У статті розглянуті основні технічні рішення, що впливають на ефективність роботи сучасних мереж супутникового зв'язку при організації високошвидкісного супутникового доступу, які використовуються при побудові сучасних супутникових мереж зв'язку. Основну увагу приділено методам множинного доступу до ресурсів супутника-ретранслятора.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Якушенко Сергій Олексійович, Забела Олександр Миколайович, Антонов Володимир Володимирович, Веркин Сергій Сергійович, Смирнов Олександр Олександрович


ANALYSIS OF TECHNOLOGIES FOR ORGANIZING A HIGH SPEED SATELLITE ACCESS

The article considers the main technical solutions that affect the efficiency of modern satellite communications networks in organizing high-speed satellite access, which are used in the construction of modern satellite communications networks. The main attention is paid to the methods of multiple access to the resources of the relay satellite.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2020


    Журнал

    Colloquium-journal


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ОРГАНІЗАЦІЇ ВИСОКОШВИДКІСНОГО СУПУТНИКОВОГО ДОСТУПУ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ОРГАНІЗАЦІЇ ВИСОКОШВИДКІСНОГО СУПУТНИКОВОГО ДОСТУПУ»

    ?«C @ yl @ qyiym-j © yrmal» # 3iii), 2 © 2 © / technical science

    9

    УДК. 621.396

    Якушенко Сергій Олексійович професор, кандидат технічних наук, доцент Забела Олександр Миколайович доцент, кандидат військових наук Антонов Володимир Володимирович старший викладач Веркин Сергій Сергійович викладач, кандидат технічних наук Смирнов Олександр Олександрович докторант, кандидат технічних наук Військова академія зв'язку ім. Маршала Радянського Союзу С.М. Будьонного (м.Санкт-Петербург)

    DOI: 10.24411 / 2520-6990-2020-11288 АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ОРГАНІЗАЦІЇ ВИСОКОШВИДКІСНОГО СУПУТНИКОВОГО

    ДОСТУПУ

    Yakushenko Sergey Alekseevich

    Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

    Zabelo Alexander Nikolaevich

    Associate Professor, Candidate of Military Sciences Antonov Vladimir Vladimirovich Senior Lecturer

    Verkin Sergey Sergeevich

    Lecturer, Candidate of Technical Sciences Smirnov Alexander Alexandrovich Doctoral student, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny (Saint Petersburg)

    ANALYSIS OF TECHNOLOGIES FOR ORGANIZING A HIGH SPEED SATELLITE ACCESS

    анотація

    У статті розглянуті основні технічні рішення, що впливають на ефективність роботи сучасних мереж супутникового зв'язку при організації високошвидкісного супутникового доступу, які використовуються при побудові сучасних супутникових мереж зв'язку. Основну увагу приділено методам множинного доступу до ресурсів супутника-ретранслятора. Abstract

    The article considers the main technical solutions that affect the efficiency of modern satellite communications networks in organizing high-speed satellite access, which are used in the construction of modern satellite communications networks. The main attention is paid to the methods of multiple access to the resources of the relay satellite.

    Ключові слова: мережа супутникового зв'язку, множинний доступ, земна станція, супутник, високошвидкісний супутниковий доступ, ресурс.

    Keywords: satellite communications network, multiple access, earth station, satellite, high speed satellite access, resource.

    Вступ

    Ресурс зв'язку представляє час і ширину смуги, доступні для передачі сигналу в певній системі. Графічно ресурс зв'язку можна зобразити на двомірному графіку, де вісь абсцис представляє час, а вісь ординат - частоту. Для створення ефективної системи зв'язку необхідно спланувати розподіл ресурсу між користувачами системи, щоб час / частота використовувалися максимально ефективно. Результатом такого планування повинен бути рівноправний доступ користувачів до ресурсу. З проблемою спільного використання ресурсу пов'язані терміни «ущільнення» і «множинний доступ».

    Відмінність між цими поняттями мінімально. При використанні терміну «ущільнення» вимоги користувача до спільного використання

    ресурсу зв'язку постійні або (в більшості випадків) змінюються незначно. Розподіл ресурсу виконується апріорно, а спільне використання ресурсу зазвичай прив'язується до локального пристрою (наприклад, монтажній платі). Застосування множинного доступу, як правило, вимагає віддаленого спільного використання ресурсу, як, наприклад, в разі супутникового зв'язку. При динамічної схемою множинного доступу контролер системи повинен враховувати потреби кожного користувача ресурсу зв'язку. Час, необхідний для передачі відповідної інформації, що управляє, встановлює верхню межу ефективного використання ресурсу зв'язку.

    Розподіл ресурсу зв'язку.

