геостационарными КА над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами с глобальными лучами ретрансляторов (над Ат лантическим океаном размещается КА с пятью узкими лучами в глобальной зоне обслуживания). Система морской спутниковой связи в принципе должна быть международной, поскольку ни одна страна, за исключением России, не видит одновременно все КА системы INM ARSAT со своей территории и все страны должны использовать береговые станции на чужих территориях при связи со своими морскими судами.
Морские терминалы могут работать под малыми углами мес та, вплоть до нулевого, и испытывают при малых углах места воз действие отраженных от морской поверхности сигналов, попа дающих в основной лепесток диаграммы направленности прием ной антенны, что приводит к сильным замираниям радиосигнала. Для компенсации замираний сигналов энергетические потенциалы абонентских радиолиний должны быть увеличены (по эксперимен тальным данным) на 7 дБ для обеспечения надежности связи 99%.
Спутниковые каналы связи с воздушными судами имеют свои особенности. Поскольку самолетная антенна располагается в верхней части фюзеляжа, корпус самолета экранирует часть отра женных от Земли сигналов, так что отношение мощности прямого луча к мощности отраженных лучей составляет порядка 13 дБ при полете над морской поверхностью. Для достижения надежности связи 99% в этом случае достаточен запас по энергетике абонент ских радиолиний на замирания сигнала порядка 4 дБ.
Однако большие задержки отраженных лучей относительно прямого луча при связи с самолетами приводят к межсимвольной интерференции сигналов, ограничивая скорость передачи инфор мации в радиоканале до величины около 9,6 кбит/с.
Системы связи с самолетами гражданской авиации создаются в рамках системы организации воздушного движения (ОВД). Спутниковые каналы связи с самолетами создаются для связи и навигации самолетов для трасс полета, которые не могут обслужи ваться наземными радиосредствами. Сюда относятся трассы поле тов над океанами, труднодоступными и пустынными местностями. В соответствии с концепцией Международной организации граж данской авиации (ICAO) самолеты, совершающие международные рейсы, должны быть оборудованы приемником спутниковой нави гационной системы, с помощью которой определяются координа ты воздушного судна, которые периодически в автоматическом режиме должны передаваться от воздушного судна через спутни ковый канал связи на наземную диспетчерскую станцию ОВД. ICAO в своих документах определила все технические параметры,
форматы сигналов, интерфейсы с аппаратурой воздушного судна и др. для обеспечения совместимости средств связи и навигации всех стран как на Земле, так и в воздухе. Всем требованиям ICAO отвечает, например, самолетная станция системы INM ARSAT "Standard-Aero" со скоростью передачи информации 9,6 кбит/с.
Спутниковая связь с сухопутными мобильными терминалами (автомобили, персональная связь) оказалась наиболее трудноосу ществимой и находится в начале своего развития. Этот наиболее массовый вид связи определяется в большей степени националь ными задачами отдельных стран и создается в рамках региональ ных систем мобильной и персональной связи.
При использовании геостационарных КА связь с автомобиля ми в средних и высоких широтах оказывается ненадежной из-за экранирования трассы распространения радиосигнала различного рода препятствиями: деревьями, холмами, зданиями и другими местными предметами. Экспериментально установлено, что для надежной связи (надежность 95-99% ) с мобильными и персональ ными терминалами необходимо обеспечить в спутниковой системе связи углы места терминалов не менее 30-40°. В результате для средних и высоких широт более выгодными оказываются группи ровки КА на высоких эллиптических орбитах типа "Молния", а также на круговых низких и средних орбитах.
С истем а спутниковой м обильной и персональной связи на базе м ноголучевой ан тен н ы ретран слятора геостационарного КА . Системы спутниковой мобильной связи с глобальным лучом ретранслятора типа INM ARSAT из-за недостаточной энергетики радиолиний могут обеспечивать высококачественную телефонную связь только с терминалами с направленной антенной диаметром 0,8-1 м (коэффициент усиления антенны порядка 23 дБ). Такая антенна требует гиростабилизации при работе терминала в движе нии и управления от датчика курса.
При неуправляемой всенаправленной в верхней полусфере ан тенне возможна передача информации со скоростью 50-300 бит/с (телетайп, электронная почта).
В региональных системах связи с зоновым лучом ретрансля тора возможно для телефонной связи использование более про стых антенн с усилением порядка 12-14 дБ и управлением только в азимутальной плоскости.
Для работы в телефонном режиме с терминалами со всена правленной в верхней полусфере антенной в диапазоне 1,5/1,6 ГГц необходима многолучевая антенна ретранслятора с диаметром апертуры 6—12 м для обеспечения необходимой энергетики радио линий, а для работы высокоскоростных мультимедийных линий связи в этом диапазоне частот потребуется многолучевая антенна
Терминалы
Рис. 5.26. Функциональная схема ретранслятора с многолучевой антенной для абонентских радиолиний
КА-ретранслятора с апертурой 20 -40 м, что пока выходит за рам ки технической осуществимости таких геостационарных КА.
Принцип построения спутниковой мобильной и персональной системы связи с многолучевой антенной ретранслятора при пря мой ретрансляции сигналов поясняется функциональной схемой ретранслятора, показанной на рис. 5.26.
Система спутниковой мобильной и персональной связи является региональной. Антенна ретранслятора фидерной линии связи имеет один зоновый приемопередающий луч, который покрывает всю зону обслуживания, в которой находятся стационарные базовые станции системы и координирующая станция, управляющая трафиком сети связи. Абонентские линии связи используют многолучевую антенну ретранслятора диапазона 1,5/1,6 ГГц с числом лучей т = 100 -2 0 0 , которые создаются, например, с помощью т специальных облучате лей, смещенных относительно фокуса крупноапертурного отражате ля, или с помощью фазированной антенной решетки.