Спутниковые телекоммуникации
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ2
Системы спутниковой связи2
VSAT-СТАНЦИЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ3
Система SCPC5
TES-система6
Система PES7
Описание VSAT-станции7
Радиочастоты и другие параметры спутникового канала7
Конструкция и технические характеристики8
Внешний блок8
Внутренний блок10
Спутниковый Шлюз10
Соединение по ISDN, интерфейс S010
Высокоскоростной выход на INTERNET и другие сети передачи данных10
ВВЕДЕНИЕ
Современные организации характеризуются большим объемом различной информации, в основном электронной и телекоммуникационной, которая проходит через них каждый день. Поэтому важно иметь высококачественный выход на коммутационные узлы, которые обеспечивают выход на все важные коммуникационные линии. В России, где расстояния между населенными пунктами огромное, а качество наземных линий оставляет желать лучшего, оптимальным решением этого вопроса является применение систем спутниковой связи (ССС).
На сегодняшний день существует большое количество ССС, основанных на различных спутниковых системах, различных принципах и предназначенных для различных применений.
Системы спутниковой связи
Спутниковые системы связи (ССC) известны давно, и используются для передачи различных сигналов на протяженные расстояния. С момента своего появления спутниковая связь стремительно развивалась, и по мере накопления опыта, совершенствования аппаратуры, развития методов передачи сигналов произошел переход от отдельных линий спутниковой связи к локальным и глобальным системам.
Такие темпы развития ССC объясняются рядом достоинств которыми они обладают. К ним, в частности, относятся большая пропускная способность, неограниченные перекрываемые пространства, высокое качество и надежность каналов связи. Эти достоинства, которые определяют широкие возможности спутниковой связи, делают ее уникальным и эффективным средством связи. Спутниковая связь в настоящее время является основным видом международной и национальной связи на большие и средние расстояния. Использование искусственных спутников Земли для организации связи продолжает расширяться по мере развития существующих сетей связи. Многие страны создают собственные национальные сети спутниковой связи.
Все системы можно разделить на системы двух видов: работающие через спутники на негеостационарных и геостационарных орбитах.
Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность - невозможность поддержания круглосуточной связи с ЗС. 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 тысяч километров. Теоретически, один расположенный таким образом спутник может обеспечить качественную связь для трети земной поверхности. В действительности обслуживаемые территории существенно меньше. Особенностью спутников на геостационарных орбитах является значительная временная задержка (порядка 240 мс) в спутниковом канале, вызванная необходимостью два раза преодолевать расстояние в 36 тысяч километров от ЗС до спутника.
Мы будем рассматривать системы, где применяются спутники связи, обращающиеся на орбитах синхронно с вращением Земли. Это позволяет существенно упростить систему связи. В этом случае каждая земная станция работает непрерывно с одним и тем же спутником связи. Ранее, при использовании не синхронных спутников, существовала необходимость периодического переключения антенной системы каждой земной станции с одного спутника на другой, что естественно вызывало перерывы связи. К тому же, значительную часть стоимости ЗС составляла не очень надежная аппаратура слежения. Использование стационарных спутников связи обеспечивает бесперебойную связь, но требует дополнительного запаса рабочего тела для проведения многократных коррекцией орбиты ИСЗ. Считается, что этот дополнительный запас рабочего тела для коррекции орбиты является сравнительно небольшой платой за простоту эксплуатации системы и отсутствие перерывов связи. Земные станции при использовании стационарных спутников упрощаются за счет отказа от сложной и дорогой системы слежения.
Спутниковые системы связи могут различаться также и типом передаваемого сигнала, который может быть цифровым или аналоговым. Передача информации в цифровой форме обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами передачи. К ним относятся:
1. простота и эффективность объединения многих независимых сигналов и преобразования цифровых сообщений в “пакеты” для удобства коммутации;
2. меньшие энергозатраты по сравнению с передачей аналогового сигнала;
3. относительная нечувствительность цифровых каналов к эффекту накопления искажений при ретрансляциях, обычно представляющему серьезную проблему в аналоговых системах связи;
4. потенциальная возможность получения очень малых вероятностей ошибок передачи и достижения высокой верности воспроизведения переданных данных путем обнаружения и исправления ошибок;
5. конфиденциальность связи;
6. гибкость реализации цифровой аппаратуры, допускающая использование микропроцессоров, цифровую коммутацию и применение микросхем с большей степенью интеграции компонентов.
