Сеть спутниковой связи. К тр – транспортные расходы

Идея создания на Земле глобальных систем спутниковой связи была выдвинута в 1945 г. Артуром Кларком , ставшим впоследствии знаменитым писателем-фантастом. Реализация этой идеи стала возможной только через 12 лет после того, как появились баллистические ракеты, с помощью которых 4 октября 1957 г. на орбиту был запущен первый искусственный спутник Земли (ИСЗ). Для контроля за полетом ИСЗ на нем был помещен маленький радиопередатчик - маяк, работающий в диапазоне 27 МГц . Через несколько лет 12 апреля 1961 г . впервые в мире на советском космическом корабле "Восток" Ю.А. Гагарин совершил исторический облет Земли. При этом космонавт имел регулярную связь с Землей по радио. Так началась систематическая работа по изучению и использованию космического пространства для решения различных мирных задач.

Создание космической техники сделало возможным развитие очень эффективных систем дальней радиосвязи и вещания. В США начались интенсивные работы по созданию связных спутников. Такие работы начали разворачиваться и в нашей стране. Ее огромная территория и слабое развитие связи, особенно в малонаселенных восточных районах, где создание сетей связи с помощью других технических средств (РРЛ, кабельные линии и др.) сопряжено с большими затратами, делало этот новый вид связи весьма перспективным.

У истоков создания отечественных спутниковых радиосистем стояли выдающиеся отечественные ученые и инженеры, возглавлявшие крупные научные центры: М.Ф. Решетнев, М.Р. Капланов, Н.И. Калашников, Л.Я. Кантор

Основные задачи, ставящиеся перед учеными, состояли в следующем:

Разработка спутниковых ретрансляторов телевизионного вещания и связи ("Экран", "Радуга", "Галс"), с 1969 г. спутниковые ретрансляторы разрабатывались в отдельной лаборатории, возглавляемой М.В. Бродским ;

Создание системных проектов построения спутниковой связи и вещания;

Разработка аппаратуры земных станций (ЗС) спутниковой связи: модуляторов, порогопонижающих демодуляторов ЧМ (частотной модуляции) сигналов, приемных и передающих устройств и др.;

Проведение комплексных работ по оснащению оборудованием станций спутниковой связи и вещания;

Разработка теории следящих ЧМ демодуляторов со сниженным шумовым порогом, методов многостанционного доступа, методов модуляции и помехоустойчивого кодирования;

Разработка нормативно-технической документации на каналы, тракты телевизионного и связного оборудования спутниковых систем;

Разработка систем управления и контроля ЗС и сетями спутниковой связи и вещания.

Специалистами НИИР были созданы многие национальные спутниковые системы связи и вещания, находящиеся в эксплуатации и поныне . Приемо-передающее наземное и бортовое оборудование этих систем также было разработано в НИИР. Помимо оборудования специалисты института предложили методики проектирования как самих спутниковых систем, так и отдельных, входящих в их состав устройств. Опыт проектирования спутниковых систем связи специалистов НИИР отражен в многочисленных научных публикациях и монографиях.

6.1. Первые спутниковые линии связи и вещания через ИСЗ "Молния-1"

Первые эксперименты по спутниковой связи путем отражения радиоволн от американского отражающего спутника "Эхо" и Луны, используемых в качестве пассивных ретрансляторов, проводились специалистами НИИР в 1964 г . Радиотелескопом в обсерватории в поселке Зименки Горьковской области были приняты телеграфные сообщения и простой рисунок из английской обсерватории "Джодрелл Бэнк".

Этот эксперимент доказал возможность успешного использования космических объектов для организации связи на Земле.

В лаборатории спутниковой связи были подготовлены несколько системных проектов, а затем она приняла участие в разработке первой отечественной системы спутниковой связи "Молния-1" в диапазоне частот ниже 1 ГГц. Головной организацией по созданию этой системы был Московский научно-исследовательский институт радиосвязи (МНИИРС). Главным конструктором системы "Молния-1" является М.Р. Капланов - заместитель руководителя МНИИРС.