    TECHNICAL SCIENCE / «Ш11ШетУМ ~ ^ © УГМа1># Щ11)), 2 © 2 ©

    10

    Існує три основних способи збільшення пропускної здатності (швидкість з'єднання) ресурсу зв'язку.

    Перший полягає в збільшенні еквівалентної изотропно-випромінюваної потужності передавача або в зниженні втрат системи, що в будь-якому випадку приведе до збільшення відносини сигнал / шум.

    Другий спосіб - це збільшення ширини смуги каналу.

    Третій спосіб полягає в підвищенні ефективності розподілу ресурсу зв'язку. Одна з можливих реалізацій цього способу - множинний доступ. Приклад: супутниковий транспон-дер, який повинен ефективно розподілити обмежений ресурс зв'язку між великою кількістю користувачів, які обмінюються цифровою інформацією. При цьому користувачі можуть вимагати різних швидкостей передачі даних і мати різні робочі цикли.

    Методи множинного доступу, що підвищують ефективність використання супутникових ресурсів

    Основні способи розподілу ресурсу зв'язку, такі:

    Частотний поділ (frequency division -FD). Розподіляються певні піддіапазони використовуваної смуги частоти.

    Тимчасовий поділ (time division - TD). Користувачам виділяються періодичні тимчасові інтервали. У деяких системах користувачам надається обмежений час для зв'язку. В інших випадках час доступу користувачів до ресурсу визначається динамічно.

    Кодове розділення (code division - CD). Виділяються певні елементи набору ортогонально (або майже ортогонально) розподілених спектральних кодів, кожен з яких використовує весь діапазон частот.

    Просторове розділення (space division -SD), або багатопроменеве багаторазове використання частоти. За допомогою точкових променевих антен радіосигнали поділяються і направляються в різні боки. Даний метод допускає багаторазове використання одного частотного діапазону.

    Поляризаційне поділ (polarization division - PD), або подвійне поляризаційне багаторазове використання частоти. Для поділу сигналів застосовується ортогональна поляризація, що дозволяє використовувати один частотний діапазон.

    Історично перший метод мультиплексування - це частотне розділення каналів (FDM), в тому числі і дуплексних (FD). Найпростіша його різновид - фіксоване призначення діапазону кожної станції (FAMA - fixed-assignment, multiple access). Кожному каналу присвоюється свій фіксований діапазон (своя несуча). В результаті для того, щоб встановити дуплексное з'єднання між двома станціями, необхідно задіяти чотири частотних каналу (тобто два транспондера). Даний механізм істотно спрощує бортову апаратуру КА, ретранслятор працює в режимі повторювача. Однак його ресурс

    витрачається досить неефективно, фактично число можливих з'єднань точка-точка між наземними станціями дорівнює числу транспондерів у КА.

    Типовий приклад - системи супутникового зв'язку (ССС), що працюють в С-діапазоні (переважна більшість стовбурів вітчизняних геостаціонарних ССС). Ширина смуги висхідного / низхідного каналу при цьому 500 МГц. Як правило, КА підтримує 12 транспондерів, ширина каналу кожного - 36 (72) МГц (плюс захисний інтервал 4 МГц між каналами і по 10 МГц на краях діапазону 500 МГц). Число каналів можна подвоїти, використовуючи ортогональную поляризацію сигналу: 12 непарних транспондерів працюють з вертикальною поляризацією антен, 12 парних - з горизонтальною. При цьому центральна несуча вертикально поляризованих каналів зміщена на 20 МГц відносно горизонтально поляризованих.

    Метод FDM / FD / FAMA хоча і найбільш простий в реалізації, але і найбільш неефективний, особливо коли збільшується число наземних терміналів.

    Подальшим розвитком множинного доступу (МД) з частотним поділом каналів (FDMA) став метод SCPC (single channel per carrier) - один канал на несучу. Йдеться в даному випадку про телефонному каналі шириною 4 кГц. Суть його в тому, що весь частотний діапазон ділиться, наприклад, на субканалов 4 кГц, кожен зі своєю незалежно модулируемой несучої. Розподіл подканалов між станціями відбувається на основі методу DAMA (demand assignment multiple access) -множественний доступ з призначенням каналу за запитом. Це означає, що перед початком трансляції кожна станція повідомляє центральної (керуючої), що вона хоче встановити з'єднання з іншою станцією. Для службових повідомлень виділяється спеціальний сигнальний канал, за допомогою якого відбувається розподіл подканалов між станціями, так, щоб не було двох станцій, що одночасно працюють в одному частотному подканале. Швидкість передачі даних в кожному подканале залежить від його ширини, механізму кодування і виду модуляції. Вперше механізм FDMA / DAMA був реалізований компанією Comsat в супутниках Intelsat серій IV А і V. В цій системі в сигнальному каналі обмін відбувається в режимі доступу з поділом часу (TDM).

