Глава 1. Определение общих характеристик систем спутниковой связи
Общие характеристики сетей VSAT
Корпоративные VSAT-сети
«Для многих крупных и менее мелких предприятий с филиалами во всем мире электронный документооборот стал определяющим условием бизнеса. Как показывает мировой опыт, их требованиям в большущей степени отвечают телекоммуникационные услуги глобальных корпоративных сетей связи. Современные мировые корпоративные сети чаще всего опираются на технологии VSAT, т.е. на использовании малогабаритных спутниковых терминалов и антенн диаметром от 0.8 до 2.4 м.»
Этот вид модуляций широко распространен во многих государствах, но особенно актуальны они в России, где наземная инфраструктура связи еще не развита на существенной части ее территории. Оптимальным решением для труднодоступных районов считается совмещение магистральных каналов наземной связи и выделенных сетей спутниковой связи (ССС). При этом наиболее беспроигрышными ССС становятся там, где развертывание наземных сетей экономически неразумно или просто невозможно.
Выделенные сети на базе VSAT-терминалов способны предоставить своим удаленным пользователям широкий спектр услуг, включая высококачественную телефонную и факсимильную связь, передачу данных с различной скоростью, организацию видеоконференций и распределение телепрограмм . (Рисунок 1.1)
Рисунок 1.1 - Спектр услуг выделенных сетей на базе VSAT-терминалов
Типы сетей VSAT
Организация сетей VSAT
«VSAT – это небольшая станция спутниковой связи с антенной диаметром 0.8 – 3.7 м, предназначенная, главным образом, для надежного обмена данными по спутниковым каналам. Она не требует обслуживания и подключается напрямую к терминальному оборудованию пользователя, выполняя роль беспроводного модема».
На рисунке 1.2 изображён терминал VSAT.
Рисунок 1.2 - Терминал VSAT
Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы.
«Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети».
На рисунке 1.3 изображена Центральная земная станция
Рисунок 1.3 - Центральная земная станция
«Приемо-передающая аппаратура и антенно-фидерное устройство обычно строится на базе стандартного оборудования, имеющегося на рынке. Стоимость определяется размерами антенны и мощностью передатчика, которые существенно зависят от технических характеристик используемого спутника-ретранслятора. Для обеспечения надежности связи аппаратура обычно имеет 100% резервирование. Цена колеблется от 100 тыс. долл. для т.н. компактной простой ЦЗС без резервирования с антенной диаметром около 4.5 м и передатчиком 20 - 50 Вт до 0.5 – 1.5 млн. долл. для мощной системы с полным резервированием всех систем и антенной диаметром 9 м.
Центр управления сетью обеспечивает контроль за работой сети, выявление неисправностей, перераспределение ее ресурсов между абонентами, тарификацию предоставляемых услуг и т.п. Стоимость подсистемы определяется объемом используемого программного обеспечения и колеблется от 100 до 500 тыс. долл».
Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем).
Внешний блок представляет собой небольшой приемо-передатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.). Стоимость модемного блока для стандартной станции класса VSAT составляет около 8 тыс. долл. (в зависимости от комплектации), а внешнего - около 2 тыс. долл. при мощности передатчика 2 Вт. Цены на абонентские станции постоянно снижаются и сейчас простые приемные терминалы можно приобрести за 2-4 тыс. долларов.
«Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем».
Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. Мощность передатчиков колеблется от 20 до 100 и более ватт. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Действующие российские спутники имеют передатчики меньшей мощности, поэтому большое количество российских сетей строятся на базе зарубежных спутников.
Выбор и обоснование схемы построения системы спутниковой связи
Так как проектируемая сеть состоит из небольшого числа земных станций с гарантированной пропускной способностью (по заданию из 10 ЗС со скоростью передачи цифрового сигнала 512 кбит/с), при этом по сети будет передаваться разнородная информация, то целесообразней использовать полнофункциональную технологию VSAT. А многостанционный доступ для простоты и соответственно удешевления АЗС лучше всего организовать на основе метода частотного разделения (МДЧР) в режиме закрепленных каналов (протокол FАМА).