В 60-е годы в НИИР велась разработка приемо-передающего комплекса тропосферной радиорелейной системы "Горизонт", также работающей в диапазоне частот ниже 1 ГГц. Этот комплекс был модифицирован и созданная аппаратура, названная "Горизонт-К", использовалась для оснащения первой спутниковой линии связи "Молния-1", связавшей Москву и Владивосток. Эта линия предназначалась для передачи ТВ-программы или группового спектра 60 телефонных каналов. При участии специалистов НИИР в этих городах были оборудованы две земные станции (ЗС). В МНИИРС был разработан бортовой ретранслятор первого искусственного спутника связи "Молния-1", успешный запуск которого состоялся 23 апреля 1965 г . Он был выведен на высокоэллиптическую орбиту с периодом обращения вокруг Земли 12 ч. Такая орбита была удобна для обслуживания территории СССР, рас положенной в северных широтах, так как в течение восьми часов на каждом витке ИСЗ был виден с любой точки страны. Кроме того, запуск на такую орбиту с нашей территории осуществляется с меньшими затратами энергии, чем на геостационарную. Орбита ИСЗ "Молния-1" сохранила свое значение до сих пор и используется, несмотря на преобладающее развитие геостационарных ИСЗ.

6.2.Первая в мире спутниковая система "Орбита" для распределения ТВ-программ

После завершения исследований технических возможностей ИСЗ "Молния-1" специалистами НИИР Н.В. Талызиным и Л.Я. Кантором было предложено решить проблему подачи ТВ-программ центрального телевидения в восточные районы страны путем создания первой в мире системы спутникового вещания "Орбита" в диапазоне 1 ГГц на базе аппаратуры "Горизонт-К".

В 1965-1967 гг. в рекордно короткие сроки в восточных районах нашей страны было одновременно сооружено и введено в действие 20 земных станций "Орбита" и новая центральная передающая станция "Резерв". Система "Орбита" стала первой в мире циркулярной, телевизионной, распределительной спутниковой системой, в которой наиболее эффективно использованы возможности спутниковой связи.

Следует отметить, что диапазон, в котором работала новая система "Орбита" 800-1000 МГц, не соответствовал тому, который был распределен в соответствии с Регламентом радиосвязи для фиксированной спутниковой службы. Работа по переводу системы "Орбита" в С-диапазон 6/4 ГГц была выполнена специалистами НИИР в период 1970-1972 гг. Станция, функционирующая в новом диапазоне частот, получила название "Орбита-2". Для нее был создан полный комплекс аппаратуры для работы в международном диапазоне частот - на участке Земля-Космос - в диапазоне 6 ГГц, на участке Космос-Земля - в диапазоне 4 ГГц. Под руководством В.М. Цирлина была разработана система наведения и автосопровождения антенн с программным устройством. В этой системе использовались экстремальный автомат и метод конического сканирования.

Станции "Орбита-2" начали внедряться с 1972 г ., а к концу 1986 г . их было построено около 100. Многие из них и в настоящее время являются действующими приемо-передающими станциями.

В дальнейшем для работы сети "Орбита-2" был создан и выведен на орбиту первый советский геостационарный ИСЗ "Радуга", многоствольный бортовой ретранслятор которого создавался в НИИР (руководитель работы А.Д. Фортушенко и ее участники М.В. Бродский, А.И. Островский, Ю.М. Фомин и др.) При этом были созданы и освоены технология изготовления и методы наземной обработки космических изделий.

Для системы "Орбита-2" были разработаны новые передающие устройства "Градиент" (И.Э. Мач, М.З. Цейтлин и др.), а также параметрические усилители (А.В. Соколов, Э.Л. Ратбиль, B.C. Санин, В.М. Крылов) и устройства приема сигналов (В.И. Дьячков, В.М. Доро феев, Ю.А. Афанасьев, В.А. Полухин и др.).

6.3. Первая в мире система непосредственного ТВ-вещания "Экран"

Широкое развитие системы "Орбита", как средства подачи ТВ-программ, в конце 70-х годов стало экономически неоправданным из-за большой стоимости ЗС, делающей нецелесообразной ее установку в пункте с населением менее 100-200 тыс. человек. Более эффективной оказалась система "Экран", работающая в диапазоне частот ниже 1 ГГц и имеющая большую мощность передатчика бортового ретранслятора(до 300 Вт). Целью создания этой системы было охват ТВ-вещанием малонаселенных пунктов в районах Сибири, Крайнего Севера и части Дальнего Востока. Для ее реализации были выделены частоты 714 и 754 МГц, на которых было возможно создать достаточно простые и дешевые приемные устройства. Система "Экран" стала фактически первой в мире системой непосредственного спутникового вещания.

Приемные установки этой системы должны были быть рентабельными как для обслуживания небольших населенных пунктов, так и для индивидуального приема ТВ-программ.