VSAT-СТАНЦИЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
VSAT1-станция - станция спутниковой связи с антенной малого диаметра, порядка 1.8 ... 2.4 м. VSAT-станция используются для обмена информацией между наземными пунктами, а также в системах сбора и распределения данных. ССС с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают телефонную связь с цифровой передачей речи, а также передачу цифровой информации.
К станциям спутниковой связи типа VSAT относятся станции спутниковой связи, обладающие определенными характеристиками, описанными в Рекомендациях №№ 725-729 ММКР.
При передаче телефонного трафика спутниковые системы образуют групповые тракты (совокупность технических средств, обеспечивающих прохождение группового сигнала, т.е. несколько телефонных подканалов объединяются в один спутниковый) и каналы передачи (совокупность средств, обеспечивающих переду сигналов от одной точки в другую). Каналы и групповые тракты ССС широко используются на участках магистральной и внутризоновой телефонных сетей, в ряде случаев на местных линиях связи ССС позволяют:
организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами связи в зоне обслуживания ИСЗ, а также работать в режиме незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении потребностей трафика на сети, а также использоваться наиболее эффективно - полнодоступными пучками.
К настоящему времени создано несколько ССС с использованием VSAT. Одной из типичных систем такого рода является система, организованная на базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы, установлены в ряде стран, в том числе и в России.
Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря этому могут обходиться без наземных линий связи. Вообще станциями VSAT называются станции, обладающие определенными характеристиками, описанными в рекомендациях 725-729 ММКР.
Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной передаче информации на высоких скоростях (10 кбит/сек и более), существуют системы, использующие временное, частотное, кодовое или комбинированное разделение канала между многими абонентскими ЗС.
Еще одним параметром, позволяющим классифицировать ССС, является использование протокола. Первые спутниковые системы были беспротокольными и предлагали пользователю прозрачный канал. Недостатком таких систем являлась, например, передача информации пользователя без, как правило, подтверждения ее доставки принимающей стороной. Иначе говоря, в подобных системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией. В этом случае качество ССС определяется качеством спутникового канала. При типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10-6..10-7 передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что невозможна. Современные ССС используют протокол, повышающий надежность связи при сохранении высокой скорости обмена информацией между абонентами. Так, например, для рассматриваемой ниже системы передачи данных типа PES™ (Personal Earth Station - персональная земная станция) вероятность ошибки на символ не превышает 10-9 для 99% времени связи.
В настоящее время в России сетей и земных станций типа VSAT в строгом их понимании пока мало, но их число будет расти, так как наша страна, наряду с большой протяженностью, обладает плохо развитой инфраструктурой связи, особенно на периферии.
При выборе столь сложной аппаратуры, следует обращать внимание на многие факторы, одним из важнейших является то, насколько распространена аппаратура данного типа в мире, сколько времени на рынке существует фирма, занимающаяся разработкой подобной техники. Это позволит гарантировать надежность работы системы, обеспечить связь с другими системами.
