9.2. Распределение пропускной способности

— ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ

Как правило, один геостационарный спутник работает в довольно широкой полосе частот (например, 500 МГц), которая делится на несколько каналов, имеющих меньшую ширину (например, по 40 МГц). В каждом из таких каналов требуется распределить пропускную способность. Иногда, например при телевещании или пе­редаче единичного потока цифровых данных со скоростью 50 Мбит/с, весь канал выделяется для одного пользователя или приложения. В то же время если отбросить такие крайние случаи, то можно сказать, что экономное использование спутника не­возможно без разделения канала между несколькими пользователями. Поэтому за­дача распределения, в основном, сводится к уплотнению каналов, о котором расска­зывалось в главе 2. В некоторых случаях распределение проводится под централизо­ванным управлением, осуществляемым обычно со спутника. Пропускная способность может также распределяться динамически посредством команд, передаваемых на­земными станциями. Ниже на примерах рассмотрены оба случая.

Все стратегии распределения относятся к одной из трех категорий.

• Множественный доступ с частотным разделением (Frequency Division Multi­ple Access — FDMA).

• Множественный доступ с временным разделением (Time Division Multiple Access — TDMA).

• Множественный доступ с кодовым разделением (Code-Division Multiple Access — CDMA).

В этом и следующих разделах мы изучим схемы FDMA и TDMA. Схема CDMA уже была рассмотрена в главе 7.

Уплотнение с частотным разделением (FDM)

Как уже упоминалось, полная пропускная способность спутника связи делится на несколько каналов. Это верхний уровень уплотнения, далее пропускная способность распределяется внутри каждого канала. На рис. 9.10 приведен пример схемы уплот­нения с частотным разделением (FDM), типичной для геостационарных спутников связи. Эта схема используется в спутниках Galaxy корпорации PanAmSat. Исполь­зуемые спутником частоты принадлежат полосе С, ширина полосы спутника равна 500 МГц и разбита на 24 канала по 40 Мгц. Втиснуть 24 канала в полосу шириной 500 Мгц удается посредством многократного использования частоты: каждая из вы­деляемых частот используется двумя несущими, поляризации которых ортогональ­ны. В каждый канал шириной 40 МГц входит защитная полоса, составляющая 4 МГц, так что реальная ширина каждого канала равна 36 МГц. При использовании двухточечной конфигурации (рис. 9.8, а) каждый канал можно применять для раз­личных альтернативных целей. Например:

• 1200 каналов речевого диапазона (VF);

• один поток данных со скоростью 50 Мбит/с;

• 16 каналов со скоростью 1,544 Мбит/с в каждом;

• 400 каналов со скоростью 64 Кбит/с в каждом;

• 600 каналов со скоростью 40 Кбит/с в каждом;

• один аналоговый видеосигнал;

• от шести до девяти цифровых видеосигналов.

Ширина полосы для аналогового видеосигнала может показаться слишком большой. Рассчитаем ее, используя правило Карсона (уравнение (6.16)), рассмот­ренное в главе 6. Ширина полосы видеосигнала, сопровождаемого аудиосигна­лом, приблизительно равна 6,8 МГц. Затем суммарный сигнал посредством час­тотной модуляции (FM) переносится на несущую 6 ГГц. Максимальное отклоне­ние частоты сигнала при использовании этой процедуры равно AF= 12,5 МГц. Определим ширину полосы передаваемого сигнала:

В_T = 2ΔF +2В = 2(12,5 + 6,8) = 38,6 МГц,

что приемлемо для транспондера на 36 МГц.

В цифровом видео использование сжатия может привести к тому, что ско­рость передачи данных в одном канале составит 3-5 Мбит/с, в зависимости от того, насколько видеоматериал насыщен движением.

Рис. 9.10. Типичный план распределения частот спутникового транспондера

для нисхо­дящих каналов связи (чтобы составить план для восходящих каналов

связи, к приве­денным на рисунке значениям следует прибавить 2225 МГц)

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

В предыдущем разделе предполагалось, что спутник используется в качестве промежуточного устройства, обеспечивающего, по сути, двухточечную связь между двумя наземными станциями. Поскольку зона обслуживания спутни­ка весьма велика, он может выполнять гораздо больше функций. Например, для серии спутников INTELSAT канал шириной 36 МГц можно разделить, используя уплотнение с частотным разделением, на несколько меньших ка­налов, в каждом из которых можно использовать частотную модуляцию. Каждый из этих меньших каналов, в свою очередь, несет несколько сигналов речевого диапазона (VF), для чего используется уплотнение с частотным раз­делением. Возможность получения несколькими наземными станциями дос­тупа к одному и тому же каналу называется схемой FDMA (frequency divi­sion multiple access — множественный доступ с частотным разделением).

