2.3. Системы персональной подвижной спутниковой службы

2.3.1. Общая характеристика

Инфраструктура связи России традиционно строилась на проводных линиях. В наши дни одно из наиболее быстро разви­вающихся направлений связи – персональная радиосвязь на базе сотовых наземных сетей. Применение радиосвязи на абонент­ском участке позволяет иметь доступ к каналу связи при переме­щении в пространстве. При этом сохраняется возможность со­единения с перемещающимся абонентом по его неизменному номеру. В районах с низкой плотностью населения использова­ние наземных сотовых радиосистем связи вне крупных городов крайне малоэффективно экономически.

Около 40 тыс. населенных пунктов нашей страны до сих пор не имеют никакой оперативной связи с внешним миром. Гео­графически такие населенные пункты рассредоточены на севере страны, в Сибири на Дальнем Востоке. Связь в этих районах можно обеспечить с помощью ССС, не требующих огромных средств на развертывание наземной инфраструктуры.

Поэтому, несмотря на бурный рост сотовых сетей связи различных стандартов, услуги персональной спутниковой связи в удаленных районах не только нашей страны, но и всего мира предпочтительнее с экономической точки зрения. Энергетический баланс линий спутниковой связи до недавнего времени не позво­лял уменьшить абонентский терминал до размеров сотового те­лефона – трубки в руке.

Применение спутников на низких орбитах создает энергети­ческие преимущества перед геостационарными спутниками и дает возможность организовывать сети подвижной связи с персональ­ными телефонами с ненаправленными антеннами. Кроме того, запуск спутника на низкую орбиту проще и дешевле, для это­го можно использовать ракеты средней мощности. Резко уменьша­ется запаздывание информационных сигналов в канале связи.

Имеется ряд недостатков, свойственных системам со спут­никами на низких орбитах, в том числе:

• необходимость запуска большого числа спутников, даже если предполагается обслуживать ограниченную зону; затем эту группировку нужно поддерживать, заменяя вышедшие из строя спутники;

• необходимость организации большого числа соединений между зонами, для чего используются наземные или межспутни­ковые линии или геостационарные спутники;

• необходимость анализа и обработки сигналов на борту спутника; технологические сложности при создании бортового оборудования и абонентского терминала;

• сложность частотного совмещения с системами спутнико­вой связи, с геостационарными спутниками и с наземными ра­диорелейными линиями.

Функции систем с низкоорбитальными спутниками доста­точно широки. Такие системы подходят для радиоопределения (т.е. для определения местоположения объекта), пейджинга, электронной почты (с передачей сообщений с запоминанием; они ретранслируются в момент, удобный для приема на принимаю­щей станции). Такие спутниковые системы удобны для организа­ции технологической связи, особенно при передаче сообщений от диспетчеров к движущемуся средству. В отдельных случаях сис­темы на низкоорбитальных спутниках можно использовать для общедоступной фиксированной связи с удаленными районами и передачи данных. Но основное их применение – телефонная персональная связь с подвижным абонентом, находящимся вне зоны действия наземных сотовых систем.

В зоне действия наземных сетей сотовой связи спутнико­вые системы с ними конкурировать не могут. Поэтому созданы абонентские терминалы – трубки двойного применения, способ­ные работать как в наземной сети, так и через спутники.

Полоса частот, выделенная для связи низколетящих спутни­ковых систем с подвижным абонентом, весьма ограничена (в диапа­зоне 1610...1626,5 МГц, т.е. всего 16,5 МГц). Это потребовало при­менения эффективных методов передачи и многократного исполь­зования полосы частот (с помощью узких лучей бортовых антенн).

Совмещение в терминале абонента всех функций станций спутниковой связи (аналого-цифровое преобразование, модуля­ция, демодуляция, усиление мощности и т.п.), да еще в двух ва­риантах – для наземной и спутниковой систем связи – представ­ляет собой сложнейшую технологическую задачу, решаемую лишь при высокотехнологическом производстве на базе специализированных БИС и микропроцессоров.

Создание ряда систем спутниковой связи на низколетящих спут­никах началось в 1990-х годах как в России, так и за рубежом. Пара­метры основных систем на низких спутниках приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Параметры системы	Iridium	Globalstar	«Сигнал»	«Гонец»
Число КА	66	48	48	45
Число орбитальных плоскостей/число КА в плоскости	6/11	8/6	8/6	5/9
Тип орбиты	LEO	LEO	LEO	LEO
Высота орбиты, км	780	1389	1500	1400
Наклонение, град.	86	52	74	83
Масса КА, кг (на орби- Те/стартовая	317/689	250/450	300	225
Зон обслуживания, град. (с.ш./ю.ш.)	0…90	0…72	27-90	0…90
Предоставляемы услуги	ТЛФ, ПД	ТЛФ, ПД	ТЛФ, ПД	ПД (эл. почта) ТЛФ (в предел. зоны)
Суммарная мощность передатчиков в направлении ИЗС–АС, Вт	120	1000	150	40
Число лучей	48	16	11	1
Число каналов на КА	2500	2600	220	–
Метод доступа абонентов	МДВР–МДЧР МДПР	МДКР–МДЧР МДПР	МДКР–МДЧР	МДВУ– МДЧР МДВР
Способ связи между зонами	Межспутниковая	Через СС	Через СС	Перенос, память на спутнике
Число СС	25	200	6	–

