125 Кібербезпека / 4 Курс / 4.2_Управління інформаційною безпекою / Лiтература / V_P_Babak_A_A_Kliuchnykov-Teoreticheskye_osnovy_zashchity_informat
...pdf
Глава 6. Сети передачи информации
нагромождением опыта, усовершенствованием аппаратуры, развитием методов передачи сигналов происходил переход от отдельных линий спутниковой связи к локальным и глобальным системам.
Такие темпы развития спутниковых систем связи объясняются рядом преимуществ, которыми они характеризуются. К ним, в частности, принадлежат большая пропускная способность каналов, неограниченное перекрытие пространства, высокое качество и надежность каналов. Благодаря преимуществам, которые определяют широкие возможности спутниковой связи, она становится уникальным и эффективным средством информационного обмена данными. Спутниковая связь в это время является основным видом международной и национальной системы передачи данных на большие и средние расстояния.
Все системы можно разделить на системы двух видов: спутники, которые работают на негеостационарных и на геостационарных орбитах.
Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность - невозможность поддержки круглосуточной связи между спутником и базовыми станциями. Однако перемещаясь по заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с большой площади земной поверхности.
Геостационарные спутники выводятся на такую орбиту в плоскости экватора, при которой их угловая скорость совпадает со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Высота над поверхностью Земли, где выполняются условия постоянства скоростей и равенства центробежной и гравитационной сил, составляет 36 тыс. км. Теоретически один расположенный таким способом спутник может обеспечить высококачественную связь для трети земной поверхности. В действительности обслуживаются существенно меньшие территории. Особенностью спутников на геостационарных орбитах является значительная часовая задержка (около 240 мс) в спутниковом канале, вызванная необходимостью дважды преодолевать расстояние в 36 тыс. км от наземной станции к спутнику.
Дальше будем рассматривать системы, где применяются спутники связи, которые вращаются на орбитах синхронно с вращением Земли. Это дает возможность существенно упростить систему связи. В таком случае каждая земная станция работает непрерывно с одним и тем самым спутником. Раньше при использовании несинхронных спутников существовала необходимость периодического переключения антенной системы каждой земной станции из одного спутника на другой, что, естественно, вызывало перерывы при передаче информационных потоков. К тому же значительную часть стоимости спутниковых систем связи составляла не очень надежная аппаратура наблюдения. Использование стационарных спутников обеспечивает бесперебойную связь, но нуждается в дополнительном запасе рабочего ресурса времени для проведения многократных коррекций орбиты спутника. Считается, что этот
451
пользователя 
Глава 6. Сети передачи информации
Геостационарные спутники вращаются вокруг Земли с той же скоростью, что и сама Земля, поэтому кажутся нам неподвижными.
Связь с такими спутниками намного более стойкая, чем со спутниками на других орбитах, поскольку:
на протяжении всего сеанса связи между пользователем и геостационарным спутником устанавливается постоянный канал обмена данными. На протяжении всего сеанса пользователь не изменяет источника информации; сеанс связи между пользователем и геостационарным спутником мо-
жет поддерживаться на протяжении неограниченного интервала времени; геостационарный спутник имеет стационарное место на орбите, что
обеспечивает достоверную и высококачественную связь.
Система спутниковой связи может состоять из трех или большего количества основных и нескольких запасных спутников, которые находятся на орбите. Основные спутники получают свои названия в соответствии с территориями, над которыми они располагаются. Трех геостационарных спутников, расположенных равномерно по всей длине экватора, достаточно для покрытия 98 % поверхности Земли их глобальными лучами. Вне зоны обслуживания остаются только околополярные области.
Антенны спутников кроме глобальных лучей диаграмм направленности формируют зональные (локальные) лучи, в направлении которых концентрируется излучаемая мощность систем передачи информации. На карте зоны обслуживания глобальный луч каждого спутника изображают в виде овала, центр которого совпадает с данным спутником, а зональные лучи - в виде кругов (рис. 6.34).
Многолучевое |
|
Поляризационное |
Поляризационное и |
|
|
пространственное |
|||
|
|
|||
многократное |
|
многократное |
||
|
многократное |
|||
|
|
|||
использование частоты |
использование частоты |
|||
использование частоты |
||||
|
|
|||
|
|
|
||
|
поляризация Вертикальная |
поляризация Горизонтальная |
Зоны |
|
Рис. 6.34. Зональные лучи диаграмм направленности при разных методах поляризации и типах антенн
453
Глава 6. Сети передачи информации
лекоммуникационных подканалов, которые совмещаются в один спутниковый канал передачи данных.
Групповые каналы передачи станций спутниковой связи - совокуп-
ность программно-аппаратных и технических методов и средств, которые обеспечивают передачу информационных сигналов из одной точки пространства в другую.
Каналы и групповые тракты спутниковых систем широко используются на участках магистральных и внутризональных телекоммуникационных сетей.