Количество подканалов, на которые можно разбить спутниковый канал с помощью технологии FDMA, ограничено тремя факторами:

• тепловой шум;

• комбинационные помехи;

• перекрестные помехи.

Эти термины были определены и рассмотрены в главе 5. Воздействие первых двух факторов прямо противоположно. Передаваемый сигнал очень малой интенсив­ности будет искажаться фоновым шумом. При очень большой интенсивности сигна­ла нелинейные эффекты, имеющие место в усилителях спутников, приведут к силь­ным комбинационным помехам. Перекрестные помехи происходят при попытках увеличить пропускную способность путем многократного использования частот. Пе­рекрестные помехи ограничивают применение этой практики, однако не сводят ее на нет. Полосу частот можно многократно использовать в том случае, если имеются ан­тенны, которые могут излучать два поляризованных сигнала одинаковой частоты с ортогональными поляризациями. Как и ранее, если интенсивность сигнала слишком высока, то становится значительной и интерференция.

Возможны две формы FDMA.

• Множественный доступ с фиксированным распределением (fixed-assignment multiple access — FAMA). Распределение пропускной способности спутникового канала между множеством станций производится заранее. В результате значительная часть пропускной способности не используется, поскольку спрос на частоты может меняться в процессе связи.

• Множественный доступ с распределением по запросу (demand-assignment multiple access — DAMА). Распределение пропускной способности среди множества станций меняется с изменением спроса на частоты. Это позволя­ет оптимально распределить пропускную способность спутника.

FAMA-FDMA

На рис. 9.11 приведен частный пример схемы FAMA-FDMA, в которой семь назем­ных станций совместно используют восходящий канал связи с пропускной способно­стью 36 МГц. Нарисовать подобную диаграмму для нисходящего канала связи пред­лагаем читателю. Станции А выделяется полоса частот шириной 5 МГц, от 6237,5 до 6242,5 МГц, в которой можно разместить 60 голосовых каналов, используя уплотне­ние с разделением частот в сочетании с частотной модуляцией (FDM-FM). Т.е. FDM используется для разделения полосы на 60 каналов, а частотная модуляция — для модулирования каналов на несущей 6240 МГц. Как указано на рисунке, трафик от станции А к другим станциям выглядит следующим образом: 24 канала к станции В, 24 канала к станции D и 12 каналов к станции Е. Оставшийся спектр канала, общая ширина которого составляет 36 МГц, распределяется между другими назем­ными станциями в соответствии с их потребностью в трафике. В связи с этим при­мером следует отметить несколько поучительных моментов.

• На схеме показаны элементы как технологии FAMA, так и технологии FDMA. Термин FAMA отражает тот факт, что между станциями наперед за­ даны логические связи. Поэтому на рис. 9.11 показано, что станция А имеет три прямые двухточечные связи — по одной со станциями В (24 канала), D (24 канала) и Е (12 каналов). Термин FDMA отражает тот факт, что множество станций имеют доступ к спутниковой связи, используя при этом разные полосы частот.

• Несмотря на то что наземная станция может передавать на спутник только одну несущую (например, станция А передает на частоте 6,24 ГГц в полосе шириной 5 МГц), она должна быть способна к приему по крайней мере по одной несущей от каждой удаленной станции, с которой она хочет поддерживать связь (к примеру, станция А должна принимать три несущие, которые являются частью передачи станций В, D и Е).

• Спутник не выполняет функций коммутатора, хотя он принимает от различных источников отдельные участки канала шириной 36 МГц. На спутнике происходит только прием сигналов в пределах этого спектра, их преобразование в поло­су, центрированную на частоте 4 ГГц, и повторная передача.

• Используемая полоса частот имеет довольно значительную ширину. Например, станция А должна передавать 60 голосовых каналов, которые занима­ют всего 240 кГц (т.е. один канал занимает 4 кГц), а выделена для этой станции полоса шириной 5 МГц. Такая широкая полоса требуется из-за использования частотной (а не амплитудной) модуляции, которая позволяет сохранить сигнал при передаче его на большие расстояния, а также мини­мизировать требования к мощности спутника.

Рис. 9.11. Схема фиксированного распределения частот

FDMA для спутниковой связи [COUC01]

DAMA-FDMA

Только что описанная схема FAMA-FDMA оказывается не очень эффективной. В полосе С используемая ширина каждого канала обычно равна 36 МГц. В одной схеме FDMA, используемой корпорацией INTELSAT, эта полоса поделена на 7 блоков по 5 МГц, каждый из которых несет группу из 60 голосовых каналов. Таким образом, их общее количество составляет 420. В рассмотренном примере (рис. 9.11) также присутствуют 420 голосовых каналов. Если полосу частот раз­делить на 14 подканалов шириной по 2,5 МГц, то в каждом подканале можно будет разместить 48 голосовых каналов, т.е. всего 336 каналов. Эффективнее всего оказывается избегать создания групп и просто делить полосу в 36 МГц на отдельные голосовые каналы. Эта схема известна как "один канал — одна несу­щая" (single channel per carrier — SCPC).