Первый спутник системы "Экран" был запущен 26 октября 1976 г . на геостационарную орбиту в точку 99° в.д. Несколько позднее в Красноярске были выпущены станции коллективного приема "Экран-КР-1" и "Экран-КР-10" с мощностью выходного телевизионного передатчика 1 и 10 Вт. Земная станция, передающая сигналы на ИСЗ "Экран", имела антенну с диаметром зеркала 12 м, она была оборудована передатчиком "Градиент" мощностью 5 кВт, работающим в диапазоне 6 ГГц. Приемные установки этой системы, разработанные специалистами НИИР, были наиболее простыми и дешевыми приемными станциями из всех, реализованных в те годы. К концу 1987 г. число установленных станций "Экран" достигло 4500 шт.

6.4.Системы распределения ТВ-программ "Москва" и "Москва-Глобальная"

Дальнейший прогресс в развитии систем спутникового ТВ-вещания в нашей стране связан с созданием системы "Москва", в которой технически устаревшие ЗС системы "Орбита, были заменены на малые ЗС. Разработка малых ЗС началась в 1974 г. по инициативе Н.В. Талызина и Л.Я. Кантора.

Для системы "Москва" на ИСЗ "Горизонт" был предусмотрен ствол повышенной мощности, работающий в диапазоне 4 ГГц на узконаправленную антенну. Энергетические соотношения в системе были выбраны таким образом, что обеспечивали применение на приемной ЗС небольшой параболической антенны с диаметром зеркала 2,5 м без автоматического наведения. Принципиальной особенностью системы "Москва" являлось строгое соблюдение норм на спектральную плотность потока мощности у поверхности Земли, установленных Регламентом ради связи для систем фиксированной службы . Это позволяло использовать эту систему для ТВ-вещания на всей территории СССР. Система обеспечивала прием с высоким качеством центральной ТВ-программы и программы радиовещания. Впоследствии в системе был создан еще один канал, предназначенный для передачи газетных полос.

Эти станции получили также широкое распространение в отечественных учреждениях, расположенных за рубежом (в Европе, на севере Африки и ряде других территорий), что дало возможность нашим гражданам за рубежом принимать отечественные программы. При создании системы "Москва" был использован ряд изобретений и оригинальных решений, позволивших усовершенствовать как построение самой системы, так и ее аппаратурные комплексы. Эта система послужила прототипом для многих спутниковых систем, созданных позже в США и Западной Европе, в которых для подачи программ ТВ на ЗС малого размера и умеренной стоимости использовались ИСЗ средней мощности, работающие в диапазоне фиксированной спутниковой службы.

В течение 1986-1988 гг. была проведена разработка специальной системы "Москва-Глобальная" с малыми ЗС, предназначенной для подачи центральных ТВ-программ в отечественные представительства за рубежом, а также для передачи небольшого объема дискретной информации. Эта система также находится в эксплуатации. В ней предусмотрена организация одного ТВ-канала, трех каналов для передачи дискретной информации со скоростью 4800 бит/с и двух каналов со скоростью 2400 бит/с. Каналы передачи дискретной информации использовались в интересах Комитета по телевидению и радиовещанию, ТАСС и АПН (Агентство политических новостей). Для охвата практически всей территории Земного шара в ней используются два спутника, расположенные на геостационарной орбите на 11° з.д. и 96° в.д. Приемные станции имеют зеркало диаметром 4 м, аппаратура может располагаться как в специальном контейнере, так и в помещении.

На сегодняшний день существует два вида спутников: геостационарные и низкоорбитальные. Геостационарными называются спутники, находящиеся на геостационарной орбите.(Геостационарная орбита - это орбита, лежащая в плоскости экватора на высоте около 36 тыс. км над поверхностью Земли).

Спутник, находящийся на геостационарной орбите для земного наблюдателя кажется висящим неподвижно и это открывает возможности использования ИСЗ в качестве ретранслятора телевизионных передач. С произвольной точки земной поверхности, с которой виден геостационарный спутник, на него можно направлять электромагнитное излучение земного передатчика используются по возможности высокие частоты, порядка 75-100 Ггц (l 1 =3-4 мм) Применение более коротких длин волн ограничено сильным атмосферным поглощением в диапазоне 300 ГГц и выше Принятый на геостационарном спутнике на длине волныl 1 электромагнитный сигнал преобразуется в другую, более низкую частоту порядка 10 Ггц (l 2 = 3 см). Этот сигнал с помощью другой антенны спутника направляется на земную поверхность. Для облучения передатчиком спутника поверхности Земли, на спутнике не требуется антенна большого диаметра, так как это излучение должно быть "размазано" на большой площади, называемой зоной обслуживания. Важно, насколько спутник сохраняет свою геостационарную позицию на орбите. Если спутник дрейфует, то он выходит, частично или полностью, из поля зрения наземной приемной антенны. При этом телевизионный сигнал уменьшается, что проявляется в исчезновении изображения на экране телевизора и появления шума ("снега"). В таких случаях требуется корректировка ориентации наземной антенны - вручную или автоматически.