Система SCPC
Схема работы SCPC-системы
В России и в Европе существуют сети VSAT-станций, работающих на принципе SCPC. Стандартный вариант связи SCPC где используется связь по принципу “point-to-point”(“точка-точка”) - это две VSAT-станции, соединенные спутниковым каналом и расположенные у пользователей. При наличии такого канала пользователи могут устанавливать связь друг с другом в любой момент. Чаще приходится иметь дело с конфигурацией сети типа “звезда” (принцип “центр с каждым”), когда имеется одна станция в головном офисе (отделении, представительстве и т.п.) и несколько станций в удаленных отделениях, филиалах. При использовании данной схемы возможна организация потоков цифровой информации со скоростью от 32 кбит/сек до 8 Мбит/с и обеспечение телефонной, телефаксной связи между центром и периферией. Данная система открывает возможность выхода через спутниковые станции на международный телепорт в Берлине и далее в любую страну мира. Кроме этого возможно получение прямого московского номера и через телепорт в Москве возможно ведение телефонных переговоров по странам бывшего СССР. В целом следует отметить, что SCPC-система является очень мощной альтернативой арендованных некоммутируемых каналов, ведомственных линий и т.п. Весьма привлекательна она как средство передачи больших объемов информации с высокой скоростью. Вследствие использования спутниковых цифровых каналов, она является некритичной к дальности и помехозащищенной.
Схема работы TES-системы
TES-система
TES-система предназначена для обмена телефонной и цифровой информацией в сетях, что построены по принципу “mesh” (“каждый с каждым”) или, другими словами, в сетях с полным доступом. Это означает, что возможна телефонная связь между любыми двумя абонентами сети, кроме этого абонентам обеспечивается выход в международную сеть общего пользования через телепорт (Gateway) в Берлине. В простейшей конфигурации обеспечивается связь по одному телефонному или факсимильному каналу. Абоненту предоставляется дополнительная возможность организации передачи цифровой информации между двумя станциями, входящими в сеть. Сеть работает по принципу DAMA - когда абонент не имеет жестко закрепленного за ним спутникового канала, а этот канал предоставляется ему по первому требованию, причем с высокой (более 99%) вероятностью. Этот способ позволяет уменьшить число арендуемых спутниковых каналов и обеспечить приемлемые цены для абонентов. В целом, использование именно TES-системы является самым оперативным и действенным способом доступа в международную телефонную сеть, а также хорошим средством связи с теми областями, которые обладают либо неразвитой инфраструктурой связи, либо вообще не имеют таковой.
Система PES
Структура PES-системы
Система персональных земных станций (Personal Earth Station) PES™- спутниковая диалоговая пакетно-коммутируемая сеть, предназначенная для обмена телефонной и цифровой информацией в рамках ССС с топологией типа "звезда", с возможностью полного дуплекса. Система располагает крупной и дорогой центральной станцией (HUB station) и многими небольшими и недорогими периферийными станциями PES или remote. Большая эффективная излучаемая мощность и высокое качество приема центральной станции делает возможным применение на PES малых антенн диаметром 0,5-1,8 м и маломощных передатчиков мощностью 0,5-2 Вт. Это значительно снижает стоимость абонентской ЗС. В отличие от других вышеназванных систем, в этой передача информации всегда идет через HUB. С точки зрения энергетики системы и ее стоимости (соответственно и стоимости предлагаемых услуг) оптимально расположение центральной ЗС в центре зоны освещения спутника. Например в сети, работающей через спутник INTELSAT-604, центральная ЗС расположена в Москве.
Описание VSAT-станции
Стандартный вариант связи SCPC (связь по топологии “точка-точка”) - это две VSAT-станции, расположенные у в двух пунктах, и соединяются через спутник. Канал связи жестко закреплен за пользователем.
Радиочастоты и другие параметры спутникового канала
Станции спутниковой связи работают обычно в 2 диапазонах С (прием 4 ГГц, передача 6 ГГц) и Кu-диапазоне (прием 11 ГГц, передача 14 ГГц).
Так как передача идет в цифровом виде то используется фазовая модуляция. Так как, чем уже занимаемая полоса, тем меньше используется ресурс спутника, то применяется модуляция QPSK2, которая эффективнее в 1.5 раза модуляции BPSK3, т.е. в один и тот же период времени при всех остальных равных условиях с помощью QPSK передается в 1.5 раза больше информации, чем с использованием BPSK.
