первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.
При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.
Кроме описанных существуют и другие радиолинии (например, тропосферные, метеорные и др.)
На практике, если это необходимо, может быть осуществлен переход с линии передачи одного типа на линию передачи другого типа (при условии согласования характеристик сигнала и линии передачи), т.е. возможно использование различных комбинаций линий передачи.
7.10. Спутниковая связь
Основная идея создания систем спутниковой связи (ССС) проста: промежуточный ретранслятор системы связи размещается на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Спутник движется по достаточно высокой орбите длительное время без затрат энергии на это движение. Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем спутника осуществляется от солнечных батарей, работающих почти все время под лучами ничем не затемненного Солнца.
На достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» очень большую территорию
– около одной трети поверхности Земли, поэтому через его бортовой ретранслятор могут непосредственно связаться любые станции, находящиеся на этой территории. Трех ИСЗ может быть достаточно для создания почти глобальной системы связи. В то же время современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий луч, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на территории небольшого государства. Это создает возможность эффективно использовать ИСЗ также и для обслуживания небольших зон. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной поверхности, что уменьшает влияние затенений и шумового излучения Земли на прием сигналов земными станциями.
По изложенным причинам спутниковая связь, начавшая свое развитие в середине 60-х гг. с появлением советского спутника «Молния» и американского «Телстар» быстро развивается во всем мире.
Создано большое число систем спутниковой связи и вещания, различных по функциям, обслуживаемой зоне, составу, емкости используемых в ССС.
Приведем определения основных понятий, рассматриваемых в Справочнике, руководствуясь «Регламентом радиосвязи», ГОСТ, сложившейся практикой применения терминов.
106
Космическая радиосвязь – радиосвязь, при которой используют космические станции, расположенные на ИСЗ или других космических объектах.
Космическая станция (КС) – станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли (либо находился там, либо предназначен для вывода), например на ИСЗ.
Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположенная на земной поверхности (или в основной части земной атмосферы) и предназначенная для связи с космическими станциями либо с другими земными станциями через космические станции или другие космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ. В отличие от земных станций станции наземных систем радиосвязи, не относящихся к космическим системам связи или радиоастрономии, называются наземными.
Спутниковая связь – связь между земными станциями через космические станции или пассивные ИСЗ. Таким образом, спутниковая связь – частный случай космической радиосвязи.
Спутниковая линия – линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ, на каждом направлении включает в себя участок Земля – спутник («линия вверх») и участок спутник – Земля («линия вниз»).
Земные станции соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией – МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий либо устанавливаются непосредственно на МТС, телецентре и тому подобных источниках и потребителях информации.
Спутниковое вещание – передача радиовещательных программ (телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию активный ретранслятор. Таким образом, спутниковое вещание – это частный случай спутниковой связи, отличающийся передачей определенного класса односторонних (симплексных) сообщений принимаемых одновременно несколькими ЗС либо большим числом приемных станций (циркулярная передача).
В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:
фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных, фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников; к фиксированной спутниковой службе относят также фидерные линии (линии подачи программ на космическую станцию) для других служб космической радиосвязи, например для радиовещательной спутниковой или спутниковой подвижной служб;
подвижная спутниковая служба (ПСС) – 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);
107
радиовещательная спутниковая служба (РСС) – служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием; в последнем случае программа вещания доставляется индивидуальным абонентам с помощью той или иной наземной системы распределения – кабельной или эфирной – передатчиком небольшой мощности. Заметим, что термин «радиовещание» объединяет телевизионное и звуковое вещание. Определенная таким образом радиовещательная спутниковая служба включает в себя не все виды систем спутникового вещания, а только те, которые предназначены для приема на сравнительно простые и недорогие приемные установки с качеством, достаточным для абонента, но часто более низким, чем это требуется от магистральных линий подачи программ на наземные вещательные станции.
Системы, относящиеся к ФСС, также широко используют для распределения радиовещательных программ. Так, системы «Орбита» и «Москва», изначально предназначенные для распределения по территории
СССР телевизионных программ и программ звукового вещания, относятся к ФСС. Принятые станцией «Орбита» программы высокого качества подают на телецентры, снабженные передатчиком большой мощности, сама станция «Орбита» является достаточно сложным сооружением. Прогресс приемной техники привел к тому, что различие между фиксированной и вещательной службами в некоторых случаях стирается, но их определение следует учитывать, поскольку службам выделены различные полосы частот.
При передаче радиовещательных программ с помощью систем ФСС различают прямое и косвенное распределение программ. В случае прямого распределения программы подают от системы ФСС непосредственно на наземные вещательные станции без каких-либо промежуточных распределительных систем, а в случае косвенного распределения программы поступают от земных станций ФСС для дальнейшего распределения по наземным сетям к различным наземным вещательным станциям.
Системы спутниковой связи применяют для передачи различных видов информации:
программ телевидения; при этом следует различать системы обмена ТВ программами между равноправными ЗС и системы циркулярного распределения программ от передающей станции к большому числу приемных ЗС;
других видов симплексных сообщений, чаще всего циркулярного характера: изображений газетных полос, программ звукового вещания;
телефонных сообщений, дуплексных по своему характеру; каналы тональной частоты или их группы можно использовать для обмена другими видами информации – телеграфной, дискретной от ЭВМ и других источников.
108
Взависимости от вида передаваемой информации различают универсальные многофункциональные системы, ЗС которых обмениваются различными видами информации (таковы Intelsat, «Орбита». ССС Канады Telesat и др.), и специализированные – для передачи одного вида или нескольких однородных видов информации (например, системы спутникового вещания «Экран», НТВ-Плюс для циркулярного распределения телевизионного и звукового вещания).
По охватываемой территории, размещению и принадлежности ЗС, структуре управления ССС можно подразделить на:
международные, в состав которых входят станции различных стран; такие системы могут быть глобальными (со всемирным охватом), как «Интерспутник», Intelsat, либо региональными, как Intelsat, Arabsat;
национальные, все ЗС которой расположены в пределах одной страны, в том числе зоновые, все ЗС которой расположены в пределах одной из зон (районов) страны, и ведомственные (деловые, фирменные) системы. ЗС которых принадлежат одному ведомству (организации, фирме) и передают только деловую информацию и данные в интересах ведомства.
Всостав любой ССС, несмотря на их различие, входит несколько одинаковых по назначению элементов:
космические станции (КС), представляющие собой ретрансляционное (приемопередающее) устройство, размещенное на искусственном спутнике Земли, с антеннами для приема и передачи радиосигналов и системами обеспечения: источниками энергоснабжения, системами ориентации антенн (на Землю) и солнечных батарей (на Солнце), системами коррекции положения ИЗС на орбите, терморегулирования и т.д.;
земные станции (ЗС) различного типа. Рассмотрим подробнее типы ЗС.
Приемные ЗС распределительных систем (систем спутникового вещания)
–самый простой тип станций, осуществляющих только прием телевизионных программ и (или) других циркулярных программ, например звукового вещания, изображений газетных полос; обычно приемные ЗС для удешевления снабжают антенной малого размера, а число таких ЗС в системе велико.
Передающие ЗС системы спутникового вещания – станции, осуществляющие передачу на участке Земля – ИСЗ циркулярных программ, подлежащих распределению по сети приемных станций; если передающая ЗС находится в пределах обслуживаемой зоны и на ней возможен прием сигналов, излучаемых ИСЗ этой системы, то такой прием обычно осуществляется для контроля качества вещания; передающих станций в системе может быть несколько.
Приемопередающие ЗС, работающие в сети дуплексной телефонной связи (в том числе с возможностью передачи по телефонным каналам или группам каналов других видов сообщений – телеграфных, данных, программ звукового вещания и пр.), а также в сети обмена телевизионными программами; такие станции часто бывают укомплектованы аппаратурой, позволяющей
109
работать через несколько стволов ИСЗ одновременно; нередко приемопередающие станции телефонной системы являются также передающими или приемными станциями системы вещания; таковы многие ЗС «Орбита» (ЗС1, ЗС2).
Контрольные ЗС – станции, контролирующие режим работы ретранслятора космической станции, соблюдение земными станциями сети важных для работы всей сети показателей – излучаемой мощности, частоты передачи, поляризации, качества модулирующего сигнала и т.п. Роль контрольных ЗС в поддержании нормальной работы системы велика. Часто функции контрольной станции возлагаются на одну из передающих или приемопередающих станций сети.
Контрольные и центральные станции сети обычно имеют возможность обмена информацией со станциями сети по специально создаваемой подсистеме служебной связи. Обычно удается образовать эту подсистему через тот же ИСЗ, через который работает основная сеть, но в некоторых случаях приходится использовать наземные каналы служебной связи.
Земные станции системы управления и контроля ИСЗ – станции, осуществляющие управление функционированием КС и всеми другими подсистемами ИСЗ, контроль за их состоянием, выводом ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и вводе в эксплуатацию КС.
Соединительные наземные линии служат для соединения ЗС с источниками и потребителями передаваемой информации, поскольку ЗС обычно удалена от них из соображений уменьшения воздействия помех, углов закрытия антенны и др. Таковы соединительные линии от приемопередающей ЗС к междугородной телефонной станции (МТС) или другому узлу коммутации телефонной сети, от приемной ЗС к телевизионному передатчику, типографии, радиовещательной станции.
Выносное оборудование – та часть оборудования спутниковой связи, которая располагается не на станциях спутниковой связи, а на других объектах. Так, на МТС могут устанавливаться необходимые для работы спутниковых каналов эхозаградители, иногда аппаратура уплотнения, каналообразования и даже модуляции, причем выходной сигнал этой аппаратуры, пройдя по наземной соединительной линии (обычно радиорелейной), поступает непосредственно на ВЧ тракт спутниковой линии связи.
Центр управления системой связи – орган, осуществляющий руководство эксплуатацией системы и ее развитием, т.е. вводом в действие новых ЗС и ИСЗ, расписанием их работы, предоставлением стволов потребителям, проведением ремонтно-профилактических работ и т.п. Центр управления обычно соединяют со станциями сети каналами служебной связи. Иногда центр может совмещаться с передающей станцией системы спутникового вещания либо с контрольной ЗС.
В последнее время возрос интерес к использованию для связи спутников на низких и отчасти средних орбитах. Главная причина этого интереса – меньшее затухание сигналов на трассе Земля – спутник, что позволяет создать
110
принципиально новый тип систем спутниковой связи – системы подвижной персональной связи с терминалом размером с обычную телефонную трубку.
Высота низких орбит обычно составляет не более 1000 км (чаще всего 700 км), поскольку выше располагаются пояса повышенной радиации, причиняющие вред элементам спутника (прежде всего сокращается срок службы солнечных батарей); иногда применяют орбиты высотой 1400…1500 км, а в системе ICO планируется применять орбиты средней высоты, порядка 10 тыс. км. Из изложенного очевидно, что с ростом высоты орбиты увеличивается зона видимости, поэтому можно уменьшить необходимое число спутников; однако возрастает ослабление радиосигналов и для компенсации этого требуется увеличить размер антенн или мощность передатчиков.
Период обращения спутника на орбите высотой примерно 700 км составляет около 1/15 сут., т.е. 1 ч 36 мин, при высоте 1350 км – 1/14 сут., или 1 ч 43 мин (т.е. возрастает незначительно – ведь расстояние от спутника до центра массы Земли также возросло незначительно!), при высоте 10000 км – 1/7 сут., или 3 ч 26 мин.
Низкие и средние орбиты используются только как круговые и полярные (или близкие к полярным), поскольку только при полярной орбите спутник на низкой орбите постепенно, делая оборот за оборотом «обойдет» всю поверхность Земли. Такой спутник можно использовать как носитель сообщений, передаваемых не в реальном масштабе времени, а с запаздыванием: информация «сбрасывается» на Землю в тот момент, когда спутник окажется в районе расположения получателя информации (режим электронной почты).
Чтобы с помощью спутников на низких орбитах добиться непрерывной связи в реальном масштабе времени, необходимо вывести целое «созвездие» спутников, сменяющих друг друга в необходимом районе, а это значит (учитывая сравнительно медленное суточное вращение Земли), что спутники надо вывести на несколько полярных орбит, плоскости которых смещены (т.е. орбиты имеют различную долготу восходящего угла). Так, в создаваемой системе «Иридиум» планируется вывести спутники на 11 орбит по 6 спутников на каждой орбите. Очевидно, что при этом одновременно с непрерывностью связи для каждой точки земной поверхности достигается глобальное покрытие всей Земли. Поэтому системы связи на низких спутниках обычно проектируются как глобальные.
Геостационарный спутник получил свое название из-за очевидного свойства: такой спутник стационарен, неподвижен относительно поверхности Земли; он как бы висит над некоторой точкой поверхности Земли, расположенной на экваторе на высоте 35 875 км над поверхностью Земли. Они используются в основном радиовещательной службой.
Достоинства геостационарных ИСЗ для систем связи:
непрерывная, круглосуточная связь, без переходов с одного (заходящего) ИСЗ на другой;
111
на антеннах ЗС можно упростить или исключить системы автоматического сопровождения ИСЗ;
более стабильно ослабление сигнала на трассе между земной и космической станцией:
отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера;
зона видимости геостационарного ИСЗ – около одной трети земной поверхности;
трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания практически глобальной системы связи.
Геостационарная орбита уникальна: ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Благодаря своим преимуществам геостационарная орбита широко используется спутниками связи и на многих участках в наиболее удобных полосах частот насыщена спутниками до предела.
Однако в полярных широтах углы места антенны земной станции, направленной на геостационарный ИСЗ, малы, а вблизи полюса он просто не виден. Малые углы места приводят к затенению спутника местными предметами, увеличиваются шумы антенной системы станции, создаваемые радиошумовым излучением Земли.
Согласно Регламенту радиосвязи полосы частот распределены между фиксированной, радиовещательной и подвижной спутниковыми службами следующим образом. Для фиксированной службы выделены отдельные участки спектра от 2,5 ГГц до 275 ГГц; для радиовещательной – 620…790 МГц, 1452…1492 МГц, 2520…2670 МГц, 11,7…12,5 ГГц, 40,5…42,5 ГГц и 84…86
ГГц; для подвижной службы выделены много различных участков спектра от
137 МГц до 21,2 ГГц.
112