Геостационарные спутники выполняют на сегодняшний день множество задач, таких как: телекоммуникация, радиоместоопределение(системы навигации gps, глонасс и др.), главной задачей большинства геостационарных спутников является формирование изображений видимой земной поверхности. Спутниковые системы связи с геостационарными спутниками-ретрансляторами идеально подходят для решения таких задач, как организация телевизионного и звукового вещания на обширных территориях и предоставление высококачественных телекоммуникационных услуг абонентам в удаленных и труднодоступных регионах. Кроме того, с их помощью можно быстро создавать крупномасштабные корпоративные сети и резервировать наземные магистральные каналы связи большой протяженности. Также сейчас проводится создание мультисервисных сетей (объединяющих в едином пакете такие услуги, как передача данных, телефония, цифровое телевидение, видеоконференция и доступ в интернет) на основе технологии VSAT.Также важно подменить, что всего три геостационарных спутника способны охватить всю поверхность Земли. Но у геостационарных спутников также есть недостатки, наиболее важный из них: На геостационарной орбите нельзя располагать слишком большое количество спутников связи, так как иначе они начнут мешать работе друг другу. Следовательно, кроме геостационарных спутников, которые вскоре “заполонят” геостационарную орбиту нужно развивать и другие спутниковые системы-низкоорбитальные, что сейчас и происходит.Как правило, к низкоорбитальным системам спутниковой связи (ССС) (системы LEO) относят такие, для которых высота орбиты находится в пределах 700-1500 км, масса спутников до 500 кг, орбитальная группировка - от нескольких единиц до десятков спутников-ретрансляторов (СР). Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить связь с терминалами, размещенными в полярных широтах, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения. Стоимость услуг подвижной связи низкоорбитальными системами оказывается в несколько раз дешевле аналогичных услуг, предоставляемых геостационарными системами за счет использования недорогих абонентских станций и менее дорогого космического сегмента. . Однако возникают сложности управления группировкой таких спутников и поддержания непрерывности связи.

И в заключения хочется сказать, что Современные оптико-телевизионные космические средства уже позволяют рассмотреть с орбиты предметы с размерами порядка метра и передать полученное изображение через спутники-ретрансляторы абонентам.

Доклад на тему:

Современная спутниковая связь, спутниковые системы.

Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи Early Bird

По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I ) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи . В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании , Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи .

В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц .

В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник » которое было подписано только в 1971 году

Спутниковые ретрансляторы

Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная надувная сфера выполняла функции пассивного ретранслятора

В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры - спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто - металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными . Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами ).

Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода - сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

Орбиты спутниковых ретрансляторов

Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса :

экваториальные,
наклонные,
полярные.

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита , на которой спутник вращается с угловой скоростью , равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите не способен обслуживать земные станции в приполярной области.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита - предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник . Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.

Многократное использование частот. Зоны покрытия

Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних и тех же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами :

пространственное разделение - каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного района, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты,

поляризационное разделение - различные антенны принимают и передают сигнал во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации , при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей).

Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты :

глобальный луч - производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника.

лучи западной и восточной полусфер - эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной полусферах используется один и тот же диапазон частот.

зонные лучи - поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи полусфер. Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи полусфер и глобальный луч.

При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной полусферах и в каждой из зон.

Частотные диапазоны

Антенна для приема спутникового телевидения (Ku-диапазон)

Спутниковая антенна для C-диапазона

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере , а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU -R V.431-6 :

Название диапазона	Частоты (согласно ITU-R V.431-6)	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая связь
X	Для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.	Фиксированная спутниковая связь (для военных целей)
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой. Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.

Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум , вызванного несколькими факторами:

значительной удаленностью приемника от передатчика,
ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов . Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают , используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ) .

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией ). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция . Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK .

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну . Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю.

Множественный доступ

Для обеспечения возможности одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа :

Множественный доступ с частотным разделением - при этом каждому пользователю предоставляется отдельный диапазон частот.