Для увеличения надежности приема передаваемого сигнала, требуемая по стандарту SSOG-309 величина ошибок BER41?10-8, применяются различные методы помехозащитного кодирования. Одним из таких методов является метод прямого исправления ошибок (FEC5), при этом методе сообщение делится на некоторые кванты и отдельные кванты передаются повторно.
Конструкция и технические характеристики
Спутниковая станция типа VSAT по конструктивному признаку состоит из высокочастотного (ODU6) и низкочастотного (IDU7) модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей аппаратуры).
Стaндapный вapиaнт комплектaции включaет параболическую aнтенну небольшого диаметpa и пpиемопеpедaтчик. В зaвисимости от местоpaсположения спутниковой стaнции по отношению к центpу зоны освещения спутникa и скоpости пеpедaчи в кaнaле используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и мультиплексор.
ODU и IDU соединены между собой радиочастотными (RF8) кабелями. По ним идет сигнал промежуточной частоты (IF9). IF используемая бывает 70 или 140 МГц.
По функциональному назначению VSAT-станция делится на базовый комплект, который обеспечивает передачу самого канала и дополнительное оборудование, которое обеспечивает мультиплексирование этого канала.
Внешний блок
Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне.
Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу “вверх”, а также прием высокочастотного сигнала со спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку.
Антенна
Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным центром). Схема офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи. Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора.
Антенна состоит из:
* рефлектора (зеркала),
* системы облучения,
* опорно-поворотного основания (ОПУ).
Внешний блок (антенна и приемопередатчик)
Приемопередающий блок
Основной терминал состоит из:
* СВЧ блока преобразования частот
* усилителя мощности (SSPA10 или TWT11),
* малошумящего конвертора (LNC),
* блока электропитания (PS12)
* соединительных кабелей.
Функция приемопередатчика заключается в преобразовании, после модулятора, сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и в преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор.
Внутренний блок
Внутренний блок представляет собой 19” стойку с установленными в ней спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS13 и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно.
Спутниковый модем
Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для кодирования передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора.
Мультиплексор
Мультиплексор предназначен для мультиплексирования голосовой, факсимильной информации и передаваемых данных. Мультиплексор позволяет скомбинировать ежедневные телефонные и факсимильные сообщения с синхронной и асинхронной передачей данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или спутниковым линиям. Это позволяет снизить телекоммуникационные затраты путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного уменьшения пропускной способности канала.
Спутниковый Шлюз
Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы (большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции).
Шлюз может обеспечивать обеспечивает:
* выход на телефонные сети;
* услуги междугородной связи с выходом на сеть общего пользования;
* услуги международной телефонной связи;
* выход на специальные телефонные сети, например "Искра-2";
* выход на сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.);
* возможность аренды наземного канала до любой точки в г.Москве:
* возможность аренды высокоскоростного наземного канала до любой “М”:
Соединение по ISDN, интерфейс S0
В последнее время в большинстве современных и проектируемых системах находит применение стандарт ISDN. Существуют глобальные сети, в которых этот стандарт взят за основу, например EuroISDN. ISDN в глобальных сетях применяется и в России.
Высокоскоростной выход на INTERNET и другие сети передачи данных
Шлюз позволяет обеспечить высокоскоростной выход на INTERNET, до 2 Мбит/сек. В данном варианте возможно получить доступ ко всем услугам INTERNET (WWW, TelNet, E-mail, FTP и др.).
Все описанное выше, также относится и к другим глобальным сетям передачи данных.
1Very Small Aperture Terminal
2QuadriPhase Shift Keying – квадратичная манипуляция
3Binary Phase Shift Keying – двоичная манипуляция
4Bit Error Rate – вероятность ошибки
5Forward Error Corect
6OutDoor Unit – внешний модуль
7InDoor Unit – внутренний модуль
8Radio Frequence
9Intermedia Frequence
10Solid-State Power Amplifier – твердокристалический усилитель
11Traveling Wave Tube – лампа бегущей волны (ЛБВ).
12Power Supply – блок питания.
13Uninterruptable Power Supply – блок бесперебойного питания.