книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Узкие лучи многолучевой антенны создают на поверхности Земли примыкающие друг к другу соты, непрерывно покрываю ­ щие выбранную зону обслуживания для мобильных и персональ­ ных терминалов. М обильные и персональные терминалы имеют простые неуправляемые приемопередающие антенны, имеющие широкую диаграмму направленности в верхней полусфере. Узкие лучи многолучевой антенны формируют кластеры лучей по типу, показанному на рис. 5.20, для повторного использования частот в системе связи.

Приемник ретранслятора фидерной линии содержит т фильт­ ров с полосой каждого фильтра А/], где Д/1 — полоса частот, ис­ пользуемая в узком луче абонентской линии связи. Если число лу­ чей в кластере есть кш, то общая полоса частот, занимаемая або­ нентскими линиями связи в эфире, A f= k KJIA fu а полоса частот, занимаемая фидерной линией, Д/фИД= тА/1.

Для того чтобы сигнал базовой станции был направлен в уз­ кий луч ретранслятора номер /, синтезатор частот базовой станции должен установить частоту несущей, которая попадает в фильтр Ф,- приемника ретранслятора, а приемник базовой станции должен быть настроен на частоту несущей, которая проходит фильтр ф п/ ретранслятора на передачу по фидерной линии.

Изложенный выше принцип организации многостанционного доступа с использованием многолучевой антенны называется мно­ гостанционным доступом с частотной адресацией лучей. Набор фильтров Ф,-... Ф„ и Ф П|... Ф пт на борту ретранслятора образует маршрутизатор сигналов, использующий частотный признак сиг­ налов для их маршрутизации.

5 .8 . Г е о с т а ц и о н а р н ы е с п у т н и к о в ы е с и с т е м ы т е л е р а д и о в е щ а н и я

Для России с ее протяженной территорией необходимы две системы спутникового телерадиовещания: 1) система распределе­ ния телерадиопрограмм по временным поясам вещания с после­ дующей ретрансляцией этих сигналов через местные наземные эфирные станции теле- и радиовещания; 2) система непосредст­ венного телерадиовещания на индивидуальные приемники, также привязанная к местному времени поясов вещания.

Спутниковая система распределения телерадиопрограмм.

Территория России (СНГ) разделяется на пять поясов вещания: зоны А, Б, В, Г, М. Программы центрального вещания из Москвы с соответствующей задержкой по времени ретранслируются Через три КА в поясные зоны вещания, как это показано на рис. 5.27, Для ретрансляции сигналов телерадиовещания используются КА и частоты фиксированной спутниковой службы в диапазоне частот

Рис. 5.27. Схема распределения программ центрального телерадиовещания

по территории России

4/6 ГГц. Сигналы вещания принимаются наземными станциями с антенной диаметром 2,5 м.

В каждом стволе ретранслятора с полосой 36 МГц могут пе­ редаваться четыре цифровые телевизионные программы высокого качества со скоростью 6 Мбит/с (видео) и стереозвук со скоростью 256 кбит/с плюс 4x2 Мбит/с данные, включая Internet и радиопро­ граммы в режиме стерео со скоростью 256 кбит/с.

Наземные станции приема сигналов телерадиовещания при­ нимают сигналы от спутникового ретранслятора, демодулируют их и подают на передатчики эфирного теле- и радиовещания, ра­ ботающие в метровом и дециметровом диапазонах волн.

С путниковое непосредственное телерадиовещ ание. Для непосредственного приема телевидения со спутников наземный индивидуальный приемник должен иметь антенну небольших раз­ меров. Это в свою очередь требует создания повышенной плотно­ сти потока мощности на поверхности Земли от спутникового ретранслятора и решения вопросов электромагнитной совмести­ мости с другими радиосистемами. В связи с вышеуказанным для геостационарных спутниковых систем вещания был выделен спе­ циальный диапазон частот 11,7-12,5 ГГц для Европы и России (фидерная линия 17,3-18,1 ГГц), в котором разрешалось иметь большую плотность потока мощности на поверхности Земли. Од­ новременно был установлен минимальный разнос КА на орбите 6°, что позволяет иметь минимальный размер антенны наземного приемного устройства 30 см.

Спутниковое непосредственное телевидение имеет два прин­ ципиальных преимущества перед наземным эфирным телевидени­

ем. Во-первых, спутниковое телевидение может обеспечить одно­ временную трансляцию до нескольких сотен телевизионных кана­ лов высокого качества вместо 6—12 каналов наземного эфирного телевидения в метровом и дециметровом диапазонах волн. Вовторых, спутниковый ретранслятор телевизионного вещания об­ служивает гигантские территории, в том числе труднодоступные и малонаселенные регионы, где отсутствует эфирное телевещание.