множественный доступ с временны́м разделением - каждому пользователю предоставляется определенный временной интервал (таймслот), в течение которого он производит передачу и прием данных.

множественный доступ с кодовым разделением - при этом каждому пользователю выдается кодовая последовательность, ортогональная кодовым последовательностям других пользователей. Данные пользователя накладываются на кодовую последовательность таким образом, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на одних и тех же частотах.

Кроме того, многим пользователям не требуется постоянный доступ к спутниковой связи. Этим пользователям канал связи (таймслот) выделяется по требованию с помощью технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access - множественный доступ с предоставлением каналов по требованию).

Применение спутниковой связи

Магистральная спутниковая связь

Изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объёмов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat , затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat , Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объёме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных.

С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи .

Системы VSAT

Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне - 0,75-1,8 м.

В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.

Системы подвижной спутниковой связи

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи . Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

Спутниковый Интернет

Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили » (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Особенностями такого вида доступа являются:

Разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения. Поэтому такие соединения называют асимметричными .
Одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями: через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал (по этой причине возможна «Рыбалка со спутника »).

По типу исходящего канала различают:

Терминалы, работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету, поставщика которого называют наземным провайдером . Для работы в такой схеме привлекается туннелирующее программное обеспечение, обычно входящее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью по сравнению с dial-up за сравнительно небольшую цену.
Приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению со входящим). Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера.

И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.

Недостатки спутниковой связи

Слабая помехозащищённость

Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны , малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды . Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Влияние атмосферы

На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере .

Поглощение в тропосфере

Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода) . В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания , причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

Ионосферные эффекты

Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание , поглощение , задержку распространения , дисперсию , изменение частоты , вращение плоскости поляризации . Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания , возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

Задержка распространения сигнала

Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс .

Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

Влияние солнечной интерференции

См. также

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Примечания

Вишневский В. И., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Исторический очерк развития сетевых технологий // Широкополосные сети передачи информации. - Монография (издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований). - М .: «Техносфера», 2005. - С. 20. - 592 с. - ISBN 5-94836-049-0
Communications Satellite Short History. The Billion Dollar Technology
Communications Satellite Short History. The Global Village: International Communications
INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 18
Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004
Официальный сайт компании «Интерспутник»
Концептуально-правовые вопросы широкополосных спутниковых мультисервисных сетей
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 167
INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 2
INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 73
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 108
INTELSAT Satellite Earth Station Handbook, 1999, p. 28
Recommendation ITU-R V.431-6. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, pp. 6, 256
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 264
http://www.telesputnik.ru/archive/116/article/62.html Стандарт DVB-S2. Новые задачи - новые решения//Журнал по спутниковому и кабельному телевидению и телекоммуникациям «Телеспутник»
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 283
Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / пер. с англ. В. Б. Афанасьева . - М .: Техносфера, 2006. - 320 с. - (Мир связи). - 2000 экз. - ISBN 5-94836-035-0
Dr. Lin-Nan Lee LDPC Codes, Application to Next Generation Communication Systems // IEEE Semiannual Vehicular Technology Conference . - October, 2003.
Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. - 2 изд. - М .: «Вильямс», 2007. - С. 1104. - ISBN 0-13-084788-7
Система спутниковой связи и вещания «Ямал»
VSAT FAQ
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 68
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 91
Dennis Roddy. Satellite Communications. McGraw-Hill Telecommunications, 2001, p. 93
Bruce R. Elbert. The Satellite Communication Applications Handbook. - Artech House, Inc., 2004, p. 34.

Ссылки

WTEC Panel Report on Global Satellite Communications Technology and Systems (англ.)
О спутнике Early Bird на сайте boeing.com (англ.)
Communications Satellites Short History (англ.)
VSAT FAQ (англ.)
VSAT FAQ (рус.)
Satellite Internet and VSAT Information Centrum (англ.)
Satellite Communications and Space Weather (англ.)
Satellite Communications in the Global Internet: Issues, Pitfalls, and Potential (англ.)
Спутниковые технологии телекоммуникаций на современном этапе (рус.)

Литература

INTELSAT Satellite Earth Station Handbook
Dennis Roddy. Satellite Communications. - McGraw-Hill Telecommunications, 2001.
Bruce R. Elbert. The Satellite Communication Applications Handbook. - Artech House, Inc., 2004. - ISBN 1-58053-490-2
Ascent to Orbit, a Scientific Autobiography: The Technical Writings of Arthur C. Clarke. - New York: John Wiley & Sons, 1984.

