Проектирование цифровых спутниковых систем связи и вещания. Учебное пособие для дипломного проектирования

11

этих станций другим радиоэлектронным средствам; упрощенная процедура введения ЗС VSAT в эксплуатацию в большинстве стран мира.

Мировой прирост VSAT-сетей как сектора рынка составляет до 17% в год. К 2003 году в составе спутниковых сетей связи различного назначения задействовано примерно 650 тысяч VSAT-станций; по прогнозам специалистов к 2005 г. число VSAT-станций должно было достигнуть 1,5 млн. шт., что обусловлено мировой тенденцией перехода к информационному сообществу. Наряду с традиционными услугами, предоставляемыми операторами спутниковой связи, с помощью ЗС VSAT (телефон, передача факсимильных сообщений и данных), в последнее время интенсивно развиваются новые виды услуг на основе интерактивных сетей (включающих услуги ИНТЕРНЕТ), обеспечивающих диалоговый режим между источниками услуг и потребителями: видео по запросу, домашний офис, межкомпьютерная телефония, видеотелефония, видеоконференцсвязь, дистанционное обучение, медицина (биологический мониторинг здоровья абонентов), электронные игры, электронный магазин, электронные газеты, реклама и маркетинг.

В России также существует большая потребность в каналах связи с использованием ЗС VSAT, причем полная реализация таких сетей с набором мультимедийных интерактивных каналов могла бы обеспечить до 50% общего роста потребностей в каналах спутниковой связи.

Выбор системных характеристик. К числу основных системных характеристик при проектировании сети передачи данных на основе технологии VSAT можно отнести следующие: орбитальная позиция геостационарного ИCЗ (т.е. космического аппарата на геостационарной орбите – ГО); зона покрытия; тип сети VSAT; диапазон рабочих частот; параметры трафика; полоса частот спутникового канала связи; способ передачи сигналов и тип многостанционного доступа; вид модуляции; способ и параметры кодирования источника речевых сообщений; способ и параметры помехоустойчивого (канального) кодирования и ряд других.

Выбор системных характеристик, в принципе, должен учитывать условия приема, а именно: стационарный или на подвижном объекте, в городе с многоэтажной застройкой или на открытой местности и т.д. Рассмотрим далее выбор системных характеристик, исходя из условий стационарного приема сигнала от бортового ретранслятора ИСЗ, например, на Европейской части России.

Орбита ИСЗ. Под ССС понимаются различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной (ГО) круговой (GEO) – высотой около 36 тыс. км, средневысотных круговых (MEO) – высотой порядка 10 тыс. км, низких круговых (LEO) – высотой 700…1500 км и вытянутых высокоэллиптических орбитах (HEO), работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи. В случае использования высокоэллиптической орбиты ближайшая к Земле точка орбиты спутника (перигей) находится на высоте около 500 км, а наиболее удаленная от Земли точка орбиты (апогей) – на высоте около 39000 км. Орбиты типа LEO и MEO требуют большого количества спутников для охвата требуемой территории. Поэтому единственной альтернативой ГО является HEO [10,15,16].

12

Зона покрытия определяется шириной диаграммы направленности

(ДН) антенны ИСЗ и рассчитывается как пересечение поверхности Земли конусом луча антенны. Форма этого сечения зависит от точки размещения ИСЗ

(орбитальной позиции), «точки прицеливания» — точки пересечения оси глав-

ного лепестка антенны ИСЗ с земной поверхностью, а также от нестабильности положения ИСЗ и ориентации его антенн. В связи с нестабильностью вводится понятие гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения.

Вотличие от зоны покрытия в пределах зоны обслуживания (ЗО) – части поверхности Земли, на которой могут располагаться ЗС данной системы – не только обеспечивается необходимый уровень сигнала на линии ИСЗ-ЗС и ЗСИСЗ, но и соблюдаются необходимые защитные соотношения по отношению к мешающим сигналам других систем.