В частности, на местных линиях связи спутниковые системы дают возможность:
организовывать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания спутника;
работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться из одних направлений на другие при изменении потребностей трафика сети;
использование наиболее эффективных методов обработки информационных потоков (пакетная обработка).
Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации на высоких скоростях (10 кбит/с и более высоких), существуют системы, которые используют часовое, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими станциями спутника.
Еще одной характеристикой, которая дает возможность классифицировать спутниковые системы, является использование протокола. Первые спутниковые системы были беспротокольными и предлагали пользователю прозрачный канал. Недостатком таких систем была, например, передача информации пользователя, как правило, без подтверждения принимающей стороной ее доставки. Иначе говоря, в таких системах нет предостережений относительно правила диалога между участниками обмена информацией. В этом случае качество переданной информации определяется качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10– 6...10–7 передача больших объемов информации через спутниковые системы, даже с использованием разных помехоустойчивых кодов, очень осложняется, и даже делается невозможным. Современные спутниковые системы используют протокол, который повышает надежность связи с сохранением высокой скорости обмена информацией между абонентами.
Составляющие и технические характеристики спутниковых систем. Спутниковая станция по конструктивному признаку состоит из таких компонентов: высокочастотного модуля (ODU); низкочастот-
ного модуля (IDU). Высокочастотный модуль состоит из антенны и приемни- ка-передатчика, в котором установлены низкочастотные модули, которые, в
455
Глава 6. Сети передачи информации
стот, доступных для передачи полезного сигнала в определенную информа- ционно-коммуникационную систему.
Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать деление ресурса между пользователями системы, чтобы соотношение время / частота было оптимальным. Результат такого планирования - равноправный доступ пользователей к ресурсу.
С проблемой общего использования ресурса связи связаны термины
«уплотнение» и «множественный доступ». При использовании термина
«уплотнение» требования пользователя к общему использованию ресурса связи постоянные или (чаще всего) изменяются незначительно. Деление ресурса выполняется априорно, а общее использование ресурса обычно привязано к локальному устройству.
Применение множественного доступа, как правило, нуждается в отдаленном общем использовании ресурса, как, например, в случае спутниковой связи. При динамической схеме множественного доступа контролер системы должен учитывать потребности каждого пользователя ресурса связи. Время, необходимое для передачи соответствующей управляющей информации, устанавливает верхнюю границу эффективного использования ресурса связи.
Существуют три основных способа увеличения пропускной способности (общей скорости передачи данных) ресурса связи:
увеличение эффективной изотропно-излучаемой мощности (effective isotropic radiated power - EIRP) передатчика или снижения потерь системы, что в каждом случае приведет к увеличению отношения сигнал / шум
E / N0 .
увеличение ширины полосы канала передачи данных; повышение эффективности деления ресурса связи на базе множествен-
ного доступа.
Основные способы разделения ресурса связи таковы.
Частотное разделение (frequency division - FD). Разделяются опреде-
ленные поддиапазоны используемой полосы частот.
Часовое разделение (time division - TD). Пользователям выделяются периодические часовые интервалы. В некоторых системах им предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.
Кодовое разделение (code division - CD). Выделяются определенные элементы набора ортогонально (или почти ортогонально) разделенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.
Пространственное разделение (space division - SD), или многолучевое многократное использование частоты. С помощью точечных лучевых ан-
тенн радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны. Этот метод допускает многократное использование одного частотного диапазона.
457
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
Основные преобразования цифровой связи
Фоматирование |
Кодирование |
Передача |
Выравнивание |
|
источника |
видеосигналов |
|||
|
|
|||
|
Кодирование с |
Сигналы PCM (коды |
Оценка последовательности |
|
Знаковое кодирование |
с максимальной |
|||
прогнозированием |
|
|||
канала) |
правдоподобностью |
|||
|
||||
Дискретизация |
Блочное |
|||
Без возвращения к |
(MLSE) |
|||
|
||||
Квантование |
|
|||
кодирование |
нулю (NRZ) |