Для организации спутниковой связи в Российской Федерации создана орбитальная группировка из геостационарных спутников, работающих в C– Ku– и L – диапазонах. Космические аппараты расположены в орбитальных позициях на дуге от 14 градусов западной долготы до 145 градусов восточной долготы. Их зоны обслуживания охватывают территории России, СНГ, Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Африки. Эта национальная спутниковая группировка связи и вещания принадлежит государству: ФГУП «Космическая связь» (ГПКС). Внешний вид группировки представлен на рис. 7.1.

По состоянию на начало 2008 года спутниковая группировка включает в свой состав как новые спутники, так и спутники, официальный срок службы которых давно закончился (табл. 7.1) .

Спутники: Экспресс–А4, Горизонт № 44, Экспресс–А 3, Экран Спутники: Экспресс –А4, Горизонт № 44, Экспресс –А3, Экран-М №18, Экспресс-А2, Горизонт №40 и Горизонт № 45 работают за пределами их официального срока активного существования. Спутники: Экспресс АМ-44, Ямал-300 №2, Экспресс-АТ, Ямал-300 №1, Экспресс-АМ33, Экспресс-МД планируются к запуску в ближайшие годы. Спутник Eutelsat W4 относится к группировке Eutelsat, с него арендуются несколько стволов в интересах российской группировки.

Таблица 7.1

Орбитальная позиция	Наименование космического аппарата	Год запуска	Год окончания эксплуатации
	Экспресс –А4
	Экспресс-АМ44
	Горизонт № 44
	Экспресс –А3

	Экспресс –АМ1
	Ямал-200 №2
	Экспресс-АМ22
	Ямал-300 №2

	Экспресс-АТ
	Экспресс-АМ2
	Ямал-200 №1

	Ямал-300 №1
	Экспресс-АМ33
	Экран-М №18
	Экспресс-А2
	Экспресс-МД
	Горизонт №40
	Экспресс-АМ3
	Горизонт № 45

Первые спутники, необходимые для построения в России сети цифрового телевидения в рамках федеральной целевой программы - спутники «Экспресс АМ-44» и «Экспресс-МД1» выведены на орбиту. Следом за этими спутниками должен последовать запуск еще несколько тяжелых спутников, в том числе «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6»,.

Кроме российских спутников территорию России захватывают рабочие зоны многих зарубежных спутников связи как в С–, так и в Ku–диапазонах, но для практического применения в Ku–диапазоне наиболее приемлемыми являются: Intelsat-904 (60E); Intelsat-704 (66E); IS8 (ранее Panamsat-8, 166E) –Дальний Восток (без Чукотки); IS2 (Panamsat-8, 166E) – Дальний Восток (без Чукотки); IS-12 (Panamsat-12, 45E) и IS-10 (ранее Panamsat-10, 68, 5Е) для использования в регионах России за исключением Дальнего Востока.

В рамках новой Федеральной космической программы России до 2015 года ГПКС осуществляет строительство и запуск новых космических аппаратов :

Таблица 7.2

Орбитальная позиция	Наименование космического аппарата	Год запуска	Назначение
	Экспресс-АМ33		Оказание услуг фиксированной связи, телерадиовещания, услуг мультимедиа в C- и Ku-диапазонах, а также для подвижной правительственной и коммерческой связи.
	Экспресс-АМ44
	Экспресс-АМ4		Спутники непосредственного вещания
	Экспресс-АМ4
	Экспресс-АТ
	Экспресс-АТ

Новая система на базе трех спутников серии Экспресс-РВ со сроком службы 15 лет поможет кроме телекоммуникацонного обслуживания обеспечить передачу сервисной информации (карта, погода, дифференциальные поправки, ГЛОНАСС и GPS).

Новый состав группировки позволит обеспечить взаимное резервирование космических аппаратов на всей орбитальной дуге и гарантировать развитие и функционирование систем спутниковой связи и телерадиовещания в интересах государственных пользователей на всей территории нашей страны.

Для организации систем связи и вещания, а также для контроля и управления космическим флотом используются шесть телепортов ГПКС в России (среди которых крупнейший телепорт Восточной Европы – ЦКС «Дубна», волоконно-оптическая сеть с общей пропускной способностью до 5 Гбит /с, а также технический центр коммутации каналов связи и компрессии сигналов в Москве). Структура наземного комплекса технических средств ГПКС представлена на рис. 7.2.