Врассматриваемом случае (Европейская часть РФ) орбитальную позицию геостационарного ИCЗ (т.е. ретранслятора) необходимо выбрать таким образом,

чтобы он был виден под углом места β › βmin из Москвы (центра зоны обслуживания) и городов, располагающихся на краях зоны обслуживания, а именно:

Москва – с координатами 55,7° с.ш. и 37,4° в.д.; Мурманск – с координатами 69,0° с.ш. и 33,2° в.д.; Калининград – с координатами 54,7° с.ш. и 20,8° в.д.; Сочи – с координатами 43,5° с.ш. и 39,5° в.д.; Оренбург – с координатами 51,8° с.ш. и 55,1° в.д.

Это условие учитывает то обстоятельство, что при малых β резко возрастает влияние шумового излучения Земли. На частотах свыше 10 ГГц βmin = 10…15°.

При проектировании ССС VSAT часто приходится рассчитывать конкретную зону обслуживания ИСЗ с учетом заданных координат ЗС. При расчетах зон обслуживания обычно пользуются сферической системой координат с началом в точке размещения спутника (S), показанной на рис.2.

Рис. 2. К определению параметров в сферической системе координат

13

В этой системе координат положение любой точки на поверхности Земли полностью определяется значением двух углов: 1 – в плоскости экватора и 2 – в плоскости, перпендикулярной к плоскости экватора. Положение ЗС (точка А) определяется ее долготой зс и широтой зс, а положение подспутниковой точки (точка Р) долготой сп и широтой сп. Очевидно, что для ИСЗ, расположенного на геостационарной орбите сп = 0. На рис.2 также показаны центр Земли (точка О), северный полюс (точка N) и проекция точки А на плоскость экватора (точка В).

Для определения участка ГО, в пределах которого спутник виден под углом места β › βmin, можно воспользоваться диаграммой, на которой построены линии равных углов места для ИСЗ на ГО, представляющие собой зависимость географической широты φзс° точки на земной поверхности от Δλ = λзс – λсп – разности между долготой этой точки и долготой стационарного ИСЗ [10,12,15].

Для определения параметров луча ИСЗ (через ширину ДН антенны) географические координаты крайних точек рассчитываемой ЗО (точки 1, 2, 3, 4 угловой спутниковой проекции на рис.3) следует пересчитать в углы 1 и 2 сферической системы координат. Эти точки должны попасть в луч антенны ИСЗ. В простейшем случае сечение этого луча ортогональной плоскостью имеет форму эллипса, однако на сферической поверхности Земли контуры луча будут искажены.

2

Углы 1 и 2 (угловой спутниковой проекции) [8,15,17] рассчитывают по формулам:

Далее точки 1…4 наносят на проекцию с координатами 1 и 2 (см. рис.3). Вокруг этих точек описывают эллипс возможно меньшего размера. Можно счи-

14

тать, что этот эллипс является границей ЗО «видимой» со спутника, а его оси a и b определяются графически. Эти оси, выраженные в градусах, численно равны ширине ДН ( а х b) антенны КС, необходимой для охвата заданной ЗО. Напомним, что ДН измеряется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по уровню

половинной мощности.

Коэффициент усиления передающей антенны ИСЗ для рассчитанной ЗО

где а и в определяются в градусах.

В пределах ЗО размещают указанное в исходных данных количество ЗС, для каждой из которых рассчитываются:

- наклонная дальность (линия SA на рис.2) – расстояние между точкой расположения ЗС (точка А) и точкой расположения спутника (точка S) [8,9,16,17]:

где - центральный угол, образованный лучами, проведенными из центра Земли, между направлением на ЗС (линия ОА) и направлением на подспутниковую точку (линия ОР) на рис. 4.

стрелке между направлением на Северный полюс и проекцией направления на КС, опущенную на плоскость, касательную к поверхности Земли.