Проектируемая корпоративная сеть ориентирована на объединение филиалов крупной компании, осуществляющих деятельность на территории одного из административно-территориального образования (край, автономный округ) РФ. Пользователи в отдаленных офисах, подключенных к этой сети, должны иметь возможность осуществлять повседневную деловую связь: подключение персональных компьютеров к электронной почте, Интернет, высокоскоростную передачу данных и факсимильных сообщений, а также телефонные вызовы и видеоконференции. Поэтому сеть с централизованным контролем терминалами, не имеющих взаимного трафика, удобно строить по топологии «звезда»: абонентские станции VSAT разместить непосредственно в филиалах, а ЦЗС – вблизи центрального офиса компании. При этом ЦЗС сопрягается с любыми наземными магистральными линиями связи и имеет возможность коммутации информационных потоков, благодаря чему поддерживается информационное взаимодействие пользователей сети с абонентами внешних сетей (интернет, сотовые сети, ТФоП и т.д). Предложенная региональная сеть спутниковой связи легко может быть расширена путем подключения дополнительных АЗС к центральному узлу. «В сетях типа «звезда» различают прямые (от ЦЗС к АЗС) и обратные (от АЗС к ЦЗС) спутниковые каналы, которые образуются на основе МДЧР в выделенной для данной сети VSAT полосе частот СР».
В прямом канале необходимо уплотнять сигналы от ЦЗС для разных АЗС. Поскольку в этом случае энергоресурсы передающей стороны сконцентрированы в одном месте, то оптимальным решением, обеспечивающим полное использование мощности передатчиков ЦЗС и СР, является использование временного уплотнения. Тем самым организуется канал на отдельной несущей с временным разделением (МДЧР с ВР) и пакетированием передаваемой информации. «Скорость передачи информации в нем определяется общим объемом радиального трафика от ЦЗС сети к группе обслуживаемых АЗС».
ЦЗС передает информацию в прямом канале в виде непрерывного сигнала с регулярной кадровой структурой.
Глава 2. Расчет основных энергетических параметров
2.1 Выбор ИСЗ и расчет зоны обслуживания
Для создания системы связи будем использовать геостационарный ИСЗ. Основными достоинствами такого ИСЗ являются:
- непрерывная, круглосуточная связь, без переходов с одного (заходящего)
- на антеннах ЗС можно упростить или исключить системы автоматического сопровождения ИСЗ;
- более стабильно ослабление сигнала на трассе между земной и космической станцией;
Точка стояния ИСЗ на ГО выбирается примерно в середине (по долготе) зоны обслуживания, что обеспечивает максимальное значение углов места для ЗС системы. Территория Дальневосточного региона расположена между 120° в.д. и 180° в.д., поэтому в качестве ИСЗ будем использовать спутник типа «Экспресс – АМ5», находящийся в позиции 140° в.д. Основные параметры спутника представлены в Таблице 2.1 и в Таблице 2.2.
Таблица 2.1 - Технические характеристики спутника
"Экспресс – АМ5"
Позиция на ГО 140° в.д.
Дата запуска 26.12.2013
Производитель ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева»/MDA
Назначение Фиксированные спутниковые службы (FSS)
Стабилизация трехосная
Точность удержания на орбите ±0.05 (в направлениях север-юг/запад-восток)
Срок службы 15 лет
Масса спутника на орбите 3400 кг
Мощность источников питания 14200 Вт
Запуск с космодрома "Байконур" РН "Протон-М" с РБ «Бриз-М»
Платформа Экспресс - 2000
Продолжение Таблицы 2.1 - Технические характеристики спутника
Полное обеспечение питания всех транспондеров при прохождении теневых участков
Телерадиовещание, передача данных, услуги мультимедиа, телефония, видеоконференцсвязь. Сбор телеметрических данных и контроль осуществляются эксплуатационным центром КС "Владимир", РФ. Мониторинг осуществляется КС "Владимир", РФ ("Экспресс-АМ5") и КС "Дубна", РФ, КС "Хабаровск"
Полезная нагрузка спутника
Параметры Диапазон "Кu"
Количество транспондеров 16 х 54 МГц
Рабочая частота 14000-14500/10950 – 11700 МГц
Поляризация линейная: (горизонтальная/ вертиальная)
Размеры лучей бортовых передающих антенн Фиксированный 17° X 17°, перенацеливаемый 4° X 4°
Усилители ЛБВ 35 Вт
Резервирование ЛБВ 6:5
Резервирование приемника ретранслятора 2: 1
Минимальное значения ЭИИМ в зоне 49 дБВт
Минимальное значение добротности (G/Т) в зоне 3.5 дБ/К
Плотность потока мощности насыщения -95,5 ±6
На рисунке 2.1 изображена схема подключения антенн
Рисунок 2.1 - Схема подключения транспондеров к бортовым антеннам спутника «Экспресс –АМ5»
Таблица 2.2 - Технические характеристики спутника
Номер ствола Центральная частота на линии «Земля-Космос», МГц Центральная частота на линии «Космос-Земля», МГц Выходная мощность ствола, Вт Полоса пропускания ствола, МГц Поляризация на линии «Земля-Космос» Поляризация линии «Космос-Земля»
B1 F 14281,25 10981,25 200 54 Y X
B2 F 14281,25 10981,25 200 54 X Y
B3 F 14343,75 11043,75 200 54 Y X
B4 F 14343,75 11043,75 200 54 X Y
B5 F 14406,25 11106,25 200 54 Y X
B6 F 14406,25 11106,25 200 54 X Y
B7 F 14468,75 11168,75 200 54 Y X
B8 F 14468,75 11168,75 200 54 X Y
D2 F/S 14031,25 11481,25 200 54 X Y
Продолжение таблицы 2.2 - Технические характеристики спутника
D4 F/S 14093,75 11543,75 200 54 X Y
D6 F/S 14156,25 11606,25 200 54 X Y
D8 F/S 14218,75 11668,75 200 54 X Y
Маяк G - 11199,5 - - - R
Стволы B1, B3, B5, B7 могут работать либо в конфигурации B1, B3, B5, B7, либо в конфигурации D1, D3, D5, D7.
На рисунке 2.2 представлен частотный план транспондеров спутника «Экспресс – АМ5»
Рисунок 2.2 - Частотно-поляризационный план транспондеров спутника «Экспресс – АМ5»
На рисунке 2.3 представлен космический аппарат Экспресс-AМ5.
Рисунок 2.3 - Космический аппарат Экспресс-AМ5 (140° в.д.), зона обслуживания, Ku- диапазон
«Для описания спутниковой системы связи часто используется сферическая система координат с началом в точке размещения спутника, которая показана на рис. 2.4. В этой системе координат положение любой точки на поверхности Земли полностью определяется значением двух углов: углом ?1 – в плоскости экватора и углом ?2 – в плоскости перпендикулярной к плоскости экватора. Положение ЗС определяется ее долготой ?ЗС и широтой ?ЗС, а положение подспутниковой точки долготой ?р и широтой ?р».
На рисунке 2.4 изображено положение ИСЗ, расположенного на геостационарной орбите ?р = 0.
Рисунок 2.4 - Земля в сферической системе координат
Долгота подспутниковой точки ?Р= 140?в.д. Основные расчеты, которые используются в сферической системе координат:
Относительная долгота подспутниковой точки (??):
(2.1)
Также углы y1 и y2
y1=arcsin((R•cos?•sin??)/l) (2.2)
y2=arcsin((R•sin?)/l) (2.3) ,
Где R – радиус Земли (R = 6370 км)
l– дл?ина ли?нии SB,ри?сунок 2.4:
l=v(r^2+R^2•cos^2 ?-2•R•r•cos?•cos?? ) (2.4)
r – длина SO (рис. 2.1) или радиус геостационарной орбиты:
(2.5)
Н – высота геостационной орбиты (Н = 35794 км)
Протженность (наклонная дальность) линии связи (L):
(2.6)
Для ЗС необходимо найти азимут и угол места.
Угол места устанавливается между направлениями горизонта и на ИСЗ.
Угол места (?) считается по формуле:
(2.7)
где ? – будующий в центре угол (между радиусом ОА и ОР) на рис. 2.1:
(2.8)
Азимут лепестков для ЗС, находящихся в северном полушарии:
(2.9) ,
значит , что ЗС расположена западнее подспутниковой точки (Р)
означает, усилиние что ЗС расположена западнее падспутниковой точки (Р).
Произведем скорейший отсчет для ЗС города Хабаровск, где ее координаты – ?ЗС = 135?в.д., ?ЗС = 48?с.ш., по приведенным формулам:
(значит расчетная ЗС расположена западнее точек ПП)
Сделаем должный также аналогичный расчета для некоторых ЗС, расположенных рядом с границей обслуживания, учитывая, что их местоположение избирается в уровнях зон обслуживания выше нужного. Результаты расчетов представлены в таблице 2.3.
Магадан (151 в.д./60 с.ш.) 11 39040 0.89 8.04 36070 60.61 21.36 192.65
Анадырь (177 в.д./65 с.ш.) 37 40050 2.32 8.2 38250 70.27 11.27 219.74
Биробиджан (133 в.д./49 с.ш.) -7 38020 -0.77 7.2 33710 49.37 33.44 170.76
Владивосток(132 в.д./43 с.ш.) -8 37560 -0.98 6.59 32590 43.59 39.79 168.36
Якутск (130 в.д./62 с.ш.) -10 39220 -0.76 8.16 36480 62.46 19.41 168.71
Южно-Сахалинск (143 в.д./47 с.ш.) 3 37830 0.34 7.02 3250 47.07 35.95 184.01
Благовещенск
(127 в.д./50 с.ш.) -13 38190 -1.38 7.28 34090 1.22 1.43 163.23
Таблица 2.3 - Результаты уровней геометрических рабочих параметров ЗС спутниковой системы связи.
Расположение ЗС ??
град l
м 1
рад 2
рад d км ?
град ?
град A
град
Хабаровск (135в.д./ 48 с.ш.) -5 39270 -0.56 7.1 33470 48.19 34.72 137.29
Петропавловск-Камчатский (159 в.д./53 с.ш.) 19 38560 1.86 7.5 34950 55.13 27 203.32
Палана (160 в.д./59 с.ш.) 20 39100 1.65 7.95 36180 61.05 20.89 203
После полученных результатов можем отпределить как худшую земную станцию (ХЗС),а также лучшую земную станцию (ЛЗС) и вместим туда центральную земную станцию (ЦЗС) в самом здоровом городе и ближайшей образом к зоне прицеливания.
Для ЛЗС: ?=max, d=min.
Для ХЗС: ?= min, d=max.
Анализируя полученные результаты, сделаем вывод, что ХЗС является Анадырь, а ЛЗС Владивосток, также за ЦЗС возьмем город Хабаровск. Поэтому расчеты в будущем у нас будут проводиться для таких участков как Хабаровск – Анадырь. Между этими участками образуются два канала: Хабаровск – ИЗС – Анадырь – это и сеть «исходящий» канал, Анадырь – ИЗС – Хабаровск – будет «входящий» протокол .
2.2 Расчет требуемой полосы частот и отношения несущая/шум
Идет полное изменение скорости передачи цифрового сигнала на передающем кончике ЗС, в соответствии с рис.2.5, где:
– скорость потока с ПЗС,
– скорость передачи с ЦЗС,
где N – счет волн в ПЗС для проектируемой ССС N равно 9
– скорость терминальной передачи цифрового сигнала (ЦС)
– при ЦС?1544
– скорость входного потока (2.10)
- в цифровых потоках скорость на выходе помехоустойчивого кодера (2.11)
– скорость луча
Результирующая на прием скорость точки в радиоканале с модуляцией 4ФМ будет:
(2.12)
где М = 4 – число уровней модуляции фазы (4ФМ)
Ширина спектра «несущей»:
(2.13)
где ? = 0.35 - коэф-т cкругления сигнала в спектре,
На рисунке 2.5 видно преобразование возможной скорости цифрового потока.
Рисунок 2.5 - скорость измененная в потоке:
а) на передаче; б) на приеме.
Полоса частот, требующаяся для передачи одной несущей С учетом запасов на расфильтровку сигналов в приемнике, составляет:
кГц (2.14)
кГц
кГц
Количество несущих в одном стволе для Хабаровска:
(2.15)
Пствола – полоса пропускания
Пствола = 54 МГц.
Согласно расчетам сигнала в стволе спутника нужа аренда 9805.65 МГц. Следовательно нам понадобится один ствол. Возьмем ствол D2 спутника «Экспресс – АМ5». Изобразим частотный план ствола при заданной полосе частот 54 МГц, в котором будет размещена одна несущая с полосой и 9 несущих с полосой м, согласно расчетам, приведенным выше и при ширине этих несущих (с учетом на расфильтровку) (Рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 - Частотный план ствола спутника.
Отношение несущая/шум для Хабаровска, необходимое для обеспечения заданной достоверности, рассчитывается ниже:
дБГц (2.16)
– определяется из таблицы 2.4 в зависимости от требуемого коэффициента ошибок Кош ЦС на выходе декодера ,а также кодовой скорости. Данные приведены для декодирования по алгоритму Витерби с учетом погрешности аппаратуры.
Таблица 2.4 - Допустимое отношение энергии несущей к спектральной плотности мощности шума
Коэффициент ошибок Кош
[ Еб/No ]доп , дБ
R=l/2
R=3/4
R=7/8
10 -3
4,1
5,2
6,2
10 -6
6,0
7,5
8,6
10 -7
6,6
8,2
9,3
10-8
7,1
8,7
10,2
При скорости R = 3/4 и Кош = 10-7: ?Еб/N0?доп = 7.5 дБ – для «ясного неба» и Кош = 10-3: ?Еб/N0?доп = 5.2 дБ – для «дождя»
дБГц
дБГц
дБГц
дБГц
Отношение несущая/шум (мощность несущей к мощности шума) в Пш:
дБ (2.17)
дБ
дБ
дБ
дБ
2.3 Определение ослабления энергии сигналов на участках «вверх» и «вниз»
На спутниковой связи радиоволны поступают в космическую среду и атмосферу Земли, включая тропосферу и ионосферу. Космическая среда практически не оказывает влияния на радиоволны. А вот атмосфера Земли вызывает всякого рода потери энергии в сигнале.
Влияние атмосферы проявляется в виде действия следующих факторов:
-поглощения радиоволн в тропосфере и ионосфере;
-искривления трассы радиолуча в результате рефракции;
-изменение форм в плоскостях поляризации радиоволн;
-тепловые излучения атмосферы и шумы поглощения.
Каждый из этих факторов должен учитываться с точностью от 0,1 до 0,2 дБ, принятой при современных энергетических расчетах.
Расчёты выполняют исходя из обеспечений коэффициента ошибок КОШ= 10-7 в течение более чем десять процентов времени любого периода года и соблюдения ограничений на значимую величину ППМ, создаваемую КС рядом с поверхностью Земли.
Расчитываем общее ослабление энергии на каждом участке для радиоволн [4, стр. 24]:
, дБ (2.18)
Далее идет подсчет для зоны "вверх", т.е. Хабаровск (Анадырь) – КС и"вниз", и наоборот, КС – Анадырь (Хабаровск).
где:
- ослабление в свободном пространстве (дБ)
d = 40050000 м - для г. Анадырь дальность наклона
d = 39270000 м - наклонная дальность для г. Хабаровск
Также имеем вид, что на линии "вверх" используется частота 14 ГГц; а "вниз" - 11 ГГц.
Более точный расчет ослабления:
– доп. потери энергии в реальных условиях (дБ) (2.19)
– потери поглощения радиоволн в атмосфере (без дождя);
– ослабление в дожде (при ясном небе );
– потери из-за некорректности наведения;
– потери поляризации возникающие из-за несовпадений плоскостей поляризации сигнала и антенны.
Затухание, состоящее в атмосфере без осадков, определяется поглощением в тропосфере и имеет выраженный частотно-зависимый характер с резонансными пиками на 22 и 165 ГГц (для испарения) и 60 и 120 ГГц (для кислорода). Дина пути радиосигнала в атмосфере зависит как от эквивалентной толщины атмосферы, так и от угла места антенны ЗС и высоты этой же ЗС над уровнем моря.
Потери энергии радиосигнала в атмосфере без осадков не зависят от времени и определяются по графикам (рисунок 2.7) в зависимости от частоты радиосигнала и угла места антенны ЗС.