Развитие сети спутниковой связи характеризуется частотным ресурсом российской спутниковой группировки, к которой относятся наиболее значимые для российского рынка спутники, имеющие международную регистрацию под названием «Спутниковые сети «Экспресс». В таблице 7.3 представлена емкость российских спутников связи и спутников непосредственного вещания, работающих на территории России, по состоянию на 2006 год. Частотный ресурс спутников связи «Горизонт» (и их аналога – первой серии космических аппаратов (КА) «Экспресс») в расчет не принят, так как данные спутники работают за пределами гарантированного срока службы.

К 2007 году ГПКС полностью перевело все транслируемые телерадиопрограммы с аналоговых на цифровые технологии. Пакет общероссийских программ телерадиовещания распространяется через спутники ГПКС на пять вещательных зон, с учетом временного сдвига, и доступен на всей территории России, а международные версии программ – и в странах Азиатско-Тихоокеанского и Атлантического регионов.

Таблица 7.3

Оператор	Емкость спутников, МГц			Примечание
	C-диапазон	Ku-диапазон
Спутники связи российской спутниковой группировки
			Ресурс спутника «Горизонт» не учитывается
ОАО «Газком»
Спутники непосредственного вещания
			Обслуживает Центральную и Западную Сибирь
			Обслуживает европейскую часть

В соответствии с концепцией развития цифрового телерадиовещания до 2015 г. в России ГПКС вводит в эксплуатацию новый центр компрессии сигналов телерадиопрограмм по стандарту MPEG-4 part 10 и передающую станцию, которая обеспечит трансляцию потока в стандарте DVB-S2 . В настоящее время формирование и подъем на спутники пакетов общероссийских телерадиопрограмм осуществляется в стандарте MPEG-2/DVB-S, при этом в транспондере размещены до 8 программ стандартного качества. Планируемый стандарт MPEG-4 в сочетании с DVB-S2 позволит передавать порядка 20 программ стандартного качества или 10 программ телевидения высокого качества в одном транспондере. Широкое внедрение стандарта MPEG-4 позволит создать условия для охвата населения России многопрограммным вещанием, обеспечить переход к телевизионным программам нового качества - телевидению высокой четкости (ТВЧ). Это поможет и дальнейшему развитию непосредственного телевизионного вещания со спутника – вещание на мобильные терминалы конечных пользователей, в том числе и в интерактивном режиме.

Спутники, к созданию которых ГПКС уже приступило, будут обладать транспондерами с повышенной энергетикой для развития телевидения, решения многоаспектных задач построения сетей телерадиовещания, включая эволюцию мобильного телевидения. В конфигурацию новых космических аппаратов заложены по три перенацеливаемых антенны: одна - C–диапазона, две другие – Ku-диапазона. Энергетические характеристики новых спутников будут улучшены как минимум на 3–5 дБ по сравнению с эксплуатируемыми космическими аппаратами «Экспресс-АМ», что позволит применять наземные антенны около метра в диаметре. Все это поможет ГКПС оперативно реагировать на меняющиеся потребности рынка, а также выйти на неосвоенные пока регионы.

Среди операторов наземных сетей спутниковой связи выделяют три основные категории: операторы интерактивных VSAT–сетей; операторы сетей типа «точка – точка»; операторы крупных корпоративных сетей.

Развитие операторов интерактивных VSAT – сетей началось в 2003 г. и было стимулировано применением новых VSAT-технологий типа DVB-RCS и им подобных.

Формирование операторов сетей типа «точка-точка» началось в 1990-х годах. Довольно часто такие компании создавались крупными операторами, контролирующими наземные сети общего пользования. Операторы крупных корпоративных сетей, как правило, являются подразделениями своих головных компаний и не имеют цели предоставления услуг связи на коммерческой основе.

Из представленных выше операторов наибольший интерес представляют операторы быстро развивающихся интерактивных VSAT-сетей, в собственности которых находятся центральные станции этих сетей (HUB). За период 2003–2008 гг. в России построено не менее 20 центральных станций. В таблице 7.4 представлены компании, которые развивают свои сети на коммерческой основе.

В настоящее время наиболее активно развивается предоставление услуг с использованием интерактивных технологий VSAT для конечных пользователей, а не для провайдеров. Основной целью создания интерактивных сетей VSAT было предоставление высокоскоростного доступа в Интернет по узкополосным каналам, что и обеспечивает коммерческий успех этого сервиса.

В России для работы VSAT – станций выделены две полосы частот в Ku – диапазоне для фиксированного применения на долговременной основе.