Определение лучшей (ЛЗС) и худшей (ХЗС) земной станции осуществляют путем сравнения полученных значений угла и наклонной дальности d: для ХЗС

– минимален, d – максимальна; для ЛЗС – наоборот: – максимален, d – минимальна.

16

Топология «звезда» (рис.6) представляет собой более сложную радиальную структуру, где есть центральная станция (ЦЗС) и некоторое количество периферийных ЗС (ПЗС). Количество ПЗС зависит от пропускной способности каждой ПЗС и всей сети в целом. Пропускная способность определяется шириной ствола ретранслятора и количеством стволов, используемых в системе.

ПЗС1

ПЗСN

Рис. 6. Топология сети «звезда»

Организация связи в сети типа «звезда» осуществляется через ЦЗС, которая имеет более сложную структуру, что позволяет упростить структуру ПЗС. На ЦЗС, как правило, возлагаются функции управления сетью. Соединение двух ПЗС происходит за два скачка: ПЗС – КС – ЦЗС и ЦЗС – КС – ПЗС, что сказывается на задержке сигнала, но такая топология сети дает экономию в энергоресурсах ПЗС.

Сети VSAT подобной архитектуры широко используются для организации информационного обмена между большим числом удаленных терминалов, не имеющих взаимного трафика. Так строятся сети телефонной связи для обслуживания удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования (ТфОП) через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС.

Топология сети «каждый с каждым» (рис. 7) дает возможность связаться каждой станции с любой другой за один скачок: ЗС – КС – ЗС, что уменьшает время задержки, но усложняет структуру ЗС. Функции управляющей может выполнять любая станция сети. Аппаратура таких станций дороже, чем ПЗС в сети «звезда» и имеет антенны большего диаметра. Топология сети «каждый с каждым» имеет смысл для труднодоступных или значительно удаленных пунктов.

ЗС1

ЗСN

. . .

ЗС4

ЗС2

ЗС3

Рис. 7. Топология сети «каждый с каждым»

17

Современные сети VSAT могут строиться по любой из перечисленных топологий, а могут иметь смешанную структуру.

Выбор рабочих частот. Различные факторы влияют на выбор оптимальной рабочей частоты для спутниковой системы связи. Нижняя частотная граница, главным образом, определяется ограниченными размерами передающей антенны ИСЗ. Уменьшение рабочей частоты влечет за собой пропорциональное увеличение размеров антенны.

Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. Это необходимо для достижения совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В соответствии с Регламентом радиосвязи вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот.

Район 1 – включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ. Район 2 – охватывает территорию Северной и Южной Америки.

Район 3 – это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.

В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита. Основные диапазоны приведены в табл. 2.

Приемопередатчику ИСЗ выделяется пара частот, записываемых в виде дроби: в числителе – частота, используемая для передачи сигнала от ЗС на спутник (линия вверх), в знаменателе – от спутника к ЗС (линия вниз); например, в табл. 2 эти значения частот для С-диапазона обозначены как 6/4.

Т а б л и ц а 2. Основные диапазоны частот для спутниковых систем связи

Здесь обозначено: ПСС – подвижная спутниковая служба – между подвижными ЗС (или между подвижными и фиксированными ЗС) с участием одной или нескольких космических станций (в зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые службы); ФСС – фиксированная спутниковая служба [10,15,16].

В настоящее время сети станций VSAT чаще всего работают в С- и Ku- диапазонах частот ФСС. Технические параметры станций VSAT при передаче должны удовлетворять требованиям следующих Рекомендаций МСЭ-Р: S.726 «Максимально допустимый уровень паразитных излучений VSAT»; S.727 «Кроссполяризационная развязка для VSAT»; S.728 «Максимально допустимый уровень внеосевой плотности ЭИИМ VSAT»; S.729 «Контроль и управление станции VSAT».