Схема SCPC в настоящее время реализована в полосе С. Один канал шириной 36 МГц разделяется на 800 аналоговых каналов по 45 кГц, каждый из которых вы­деляется для симплексного канала связи с использованием частотной модуляции. Существует также цифровой вариант схемы SCPC, в котором используется модуля­ция QPSK, дающая в той же полосе 45 кГц скорость передачи 54 Кбит/с; этого дос­таточно для передачи оцифрованной речи. С помощью технологии FAMA пары (полнодуплексных) каналов распределяются по парам наземных станций. Как пра­вило, каналы каждой наземной станции приходится дополнительно уплотнять, по­скольку она обслуживает некоторое количество пользовательских станций. Если ка­ждая наземная станция работает с большим числом пользовательских станций, то даже при использовании технологии FAMA достигается высокая степень связности. Тогда, как и в обычной схеме FDMA, спутник принимает частоты в пределах канала шириной всего 36 МГц, транслирует их в полосу, центрированную на частоте 4 ГГц, и передает канал всем станциям.

Технология SCPC привлекательна для удаленных областей, в которых на­ходится хотя бы несколько пользовательских станций. Если FDMA используется в качестве основного средства в системах связи на большие расстояния, SCPC предоставляет услуги напрямую конечному пользователю. Хотя в схеме SCPC ширина полосы используется более эффективно, чем в FDMA, эта технология имеет все недостатки фиксированного распределения. Она оказывается особенно неудобной для слишком удаленных областей, в которых наземная станция часто обслуживает всего одну или две пользовательские станции. Повысить эффектив­ность позволяет использование схемы DAMA, согласно которой в канале выде­ляется набор подканалов, рассматриваемый в качестве резерва связи. Если тре­буется установить полнодуплексную связь между двумя наземными станциями, из резерва выделяется пара подканалов.

Первой доступной для коммерческих целей системой DAMA SCPC была SPADE (single-channel-per-carrier, pulse code modulation, multiple-access demand assignment equipment — оборудование импульсно-кодовой модуляции с множе­ственным доступом с распределением запросов по требованию и одноканальным использованием несущей), введенная в действие в начале 70-х и в настоящее время доступная через спутники INTELSAT. Каждый подканал этой системы не­сет QPSK-модулированный сигнал со скоростью 64 Кбит/с, что занимает полосу 38 кГц, а также защитную полосу 7 кГц. Как правило, этот сигнал используется для передачи голосового сигнала с импульсно-кодовой модуляцией. Вместе со служебными подканалами, которые будут рассмотрены ниже, общее количество доступных подканалов достигает 794 (рис. 9.12, а). Эти подканалы разбиты на пары таким образом, чтобы два канала, отстоящие друг от друга на 18,045 МГц, всегда создавали полнодуплексный контур связи (например, каналы с номерами 3 и 404, 4 и 405, 399 и 800). Кроме того, имеется общий канал передачи сигна­лов (common-signaling channel — CSC) шириной 160 кГц, по которому передает­ся сигнал PSK со скоростью 128 Кбит/с.

Выделение каналов по требованию осуществляется наземной станцией с по­мощью канала CSC. Канал CSC используется для передачи повторяющихся кадров TDM, как показано на рис. 9.12, в (сравните с рис. 2.13). Кадр разделен на 50 интервалов, первый из которых содержит начальную последовательность би­тов, требуемую для синхронизации. Остальные интервалы закреплены за 49 станциями. Эти станции имеют привилегию при формировании полнодуплекс­ных контуров по требованию. Распределение по требованию осуществляется сле­дующим образом. Предположим, что станция S_i, желает установить канал связи со станцией S_j. S_i случайным образом выбирает подканал из доступных незаня­тых каналов и передает идентификатор подканала и адрес станции S_j во времен­ной интервал станции S_i. Примерно через 0,25 с станция S_j получит запрос по нисходящему каналу связи. Если предположить, что подканал остался доступ­ным и что доступна станция S_j, то она передаст подтверждение в свой собствен­ный временной интервал, который станция S_i получит еще через четверть секун­ды. Когда сеанс связи завершится, во временном интервале одной из станций будет передана информация о разъединении, чтобы уведомить другие станции о том, что подканал снова свободен.

Так как в описанной схеме могут участвовать только 49 станций, для рас­пределения по требованию большинство подканалов не нужны и используются по обычной схеме FAMA SCPC.

Рис. 9.12. Система спутниковой связи SPADE для

коммутируемой службы SCPC [COUC01]