Выравнивание с помощью |
||
Импульсно-кодовая |
||||
Кодирование |
С возвращением к нулю |
фильтров |
||
модуляция (PCM) |
||||
переменной длины |
(RZ) |
Трансверсальные |
||
|
||||
|
Синтетическое/ |
Фазовое кодирование |
эквалайзеры или |
|
|
аналитическое |
Многоуровневое |
эквалайзеры с обратной |
|
|
кодирование |
бинарное кодирование |
связью по ришению |
|
|
М-Арная импульсная |
Задание или адаптивное |
||
|
Сжатие без потерь |
|||
|
модуляция PAM, PPM, |
виравнивание |
||
|
Сжатие с потерями |
|||
|
PDM |
Символьное или |
||
|
|
|||
|
|
|
фракционное разделение |
|
Полосовая передача |
|
Канальное кодирование |
|
|
Когерентные схемы |
Некогерентные |
Кодирование |
Структурированные |
|
|
||||
схемы |
|
|
||
|
формой сигнала |
последовательности |
||
|
|
|||
Фазовая манипуляция |
Диференциальная |
М-Арная передача |
|
|
|
|
|||
фазовая манипуляция |
сигнала |
Блочные коды |
||
(PSK) |
||||
|
||||
(DPSK) |
Антиподные сигналы |
Сверточные коды |
||
Частотная манипуляция |
||||
|
||||
Частотная манипуляция |
Ортогональные сигналы |
Турбокоды |
||
(FSK) |
||||
|
||||
(FSK) |
Решотчастое |
|
||
Амплитудная |
|
|||
|
|
|||
Амплитудная |
кодирование |
|
||
манипуляция (ASK) |
|
|||
|
|
|||
манипуляция (ASK) |
|
|
||
Модуляция без разрыва |
|
|
||
Модуляция без разрыва |
|
|
||
фазы (CPM) |
|
|
||
фазы (CPM) |
|
|
||
Смешанные |
|
|
||
Смешанные |
|
|
||
комбинации |
|
|
||
комбинации |
|
|
||
|
|
|
||
Синхронизация |
Уплотнение/ |
Расширение |
Шифрованне |
|
Множественный доступ |
спектра |
|||
|
|
|||
Частотная |
Частотное разделение |
Метод прямой |
|
|
синхронизация |
последовательности |
|
||
(FDM/FDMA) |
|
|||
Фазовая |
Метод |
|
||
Временное разделение |
Блочное |
|||
синхронизация |
скачкообразного |
|||
(TDM/TDMA) |
||||
шифрование потока |
||||
Символьная |
перестроения |
|||
Кодовое разделение |
||||
данных |
||||
синхронизация |
частоты |
|||
(CDM/CDMA) |
||||
|
||||
Кадровая |
Метод переключения |
|
||
Прастранственное |
|
|||
синхронизация |
временных |
|
||
разделение (SDMA) |
|
|||
Сетевая |
интервалов |
|
||
Поляризационное |
|
|||
синхронизация |
Смешанные |
|
||
разделение (PDMA) |
|
|||
|
комбинации |
|
||
|
|
|
Рис.6.35. Классификация методов и средств построения интегрированных информа- ционно-коммуникационных систем спутниковой связи
Поляризационное разделение (polarization division - PD), или двойное поляризационное многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортогональная поляризация, которая дает возможность использовать один частотный диапазон.
458
Глава 6. Сети передачи информации
Методы и принципы, которые используются при построении интегрированных информационно-коммуникационных систем спутниковой связи, приведены на рис. 6.35.
Ключевым моментом всех схем уплотнения и множественного доступа является то, что при использовании ресурса разными сигналами интерференция не предоставляет неуправляемых взаимных помех, которые делают невозможным процесс детектирования. Интерференция допустима до тех пор, пока сигналы одного канала увеличивают вероятность появления ошибок в другом канале. Избежать взаимных помех между разными пользователями дает возможность применение в разных каналах ортогональных сигналов.
Напомним, что сигналы xi (t) |
и xj (t) i, j 1, 2,..., N являются ортого- |
||||
нальными, если в часовой области выполняется условие |
|
||||
|
|
K при i j, |
|
||
|
xi (t) x j (t) dt |
j, |
|
(6.1) |
|
|
|
0 при i |
|
|
|
где K - ненулевая константа. Аналогично сигналы ортогональны, если в ча- |
|||||
стотной области выполняется условие |
|
|
|
||
|
|
K при i j, |
|
||
|
Xi ( f ) X j |
|
|||
|
( f ) df |
|
j, |
(6.2) |
|
|
|
0 при i |
|
||
где функции Xi ( f ) |
- Фурье-образы сигналов xi (t). |
|
|
|
|
|
|
K при i j, |
|
||
|
Xi ( f ) X j |
|
|||
|
( f ) df |
|
j, |
(6.2) |
|
|
|
0 при i |
|
||
где функции Xi ( f ) |
- Фурье-образы сигналов xi (t). |
|
|
|
|
Методы кодировки в системах спутниковой связи. Поскольку каналы и тракты спутниковых линий входят в национальные и международные сети общего пользования, к их качественным показателям выдвигаются достаточно жесткие требования.
Поэтому при передаче цифровых сигналов в спутниковых системах применяют помехоустойчивое кодирование, которое называют также прямым исправлением ошибок (FEC в англоязычной литературе).
Сегодня широко применяются хорошо разработанные коды с прямым исправлением ошибок двух основных классов.
Блочные коды. Последовательность данных разделяется на блоки из п символов (обычно от 1 до 7); каждому блоку ставится в соответствие кодовая
комбинация из п символов n k , что передается по каналу связи; прибав-
ленные r n k символы называются проверочными; код характеризуется кодовой скоростью R k/n и максимальным количеством L ошибок в кодовой комбинации, которые он может исправить.
459