    Інформація передається в циклічно повторюваних кадрах тривалістю 50 мс. Кадр розбитий на 50 тайм-слотів по 1 мс. Кожен тайм-слот закріплений за певною наземною станцією (в системі Intelsat їх не більше 50). Протягом тайм-слота наземна станція може передати на частоті службового каналу 128 біт - запити на надання голосового каналу або повідомлення про звільнення каналу.

    Історично наступним після FDMA стали використовувати механізм множинного доступу з поділом каналів за часом (TDMA - time-

    <<Ш11ШетіМ ~ ^ © і © МА1># Щ51)), 2 © 2 © / TECHNICAL science

    division multiple access). Принцип його простий: вся передача відбувається в циклічно повторюваних кадрах (фреймах), розділених на інтервали (тайм-слоти) дорівнює тривалості. Кожному передавача призначається (на постійній чи тимчасовій основі) певний тайм-слот.

    Основна проблема при цьому - не втратити кадрову синхронізацію, для чого на початку кожного кадру передається певна сінхропосле-довність імпульсів. Свого часу Європейська конференція поштових і телекомунікаційних відомств (СЕРТ) прийняла як стандарт структуру базового TDMA-кадру для передачі голосової інформації. Передбачається, що після оцифровки і кодування потік голосових даних в кожному каналі представляє послідовність 8-розрядних вибірок з частотою 16 кГц. Один TDMA-кадр обслуговує 16 незалежних голосових каналів. Вибірки кожного з них (по 8 біт) послідовно формують підкадрів з 128 біт. Швидкість передачі (з урахуванням частоти вибірок 16 кГц) 2,048 Мбіт / с. 32 послідовних підкадрів утворюють кадр тривалістю 2 мс. Це означає, що кожна наземна станція може передавати дані в одному голосовому каналі порціями по 32 8-розрядні вибірки кожні 2 мс. Відзначимо, що реальний час передачі базового TDMA кадру в 59 разів менше (33,9 мкс) - швидкість передачі наземною станцією базового TDMA-кадру СЕРТ становить 120,832 Мбіт / с.

    Гідність технології TDMA перед FDMA перш за все в тому, що в транспондері весь час присутній одна модулированная несуча, тобто істотно знижуються міжканального інтермодуляційні перешкоди. Спрощується і аналогова частина апаратури (немає необхідності окремо обробляти безліч частотних каналів). Технологія TDMA набагато краще підходить для множинного доступу при передачі цифрових даних.

    Технологія кодового поділу каналів (CDMA) є більш універсальним і перспективним методом множинного доступу. Основні її переваги: ​​невисока пікова потужність сигналу, гнучкість перебудови каналів і вибору смуги каналу, простота переходу з каналу на канал, можливість роботи декількох станцій в одному частотному діапазоні. Метод цей відносно недавно знайшов застосування в ССС (вперше - в системі Omnitracs). Характерні приклади використовують його систем - ССС Globalstar і Ellipso [1]. Відзначимо, однак, що саме на CDMA (в різних варіаціях цієї технології) грунтуються багато проектів перспективних ССС.

    Ще один перспективний метод множинного доступу - мультиплексування за допомогою ортогональних несучих (OFDM). Він вимагає щодо складних засобів цифрової обробки сигналу, тому до певного моменту і не отримав належного поширення. Однак саме на основі цієї технології побудований стандарт цифрового телевізійного мовлення DVB.

    11

    Основні технічні рішення, що застосовуються при побудові сучасних систем супутникового зв'язку типу VSA T

    Мережа супутникового зв'язку на базі VSAT включає в себе три основні елементи: центральна земна станція (при необхідності), супутник-ретранслятор і абонентські VSAT термінали [2].

    Мережі супутникового зв'язку з використанням абонентських (віддалених) станцій з малою апертурою антени (VSAT) можуть мати різну топологію. Як правило, такі мережі в більшості своїй мають топологію «зірка» з центральною станцією ( «хабом»), яка розташовується у великому місті і високошвидкісними каналами зв'язку з'єднується з глобальними мережами - інтернет і телефонну мережу загального користування.

    Зазвичай центральна земна станція (ЦЗС) встановлюється в вузлі мережі, на який припадає найбільший трафік. Це може бути, наприклад, головний офіс або обчислювальний центр компанії в корпоративних мережах, або ж велике місто в регіональній мережі. На «хабі» встановлюються антена великого розміру (зазвичай від 3,5 до 9 м і більше), потужний передавач (до 400 Вт) і інтелектуальна система управління мережею.