18

Способ передачи. В цифровых системах спутниковой связи используются два метода передачи данных (т.е. способа организации цифрового потока):

последовательный (TDM), когда данные передаются на единственной несущей частоте (single carrier modulation) – это системы с временным разделением каналов (ВРК), и

параллельный (FDM), когда для передачи данных используется большое число (сотни и даже тысячи) частот (multi-carrier modulation) – это системы с частотным разделением каналов – ЧРК).

В системах с ЧРК на каждой несущей может организовываться как многоканальная цифровая передача сигналов (со скоростью до 2048 кбит/с), так и одноканальная, когда используется принцип передачи «один канал на несущей – ОКН». Наиболее технологичным на сегодняшний день методом, реализующим параллельную передачу, является использование ансамблей ортогональных частотно – разделенных несущих (OFDM) [12,13].

Принцип ВРК имеет ряд преимуществ по сравнению с ЧРК: (1) при использовании ВРК снижаются требования к линейности тракта передачи, т.е. упрощаются наиболее сложные и дорогостоящие элементы спутниковой связи и, прежде всего, усилитель ретранслятора и антенные устройства. В то же время ЧРК характеризуется наличием большого пик-фактора, поэтому для уменьшения уровня интерференционных помех при усилении многочастотного сигнала необходимо либо недоиспользовать мощность выходного усилителя (используя линейный участок его работы), либо использовать более сложный усилитель ретранслятора;

(2) ВРК позволяет существенно упростить входное устройство приемника.

Тем не менее, применение ВРК связано с рядом проблем, главной из которых является необходимость борьбы с МСИ, возникающей либо из-за неравномерности фазовой характеристики канала передачи, либо при нарушении соответствия используемой скорости передачи данных Вc (символов/с), отведенной полосе частот.

Если радиоканал работает в условиях прямой видимости (что свойственно спутниковым системам передачи), то его математической моделью в первом при-

где - задержка распространения, h(t) – импульсная характеристика, которая учитывает наличие в канале фильтров, ограничивающих ширину полосы частот передаваемого сигнала заданной полосой канала W. В общем случае h(t) имеет длительность п, которая характеризует время памяти канала. В канале с АБГШ всегда должно выполняться неравенство Тс = (1 / Вc) >> п, в противном случае гарантировано возникновение МСИ – как следствие увеличения взаимного влия-

19

ния элементов передаваемого сигнала друг на друга. Результатом становится лавинообразный рост количества цифровых ошибок в канале передачи.

Основным способом передачи данных в канале с АБГШ является использование системы с ВРК, когда информационная последовательность передается последовательно с определенной скоростью Вc. В рассматриваемом здесь варианте стационарного приема на высоконаправленную антенну появление МСИ может быть связано с превышением предела Найквиста, устанавливающего значение максимальной скорости двоичной передачи в радиоканале с полосой W : Вmax = W, бит/с. Расширение практически занимаемой спектром сигнала полосы частот

оанала сверх полосы Найквиста учитывается коэффициентом скругления спектра α (α = 0 соответствует прямоугольному спектру). Оптимальное значение этого коэффициента реализуется соответствующим выбором характеристик формирующих фильтров в модуляторе и демодуляторе. В результате спектр цифрового сигнала на выходе тракта (входе решающего устройства) характеризуется «скруглением» по краям в форме «приподнятого косинуса». Это обеспечивает контролируемые МСИ при высокой эффективности использования радиоспектра.

С учетом скругления спектра

В Q – ичном канале, когда кратность манипуляции фазы Q = log2M, где М – число позиций модулируемого параметра, вместо (9) имеем

поскольку Вc = В /Q, Тс = 1/ Вc = Тб·log2M – длительность сигнала, а Тб – интервал времени, отводимый на передачу битовой посылки, т.е. тактовый интервал.

Оценка скорости передачи, реально достижимой в Q-ичном радиоканале с полосой W, может быть получена с помощью соотношения

поскольку, как правило, значение α лежит в диапазоне 0,15 ≤ α ≤ 0,35, хотя для достижения максимальной помехоустойчивости в реальных условиях значение α должно лежать в пределах от 0,4 до 0,6 [2].

Появление в реальных каналах прямой видимости некоторых форм временного рассеяния сигналов и желание, несмотря на это, сохранить предельно высокую скорость передачи может спровоцировать МСИ, которые часто удается скомпенсировать, используя разнообразную технику эквалайзинга [11,14].

Системы с последовательной передачей данных на одной несущей обладают высокими энергетическими показателями: здесь реализуются минимально возможный пик-фактор и хорошая концентрация сигнала во времени. Однако, относительно высокие скорости передачи, соответствующие (11), могут быть достигнуты лишь в канале (8), т.е. при стационарном приеме на направленную антенну. Как отмечалось выше, альтернативный способ передачи данных представляет со-

бой параллельную (многочастотную) систему передачи, использующую K

(под)несущих, число которых всегда отвечает условию K>>1. Здесь каждый из K парциальных подканалов становится неискажающим, поскольку в нем выполня-

20

ется условие Тс >> п. Однако, как показали результаты компьютерного моделирования, в силу непостоянства огибающей и большого пик-фактора такого сигнала, энергетический проигрыш многочастотной системы по сравнению с системой с одной несущей в канале с АБГШ составляет приблизительно 7 дБ [12].

Методы модуляции. К настоящему времени в ССС цифровые методы передачи сигналов практически полностью вытеснили аналоговые. Высокая помехоустойчивость, энергетическая эффективность и экономное расходование полосы частот в современных цифровых системах связи и вещания достигаются в значительной степени благодаря рациональному выбору сигналов. При этом должна также учитываться сложность (стоимость) схемотехнической реализации модема.

Из теории сигналов известно, что максимальной (потенциальной) помехоустойчивостью, т.е. наименьшей вероятностью ошибочного приема, характеризуются противоположные (манипулированные по фазе на 180 ) сигналы ФМ-2 (PSK или BPSK). Однако, несмотря на высокую помехоустойчивость, существует ряд причин, из-за которых часто отказываются от непосредственного применения сигналов с абсолютной ФМ. Прежде всего, это проблема фазовой неоднозначности при приеме ФМ посылок. Радикальным методом, обеспечивающим передачу сигналов по каналу с неоднозначностью, является переход к относительной ФМ

(ОФМ) [2,4,12-14].

При относительной передаче информация содержится в парах последовательно передаваемых сигналов. Реализуется это путем кодирования информации до ее подачи на фазовый модулятор и обратного преобразования в демодуляторе. Применение ОФМ приводит к возрастанию вероятности ошибок (приблизительно вдвое) и к энергетическим потерям от приблизительно 0,3 дБ для канала без кодирования, до 1,5 дБ в случае применения сверточного кодирования (см. ниже). Поэтому расширяется применение абсолютной ФМ, а устранение фазовой неоднозначности осуществляется либо путем использования пилот-сигнала (остатка несущей) или специальной регулярной последовательности (синхрослова), либо за счет помехоустойчивого кодирования, которое обеспечивает дополнительные возможности для построения систем синхронизации декодера и устранения неоднозначности фазы в канале.

Перекодирование исходных данных и как следствие этого переход к сигналам ОФМ, естественно, не повышает эффективность использования спектра при их передаче по каналам связи. Полосу частот, требуемую для передачи ФМ-М (или ОФМ-М) сигналов, сокращают путем перехода к многократной (Q>2) манипуляции фазы (см. комментарий к формуле 10). При этом исходная последовательность символов разбивается на блоки по Q соседних символов (М = 4,8,16,…), а длительность сигнала оказывается равной Тс = Q ·Тб, что приводит к сокращению в Q раз полосы занимаемых частот при сохранении скорости передачи. Следовательно, приблизительно в Q раз возрастает эффективность использования спектра. Например, ФМ-4 (QPSK) имеет вдвое лучшую спектральную эф-