В России спутниковое телерадиовещание организуется на принципах поясного вещания. Ретранслятор КА формирует зоно­ вый луч, покрывающий пояс (зону) вещания (см. рис. 5.27). Для России выделены пять точек стояния КА на геостационарной ор­ бите для вещательной службы: 23, 44, 74, 110, 140° в.д. В перспек­ тиве каждый ствол ретранслятора будет передавать интегральный цифровой поток символов, в котором могут быть размещены циф­ ровые телевизионные каналы со скоростью 2 - 4 Мбит/с каждый, цифровые каналы радиовещания, передача данных от сети Internet и другие службы.

Суммарная скорость передачи информации от одного КА ве­ щания в выделенной полосе частот 800 М Гц может достигать ве­ личины порядка 1,2 Гбит/с или 600 каналов со скоростью 2 Мбит/с и более с учетом использования стволов ретранслятора с прямой и ортогональной поляризаций радиосигнала.

На рис. 5.28 показана функциональная схема спутникового цифрового приемного вещательного персонального терминала. Сигнал с малошумящего усилителя (МШ У) поступает в конвертор, который преобразует радиосигнал на входной частоте в сигнал промежуточной частоты. МШ У и конвертор располагаются на ан­ тенне.

Компьютер ТВ Радио

Рис. 5.28. Функциональная схема спутникового цифрового

приемного терминала

Сигнал промежуточной частоты по кабелю поступает на ап­ паратуру, находящуюся внутри помещения. Тюнер выбирает не­ обходимый ствол ретранслятора и производит демодуляцию сиг­ нала, а демультиплексор выбирает нужный канал телевидения или радиовещания или данных из общего группового потока символов с временным уплотнением каналов.

5 .9 . С п у т н и к о в ы е т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы е с и с т е м ы с и с п о л ь з о в а н и е м КА н а с р е д н е в ы с о т н ы х и

н и зк и х о р б и т а х

Опыт проектирования низко- и среднеорбитальных спутнико­ вых телекоммуникационных систем показывает, что создание та­ ких систем целесообразно на базе КА малой массы для организа­ ции связи с малогабаритными мобильными и стационарными тер­ миналами, т.е. для создания сетей персональной связи.

Телекоммуникационные системы с использованием КА на низких и средних орбитах позволяют обеспечить работу термина­ лов при больших углах места, что дает возможность избежать эк­ ранирования трассы распространения сигнала местными предме­ тами. Этот фактор плюс меньшее расстояние между КА и терми­ налами позволяют создать высокоскоростные каналы связи с мобильными и персональными терминалами, что труднодостижи­ мо в спутниковых телекоммуникационных системах с геостацио­ нарными КА.

Основными специфическими проблемами для телекоммуни­ кационных систем с негеостационарными КА являются: выбор космической группировки КА, выбор диапазона рабочих частот, определение зоны обслуживания КА, выбор числа лучей многолу­ чевой антенны КА. Рассмотрим эти проблемы более подробно.

С учетом влияния радиационных поясов Земли наиболее при­ годными орбитами негеостационарных КА являются:

•низкие круговые орбиты с высотами 700-1500 км (междуна­ родная аббревиатура LEO, Low Earth Orbit)',

•средние круговые и эллиптические орбиты MEO (Medium Earth Orbit) с высотами 10 тыс. км и 20 тыс. км.

Для создания негеостационарных спутниковых телекоммуни­ кационных систем необходимо выделить для них соответствую­ щие диапазоны и полосы частот и обеспечить электромагнитную совместимость с другими уже существующими системами. Наибо­ лее сложными оказались проблемы электромагнитной совмести­ мости негеостационарных и геостационарных телекоммуникаци­ онных систем, работающих в общих полосах частот, а также про­ блема электромагнитной совместимости нескольких негеостацио­

нарных телекоммуникационных систем, работающих в общих по­ лосах рабочих частот.

До 1992 г. частотные полосы для негеостационарных телеком­ муникационных систем специально не выделялись. К настоящему времени для негеостационарных спутниковых телекоммуникацион­ ных систем выделены следующие диапазоны и полосы частот.

1. Для систем связи с мобильными и персональными термина­ лами, работающ их с низкой скоростью передачи информации в режиме передачи коротких цифровых сообщений или электронной почты и вследствие этого использующих КА малой массы (поряд­ ка 45 кг) с однолучевой бортовой антенной с широкой диаграммой направленности, выделены отдельные узкие полосы частот для абонентских линий в диапазоне 137-400 М Гц с общей полосой частот 5 М Гц в радиолиниях вниз и 5 МГц в радиолиниях вверх. В таких системах невозможно пространственное разделение радио­ каналов связи и поэтому различные негеостационарные телеком­ муникационные системы должны работать на разных частотах.