В настоящее время наиболее динамично развивающимся сектором спутниковой связи является сектор мультисервисных услуг на базе технологий VSAT. Мультисервисные услуги базируются на перспективной технологии IPTV. Основным фактором ее развития являются наличие большого числа центральных станций интерактивных сетей VSAT, которые подходят для распространения сигналов IPTV, и возможность предоставления данной услуги по низкоскоростным каналам связи, которых в России подавляющее большинство. Предполагается, что к 2010 году в России сформируется активный рынок услуг IPTV.

Таблица 7.4

Компания	Технология	Начало коммерческой эксплуатации, год	Примечание
Компания	Технология		Примечание
	SkyStar360E, SkyEdge		SkyEdge применяется с IV кв. 2005 г. ЦУС в Москве
			В коммерческом режиме с 2004г. в ЦУС в Москве.

			Торговая марка Spin. ЦУС в Москве
Современный гуманитарный университет			Функции дистанционного образования. ЦУС в Москве
Томский государственный университет			Функции дистанционного образования. ЦУС в Томске
ВебМедиа Сервисез			EMS применяется с 2006 г. ЦУС в Москве
Сеть –Телеком	DirecWay 6000/7000		Торговая марка Altegro Sky. ЦУС в Москве
Сахателеком			ЦУС в Якутске
Морсвязьспутник			ЦУС в Московской области
Дозор-телепорт			ЦУС в Москве
Сибинтек			ЦУС в Москве
Амтел-Связь			ЦУС в Барнауле
Глобалтел	SkyEdge, DirecWay 6000		ЦУС в Хабаровске, Новосибирске, Москве
			ЦУС в Москве

Традиционные интерактивные сети спутниковой связи VSAT с прямой ретрансляцией сигналов большинства современных операторов имеют, как правило, топологию «звезда». Мультиплексирование сигналов и формирование информационных потоков происходит на центральной земной станции (ЦЗС, или HUB). Доставка информационных потоков провайдеров услуг на центральную станцию требует наличия наземных каналов передачи информации. Данное обстоятельство приводит к значительному увеличению затрат на организацию наземных линий связи при значительном удалении провайдера услуг. Даже если имеется возможность организации сети с топологией «каждый с каждым» (mesh) с использованием «прозрачного ретранслятора в один «скачок», это требует существенных энергетических затрат на спутнике или значительного увеличения размеров антенн и мощности передатчиков абонентских станций. Следовательно, повышается себестоимость таких каналов по сравнению с каналами в строго централизованной сети с топологией «звезда».

Связь в два «скачка» используется очень редко, как из-за удвоения задержки, так и из-за двойного использования ресурса и удорожания канала.

Возникающая за счет двойного «скачка» задержка сигнала вызывает проблемы в организации телефонной и видеоконференцсвязи. В рамках большинства интерактивных VSAT–сетей на базе «прозрачных» ретрансляторов с центральной станцией проблема создания mesh – сетей вообще неразрешима, поскольку такую структуру традиционная центральная станция не поддерживает.

Если же центральную станцию со всеми ее функциями модуляции/демодуляции, кодирования/декодирования, мультиплексирования и коммутации разместить на борту спутника, то можно получить новое качество предоставляемых услуг. Такая центральная станция в космосе обеспечит мультимедийные услуги теле- и радиовещания, передачи данных, телефонии, доступа в Интернет, видеоконференцсвязи в едином цифровом потоке на линии «вниз» в пределах всей зоны обслуживания спутника. При этом возникают существенные преимущества по сравнению с традиционными сетями:

Организация связи непосредственно между пользователями в один «скачок» по принципу «каждый с каждым» или «каждый со всеми»;

Полная регенерация (подавление помех) сигнала на борту спутника;

Исключение несанкционированного доступа к ретранслятору спутника (ресурс выделяется только после процедуры идентификации пользователей сети);

Исключение необходимости строительства наземных линий связи с центральной станцией мультиплексирования (провайдеры услуг могут непосредственно работать через ретранслятор спутника), что наиболее актуально для региональных операторов, которые не имеют собственных центральных земных станций.

Приборы обработки сигналов на борту спутника связи получили название бортовых цифровых платформ (БЦП).

Таким образом, развитие сети спутниковой связи базируется не только на расширении спутниковой группировки, но и совершенствования методов обработки сигнала не только на центральных наземных станциях, но и непосредственно на космических аппаратах. При комплексном решении указанных проблем спутниковая как фиксированная, так и мобильная спутниковая мультисервисная связь может занять существенную долю рынка инфотелекоммуникационных услуг.