Сети спутниковой связи: оборудование, технологии, топологии

Спутниковые сети связи представляют собой линии, узлы связи, терминальные устройства, объединенные в систему, функционирование которой происходит под единым управлением с использованием орбитальных спутников.

Оборудование, задействованное спутниковыми сетями, включает два основных сегмента.

Состоит из группы спутников, включающей несколько ретрансляторов, которые равномерно распределены по орбите.

Космические аппараты представлены:

● Радиоэлектронным оборудованием, находящемся на борту комплекса, отвечающего за радиотрансляции;

● Главным процессором;

● Системами стабилизации, ориентации;

● Спутниковыми антеннами;

● Двигательными установками;

● Солнечными батареями, аккумуляторами, объединенными в систему электропитания.

Количество размещенных на орбите спутников зависит от протяженности обслуживаемой территории, которую необходимо полностью охватить, и определяется отношением периода обращения спутника вокруг Земли к временному промежутку нахождения его в зоне видимости.

Представлен сетью абонентских спутниковых станций (подвижных или стационарных), устанавливаемых пользователями, а также включает:

● Управляющий системой центр

Производит слежение за космическими аппаратами, рассчитывает их координаты, сверяет и корректирует время, осуществляет диагностику находящейся на борту аппаратуры. Центр также контролирует состояние каждого аппарата, отвечает за контроль его ввода на орбиту и вывода из состава группы спутников.

● Центр запуска космических аппаратов

Определяет программу запуска, производит сборку ракеты-носителя, осуществляет ее проверку перед стартом. После запуска производит измерения траектории полета с последующей ее корректировкой и передачей к центру управления.

● Станцию управления связью

Планирует применение спутникового ресурса. При возникновении аварийной ситуации центр включается в режим связи, имеющий повышенную нагрузку.

● Шлюзовые станции

Посредством данного сегмента осуществляется контроль связи через управляющий центр.

● Наземное спутниковое оборудование

Представлено антеннами, терминалами, каналообразующей аппаратурой, коммутаторами, модемами, кодерами/декодерами, маршрутизаторами, делителями/сумматорами мощности, элементами волноводного тракта.

Частотные диапазоны, выделенные Регламентом радиосвязи для спутниковых сетей, включают три района:

● Африка, Россия, Монголия, Европа, страны СНГ — 1 район;

● Северная, Южная Америка — 2 район;

● Южная Азия, островные государства Тихоокеанского региона, Юго‑Восточная Азия, Австралия — 3 район.

Согласно регламенту для спутниковых систем связи определены следующие частотные диапазоны:

Применяется для фиксированной спутниковой связи, работает с частотой 4−6 ГГц. Создает высокую мощность передачи для широких географических зон, однако требует множества дополнительной наземной аппаратуры.

Также используется в фиксированной спутниковой связи, функционирует на частотах 11‑14 ГГц. Применяется для меньших географических областей, чем диапазон С, без необходимости использования большого количества дополнительного оборудования, сохраняя при этом высокую мощность передачи.

Работа в данном диапазоне ведется с частотой 1.5 ГГц. Используется для подвижной спутниковой связи на судах, в авиационной отрасли с применением различных видов наземного оборудования.

Частоты диапазона варьируются от 26.5 до 40 ГГц. Используется в спутниковой связи, дорожных радарах ДПС, радиолокационных системах. Включает три поддиапазона, которые определяют разделение видов Ku‑конвертеров.

Частотный диапазон 2−4 ГГц, используемый для цифрового радио, спутниковых систем связи, РЛС, мобильных телекоммуникаций, поддержки космических аппаратов. Разделен на несколько поддиапазонов, частоты которых отличаются в зависимости от региона, где осуществляется вещание.

Полоса частот данного диапазона составляет 8−12 ГГц. Одна его половина отводится фиксированной правительственной, а также военной спутниковой связи, другая — дальней космической связи. Широко используется системами радиолокации.

Соответствует частотному диапазону 18−26.5 ГГц. Используется в спутниковой, военной связи, радиолокационных системах. Для радиосвязи применение диапазона ограничено из-за поглощения радиоволн водяным атмосферным паром.

В зависимости от распределения трафика между пользователями сети связи различаются по конфигурации трафика, а также структуре управления.

С учетом конфигурации трафика спутниковые сети связи функционируют в нескольких режимах.

Точка-точка

Обеспечивает дуплексную прямую связь по выделенным каналам между двумя удаленными друг от друга абонентскими станциями, не требуя системы управления. Подобная схема эффективно используется при большой загруженности каналов (30−40%). Основные преимущества — легкость организации каналов связи, а также прозрачность для обменных протоколов разных типов.

Звезда

Чаще всего применяется для построения спутниковых систем VSAT. Обеспечивает радиальный многонаправленный трафик между удаленными терминалами и центральной земной станцией. Функции контроля, управления подобной архитектуры замыкаются на центральной управляющей станции. Главный недостаток схемы — двойной скачок связи, возникающий при взаимодействии между сетевыми терминалами, что вызывает задержки сигнала.

Каждый-с-каждым

Благодаря этой схеме обеспечиваются прямые соединения между различными абонентскими станциями. При этом число требуемых дуплексных каналов радиосвязи равно N x (N — 1), где N — число присутствующих в сети абонентских станций. Подобная схема используется для телефонных сетей, формируемых в удаленных или труднодоступных районах, а также для сетей, которые располагают относительно небольшим количеством удаленных терминалов.

Сети связи обладают следующими топологиями по типам управления:

Топология с централизованным управлением

Представлена ЦУС — центром управления сетью. Обеспечивает контроль, требуемый для создания соединения между сетевыми абонентами, но не принимает участия в передаче трафика.

Топология с децентрализованным управлением

Характеризуется отсутствием управления через ЦУС. При этом элементы управляющей системы входят в состав каждой VSAT станции. Схема управления эффективна при создании малых сетей связи (до 30 терминалов), отличающихся высокой степенью трафика между пользователями.

Комбинированный тип управления

Объединяет два вышеперечисленных типа управления.

Существует несколько широко используемых видов спутниковых технологий.

Малая спутниковая наземная станция связи, представленная терминалом имеющим небольшую антенну.

VSAT представлен тарелками, диаметр которых не превышает 2.5 м (морской VSAT — до 3.8 м). Размеры спутниковых антенн подобного типа для диапазона С составляют 1.8−2.4 м, диапазон Ku совместим с устройствами 0.9−1.8 м, Ka — 1−1.2 м.

Подобная система состоит из:

● Антенны, представленной однозеркальной параболической офсетной тарелкой;

● Оборудования для приема и передачи, установленного в точке фокусировки облучателя;

● Преобразующего информацию компактного спутникового модема;

● Двух объединенных радиочастотных кабелей сопротивлением 75 Ом.

Принцип действия основан на согласованной работе центральной станции, спутника-ретранслятора и пользовательского терминала. Станция управляет работой системы, взаимодействует с наземными линиями, выявляет неисправности. Абонентский терминал связывает аппаратуру пользователя со спутниковым каналом, а ретранслятор принимает, усиливает, преобразует сигнал с последующей обратной трансляцией.

Спутниковая VSAT-связь широко используется для создания автономного интернет-соединения, IP-телефонии, проведения видеоконференций, в сфере защиты данных, видеонаблюдения, судоходства, авиации.

Классическая спутниковая технология, функционирующая по принципу выделения на спутнике двух полос частот для связи двух земных станций. Одна частота используется для передачи от станции, А к В, другая — в обратном направлении.

Такой канал дает возможность абонентам в любой момент устанавливать связь друг с другом, а также с высокой скоростью и помехозащищенностью передавать большие объемы информации. SCPC позволяет через спутник подключить удаленную базовую станцию мобильной связи, обеспечить канальный Интернет-доступ, создавать спутниковую сеть радиовещания.

Заключается в использовании нескольких каналов на одной несущей частоте с разделением информационных потоков по времени. Базовая станция при таком подходе транслирует весь поток, а абонентские выделяют из него предназначенную для них информацию по меткам принадлежности трафика, что обеспечивает эффективное использование ресурса частот по направлению от центральной станции к базовым. С целью организации встречного направления требуется резервирование отдельной полосы частот.

Обеспечивает обмен цифровой и электронной информацией внутри сетей с полным доступом (тип «каждый-с-каждым»). Простейшая конфигурация подразумевает связь по одному факсимильному или телефонном каналу с дополнительной возможностью организации передачи данных между двумя входящими в сеть станциями. Сеть TES способна предоставлять каналы связи по требованию, что позволяет уменьшить количество арендуемых каналов и обеспечить адекватную ценовую политику для пользователей.

Система персональных земных станций, предназначенная спутниковой пакетно-коммутируемой диалоговой сетью, которая используется для обмена телефонной, цифровой информацией. PES отличается дорогой и крупной центральной станцией, обладающей большой мощностью, высоким качеством приема. Благодаря этому HUB обеспечивает использование антенн малого диаметра (0.5−1.8 м), а также передатчиков с невысокой мощностью (0.5−2 Вт), что снижает стоимость абонентской земной станции.

Конфигурация спутниковой сети связи, основанная на применении ретрансляторов, включает:

● Один или несколько образующих космический сегмент ретрансляторов;

● Объединение земных спутниковых станций, оснащенных приемопередающим оборудованием;

● Одну или несколько центральных станций, управляющих процессами функционирования сети;

● Командно-измерительную станцию, отвечающую за работу систем ретранслятора и коррекцию его орбитальных передвижений.

Земные станции (ЗС) осуществляют обмен информацией по отдельным линиям связи через ретранслятор, который принимает, сигналы, преобразует их в необходимые частоты, усиливает и направляет обратно к земле.

Данный тип построения подразумевает передачу информации одной станцией, а прием данных — несколькими, которые работают только на прием (односторонняя связь). В циркулярной сети обязательно присутствует координирующая работу центральная станция, а также дуплексная система служебной связи, существующая для передачи команд.

Малоканальные сети представляют собой сети с ограниченной емкостью независимых сетевых подстволов. Подобная система состоит из односторонних непостоянных заранее спаренных линий, находящихся под контролем центра управления.

Организация канала связи происходит по требованию. При появлении последнего на земной станции, она по служебной линии посылает запрос к центру управления, который, обладая системой памяти, ищет среди данных информацию о свободной линии и аппаратуре. Если возможность организации связи существует, ЦУ по служебным линиям дает команду для запуска оборудования на соответствующей линии связи. При отсутствии свободных линий к земной станции уходит сигнал отказа. После окончания связи по организованной линии подается команда отбоя, а информация об освобождении канала записывается в память ЦУ с возможностью дальнейшего предоставления линии другим пользователям.