2. Для систем мобильной и персональной связи большой ем­ кости, использующих многолучевые антенны спутникового рет­ ранслятора для организации телефонной связи, а в дальнейшем и для организации высокоскоростных мультимедийных каналов свя­ зи со скоростями передачи информации 144 и 384 кбит/с, выделе­ ны полосы частот абонентских линий на первичной основе:

•2483,5-2520 М Гц в линиях вниз, 2670—2690 М Гц в линиях вверх.

Для этих же систем выделены полосы частот фидерных линий в диапазонах 5/7 ГГц (5 ГГц - линия вниз, 7 ГГц - линия вверх) и 20/30 ГГц.

3. Для спутниковых негеостационарных телекоммуникацион­ ных систем со стационарными и мобильными терминалами выде­ лены полосы частот:

•10,7-11,7 ГГц в линиях вниз, 12,75—13,25 ГГц и 13,75-14,5 ГГц в линиях вверх.

Эти полосы частот выделены на вторичной основе так, чтобы излучения средств негеостационарной системы не мешали геоста­ ционарным системам связи, работающим в этих же полосах частот:

•19,7—20,2 ГГц в линиях вниз;

•29,5—30,0 ГГц в линиях вверх.

В результате получим следующий ряд значений: т = 1, 7, 19, 37, 61, 91,...

Величина зоны обслуживания КА определяется допустимым углом места наземных станций. Для мобильных и персональных терминалов, как показывают эксперименты, углы места должны быть не менее 30°.

Для стационарных терминалов диапазона 11/14 ГГц мини­ мальные углы места могут быть порядка 10°. Для терминалов диа­ пазона 20/30 ГГц и более высоких диапазонов частот из-за сильно­ го поглощения радиосигнала в дожде при малых углах места (см. рис. 5.12) минимальные углы места должны быть тоже порядка 30°.

Рис. 5.30. Геометрические соотношения между углом места а

и диаметром зоны обслуживания

^ЗОНЬР

ТЫС. КМ

а, град

Рис. 5.31. Диаметр зоны обслуживания как функция

минимального угла места наземной станции

Соотношения, связывающие величину dZ0HU и угол места а , можно получить из геометрических соотношений, показанных на рис. 5.30:

где R3—радиус Земли; (р —центральный угол; Н —высота КА отно­ сительно поверхности Земли.

Зависимость диаметра зоны обслуживания от минимального угла места наземной станции показана на рис. 5.31.

Диаметр зоны обслуживания и соответствующие минималь­ ные углы места наземных станций определяются выбранной груп­ пировкой КА, содержащей Шф орбитальных плоскостей с числом КА в одной плоскости пш. Для иллюстрации рассмотрим группи­ ровку КА на круговых полярных орбитах. Зоны обслуживания этих КА на экваторе показаны на рис. 5.32. С увеличением широты происходит сгущение КА и зоны обслуживания КА начинают пе­ рекрываться, что увеличивает минимальные углы места наземных станций в системе и создает более благоприятные условия для ве­ дения связи.

Экватор

40000 км

Рис. 5.32. Зоны обслуживания КА на карте в районе экватора

При периметре экватора 40000 км из рис. 5.32 найдем, что

где для числа КА в одной плоскости лпл берется ближайшее боль­ шее целое число.

Общее число КА в группировке ика= ^ope^im-

П ри м ер . Рассмотрим группировку КА системы Iridium на по­ лярных орбитах с высотой 780 км. В группировке КА используют­ ся /иорб = 6 орбитальных плоскостей. В результате расчета получа­ ем {/зоны = 4,44 тыс. км, Япл = 10,4, выбираем пт = 11 и получаем об­ щее число КА в группировке «ка = т орб = 66. Согласно гра­ фикам рис. 5.31, минимальный угол места наземных станций в районе экватора составляет около 8°. Полученные расчетные дан­ ные полностью совпадают с объявленными характеристиками группировки КА системы Iridium.

При использовании круговых наклонных орбит КА вместо полярных необходимое число КА в группировке уменьшается, что весьма важно с экономической точки зрения. Пусть наклонение плоскости круговой орбиты по отношению к экваториальной плоскости равно у. В этом случае широты подспутниковых точек лежат внутри пределов ±у и территории на широтах выше ±у плюс расстояние {/30HU /2 не обслуживаются группировкой КА на наклон­ ных круговых орбитах. При обслуживании только густонаселен­ ных регионов земного шара можно выбрать значения углов накло­ нения у = 55° —60°.