На рис. 2.9 показана схема орбитальной группировки системы Iridium. Космический сегмент состоит из некоторого чис­ла спутников, находящихся на негеостационарных орбитах. Спут­ники размещаются по нескольку штук в некоторой плоскости (плане) таким образом, что, двигаясь в заданных плоскостях и последовательно сменяя друг друга, формируют заданную зону обслуживания. Требуемая зона обслуживания формируется уз­кими лучами антенных систем отдельных спутников, находящихся в различных орбитальных плоскостях.

Рис. 2.9. Схема орбитальной группировки системы Iridium

Основными типами негеостационарных орбит, используе­мых в системах персональной связи, являются:

• низкие земные орбиты (LEO), высотой 700...1500 км;

• промежуточные круговые орбиты (МЕО), порядка 10 000 км. В наземный сегмент системы включаются:

• станции сопряжения (СС), обеспечивающие взаимодейст­вие системы с наземными сетями общего пользования (НСОП) при применении для каждой страны или региона конкретных сис­тем нумерации и видов сигнализации;

• станции управления ИСЗ-ретрансляторами, включая станции управления сетью связи, а также станции телеметрии и передачи команд управления.

Для организации доступа абонентов в систему используют достаточно сложное сочетание нескольких видов многостанцион­ного доступа:

• многостанционный доступ с пространственным разделе­нием (МДПР), организуемый за счет использования узких лучей, формируемых на ИСЗ;

• многостанционный доступ с временным разделением (МДВР), используемый в отдельном луче (соте), - система Iridium;

• многостанционный доступ с кодовым разделением (МДКР), используемый в каждом луче (соте), - системы Globalstar, «Сигнал»;

• многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР), используемый для смежных лучей (сот), - системы Irid­ium, Globalstar, «Сигнал».

Одной из основных проблем, возникающих при разработке систем персональной спутниковой связи, является организация соединений между абонентскими станциями, находящимися в зонах, формируемых различными ИСЗ.

В настоящее время эта задача решается двумя способами.

1. Использование межспутниковой связи (рис. 2.10 - сис­тема Iridium). Каждый ИСЗ имеет радиолинии связи с двумя ИСЗ, находящимися в той же орбитальной плоскости, и с двумя ИСЗ, находящимися в соседних орбитальных плоскостях. Сегмент управления сетью связи сообщает центральному процессору (ЦП) управления ИСЗ информацию о положении абонентской станции в той или иной зоне. ЦП выбирает необходимый маршрут прохождения информации по соответствующему межспутниково­му каналу связи. Поэтому для сопряжения с наземными линиями связи требуется ограниченное количество СС. Для линий меж­спутниковой связи применяются следящие антенные системы.

Рис. 2.10. Система с межспутниковыми связями

2. Использование наземных каналов связи между СС, на­ходящимися в каждой зоне (системы Globalstar, «Сигнал» - рис. 2.11). Сигнал вызова (или информационный сигнал) от абонент­ской станции через ИСЗ поступает на СС данной зоны. Поскольку в банке данных СС хранится информация о зоне, в которой рас­положена вызываемая абонентская станция, СС организует прохождение вызывного (или информационного) сигнала к соответ­ствующей СС по наземным каналам связи.

Рис. 2.11. Система с использованием наземных каналов связи

Спутниковая система электроной почты является наиболее простой системой персональной спутниковой связи и предназначе­на для нескольких режимов передачи сообщений в зависимости от их объема и типа. При нахождении абонентов в зоне видимости одного ИСЗ обмен информацией (в том числе и телефонной) про­изводится в реальном масштабе времени. Если вызывающая и вызываемая абонентские станции находятся в зонах радиовидимости различных ИСЗ, возможна передача сообщений только в режиме электронной почты - с запоминанием, хранением сообще­ний на борту ИСЗ и их передачей к вызываемой абонентской стан­ции при пролете ИСЗ над регионом ее расположения.

Персональная спутниковая связь во всем мире и в России с самого начала развивалась не как «чисто» спутниковая, а как ее сочетание с наземными сетями сотовой связи. Основная задача сетей персональной спутниковой связи - дополнение и расшире­ние возможностей сотовой за пределами ее зон покрытия, где создание инфраструктуры других видов связи по экономическим либо технологическим причинам нецелесообразно.

Многорежимные абонентские терминалы при работе в зо­нах сотового покрытия автоматически устанавливают связь с со­товой сетью одного из стандартов (GSM, AMPS, TDMA, CDMA), a за его пределами используют спутниковый ретранслятор.

Стационарные спутниковые абонентские терминалы осо­бенно выгодно применять в тех районах, где связь отсутствует вообще, поскольку они обеспечивают (через спутник) подключе­ние к наземным сетям общего пользования (в том числе и теле­фонным – ТФОП).