    Завдяки цьому на периферії мережі можна використовувати абонентські станції з маленькими антенами (від 0,6 м), слабкими передавачами (від 1,0 Вт) і відносно простими і дешевими абонентськими терміналами Абонентська VSAT термінал зазвичай включає в себе антенно-фідерне пристрій, зовнішній зовнішній радіочастотний блок і внутрішній блок (модем). Зовнішній блок являє собою невеликий приймач або приймач. Внутрішній блок забезпечує сполучення супутникового каналу з термінальним обладнанням користувача (комп'ютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС і т. Д.).

    Супутники-ретранслятори мережі VSAT будуються на базі геостаціонарних супутників зв'язку. Це дозволяє максимально спрощувати конструкцію абонентських терміналів і забезпечувати їх простими фіксованими антенами без системи стеження за супутником. Супутник приймає сигнал від земної станції, підсилює його і направляє назад на Землю. Найважливішими характеристиками супутника є потужність бортових передавачів і кількість радіочастотних каналів (стовбурів або транспондерів) на ньому. Для забезпечення роботи через малогабаритні абонентські станції типу VSAT потрібні передавачі з вихідною потужністю близько 40 Вт. Надійні сучасні VSAT працюють, як правило, в Кі-діапазоні частот від 11 до 14 ГГц, також є системи, що використовують Ка-діапазон від 18 до 30 ГГц і зараз освоюється Q / V-діапазон 40/50 ГГц.

    Деякі платформи VSAT підтримують одночасно як «Стар», так і «Меш» - повнозв'язну топологію, при якій абонентські станції можуть зв'язуватися один з одним безпосереднім-

    TECHNICAL SCIENCE / «Ш [[ШетіМ ~ ^ © Ігма [># Щ11)), 2 © 2 ©

    12_

    ного. Абонентські термінали для «Меш» топології істотно дорожче і використовуються набагато рідше.

    Мережі VSAT настільки популярні на сьогоднішній день в світі завдяки таким особливостям.

    Зв'язок через супутник можна організувати в будь-якій географічній точці, єдине необхідна умова - наявність електроживлення і видимість супутника ретранслятора в місці установки.

    Абонентський термінал має невелику вагу і габарити, монтується і приводиться в робочий стан за кілька годин. Не потрібно проведення великого обсягу проектних і будівельних робіт, як для організації кабельної або радіорелейного ліній зв'язку. Головна комісія з радіочастот (ГКРЧ) РФ випустила свої рішення, спрямовані на максимальне спрощення легалізації абонентського терміналу з мінімальними фінансовими витратами.

    З боку клієнтського обладнання абонентський термінал має в обов'язковому порядку інтерфейс комп'ютерної локальної мережі Ethernet, через який передаються дані по інтернет-протоколу - IP, інтерфейс і протокол, пристосовані для передачі будь-якого виду трафіку: даних, голосу, відео. До того ж спеціалізовані термінали можуть бути укомплектовані спеціальним устаткованням властивим силовим і урядовим організаціям.

    Споживачів російського ринку VSAT можна розділити на чотири сегменти:

    1) державні установи;

    2) великі корпорації з розгалуженою мережею філій і представництв;

    3) середній і малий регіональний бізнес;

    4) приватні користувачі (супутниковий Інтернет).

    Активними користувачами VSAT є морські судна, де використовуються стабілізовані антени, які дозволяють відстежувати

    супутник, незважаючи на зміну курсу судна. В даний час практично всі пасажирські круїзні судна мають на борту установку морського VSAT. Як правило, основною проблемою для морських користувачів є правильний вибір оператора VSAT, що має необмежену зону покриття по всьому світу, а також автоматичний перехід з одного супутника на інший під час плавання.

    Основні виробники VSAT в світі [3]:

    - Advanetch Wireless (Канада);

    - Hughes Network System (США) - HughesNet (DirecWay), HX;

    - Gilat (Ізраїль) -SkyEdge;

    - ViaSat (США);

    - iDirect (США);

    - NDSatCom (Німеччина);

    - Істар (Росія);

    - Newtec (Бельгія)

    - ComTech.

    висновки

    Для забезпечення високошвидкісного супутникового доступу потрібно основну увагу приділяти застосуванню найефективніших методів множинного доступу і орієнтуватися на обладнання провідних супутникових вендорів в даній області.

    Список літератури

    1. Satellite Industry Association. State of the Satellite Industry Report.// September 2014.

    2. ComNews Research. Російський ринок супутникового широкосмугового доступу. Підсумки 2013 р Звіт за підсумками ініціативного дослідження.

    3. Satellite Communications & Broadcasting Markets Survey. // Euroconsult, 2014.


    Ключові слова: мережу супутникового зв'язку /множинний доступ /земна станція /супутник /високошвидкісний супутниковий доступ /ресурс. /satellite communications network /multiple access /earth station /satellite /high speed satellite access /resource.

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити