МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Алматинский институт энергетики и связи
А.З.Айтмагамбетов
СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Учебное пособие
Алматы 2006
УДК 621.396
ББК 32.884.1я73
С40
Системы подвижной
спутниковой связи:
Учебное пособие /
А.З.Айтмагамбетов;
АИЭС. Алматы, 2006.
- 106
с.
Учебное пособие посвящено
современным системам подвижной спутниковой связи. Рассмотрены системы персональной спутниковой связи с
космическими аппаратами на низких и геостационарной орбитах, системы мобильной
связи 3-го поколения.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям направления 380000 – Радиоэлектроника и телекоммуникации, 050719-Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Табл. 27, Ил.24, Библиогр. - 9 назв.
РЕЦЕНЗЕНТЫ: доктор техн.наук, проф. У.А.Тукеев,
канд.
техн. наук, Ю.А.Бутузов.
Печатается по плану
издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2006г.
С 2303040501
---------------
00(05)-06
ISBN 9965-708-58-4
Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.
Введение
В решении проблемы глобализации телекоммуникаций системы подвижной спутниковой связи играют важную роль, т.к.
позволяют охватить труднодоступные, удаленные и малонаселенные районы.
Персонализация телекоммуникаций означает их максимальное приближение к конечному
пользователю. При этом подразумевается, что абонентская аппаратура может быть
размещена непосредственно в помещении пользователя, а услуги предоставлены
независимо от местонахождения пользователя (дома, на совещании, в автомобиле).
Существенно расширяется спектр предоставляемых услуг, а также их география,
позволяющая охватить более широкую категорию пользователей, включая удаленных
абонентов. Наряду с традиционными узкополосными видами телекоммуникационных
услуг, такими как радиотелефон, передача данных, телекс, в перспективных
системах персональной спутниковой связи предполагается реализовать передачу
видеоданных, мультимедийной информации и интерактивных телевизионных программ.
Коренные преобразования в области спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены, главным образом, тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низкоорбитальных и средневысотных космических аппаратов (КА) для связи с подвижными объектами, повсеместным переходом на цифровую связь с использованием современных компьютерных технологий.
В настоящее время все большее внимание
уделяется вопросам предоставления услуг персональной связи населению, решению
научных задач, телемедицины, промышленного и экологического мониторинга. Новый
качественный скачок в развитии персональной спутниковой связи произошел после
появления первых проектов спутниковых систем, основанных на использовании КА на негеостационарных орбитах (низких
круговых и средневысотных). Орбиты низкоорбитальных спутников проходят
достаточно близко к поверхности Земли,
что позволяет обходиться дешевыми малогабаритными терминалами и небольшими
антеннами. Переход на низкие и средние орбиты позволяет не только решить
проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширить
сферу телекоммуникационных услуг, обеспечив пользователей глобальной персональной
связью с помощью терминала типа телефонной трубки. Низкоорбитальные системы
связи имеют ряд особенностей структуры и принципов функционирования. Основные
из них следующие:
- возможность
регионального или глобального покрытия обслуживаемой территории своими зонами
радиовидимости (ЗРВ) за счет создания многоспутниковой орбитальной группировки;
-поддержание на обслуживаемой территории заданной связности системы;
- обеспечение ретрансляции сообщений между удаленными пользователями с помощью межспутниковых линий связи, наземных станций сопряжения (станций-шлюзов) или работы в режиме электронной почты.
Начавшийся процесс повсеместного внедрения персональной
компьютерной техники, а также необычайно быстрый рост услуг сети Internet, повлиял на тенденции развития спутниковой
связи. Все системы персональной спутниковой связи построены на цифровых принципах,
что позволяет передавать по их каналам различные виды информации: речь, факс,
телекс, данные и др. С появлением персонального компьютера возникла острая
необходимость в обмене высокоскоростными потоками информации и мультимедиа.
1 Роль и место систем подвижной спутниковой связи
Анализ развития мирового рынка услуг в течение последних
лет показывает, что существует спрос не просто на мобильную спутниковую связь, а
именно на персональную связь. В настоящее время еще не разработаны
международные регламентирующие документы, определяющие статус и место
персональной спутниковой связи в общей телекоммуникационной инфраструктуре.
В соответствии с Регламентом радиосвязи в зависимости от
назначения спутниковых систем связи (ССС) и типа используемых земных
станций (ЗС) различаются три основные службы спутниковой связи: ФСС -
фиксированная спутниковая служба, ПСС - подвижная спутниковая служба и РСС
-радиовещательная спутниковая служба. В силу ряда причин как технического
плана, так и исторически сложившегося характера, такое деление
сохраняется и по сей день, хотя и не полностью отражает динамику развития
современных средств спутниковой связи. Ниже приведен краткий анализ их
тенденций развития в свете идей глобализации и персонализации телекоммуникаций.
Фиксированная спутниковая служба предназначена для
организации связи между стационарными пользователями. В первые годы системы ФСС
использовались исключительно для организации магистральных линий связи большой
протяженности и зоновой связи. В настоящее время более широкое
распространение получили сети персональной спутниковой связи на основе
терминалов типа VSAT. Эти станции
портативны и относительно дешевы, размещаются они непосредственно в
помещении пользователя и не требуют наземных соединительных линий. Терминалы VSAT широко используются для обмена банковской информацией, в сетях
торговых складов и оптовых баз, магазинов и обеспечивают работу с кредитными карточками.
Подобная персонализация каналов является устойчивой тенденцией в развитии спутниковых
систем связи за рубежом и в нашей стране. Прогноз показывает, что в перспективе такие
сети ФСС обеспечат не только персональную речевую связь, но и передачу данных,
мультимедиа непосредственно на домашние персональные компьютеры.
Начавшийся процесс персонализации привел к тому, что
границы между традиционными службами ФСС и ПСС или ФСС и РСС постепенно начали
стираться. Так, персональные ЗС удаленных пользователей, работающие в Кu или Ка диапазоне,
формально относятся к службе ФСС (работа в полосах частот, выделенных для ФСС),
однако по своему назначению и выполняемым функциям они ближе к службе персональной
спутниковой связи.
Подвижная спутниковая служба предназначена для
организации связи между мобильными объектами или между мобильным объектом и
стационарным пользователем. Первоначально ПСС рассматривалась как служба
специального назначения, предназначенная для организации морской, воздушной,
автомобильной и железнодорожной спутниковой связи. В настоящее время
идет процесс переориентации ПСС на обеспечение услуг персональной связи.
Радиовещательная спутниковая служба предназначена для
приема телевизионных и радиовещательных программ. Она охватывает системы
непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутниковое телевизионное
вещание и спутниковое непосредственное радиовещание. Сравнительно недавно
зародилась идея персонализации и в области телевещания. Под персонализацией
понимается возможность интерактивного обмена в процессе телепередач и
удовлетворения индивидуальных запросов пользователей путем трансляции по закрытым
каналам заказных телепрограмм, а также предоставление возможности для
интерактивного обмена в процессе телепередач. В этом случае
пользователь превращается из пассивного потребителя вещательной информации
в активного участника.
2 Классификация систем персональной спутниковой связи
Под названием "системы персональной спутниковой
связи" понимаются различные по построению спутниковые системы с
космическими аппаратами (КА) на геостационарной (GEO), средневысотных (МЕО), низких (LEO) и эллиптических орбитах, работающие в различных
диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи с
помощью персонального терминала (портативного, мобильного, стационарного).
В основу приведенной ниже классификации положены два
основных признака: информационная скорость в абонентской линии и тип орбиты. В
зависимости от скорости передачи системы персональной связи можно
разделить на четыре класса:
-системы
со сверхнизкими потоками
данных (информационная скорость
- менее 1,2кбит/с);
- низкоскоростные
системы (от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с);
- высокоскоростные системы (64 кбит/с и выше).
Согласно приведенной классификации назначение и основные виды услуг систем
персональной спутниковой связи приведены ниже.
Системы со сверхнизкими потоками данных
Системы данного класса предназначены для обнаружения и
определения местоположения судов и самолетов, терпящих бедствие, мониторинга
окружающей среды и сбора данных с морских и наземных объектов. По
каналам этих систем передаются преимущественно однопакетные сообщения
длиной не более 256 бит. В зависимости от типа используемых орбит системы разделяются на две группы: LEO и GEO.
В глобальных системах, использующих низкоорбитальные КА,
связь осуществляется на частотах, выделенных МСЭ в качестве аварийных для
авиационной и морской подвижных служб (121,5/243 МГц и 406 МГц). Объем
передаваемых аварийных и экстренных сообщений достаточно мал. В качестве абонентской
аппаратуры используются радиомаяки и радиобуи, приводимые в действие вручную или
автоматически (в момент удара, при погружении в водную среду и др.).
Электропитание аппаратуры осуществляется от автономных источников.
В региональных системах, построенных на базе
геостационарных КА (GOES, Meteosat, Inmarsat-E и др.), связь осуществляется в режиме TDMA, поскольку все обслуживаемые объекты находятся
одновременно в зоне радиовидимости КА. Передача сообщений осуществляется регулярно в
фиксированные временные интервалы (для каждого радиомаяка выделен свой временной
интервал), а каждый из обслуживаемых датчиков использует один из фиксированных каналов
ретранслятора. Такой метод организации сбора данных выбран из условия, чтобы исключить
взаимные помехи от передатчиков разных объектов. Пропускная способность, т.е.
максимальное количество одновременно активных датчиков, зависит от числа частотных каналов и
выделенных временных интервалов в каждом канале.
Низкоскоростные системы персональной спутниковой связи
Системы данного класса предназначены для передачи данных и
обеспечения узкополосной радиотелефонной связи. В зависимости от типа
используемых орбит, системы разделяются на 5 основных групп: little LEO, big LEO, MEO, НЕО и GEO.
Группа little LEO. Системы данного класса предназначены для передачи данных
со скоростью
от 1,2 до 9,6 кбит/с. Их отличительной особенностью является работа в диапазоне
частот
до 1 ГГц, использование легких КА массой порядка 50-250 кг, к которым не
предъявляются жесткие требования по времени доставки сообщений.
В системах используется от 6 до 48 КА1. Основные режимы работы:
- передача коротких однопакетных сообщений типа
пейджинговых с предоставлением каналов по требованию или передача данных в режиме
электронной почты;
- передача формализованных сообщений
(коротких буквенно-цифровых сообщений, заранее записанных в память терминала и передаваемых путем
нажатия одной или нескольких клавиш);
-
передача коротких сообщений о местоположении или состоянии обслуживаемых или необслуживаемых объектов;
- передача групповых (циркулярных и др.) и экстренных
сообщений;
- определение координат подвижного объекта (долгота,
широта, универсальное время,UTC).
Отличительными
особенностями систем такого класса являются:
- использование легких и портативных терминалов с ненаправленными
антеннами;
- групповой вывод малых КА на орбиту;
- обеспечение стоимости услуг существенно более низкой по
сравнению с другими классами систем персональной спутниковой связи.
К системам группы little LEO относятся:
"Гонец", Starsys, Vitasat, Faisat,
"Элекон-Стир-М".
Группа big LEO. К этому классу относятся системы, ориентированные на
обеспечение персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в
глобальном масштабе.
Спрос на услуги персональной спутниковой связи находится
под влиянием быстрого развития наземных систем сотовой и транкинговой связи.
Это в значительной степени повлияло на абонентскую аппаратуру систем группы big LEO. Общей тенденцией
развития систем радиотелефонной связи является объединение в единую
сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различного стандарта (GSM, CDMA и др.), а также
предоставление набора услуг (данные, телекс, факсимильные сообщения,
определение местоположения, передача коротких сообщений), обеспечиваемых системами
класса little LEO.
Обслуживание персональных абонентов - непрерывное, в
реальном масштабе времени. Для обеспечения непрерывного глобального обслуживания в
системах этого класса используются корректируемые орбитальные группировки из 48-66
спутников. Связь с абонентами осуществляется в L и S диапазонах
частот. Масса спутников составляет 300-700 кг, что несколько больше,
чем в системах класса little LEO. Реальная пропускная способность систем класса big LEO, как правило, не
превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов по 2,4 кбит/с на КА. В
эту группу входят системы Iridium, Globalstar, "Сигнал",
ЕССО, "Ростелесат".
Для организации связи в системах Iridium, Globalstar предусматривается
использование двухрежимных терминалов, ориентированных на работу и в
сотовых системах радиосвязи разных стандартов.
Группа систем МЕО. Системы, использующие КА на
средневысотных орбитах, являются одним из основных конкурентов системам класса big LEO. Они
ориентированы на один и тот же рынок услуг, т.е. обеспечение глобальной
радиотелефонной и пейджинговой связи. Если для обеспечения глобальной связи
в системах big LEO, которые не используют межспутниковые линий, требуется
150-200 станций сопряжения (Globalstar), то в системах
класса МЕО достаточно всего 7-12 станций сопряжения.
Пропускная способность систем этого класса составляет
3000-4500 эквивалентных телефонных каналов на КА. Это достигается усложнением
полезной нагрузки КА, повышением энергетики радиолиний и, как следствие,
увеличением мощности системы электропитания КА до 4600-8700 Вт. В эту группу входят
системы Odyssey и ICO.
Группа систем НЕО и GEO. Системы мобильной спутниковой связи, использующие КА на геостационарной
и высокоэллиптической орбите, предназначены для обеспечения различных видов
связи: речь, данные, телекс, факс. В эту наиболее многочисленную группу включены существующие и перспективные системы,
ориентированные как на
передачу данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat), так и
организацию радиотелефонной связи (Inmarsat-M,
"Марафон", AMSC, MSAT, Optus, ACeS и др.).
Прогресс в развитии систем традиционной подвижной
спутниковой связи впечатляет. Так, за последние 10 лет масса ЗС изменилась с 300 до 3-5
кг, уменьшались размеры антенн, и, наконец, что самое главное, был
полностью пересмотрен подход к профессиональной подготовке операторов.
Все это позволяет предвидеть возможность использования геостационарных и
высокоэллиптических орбит для организации персональной связи.
Высокоскоростные системы персональной спутниковой связи
К этому классу относятся глобальные системы
широкополосной связи, использующие LEO, MEO и GEO орбиты. Системы
предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных
потоков данных, мультимедиа, организации конференц-связи, доступа в Internet, интерактивной связи.
Отличительными
особенностями систем этого класса являются:
- передача данных с использованием протоколов и технологий
IP, X.25, Frame Relay, B-ISDN, ATM, SDH и др.;
- доступ к БД информационных систем по разовым запросам
удаленных пользователей, доступ к сети Internet;
- передача видеоданных, мультимедиа.
Можно выделить две категории услуг: обслуживание
персональных или групповых пользователей, организация магистральных
линий для широкополосных сетей связи различного назначения. Связь для первой
категории пользователей обеспечивается в режиме предоставления каналов по
требованию (bandwidth-on-demand) со скоростью до
2-10 Мбит/с. Предполагается, что персональные базовые терминалы этой
категории услуг найдут широкое распространение. Так, в полномасштабной
системе Teledesic прогнозируется
около 10 млн. базовых терминалов.
Во вторую категорию услуг входит передача
высокоскоростных потоков информации со скоростью 155,52 Мбит/с, принятых в
сетях синхронной цифровой иерархии (SDN). Терминалы этой категории
услуг предназначены для коллективных пользователей, их внедрение не приведет к
конкуренции с волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС), поскольку терминалы будут
преимущественно размещаться в регионах, где развертывание ВОЛС для связи с
удаленными пользователями невозможно или экономически нецелесообразно.
Высокоскоростная передача данных предусматривается в
разрабатываемых проектах систем спутниковой связи Celestri, Spaceway, Skybridge, Teledesic и SECOMS.
3 Системы связи с
космическими аппаратами на низких орбитах
Отличительными
особенностями систем, относящихся к классу низкоскоростных систем радиотелефонной
связи big LEO,
являются:
- совместимость с
наземными сетями сотовой радиотелефонной связи;
- предоставление
полного набора услуг (наряду с радиотелефонной связью), обеспечиваемых
системами класса little LEO;
- возможность обеспечения связи в любое время суток в режиме реального времени;
- наличие корректируемой орбитальной группировки, обеспечивающей глобальное покрытие земной поверхности без мертвых зон в наиболее обжитых районах мира.
3.1 Система IRIDIUM
Концепция создания
системы Iridium с орбитальной структурой из 77 КА была предложена в 1987
г. специалистами отделения спутниковой связи компании Motorola, Чендлер, шт. Аризона. Название
системы навеяно ассоциацией с элементом иридием (латинское название - Iridium), который имеет 77 электронов. Позднее
авторы проекта уточнили свою концепцию, рассчитав, что для глобального охвата
поверхности Земли достаточно 66 КА.
Для проведения работ по проекту в 1993
г был образован международный консорциум Iridium LLC (Вашингтон). Проект Iridium основан на широком международном
сотрудничестве. В состав консорциума на правах инвесторов вошли компании: Motorola, Lockheed Martin, Raytheon , Sprint Corp., Nippon, SK Telecom, PEWC, Korea Mobile Communication, Thai Satellite Telecommunications Соrр., South Pacific Iridium Holdings Limited, Iridium Africa Corp., Iridium Andes Caribe, Iridium Brasil, Iridium Canada Inc., Iridium India Telecom, Iridium Italia, Iridium Middle East Corp. и другие. С российской стороны
инвестором (82 млн долл.) выступает ведущая ракетно-космическая компания РФ -
Государственный космический научно-производственный Центр (ГКНПЦ) им. Хруничева,
который участвует в проекте не только как инвестор, но и по контракту с
компанией Motorola осуществляет запуски КА Iridium с помощью РН "Протон".
ГКНПЦ им. Хруничева,
как инвестор проекта, должен обеспечить выполнение работ по техническому и правовому
обеспечению функционирования системы Iridium на территории России и стран бывшего
Союза. Для этого на территории ГКНПЦ создается основной коммутационный центр,
два антенных терминала станции сопряжения и бизнес-система коммерческой
поддержки обслуживания абонентов. Два вынесенных антенных терминала станции сопряжения
размещены на территории Московской области (г. Королев). Проведением всех работ
по строительству станции сопряжения на 30 тыс. абонентов на данной территории
(включая закупку, монтаж и наладку оборудования) и ее последующей
эксплуатацией занимается филиал ГКНПЦ им. М.В.Хруничева - компания
"Хруничев Телеком". Для предоставления и реализации услуг системы Iridium на территории России и стран СНГ
создана операторская компания "Иридиум Евразия".
Основными
производителями оборудования для проекта Iridium являются: Motorola, Lockheed Martin, Me Donnel Douglas, Siemens, ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, Telespazio, Telesat Canada, Scientific Atlanta.
Вывод спутников на орбиту обеспечивают
корпорация McDonell Douglas (PH Delta-2), ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (РН
"Протон") и китайская компания "Великая стена" (РН Long March 2C).
3.1.1 Виды услуг
Система Iridium предоставляет абонентам следующие виды
услуг:
- речевая
связь. В речевом кодере используется алгоритм с линейным предсказанием VSELP (vector-sum excited linear prediction). Скорость передачи речи 2,4 кбит/с.
В линии связи речь передается дискретными блоками. Каждый
передаваемый блок защищен от ошибок с помощью помехоустойчивого кода с прямым
исправлением ошибок (FEC). Средняя оценка
качества составляет 3,2 (оценка MOS).
Продолжительность переговоров 30 с (без прерывания связи)
будет обеспечиваться с вероятностью 98%. Время установления связи аналогично
времени установления связи между абонентами наземной сотовой связи и не
превышает 2 с. Максимальная задержка сигнала при международной связи - 410 мс для 90%
вызовов, для местной и зоновой связи - в среднем 240 мс;
- передача данных. Осуществляется прозрачная передача
данных с переменной длиной сообщения и скоростью передачи 2,4 кбит/с с вероятностью
ошибки в радиоканале не хуже 10-6. Предусматривается также возможность
передачи коротких сообщений, определяющих
местоположение
и статус абонента;
- факсимильные сообщения. Обмен
факсимильными сообщениями осуществляется со скоростью 2,4 кбит/с с использованием
факсимильных аппаратов группы 3. Терминал способен принимать и хранить в памяти
факсимильные сообщения, которые абонент может просмотреть,
прокручивая телеграмму на экране дисплея.
Факсимильное сообщение посылается вызывающей стороной на
номер факса абонента системы Iridium и хранится в его
"почтовом ящике". Далее на пейджер или телефон абонента поступает сообщение
о полученном на его имя факса, после чего оно может быть переадресовано на
факсимильный аппарат или по сети Iridium на компьютер,
соединенный с телефонным аппаратом Iridium. Персональные
абоненты системы Iridium получают
специальный номер для услуг факсимильной связи и SIM-карту Iridium;
- персональный вызов. Сигналы персонального
вызова могут приниматься как с помощью специальных приемников (пейджеров),
так и портативных радиотелефонных терминалов. Объем передаваемых буквенно-цифровых
сообщений составляет 200 знаков и 20 знаков цифрового сообщения в тоновом режиме.
При передаче пейджинговых сообщений абонент указывает до 10 зон, где он может
находиться, и в эти зоны будут передаваться сообщения. Используя телефон с тоновым
набором, или, позвонив на доступный номер
"домашней" станции сопряжения, абонент может изменить область
доставки сообщения. В канале персонального радиовызова предусмотрен
энергетический запас, который по утверждению фирмы Motorola, составит 35 дБ;
-определение местоположения.
Определение координат пользователей предполагается осуществлять без специальной
радионавигационной аппаратуры. Для этих целей используется метод РОСА (Point of closest approach). В основе его
лежит измерение разности между реальным и ожидаемым временем прихода сигналов.
Учет этих параметров и эфемерид орбит спутника позволяет произвести оценку расстояния
и времени. Далее с помощью итеративной процедуры решается система дифференциальных
уравнений и находится псевдодальность.
При однократной процедуре измерения точность определения
местоположения не превышает 1,6 км, однако при более длительном измерении
точность может быть улучшена. В тех случаях, когда необходима более
высокая точность определения местоположения (порядка 100 м), необходимо
использовать абонентскую станцию с встроенным GPS приемником.
3.1.2
Состав и структура системы
В состав системы Iridium входят пять
сегментов: космический сегмент, наземный сегмент управления системой; сегмент
станций сопряжения, пользовательский сегмент и средства вывода
спутников на орбиту. Структура системы Iridium приведена на рис. 3.1.
Наземная инфраструктура управления системой включает
основной и резервный центры управления, а также земные станции, предназначенные
для передачи команд и телеметрической информации. Средства центра управления
обеспечивают контроль функционирования каждого КА и всей системы Iridium в целом. Управление системой осуществляется двумя территориально
разнесенными центрами управления, располагаемыми на территории США. Основной
центр управления (Чендлер, шт. Аризона) осуществляет анализ работоспособности
элементов системы и контроль за работой всех КА, входящих в орбитальную
группировку.
В наземный сегмент входит также система управления и
контроля сети Iridium (Master Control Facility - MCF), которая
обеспечивает глобальное администрирование сети, включая планирование
запусков, отслеживание работоспособности КА, сбор и анализ телеметрической информации с
КА. Первая станция MCF
расположена на севере штата Вирджиния (США), а вторая (резервная) - в Риме
(Италия).
Рисунок 3.1 -
Структура системы Indium
Наличие межспутниковых линий в Iridium не требует большого числа станций сопряжения (СС). На
первом этапе планируется развертывание до 20 СС, в том числе по две в США и России.
Космический
сегмент
Орбитальная группировка системы Iridium состоит из 66 основных КА, выведенных на орбиту высотой
780 км над поверхностью Земли, и 6 резервных КА (высота орбиты около 645 км). Спутники на
основной орбите распределены в 6 равноудаленных друг от друга орбитальных
плоскостях по 11 КА в каждой плоскости. Угловой разнос между КА в одной
плоскости составляет примерно 32,7°. Соседние орбитальные плоскости
разнесены примерно на 31,6°, а разнос между 1-ой и 6-ой плоскостями составляет 22,1°.
Вид орбиты - квазиполярная круговая с наклонением 86,4°. Период обращения - 100 мин 28
сек.
Каждый
КА будет формировать зону обслуживания диаметром 4700 км и площадью около 19 млн. км2.
Зоны обслуживания спутников будут разделены на сотовые ячейки - до 48 на один КА.
Конфигурация орбитальной группировки выбрана
управляемой, что позволяет наиболее эффективно осуществить глобальное
обслуживание абонентов. Система с заданной конфигурацией обеспечит
100% охват поверхности Земли в течение 99,5% времени.
Между КА организуется межспутниковая связь. Любой спутник
может одновременно связаться с четырьмя другими спутниками:
- двумя спутниками, расположенными спереди и
сзади в той же орбитальной плоскости;
-
двумя спутниками, расположенными слева и справа в соседних орбитальных плоскостях.
Космический
аппарат
В состав КА входят радиоэлектронное оборудование,
центральный процессор, система ориентации и стабилизации, двигательная установка и
система энергопитания. Масса КА -690 кг. Расчетный срок службы - 5лет.
В КА используется трехосная стабилизация на основе
автономной навигационной подсистемы MANS с встроенными
датчиками астроориентирования фирмы Barns Ingineering. Подсистема MANS периодически с
шагом 0,25 мс выдает данные с точностью ± 0,25° по пространственному
положению и ± 20 км - по местоположению.
Выходная мощность панелей солнечных батарей равна 1430 Вт.
Напряжение первичного электропитания СЭП составляет 22-36 В. Мощность
потребления оборудования L диапазона 230 Вт. В качестве
буферного источника питания используется 22-элементная никель-водородная
аккумуляторная батарея емкостью 48 А/ч. Она обеспечивает автоматическое поддержание
напряжения питания до выхода КА из зоны тени.
На
КА установлены три группы антенн:
- шесть фазированных антенных решеток, формирующих 48
парциальных лучей на прием и передачу в диапазоне 1616-1626,5 МГц;
- четыре антенны для организации связи со станциями
сопряжения в диапазоне 19,4 - 19,6 ГГц и 29,1-29,3 ГГц;
- четыре волноводно-щелевые антенны для межспутниковой
связи в диапазоне 23,18 - 23,38 ГГц.
Диаграммы направленности АФАР задаются программным
способом, что позволяет независимо изменять параметры каждого луча. Это позволяет
избежать перекрытия зон от смежных КА, особенно при их смещении к полюсу.
Вид поляризации: правая круговая в фидерной и абонентской
линиях и вертикальная - в межспутниковых линиях.
Многостанционный
доступ
На КА использована 48-лучевая антенная система, состоящая
из 6 активных фазированных антенных решеток (АФАР), каждая из которых
формирует 8 лучей. Один луч высвечивает на поверхности Земли зону обслуживания
диаметром порядка 600 км. В совокупности 48 лучей формируют квазисплошную
подспутниковую зону диаметром более 4000 км.
В системе Indium используется
комбинация методов частотного и временного методов многостанционного
доступа FDMA/TDMA. Для разделения смежных лучей используют различные частоты (метод FDMA). В каждой парциальной зоне (соте) формат
многостанционного доступа - TDMA. Каждая 8-лучевая
структура обеспечивает возможность многократного использования
частот.
Связь по радиолинии "Абонент-КА" осуществляется
по 64 каналам (из них 9 каналов сигнализации). Разнос между каналами
равен 160 кГц, полоса частот каждого канала -126 кГц. В радиолинии
"КА-Абонент" организовано 29 каналов (4 - для сигнализации) с разносом 350 кГц и
полосой частот каждого канала - 280 кГц.
Кадры TDMA для радиолиний
"Абонент-КА" и "КА-Абонент" идентичны по структуре, но отличаются по
скорости передачи. Скорость передачи информации в линии "Абонент-КА"
составляет
180 кбит/с, а линии "КА-Абонент" - 400 кбит/с. Метод модуляции - QPSK со сглаживанием фазы по закону приподнятого косинуса.
Каждый абонент работает в пакетном режиме, используется
метод передачи "один пакет на несущую". Кадр TDMA состоит из 8 временных окон (сегментов). Длительность
кадра равна 90 мс. Время передачи пакета составляет 8,28 мс.
Для устранения внутрисистемных помех предусматривается
защитный временной интервал длительностью 22,48 мс. Такой защитный интервал
уменьшает эффективность TDMA до 73%.
Передача осуществляется в выделенном временном окне.
Доплеровский сдвиг частоты корректируется в каждой индивидуальной линии связи.
Одним из ключевых аспектов в системе Indium является механизм перехода абонента из луча в луч (из
одной соты в другую), а также с одного КА на другой. При максимальном времени
пребывания абонента в зоне радиовидимости одного КА порядка 8-10 мин и при 48
лучах
на каждом КА, интенсивность переходов может составить до одного раза в минуту.
Учитывая то, что в соседних лучах используются разные рабочие
частоты, процедура перехода в новую зону (соту) должна повлечь за собой и смену
рабочей частоты абонентского терминала, т.е. в системе применяется
достаточно сложный алгоритм переключения рабочих частот наземных
терминалов.
3.1.3
Основные характеристики радиолиний
В системе Indium организуются
абонентские, фидерные и межспутниковые линии связи, а также каналы для
обмена командно-телеметрической информацией.
Абонентские
радиолинии
Для связи с подвижными абонентами в Indium выделен L-диапазон
(1610-1626,5 МГц). Учитывая тот факт, что в полосе частот от 1610 до 1616
МГц работает на первичной основе российская система "Глонасс"
(24 спутника, каждый из которых имеет отдельную несущую с разносом 562,5
кГц), а полоса 1610,5-1613,5 МГц выделена для радиоастрономических служб, то указанные
участки спектра исключены. Исходя из этого, в системе Indium выбран диапазон частот 1616-1626,5 МГц. Однако и в
оставшейся части диапазона служба Iridium вынуждена работать
на вторичной основе. Это означает, что она не должна создавать помех для служб с первым
приоритетом, частоты которым уже присвоены или могут быть присвоены в ближайшее время.
В абонентской станции используется антенна типа
четырехзаходная спираль с коэффициентом усиления 1-3 дБи. Антенна
обеспечивает прием радиосигналов в секторе углов 360° по азимуту и от 10° до
90° по углу места. Максимальная ЭИИМ абонентской станции равна 5,9-8,8 дБВт.
Добротность приемника G/T лежит в пределах от -23,8 до -21,8 дБ/К (шумовая температура 553
°К). Пороговое отношение сигнал-шум равно 3,1 дБ при вероятности ошибки 10-2.
Абонентская радиолиния работает в дуплексном режиме. Метод
модуляции - QPSK. Передача информации обеспечивается со
скоростью 2,4 кбит/с. В терминале используется сверточное кодирование (г = 3/4, к = 7)
и перемежение символов. Синхронизация для кадра TDMA на передачу выделяется из принимаемого сигнала со
спутника. В терминале производится компенсация доплеровского сдвига путем
изменения частоты в линии связи "Земля-спутник". Изменение расстояния до
КА компенсируется путем смещения времени начала передачи, так чтобы
сигнал приходил на спутник в строго синхронизированный момент времени. Кроме того,
устраняется уход доплеровской частоты путем автоматической регулировки частоты передачи в
радиолинии. Основные характеристики абонентских, фидерных и межспутниковых
линий приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Тип линии
|
Абонентская
линия |
Фидерная линия |
Мcл |
||
Направление связи |
"вверх" |
"вниз" |
"вверх" |
"вниз" |
КА-КА |
Диапазон частот, ГГц |
1,616-1,6255 |
1616-1625,5 |
29,1-29,3 |
19,4-19,6 |
23,18-23,38 |
Число каналов |
64(9) |
29(4) |
6 |
6 |
8 |
Скорость
передачи в линии кбит/с |
180 |
400 |
12500 |
25000 |
|
ЭИИМ, дБВт |
8,45 |
24,5 |
68 |
14,5-27,5 |
37,9 |
G/T, дБ/К |
-4,4 |
-23,8 |
-1,0 |
-24,5 |
от -5,3 до -7,0 |
Фидерные
линии
Связь по фидерной линии между КА и станцией сопряжения
(СС) предполагается осуществить в Ка диапазоне частот. Каждый КА Iridium обеспечивает возможность работы в дуплексном режиме
одновременно по двум линиям связи (с двумя СС или станциями управления КА), в
каждой из которых передача может осуществляться по 6 каналам. Скорость передачи
информации в фидерной линии - 12,5 Мбит/с. Разнос между каналами равен 15 МГц.
В фидерной линии используется помехоустойчивое кодирование, что обеспечивает
вероятность ошибки на бит не хуже 10-6.
На спутнике применены антенны типа АФАР. Коэффициент
усиления в максимуме диаграммы направленности составляет 18 дБи в линии
"СС-КА" и 21,5 дБи в линии "КА-СС". Шумовая
температура приемных устройств фидерной линии равна 1454°К.
Для обеспечения устойчивой работы фидерных линий во время
дождя или выпадания других атмосферных осадков предусмотрен энергетический
запас, который составляет: 13 дБ в линии "КА-СС" и 26 дБ - в линии
"СС-КА".
Пропускная способность линии "КА-СС" составляет
1300 дуплексных каналов. В фидерной линии, аналогично как и в
межспутниковой линии, используется метод статистического уплотнения каналов
(DSI) с коэффициентом сжатия 2,2.
Межспутниковые
линии
Межспутниковая связь в Indium организуется в Ка диапазоне частот
(23,18-23,38 ГГц). План частот предусматривает размещение в полосе 200 МГц
8-ми отдельных частотных полос для исключения взаимных помех между каналами. Скорость
передачи информации в линии связи "КА-КА" составляет 25 Мбит/с. Разнос
между частотными каналами - 25 МГц. В канале межспутниковой связи используется
код с прямым исправлением ошибок (1/2 FEC код). Вероятность ошибки на бит не хуже 10-6.
В МСЛ используется волноводная щелевая антенная решетка с
механическим сканированием в азимутальной плоскости. Ширина диаграммы
направленности в угломестной плоскости равна 5°. Коэффициент усиления
антенны равен 36 дБи.
Пропускная способность каждой из четырех межспутниковых
линий - 600 каналов. Учитывая, что в ретрансляторе используется метод DSI с коэффициентом сжатия 2,2, максимальное число каналов,
передаваемых одновременно по межспутниковой линии, равно 1300.
Командно-телеметрическая
радиолиния
Командно-телеметрическая линия (КТЛ) обеспечивает передачу
на спутник команд управления КА и приема телеметрической информации,
необходимой для контроля состояния и режимов работы бортовых систем.
КТЛ работает в двух режимах: штатном и нештатном режиме
полете КА. Связь в обоих режимах осуществляется в Ка диапазоне частот. В
штатном режиме используется метод четырехкратной фазовой манипуляции QPSK и обеспечивается высокоскоростной обмен информацией с КА.
Нештатный режим предназначен для управления КА на
начальном участке его выведения на орбиту, а также в случае отказа системы
стабилизации КА или других нештатных ситуациях, приводящих к невозможности
использования связных линий.
Для уменьшения влияния быстрого изменения фазы сигнала
(за счет вращения или "кувыркания" КА в случае нарушения его
стабилизации) применяется метод частотной манипуляции с некогерентной обработкой на
приеме.
Относительно большой энергетический запас в
командно-телеметрической линии необходим для обеспечения устойчивой работы
радиолинии в условиях энергетических потерь, обусловленных изрезанностью
диаграммы направленности бортовой антенны. Передача команд и прием
телеметрической информации осуществляется на скорости 1 кбит/с при использовании на КА
ненаправленной антенны с квазикруговой диаграммой направленности. Основные
характеристики командной и телеметрической линий приведены в таблице 3.2.
Таблица
3.2-Основные характеристики командной и телеметрической линий
Тип линии
|
Командная линия |
Телеметрическая
линия |
||
Режим работы |
Штатный |
Нештатный |
Штатный |
Нештатный |
Диапазон частот, ГГц |
29,1-29,3 |
19,4-19,6 |
||
Поляризация |
Круговая правосторонняя |
Линейная |
Круговая правосторонняя |
Линейная |
Скорость
передачи в линии, кбит/с |
12500 |
1 |
12500-25000 |
1 |
Вид модуляции |
QPSK |
FSK |
QPSK |
FSK |
ЭИИМ, дБВт |
51,4 |
51,4-77,4 |
14,5-27,5 |
9,5 |
3.1.4 Особенности
организации связи и пропускная способность системы
В системе Iridium предполагается использовать несколько типов каналов:
а) информационный канал, который
предназначен для дуплексной телефонной связи, передачи данных и факсимильных
сообщений. Максимально допустимая вероятность ошибки при сквозной
передаче речи не хуже 10-2. Ожидается, что реально достоверность
передачи информации будет находиться в пределах от 10-3-до 10-4 ;
б) циркулярный канал (brodcast channel), предназначенный
для передачи с КА на терминалы служебных и синхронизирующих сигналов, в том числе
номеров свободных каналов в каждой зоне обслуживания КА и др.;
в) несколько видов служебных каналов: от абонента к КА (acquisition channel), от КА к абоненту (ringing channel и paging channel).
Организация
связи
Связь между абонентами в сети Iridium осуществляется через станции сопряжения. Первоначально
пользователь регистрируется в одной из СС, расположенной в ближайшем географическом
регионе. База данных с указанием местоположения всех абонентов системы Iridium хранится на каждой СС, а обобщенная база банных - в
центре управления сетью.
Если в регионе отсутствует наземная сотовая система
радиотелефонной связи, то радиотелефонный терминал Iridium напрямую связывается с ближайшим КА, а далее - с нужным абонентом или
другой СС. Вследствие того, что в Iridium имеются
межспутниковые линии, то нет необходимости, чтобы СС находилась одновременно в
зоне радиовидимости нескольких КА.
Радиотелефонный терминал обеспечивает работу в двух
режимах: режиме сети Iridium и в режиме сотовой
сети одного из стандартов (GSM, AMPS и др.). Первоначально абонент делает попытку установить
связь через наземную сотовую сеть. Если его попытка неудачна, то тогда он входит в
связь через спутниковую сеть.
Приняв вызов абонента, станция сопряжения прежде всего
определяет, принадлежит ли данный абонент системе Iridium. Если да, то тогда местоположение вызываемого абонента
находится с помощью собственной базы данных. После этого задается направление
маршрутизации вызова и формируется маршрутный заголовок. Эти
данные передаются на КА, где с их помощью выбирается положение коммутатора на спутнике.
После окончания переговоров станция сопряжения подготавливает счет к оплате.
Станции
сопряжения
В системе Iridium станции
сопряжения предназначены для организации доступа пользователей к системе
и обеспечения сопряжения с наземными коммутируемыми телефонными сетями общего
пользования. Взаимодействие станции сопряжения с ТФОП в каждой стране или регионе
осуществляется с учетом национальной системы нумерации и вида сигнализации (SS №7 и др.). По каналу сигнализации передаются
сигналы начала и
окончания разговора,
тональные посылки вызова, сигналы оповещения и индикации
условий разговора.
В настоящее время уже созданы или находятся в стадии
завершения 13 станций сопряжения, распределенных по всему миру. Наличие
межспутниковых линий в системе Iridium не требует
большого числа станций сопряжения. Общее количество станций, необходимость которых выяснится в
процессе активной эксплуатации системы Iridium, возможно, возрастет, но не превысит 22-25 станций.
В производстве оборудования для наземных станций
сопряжения участвуют компании Siemens (коммутационное
оборудование), Scientfic Atlanta (антенный комплекс) и др. Предполагается выпуск 4
типов станций сопряжения емкостью: 30, 60, 90 и 120 тыс. абонентов.
На станции сопряжения ведется база данных
зарегистрированных абонентов, производится учет поступающих вызовов, времени
разговора абонента и других показателей, необходимых для выставления абонентских
счетов.
Абонентские
терминалы
В состав системы Iridium входят два основных типа абонентских терминалов:
мобильные и портативные. В зависимости от условий эксплуатации они отличаются
конструктивным исполнением, например, воздушные, морские и др. Для обозначения
абонентских терминалов используется сокращение ISD (Iridium subscriber unit).
Персональные терминалы системы Iridium производятся двумя фирмами - Motorola (США) и Куосеrа (Япония). По
внешнему виду и размерам эти аппараты мало чем отличаются от существующих
моделей сотовых телефонов и по своему назначению они разделяются на два основных
типа:
- однорежимные, работающие только в сети Iridium;
- двухрежимные, рассчитанные на
обслуживание абонентов региональной сети сотовой связи
соответствующего стандарта и
обеспечения глобальной спутниковой связи (Iridium/GSM и др.). Защита от несанкционированного доступа
организована на уровне
не
ниже стандарта сотовой связи GSM.
Многофункциональность телефонных аппаратов достигается за
счет сменных картриджей, разработанных для каждого стандарта сотовой связи.
Установка сменных картриджей в спутниковый телефон Iridium позволяет использовать его в качестве сотового аппарата.
Японская
фирма Куосега выпускает многофункциональный телефон, который абонент может использовать
для осуществления связи в сотовой сети и спутниковой сети Iridium. Многофункциональный аппарат изготовлен в виде
базовой конструкции, в которую вставляется обыкновенный сотовый
телефон.
В состав каждого портативного терминала входит сменный или
постоянно устанавливаемый элемент - модуль идентификации абонента (SIM-карта), который содержит индивидуальный номер
телефона и другую информацию (данные об абоненте, блокирующие коды и т.д.). Абонент
системы Iridium будет иметь
единый номер телефона, доступный в любом уголке мира, где разрешено пользоваться
услугами системы.
Пейджеры, изготавливаемые теми же компаниями, -
алфавитно-цифровые и цифровые. Пейджер системы Motorola имеет 80-разрядный дисплей с электролюминесцентной
подсветкой.
Наряду с радиотелефонными аппаратами и пейджерами в
системе Iridium предполагается использовать
коллективные средства связи: мобильные станции (MXU) и стационарные -таксофоны, в том числе телефонные будки
с солнечными батареями. Преимущество последних - использование их в местах,
где отсутствует телефонная связь и электроснабжение.
Пропускная
способность
Средняя пропускная способность при использовании полосы
частот 10,5 МГц составляет 80 каналов на один луч (55 каналов на линии
"вверх" и 25 на линии "вниз"). Максимальная пропускная
способность на один КА при 48 лучах составит 3840 симплексных каналов. В случае
же двусторонней связи между абонентами количество каналов сокращается до 1100.
Глобальная пропускная способность системы Iridium определяется следующим образом. Каждый из 66 КА,
используя 48 лучей, формирует на поверхности Земли в каждый момент времени 3168 зон. С
учетом того, что одновременно активными могут быть только 70% от числа зон, то общее
число активных зон сократится до 2150 зон. Теоретически максимальная пропускная
способность составит 172000 дуплексных каналов. Следует отметить, что реальная
пропускная способность может оказаться существенно ниже указанной.
Одной из составляющих снижения реальной пропускной
способности является практическое отсутствие абонентов севернее 80° с.ш. и южнее 55°
ю.ш., в результате чего из группировки в 66 КА одновременно могут
использоваться не более 46 .
3.1.5
Рынки услуг и технико-экономические показатели
Сеть Iridium будет охватывать
связью земную поверхность и пространство до высоты 180 км, обеспечивая
обслуживание авиации. В первые пять лет эксплуатации система сможет обслужить
до 1,0 млн. пользователей в режиме телефонной связи и около 0,5 млн. - услугами
пейджинга.
Предполагается, что около 20% ресурсов системы Iridium будут выделены для государственных структур и военных
ведомств США.
Российский сегмент
системы Iridium
Институтами Госкомсвязи РФ ЦНИИС, ГИПРОСВЯЗЬ, ГСПИ РТВ
разработан системный проект Российского сегмента, определивший основные
принципы функционирования системы Iridium в России и ее
взаимодействие с ВСС РФ. На территории России на первом этапе планируется
разместить две станции сопряжения: одну в Москве на территории ГКНПЦ им. М.В.Хруничева с
резервным антенным терминалом в г. Королеве Московской обл. и вторую -в г. Новосибирске.
Компания избрала стратегию создания в регионах
сервис-провайдеров. На сегодняшний день уже приобретает реальные
очертания сеть поставщиков этих услуг: заключены договоры и определены
сервис-провайдеры, определены национальные операторы, поставщики услуг и партнеры по
роумингу в Беларусии, Грузии, Казахстане, Литве, Латвии, Молдове, Узбекистане, Эстонии.
Тарифная
стратегия компании Iridium
Первоначальная стоимость проекта Iridium составляла 3,8 млр. долл. (5,4 млр. долл. по последним
данным). Предполагаемые эксплуатационные расходы в год - 260 млн. долл. Ориентировочная
стоимость основных элементов сети Iridium: космического
аппарата - 29 млн. долл., наземной станции контроля -132 млн. долл., станции
сопряжения -16,5 млн. долл. и абонентских терминалов - 3 тыс. долл.
В системе Iridium разработана
система тарифов, которая зависит от типа вызова, местоположения
вызывающего и вызываемого абонентов, стоимости услуг сети Iridium, стоимости наземных соединительных линий, стоимости услуг
фирм-операторов и поставщиков услуг, которые привлекают абонента в систему.
Общая стоимость одной минуты эфирного времени при телефонной связи в Iridium будет составлять от 2 до 7 долл. Структура тарифов в
зависимости от типа соединительной линии приведена в таблице
2.3.
В случае, если абонент использует услуги пейджинговой
связи системы Iridium, то тарифы зависят от
того, где зарегистрирован абонент:
- 25 долл., если абонент пользуется услугами телефонной
связи и пейджинга (зарегистрирован в сети Iridium);
- 50 долл., если абонент пользуется услугами телефонной
связи и пейджинга (зарегисртирован в сотовой сети);
- 100 долл. + оплата услуг фирмы-оператора,
если абонент пользуется услугами только пейджинговой связи.
Таблица 3.3 - Структура тарифов в зависимости от типа соединительной линии
Тип соединения |
Структура
тарифа |
Между
абонентами системы Iridium
(связь
по спутниковому каналу) |
Зональный тариф + оплата
услуг фирмы-оператора |
Между
абонентом системы Iridium
и
абонентом национальной ТФОП |
Зональный
тариф + тариф ТФОП+ оплата
услуг фирмы-оператора |
Между
пользователями услуг системы Iridium
(абоненты
зарегистрированы в сотовых сетях) |
Зональный тариф
+ плата за роуминг + оплата
услуг фирмы-оператора |
Между абонентом
системы Iridium и абонентом национальной
ТФОП (оба абонента зарегистрированы в сотовых сетях) |
Зональный тариф
+ плата за роуминг + оплата
услуг фирмы-оператора |
Между абонентом
национальной ТФОП и абонентом системы Iridium |
Для абонента Iridium – бесплатно. Для абонента
ТФОП: тариф ТФОП + фиксированная плата |
Глобальный роуминг (межпротокольный) |
плата за роуминг
+ оплата
услуг фирмы-оператора |
3.2
Спутниковая система CDMA GLOBALSTAR
3.2.1
Сегменты системы Globalstar
Общее описание
системы
Цель данной главы
состоит в том, чтобы дать общее описание современного состояния системы Globalstar и привести некоторые сведения о
принципах её построения и функционирования.
Система Globalstar состоит из следующих сегментов
(рисунок 3.1):
- космический
сегмент;
- сегмент
абонентов;
- наземный сегмент;
- сегмент сухопутной сети.
Система обеспечивает возможность связи из любой точки, находящейся на поверхности Земли, до любой другой точки за исключением полярных областей. Орбиты спутников оптимизированы таким образом, чтобы обеспечивать максимальную вероятность доступности связи в зоне, находящейся между 70° южной широты и 70° северной широты. Предоставление услуг возможно и для более высоких широт, однако с меньшей вероятностью.
Космический сегмент
системы состоит из 48 спутников, находящихся на низких околоземных орбитах
высотой 1410 км. Низкие орбиты допускают низкий уровень мощности портативных
терминалов, сравнимую с мощностью сотовых телефонов. Спутники располагаются в 8
орбитальных плоскостях по 6 равноудаленных друг от друга спутников на каждой
орбите. Период обращения спутника на орбите составляет 114 минут. Терминалы
пользователей в любой точке зоны обслуживания на поверхности Земли освещаются
16 лучами диаграммы направленности спутниковой антенны при прохождении
спутника над этой точкой.
Терминалы абонентов
могут обслуживаться одним спутником от 10 до 15 минут с каждой орбиты. Процесс
мягкой передачи между лучами одного спутника и между спутниками выполняется
без разрыва связи пользователя. Угол наклона орбитальных плоскостей составляет
52°. Зона покрытия оптимизируется таким образом, чтобы для умеренных широт в
зоне видимости терминала пользователя находилось не менее двух спутников,
благодаря чему в большей части зоны обслуживания обеспечивается лучевое
разнесение. Существуют лишь некоторые малые зоны в окрестности экватора и для
широт, превышающих значение 60°, в которых покрытие несколькими спутниками не
обеспечивается.
Спутник Globalstar является активным ретранслятором сигналов
с переносом частот. В прямом направлении передачи он осуществляет прием
сигналов от станции сопряжения (GW) в диапазоне С (полоса частот от 5090 МГц до 5250 МГц),
перенос их в соответствующие лучи диапазона S (полоса частот от 2483,5 МГц до 2500
МГц) и в этом диапазоне через 16.
Рисунок 3.1 - Структура системы Globalstar
пространственно разнесенных лучей
передачу абонентам. В обратном направлении он осуществляет прием сигналов от
приемопередающих абонентских устройств в 16 пространственно разнесенных лучах
в диапазоне L
(полоса частот от 1610 МГц до 1626,5 МГц), перенос их в диапазон S (полоса от 6875.95 МГц до 7052,9 МГц)
и в этом диапазоне излучает сигналы на станцию сопряжения (GW).
Шлюзы к сухопутной
сети, которая не является частью системы Globalstar, освещаются специальными земными
лучами спутниковых антенн. Эти шлюзы обеспечивают связь терминала пользователя
с сухопутной сетью.
В наземный сегмент входят следующие
основные элементы.
SOCC (Satellite Operations Control Center) - центр управления спутниковыми
операциями; в процессе функционирования системы Globalstar центр обеспечивает запуск и выведение
на орбиты космических аппаратов (КА), осуществляет орбитальные операции со
спутниками и координирует работу центра GOCC.
GOCC (Ground Operations Control Center) - центр управления наземными
операциями; в GOCC
организованы рабочие места сменного, несменного и административного персонала,
откуда персонал может обращаться к базе данных на внешних запоминающих
устройствах (дисках)
и быстродействующему
компьютеру. Необходимая для работы персонала информация отображается на
экранах дисплеев рабочих мест и больших экранах вынесенных дисплеев, а также
распечатывается принтерами.
GW (Globalstar Gateway ) - станция сопряжения (шлюз) системы
Globalstar; станция сопряжения (СС) системы Globalstar принимает заявки на установление
соединения от или к абоненту системы Globalstar и обеспечивает их выполнение.
GDN (Globalstar Data Network) - глобальная сеть передачи данных
системы Globalstar, соединяющая между собой элементы наземного сегмента.
LAN (Local Area Network) - локальная сеть связи (с резервированием)
составляет основу организационной структуры центра GOCC, объединяя его основные части и
охватывая расположенный вблизи центр SOCC. LAN имеет выход на сеть передачи данных GDN.
SPCC (Service Provider Control Center) -центр управления поставщика услуг; к
одной СС может подключаться до 16 SPCC.
CDA (Call Detail Access) - аппаратура доступа к параметрам разговора,
обеспечивающая учет сведений о состоявшихся соединениях абонентов.
TCU (Telemetry and Control Unit) - устройство телеметрии и управления
может быть установлено на СС, предназначено для оценки орбитальных параметров
КА и передачи им управляющих команд для коррекции движения. В системе Globalstar предполагается использовать 6 СС с TCU.
Терминалы абонентов
В настоящее время
абоненту предоставляются терминалы нескольких типов. Имеются портативные
устройства, устройства для автомобилей и станции для фиксированной связи.
Некоторые типы терминалов абонента представлены в таблице 3.4.
Режим Globalstar: портативные терминалы абонента
выглядят как обычные сотовые телефоны. Отличие состоит лишь в том, что это
многорежимные устройства, которые взаимодействуют либо с локальной сотовой
системой, либо с системой Globalstar. Излучающий элемент антенны вынесен и
располагается выше головы пользователя. Держатель антенны располагается
вертикально, чтобы эффективно использовать симметричную диаграмму
направленности портативной антенны; часть держателя около головы пользователя нe используется для излучения, что
позволяет удовлетворить требованиям безопасности.
Таблица 3.4 - Терминалы абонентов
Терминалы для фиксированной связи |
Портативные и мобильные терминалы |
Только Globalstar |
Двухрежимный Globalstar&GSM |
|
Трехрежимный Globalstar&CyxoпутныйCDMA&S |
Сотовый режим: в
качестве сотового портативного устройства терминал абонента функционирует
обычным образом. В этом режиме используется отдельная меньшая антенна, которой
обычно снабжаются сотовые телефоны.
Мобильный терминал состоит из портативного устройства, которое вставляется в автомобильный адаптер. Мобильные терминалы обычно имеют более высокий коэффициент усиления антенны, более низкий коэффициент шума приемника и более высокую выходную мощность передатчика. Эти свойства обеспечиваются адаптером. Улучшенные передатчик и приемник располагаются в основании антенны.
Автомобильный
терминал обычно включает:
а) встроенные микрофон и громкоговоритель, которые не нужно держать руками;
б) внешнее устройство с антенной, расположенной на крыше автомобиля;
в) блок электропитания, подсоединяемый к аккумулятору автомобиля.
Так как нет
эстафетной передачи между локальной сотовой системой и Globalstar, то при переходе абонентом границы
между зонами обслуживания сотовой системой и системой Globalstar связь может прерваться и вызов
придется восстанавливать заново. Соответствующие индикаторы указывают
абоненту, что режим изменился.
Действия абонента в районе
границы обычны. Абонент может выбрать любой желаемый режим. Если выбран сотовый
режим, а абонент оказался вне зоны покрытия, то терминал потеряет вызов. Тогда
вызов может быть повторен в режиме Globalstar. Этот вызов будет обслуживаться до тех
пор. пока телефон не окажется вне зоны покрытия системы Globalstar. Справедливы и обратные рассуждения.
Выполнение функций:
стартовые функции терминала абонента выполняются автоматически. Например,
когда в двухрежимном терминале включается питание, то терминал может
предпринимать попытки зарегистрироваться в местной сотовой системе. Это
приводит к выполнению некоторого сценария, в соответствии с которым сотовой
системе предоставляется приоритет в обслуживании данного вызова. Если это не
удается, терминал пользователя пытается зарегистрироваться в системе Globalstar.
Терминал абонента
ищет лучший спутниковый пилот-сигнал. Когда такой сигнал найден, терминал
переключается на соответствующий канал синхронизации и получает доступ к базе
данных спутника и другую необходимую информацию. Эта база данных обеспечивает
быстрый поиск данного пилот-сигнала для всех будущих вызовов. Исходящий вызов
абонент инициирует так же, как и в любом сотовом аппарате.
Терминал абонента
устанавливает связь со шлюзом по каналу доступа. Затем шлюз и терминал
взаимодействуют друг с другом, чтобы обслужить вызов и поддержать связь. Так
как спутники перемещаются над поверхностью Земли, абонент непрерывно освещается
различными лучами спутника или даже лучами диаграмм направленности разных
спутников. Комбинирование ветвей разнесения в приемниках поддерживает процесс
передачи трафика, который для абонента является полностью прозрачным, и
значительно улучшает качество связи. Эстафетная передача осуществляется без
разрыва связи. Если абонент перемещается в зону тени, в которой блокируется
доступ к одному спутнику, пространственно разнесенная линия связи через иной
спутник, который не блокирован в данный момент, сохраняет непрерывным канал
связи абонента.
В системе Globalstar предполагается использовать приемопередающие
абонентские устройства в виде: портативной телефонной трубки; возимого
устройства (на автомобилях, на железнодорожных поездах, на самолетах);
стационарного устройства.
Станции фиксированной
связи
Станции фиксированной
связи обычно функционируют только в режиме Globalstar. Эти станции обеспечивают качество
связи такое же. как и мобильные станции, с той лишь разницей, что коэффициент
усиления антенны и излучаемая мощность могут быть даже выше. Они не требуют
лучевого разнесения для борьбы с замираниями и блокировками. Терминалы
фиксированной связи должны поддерживать эстафетную передачу при переходе между
лучами и между спутниками.
Терминалы
фиксированной связи могут обеспечить возможность подключения к системе
телефонов стационарной сети, таксофонов и другого оборудования .
Станции сопряжения
(шлюзы)
Станции сопряжения
(шлюзы) географически распределяются провайдерами таким образом, чтобы охватить
их абонентскую базу.Обычно шлюзы проектируются таким образом, чтобы функционировать
в автоматическом режиме без обслуживающего персонала. В состав их оборудования
входит до 4 антенн с диаметром 5,5 м. указанных слева на рисунке, и электронное
оборудование, установленное в здании или контейнере, как это показано на
рисунке справа. Дополнительно к этому оборудованию провайдер
услуг обеспечивает источник первичного
электрического
питания, источник бесперебойного питания, а также традиционные помещения для
эксплуатации или офиса. Расположение антенн достаточно произвольно. Главное
ограничение здесь состоит в том, чтобы разместить антенны так, чтобы не
блокировалась прямая видимость между антенной и спутниковым созвездием.
Должны учитываться также соображения безопасности в зоне функционирования.
На рисунке 3.2 изображена упрощенная структурная схема типичного шлюза.
TCU – Telemetry & Command Unit (Командный блок
и телеметрия)
GRS – Gateway RF System (Радиосистема шлюза)
GTS – Gateway Transiever System (Система приемо-передатчиков шлюза)
GMS – Gateway Management System (Система управления шлюза)
GCS – Gateway CDMA System (Система CDMA шлюза)
GSS – Gateway Switching System (Система коммутации шлюза)
FL – Forward Link (Прямая линия)
RL – Reverse Link (Обратная линия)
Рисунок 3.2 – Упрощенная блок-схема оборудования шлюза
Состав оборудования.
Шлюз обычно содержит до 4 одинаковых параболических антенн с диаметром не
менее 5,5 м. Антенны снабжены механизмами привода для позиционирования и
слежения за спутниками, малошумящими приемниками и передатчиками достаточно
высокой мощности. Антенны могут быть помещены в обтекатели для защиты от
нежелательных воздействий окружающей среды.
Антенны соединяются
со зданием, в котором размещается электронное оборудование. В частности,
оборудование CDMA,
оборудование интерфейса ТФОП, которые обеспечивают связь с сухопутной
телефонной сетью, компьютерная техника, обеспечивающая функционирование шлюза
и контроль состояния и качества передаваемых данных.
Выполняемые функции.
Шлюз поддерживает передачу речи, данных и поисковых вызовов. Поддерживается
также функция местоопределения.
Шлюз системы Globalstar соединяет космический сегмент системы
с сухопутной коммутируемой сетью. Шлюз принимает телефонные вызовы от
сухопутной коммутируемой сети и формирует сигналы CDMA для их передачи через спутник. Спутник
затем передает сигнал терминалам абонентов. Эти терминалы могут быть
портативными, мобильными или станциями фиксированной связи и могут
располагаться в любой точке зоны, освещаемой спутниковой антенной.
При обратном вызове
терминал абонента передает сигнал на спутник или на несколько спутников,
спутник или несколько спутников ретранслируют этот сигнал к наземному шлюзу.
Шлюз передает вызов в сухопутную коммутируемую сеть, которая может передать
вызов любому абоненту, использующему стандартный телефонный аппарат. Вызов
может быть передан также абоненту сухопутной сотовой системы или другому
терминалу абонента системы Globalstar.
Шлюзы проектируются
для работы без участия обслуживающего персонала. Эксплуатация выполняется
персоналом поставщика услуг. Состояние оборудования может дистанционно
контролироваться центром управления оператора (SPCC Service Provider's Control Center).
Функции основных элементов шлюза перечислены ниже.
Радиочастотная подсистема
шлюза (GRS -
Gateway RF Subsystem) является интерфейсом между шлюзом и абонентами Globalstar, связывая их через созвездие
спутников.
Подсистема управления
шлюзом (GMS -
Gateway Management Subsystem) связывает шлюз с внешними объектами управления. Эта
подсистема обеспечивает конфигурирование и управление шлюзом в нереальном
времени.
Подсистема GDMA (CS - CDMA Subsystem) осуществляет обработку индивидуальных
вызовов в реальном времени, сохраняя целостность каждой физической линии и
выполняя согласование физических форматов физического слоя между устройствами
формирования сигнала CDMA со стороны GRS и сигналами ТФОП на стороне GSS.
Подсистема
приемо-передатчиков шлюза (GTS Gateway Transceiver
Subsystem)
обеспечивает нормальное
функционирование реализации физического уровня радиоинтерфейса системы Globalstar. Под управлением GC элементы управления в GTS и каналы связи функционируют должным
образом.
Контроллер шлюза (GC - Gateway Controller) обеспечивает нормальное
функционирование и управление подсистемами CS и GRS.
Подсистема внутренней
CDMA
связи (CIS -
CDMA Interconnect Subsystem) обеспечивает связь на уровне пакетов и тактовую
синхронизацию между всеми подсистемами шлюза.
Устройство телеметрии
и управления (TCU -
Telemetry and Control Unit):
функционирует как интерфейс между созвездием спутников и SOCC. TCU взаимодействует с SOCC через программу маршрутизации в GMS. TCU взаимодействует с индивидуальными
спутниками через GTS и
GRS.
Аппаратура доступа к
параметрам разговора (CDA - Call Detail Access) является отдельной, отказоустойчивой
рабочей станцией в GMS с
более строгими требованиями к надежности, чем остальные элементы GMS. Использует протокол передачи с
подтверждением для восстановления учета от SBS, ССР и GC.
Подсистемы контактного
поля искателя (SBS -
Selector Bank Subsystem) являются интерфейсом между SSA и CS, выполняют операцию двух слоев и
управление радиолиниями каналов индивидуального трафика. Услуги могут включать
передачу голоса, данных и коротких сообщений.
Интерфейс контроллера
базовых станций (BSCI -
Base Station Controller Interface) является интерфейсом между подсистемами CDMA (CS) и центрами коммутации мобильной связи
MSC
стандарта GSM. BSCI реализует BSC сторону А1 интерфейса, обеспечивая
транспорт SSА.
Функцию различения протоколов, BSSMAP обработку, и пропускает DТАР сообщения между MSC стандарта GSM и системой CDMA CS. Интерфейс BSCI может быть организован таким образом,
чтобы являться оконечным оборудованием линий множественного А1 интерфейса между
центрами коммутации MSC
стандарта GSM.
Конфигурирование и установка интерфейса контроллера BSCI обеспечивается интерфейсом GMS (посредством CS).
Устройство
формирования сигналов опорных частот и синхронизации (TFU - Time and Frequency Unit) является источником высокостабильных
опорных колебаний для тактовой и частотной синхронизации CS и GRS. Сигналы TFU синхронизированы с сигналами системы
глобального позиционирования (GPS).
Подсистема коммутации
шлюза (GSS -
Gateway Switching Subsystem) является интерфейсом между шлюзом и телефонной сетью
общего пользования (ТФОП) PSTN и управляет состоянием каждого вызова.
Устройства
подключения вспомогательных служб SSA.
Процессор
управления вызовами (ССР
- Call
Control Processor).
Выделение подсистем СDМА и коммутации.
Технически возможно
отделить подсистему банка селектора SBS от оборудования коммутации. Интерфейсом между этими
элементами является неформатированный
Т1. Устройства услуг
связи (CSU)
могли бы в
этом
случае обеспечить
разделение подсистемы коммутации от остального оборудования шлюза.
Взаимодействие
терминала абонента и шлюза
Эстафетная передача.
Перемещение созвездия спутников требует организации эстафетной передачи
абонента между различными спутниками и разными лучами диаграммы направленности
спутниковой антенны. В общем случае, эстафетная передача является прозрачной
для абонента. Эстафетная передача в прямой линии не подразумевает наличие
эстафетной передачи в обратной линии.
Прямая линия. В
прямой линии (от шлюза к терминалу абонента) эстафетная передача осуществляется
полностью под управлением шлюза. Терминал абонента ищет сигналы пилот-канала и
результаты измерения их качества сообщает шлюзу. Когда обнаруживается очередной
пилот-сигнал, его качество сообщается шлюзу. Если шлюз определяет, что этот
сигнал может быть использован, шлюз передает команду терминалу абонента
подключить этот пилот-сигнал к устройству сложения лучей. Каждый раз терминал
абонента использует быстрый алгоритм поиска очередного пилот-сигнала. Как
только очередной пилот-сигнал обнаружен, он подключается как один из
"пиков" взаимной корреляционной функции (пик профиля многолучевости),
которые будут использоваться при последующей обработке. Роль терминала абонента
в прямой линии может быть обобщена как "предлагающий". Шлюз может
рассматриваться как "принимающий решения". Терминал абонента
предлагает для использования очередной пилот-сигнал. Шлюз решает, следует ли
это делать.
Обратная линия. В
обратной линии шлюз использует до 6 "пиков" (лучей). Измеряется
отношение Eb/No. Если измеренное значение Eb/No оказывается больше установленного
порога, данный луч добавляется в мультиплексор комбайнера разнесения. Новые
сигналы добавляются до тех пор, пока шлюз не выйдет за пределы профиля
многолучевости. Более сильный сигнал не будет служить причиной отказа шлюза от
более слабого сигнала и исключения его из процесса комбинирования до тех пор,
пока Eb/No этого сигнала превышает порог. Как
только уровень "пика" оказывается ниже порога, он будет исключен из
процесса комбинирования.
Мягкая эстафетная
передача. При мягкой передаче два или большее число сигналов, принимаемых по
различным линиям, совместно демодулируются, комбинируются и декодируются одним
устройством. Этот процесс является характерным для СDМА связи, когда начинает использоваться
новый пилот-сигнал на той же самой CDMA частоте до прекращения связи на основе старого
пилот-сигнала. Такая форма эстафетной передачи имеет место тогда, когда
терминал абонента функционирует в режиме передачи канала трафика.
Эстафетная передача с
переключением. При жестком переключении приемник прекращает демодуляцию и
декодирование данных, принимаемых по одной линии и начинает демодуляцию и
декодирование данных, передаваемых по другой линии с возможной потерей части
информации в момент переключения. Жесткая эстафетная передача характеризуется
временным разрывом канала связи. Эта форма эстафетной передачи имеет место в
том случае, когда терминал абонента изменяет частоту или смещение кадра (frame). Временный разрыв не означает потери вызова.
Существует достаточная инерционность в системе, которая обеспечивает сохранение
вызова.
Канал доступа.
Организован в соответствии с протоколом ALOHA (TDMA). Разнесение не используется. Этот
канал активируется терминалом абонента при попытке установить контакт со
шлюзом с целью инициировать вызов.
3.2.2 Частотные планы
и зоны радиопокрытия
Частотные планы
Система Globalstar использует С-диапазон между шлюзом и
спутниками, как это иллюстрируется рисунком 3.3.
Антенны С-диапазона на спутнике формируют лучи покрытия земной поверхности. Шлюзы используют параболическую антенну и по программе следят за спутниками. Программа слежения использует орбитальные данные, которые готовятся центром управления функционированием спутников, чтобы устанавливать в нужном положении антенны шлюза.
Эффективность
использования спектра достаточно высока, поскольку применяется повторное
использование частот и технологии CDMA. Используются также в С-диапазоне правая и левая круговые
поляризации. Это позволяет подключить 8 частот к 16 лучам спутниковой антенны.
Номера лучей, указанные на рисунке 3.3,
соответствуют лучам S-диапазона,
показанным на рисунке 3.4, и лучам L-диапазона. На этих же рисунках указаны используемые способы
поляризации.
Конфигурация лучей
спутниковых антенн
Рисунок 3.3.a - Частотный план системы Globalstar
Рисунок 3.3 b - Частотный план системы Globalstar
Рисунок 3.4 - Лучи S-диапазона
Рисунок 3.5 - Частотные каналы L-диапазона
Антенны S-диапазона на спутнике сконструированы
таким образом, чтобы сформировать 16 лучей, располагающихся на поверхности
Земли в зоне обслуживания так, как это указано на рисунок 3.4. Каждый лепесток
антенны создает на грунте изотропный поток такой, что плотность потока
мощности на границе выше, чем в центре. Это компенсирует разницу потерь распространения
из-за большей наклонной дальности на границе луча.
Антенны L-диапазона формируют 16 лучей. Первый
луч располагается в центре, остальные 15 располагаются по кругу вокруг
центрального луча.
Такая конфигурация обеспечивает лучшее покрытие на поверхности
Земли и снижение требуемой мощности передатчиков абонентов в L-диапазоне.
Эффективное использование спектра. Как показано на рисунках 3.5 и 3.6, в L-диапазоне и S-диапазоне используется только 16,5
МГц. Эти же полосы частот используются повторно в каждом из 16 лучей. Следует
отметить, что частоты С-диапазона назначаются лучам так, чтобы уменьшить
интерференцию. Этот подход Globalstar обеспечивает очень эффективное использование
доступных частей L-диапазона
и S-диапазона.
L-диапазон
используется для связи в линии от терминала абонента к спутнику, а S-диапазон - от спутника к терминалу
абонента. В каждом из лучей организовано 13 каналов с частотным разделением.
Рисунок 3.6 - Частотные каналы S-диапазона
Распределение спектра. В каждом частотном канале используются сигналы с
расширенным спектром для передачи речи или данных. Несколько речевых сообщений
или потоков данных могут быть переданы в одном частотном канале с шириной
полосы частот 1,23 МГц. Каждый поток данных отделяется от других благодаря
уникальной псевдослучайной последовательности (ПСП), используемой для
расширения спектра. Благодаря этому одна и та же полоса частот может быть
использована разными абонентами, использующими технологию CDMA.
Частотный план спутника. Данные таблицы 3.5 иллюстрируют преобразование частот
сигналов линии вверх С-диапазона в частоты сигналов линии вниз S -диапазона и как последним назначаются
лучи линии вниз. В этой таблице также указаны назначенные частоты С-диапазона.
Таблица 3.5 показывает, как частоты сигналов обратной линии преобразуются на спутнике. В этой таблице указаны также назначенные частоты С-диапазона.
Частоты командной радиолинии и телеметрии. Частоты телеметрии и командной
радиолинии указаны в таблице 3.6.
Таблица 3.5- Преобразование С-диапазона
в S-диапазон
на спутнике
Час готы
С-диапазона
|
S-диапазон
Левая поляризация |
S-
диапазон Правая поляризация |
|||
Радиочастоты (МГц) |
L.O.
частоты (МГц) |
Канал |
Луч |
Канал |
Луч |
5105.21 |
7596,96 |
XI |
12 |
Y1 |
9 |
5124,59 |
7616.34 |
Х2 |
14 |
Y2 |
11 |
5143,97 |
7635,72 |
Х3 |
16 |
Y3 |
13 |
5163,35 |
7655.10 |
Х4 |
10 |
Y4 |
15 |
5182.73 |
7674,48 |
Х5 |
1 |
Y5 |
8 |
5202,11 |
7693,86 |
Х6 |
6 |
Y6 |
3 |
5221,49 |
7713,24 |
Х7 |
4 |
Y7 |
7 |
5240.87 |
7732,62 |
Х8 |
2 |
Y8 |
5 |
5091,50 |
|
Команды |
|
|
|
Таблица 3.6 - Преобразование L-диапазона в С-диапазон на спутнике
L
-диапазон в С-диапазон |
L
-диапазон Левая поляризация |
L -диапазон Правая поляризация |
|||
Радиочастота (МГц) |
L. О.
частота (МГц) |
Канал
|
Луч
|
Канал
|
Луч
|
6908,99 |
5290,74 |
XI |
8 |
Y1 |
3 |
6928,37 |
5310,12 |
Х2 |
10 |
Y2 |
15 |
6947.75 |
5329,50 |
ХЗ |
4 |
Y3 |
13 |
6967,13 |
5348,88 |
Х4 |
6 |
Y4 |
11 |
6986,51 |
5368.26 |
Х5 |
1 |
Y5 |
5 |
7005.89 |
5387,64 |
Х6 |
14 |
Y6 |
9 |
7025,27 |
5407,02 |
Х7 |
2 |
Y7 |
7 |
7044,65 |
5426,40 |
Х8 |
12 |
Y8 |
16 |
6876,0-6877,1 |
|
Телеметрия |
|
|
|
Таблица 3.7- Частоты телеметрии и командной
радиолинии спутника
Полоса командной линии |
Число каналов |
|
Ширина полосы |
Центральная частота |
От 5091 до 5092 |
1 |
|
240 кГц |
5091,5 |
Полоса системы телеметрии |
Число каналов |
Номер канала |
Ширина полосы |
Центральная частота |
От 6875, 75 до 6877, 15 |
12 |
1 |
100 кГц |
6876.0 |
|
2 |
6876,1 |
||
3 |
6876.2 |
|||
4 |
6876,3 |
|||
5 |
6876,4 |
|||
6 |
6876,5 |
|||
7 |
6876,6 |
|||
8 |
6876,7 |
|||
9 |
6876,8 |
|||
10 |
6876.9 |
|||
11 |
6877,0 |
|||
12 |
6877.1 |
Допплеровское смещение. Частоты несущих колебаний, принимаемых устройствами системы Globalstar (шлюзами, спутниками, терминалами
абонентов) отличаются от назначенных значений. Основная причина - эффект
Допплера. Значение допплеровского смещения может быть вычислено и устройство
может скомпенсировать разницу. В таблице 3.8 указаны значения допплеровских
компонент.
Таблица 3.8 -
Наибольшие значения допплеровского смещения частоты
Линия |
Направление |
Частота (МГц) |
Допплер (кГц) |
Скорость (Гц/с) |
Прямая линия вверх |
От шлюза к спутнику |
5250 |
97,2 |
468,8 |
Прямая линия вниз |
От спутника к терминалу пользователя |
2500 |
46,5 \ |
224,3 |
Обратная линия вверх |
Oт
терминала абонента к спутнику |
1626.5 |
30,2 |
146,0 |
Обратная линия вниз |
От спутника к шлюзу |
7052,9 |
131,6 |
634,9 |
3.2.3 Зона покрытия
на поверхности Земли
Поверхность Земли, за исключением полярных областей, покрывается многими перекрывающимися зонами покрытия отдельных спутников.
В пределах зон покрытия терминалы абонентов могут иметь связь со спутником при условии, что угол склонения спутника не меньше 10 градусов над горизонтом. Такое определение зон покрытия спутников уменьшает перекрытие зон разных спутников, но обеспечивает возможность снижения мощности передатчика терминала абонента. Эта мера обеспечивает увеличение срока службы батарей терминалов абонентов.
Напротив, уменьшение
угла склонения спутника будет увеличивать зону перекрытия. Даже малые
изменения приводят к существенному увеличению зоны покрытия. Это относится особенно
к полярным областям. Если система должна функционировать при малых углах
спутников, то полярные области, которые иначе не покрываются, могут получить
услуги системы. Однако для обеспечения такой возможности необходимо увеличение
мощности терминалов абонентов. Здесь может оказаться практически полезной
установка направленных антенн с высоким коэффициентом усиления для
фиксированной связи и даже для портативных терминалов. В результате система Globalstar могла бы обслуживать зоны, которые без
этих мер остаются без обслуживания.
Проблема покрытия, имеет место не только для полярных областей, но и для экваториальной области, где перекрытие зон обслуживания спутников иногда оказывается меньше 100%.
Следует отметить, что покрытие оптимизируется таким образом, чтобы обеспечить многократное покрытие для умеренных широт. Здесь терминал абонента может иметь одновременно связь с несколькими спутниками. Это расширяет возможности организации связи и обеспечивает для терминала абонента режим функционирования при номинальных значениях параметров линии связи.
3.2.4 Характеристики
каналов связи
Для системы Globalstar линия прямой видимости между
спутником и терминалом пользователя обычно не перекрывается полностью; чаще
имеет место просто дополнительное ослабление сигнала. При нахождении в зоне
покрытия одновременно двух спутников вероятность блокировки или затенения
намного меньше, чем при одном спутнике.
Компонента зеркального отражения сигнала от поверхности Земли может оказаться значительной, если поверхность в зоне отражения достаточно гладкая. Эта компонента может создать дополнительные проблемы при использовании портативных антенн, поскольку отраженный сигнал может складываться с прямым сигналом в фазе или противофазе, вызывая существенные изменения уровня суммарного сигнала. Для мобильных терминалов и терминалов фиксированной связи эта проблема может быть эффективно решена.
Диффузионная компонента принимаемого сигнала представляет собой сумму большого числа сигналов, отраженных индивидуальными отражателями вне первой зоны Френеля. Эта компонента обычно рассматривается как многолучевой сигнал с равномерным распределением фазы и релеевским распределением уровня. В результате сумма диффузионного и прямого сигналов на выходе канала распространения оказывается сигналом с быстрыми замираниями.
Сигнал системы Globalstar имеет ограниченные возможности
проникновения в здания. Прием возможен в деревянных окнах зданий или вблизи
окон с широким углом наблюдения неба. Для наилучших положений терминала внутри
зданий характерны дополнительные потери от 6 до 13 дБ. При этом значение
потерь существенно зависит от положения антенны. Незначительное перемещение
антенны на 20 ... 30 см может привести к изменению мощности принимаемого
сигнала на 30 дБ.
При расположении антенны в кармане потери существенно зависят от ориентации. Блокировка телом может повлечь до 15 дБ дополнительных потерь. Если антенна сложена, то прием считается практически невозможным.
На приемники
терминалов абонентов могут воздействовать помехи, создаваемые окружающими
абонента промышленными установками (микроволновыми печами, оборудованием
заводов или госпиталей). Частоты передатчиков терминалов координированы с
диапазонами радиотелескопов, спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Место расположения шлюзов
выбирается таким образом, чтобы обеспечить электромагнитную совместимость с
сухопутными микроволновыми системами аэропортов.
В заключение можно сформулировать несколько рекомендаций:
а) всегда предпочтителен прием с большими
углами склонения;
б) мобильный терминал меньше подвержен влиянию зеркальных отражений при увеличении скорости перемещения терминала эффективность управления мощностью падает;
Таблица 3.9 - Прямая линия С-диапазона. Случай 1:
детальный план
Линия вверх от
шлюза к спутнику, С-диапазон
|
|
||
Частота |
5125,0 |
МГц |
|
Ном. эффективно-излучаемая мощность
на абонента |
26,8 |
дБВт |
|
Потери распространения (широта шлюза
40 град. ) |
-172,5 |
ДБ |
|
Потери из-за ошибок слежения и
поляризации |
-1,1 |
дБ |
|
Коэф. усиления ант. спутника (с
учетом потерь в линии) |
3,1 |
дБ |
|
Мощность принимаемого сигнала на
абонента |
-143,7 |
дБ |
|
Средняя скорость передачи данных
абоненту |
2400 |
бит/с |
|
Шумовая температура системы |
549,5 |
К |
|
Спектральная плотность мощности
теплового шума, No |
-201,2 |
дБВт/Гц |
|
Спектральная плотность мощности
помех, Iо |
-198,5 |
дБВт/Гц |
|
ОСП в линии вверх ЕЬ /( No + Io) |
19,1 |
дБ |
|
в) терминалы фиксированной связи менее подвержены влиянию любых источников помех;
г) характеристики прямой и обратной линии некоррелированы, поэтому результаты контроля для одного направления не могут быть использованы для управления линией другого направления.
Система Globalstar реализует пространственное разнесение
как меру борьбы с затенениями и блокированием линии связи между спутником и терминалом
пользователя. Данные об уровнях сигнала в линиях системы, приводимые в этом
разделе, соответствуют текущему состоянию системы; предполагается использование
на шлюзах антенн с диаметром 5,5 м. Здесь представлены 3 случая:
Случай 1: детальный план линий. Здесь рассматриваются прямая и
обратная линии между шлюзом и терминалом пользователя.
Таблица 3.10 - Прямая линия S-диапазона. Случай 1: детальный план
Линия вниз от спутника к терминалу пользователя |
||
Частота |
2495,0 |
МГц |
Ном. эфф. излучаемая мощность на
абонента |
-2,9 |
дБВт |
Высота спутника |
1414,0 |
км |
Типичный угол склонения |
50,0 |
град. |
Дальность |
1740,5 |
км |
Потери распространения в свободном
пространстве |
165,2 |
дБ |
Потери из-за неточности поляризации и
слежения |
-1,0 |
дБ |
Потери затенения |
0,0 |
дБ |
Уровень приним. сигнала на абонента
от одного спутника |
-169,1 |
дБВт |
Коэф. ус. антенны терминала абонента
(с учетом |
|
|
потерь линии) |
2,6 |
дБ |
Уровень сигнала абонента на выходе
антенны |
-166,5 |
дБВт |
Шумовая температура системы |
293,7 |
К |
Спектральная плотность мощности
теплового шума, No |
-203,9 |
дБВт/Гц |
Средняя скорость передачи данных, Rb |
2400,0 |
бит/с |
ОСШ в линии вниз Eb / N() |
3,6 |
дБ |
Уровень интерференции на канал |
-148,6 |
дБВт |
Полоса расширения |
1,23 |
МГц |
Спектральная плотность мощности
помех. 1о |
-209,5 |
дБВт/Гц |
ОСП в линии вниз Eb /( Nо + I о) |
2,6 |
дБ |
Выигрыш за счет когерентного сложения |
|
|
Общее ОСП Eb/( N0
+ Iо
) (вверх
и вниз) |
2,5 |
дБ |
|
5,0 |
дБ |
Рабочее ОСШ ЕЬ / Nо |
5,0 |
дБ |
Линия вверх от шлюза
к спутнику использует С-диапазон. Линия вниз от спутника к терминалу
пользователя помещена в S-диапазон. Обратная линия в L-диапазоне от терминала пользователя к
спутнику и от спутника к шлюзу в С-диапазоне. Предполагается, что нет
затенения или блокировки, используется разнесение.
Случай 2: сокращенный план линий. Здесь показаны лишь отличия от
случая 1. Один луч блокирован. Это означает, что только С-диапазон или S-диапазон может быть блокирован, так
как шлюз находится в одном и том же положении.
Случай 3: это редкий случай, когда обе линии затенены или имеют место замирания
с уменьшением уровня сигнала на 10 дБ.
Таблица 3.11 - Прямая линия. Случай 2: блокировка
линии
Линия вверх С-диапазона и линия вниз S-диапазона |
||
Линия вверх |
|
|
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
28,8 |
дБВт |
ОСП Eb/(Nо +I0) |
21,1 |
ДБ |
Линия вниз |
-0,4 |
дБВт |
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
5,1 |
дБ |
ОСП Eb/(N0 + 10) |
|
|
Выигрыш
за счет когерентного сложения
|
0.0 |
дБ |
Общее ОСП Еb /( Nо + Iо) |
5,0 |
дБ |
Таблица 3.12 - Прямая линия. Случай 3: замирание в
двух линиях
Линия вверх С-диапазона и линия вниз S-диапазона |
||
Линия вверх |
|
|
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
36,3 |
дБВт |
ОСП Eb/(N0
+I0) |
28,6 |
дБ |
Линия вниз |
7,1 |
дБВт |
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
-10,0 |
дБ |
Потери затенения |
2,6 |
дБ |
ОСП Eb/(Nо + 1о) |
|
|
Выигрыш за счет когерентного сложения |
2,5 |
дБ |
Общее ОСП ЕЬ /{ Nо + 1 0 ) |
5,0 |
дБ |
В прямой линии от шлюза к терминалу абонента интерференция снижается за счет когерентных способов передачи в разных частотных каналах и использования ортогональных кодов Уолша. В обратной линии используются лучи от нескольких спутников для снижения влияния затенений, блокировки и многолучевости распространения.
Таблица 3.13 - Обратная линия L-диапазона. Случай 1: детальный план
Линия вниз от
спутника к терминалу пользователя
|
||
Частота |
1615,0 |
МГц |
Ном. эфф. излучаемая мощность на
абонента |
-11,2 |
дБВт |
Высота спутника |
1414,0 |
км |
Типичный угол склонения |
70,0 |
град. |
Дальность |
1487,1 |
км |
Потери распространения в свободном
пространстве |
-160,1 |
дБ |
Потери из-за неточности поляризации и
слежения |
-1.0 |
дБ |
Потери затенения |
0,0 |
дБ |
Уровень приним. сигнала |
-172,3 |
дБВт |
Коэф. ус. антенны (с учетом потерь
линии) |
11.5 |
дБ |
Уровень сигнала абонента на выходе
антенны |
-160,8 |
дБВт |
Шумовая температура системы |
500,0 |
К |
Спектральная плотностъ мощности
теплового шума, No |
-201,6 |
дБВч/Гц |
Средняя скорость передачи данных, Rb |
2400,0 |
бит/с |
ОСШ в линии вверх Eb/No |
7,0 |
дБ |
Уровень интерференции на канал |
-142,2 |
дБВч |
Полоса расширения Спектральная плотность мощности
помех, 1о |
1,23 -203,1 4,7 |
МГц дБВч/Гц дБ |
ОСП в линии вверх Eb/( Nо
+ Iо
) |
2,5 |
дБ |
Выигрыш за счет когерентного сложения |
5,0 |
дБ |
Общее ОСП Eb/(N0 +Iо) ( вверх и вниз) |
|
|
Рабочее ОСШ Еb / N о |
5,0 |
дБ |
Таблица 3.14 - Обратная линия С-диапазона. Случай 1:
детальный план
Линия вверх от
шлюза к спутнику, С-диапазон
|
||
Частота |
6975,0 |
МГц |
Ном. эффективно-излучаемая мощность
на абонента |
-27,7 |
дБВт |
Потери распространения (широта шлюза
40 град. ) |
-175,2 |
дБ |
Потери из-за ошибок слежения и
поляризации |
-1,1 |
дБ |
Коэф. усиления ант. шлюза (с учетом
потерь в линии) |
49,4 |
дБ |
Мощность принимаемого сигнала на
абонента |
-154,5 |
дБВт |
Шумовая температура системы |
127,7 |
К |
Спектральная плотность мощности
теплового шума, No |
-207.5 |
дБВт/Гц |
Спектральная плотность мощности
помех, Iо |
-212,3 |
дБВт/Гц |
ОСП в линии вниз Еb/( No + 1o ) |
18,0 |
дБ |
Выигрыш за счет когерентного сложения
|
1,8 |
дБ |
Общее ОСП Eb/Nо + 1о) (вверх и вниз) |
6.3 |
дБ |
Рабочее ОСШ Eb/Nо |
6.3 |
дБ |
Таблица 3.15 - Обратная линия. Случай 2: блокировка
линии
Линия вверх L-диапазона и линия вниз С-диапазона |
||
Линия вверх |
|
|
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
-9,4 |
дБВт |
ОСП Eb/(N0+Iо) |
6,5 |
дБ |
Линия вниз |
|
|
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента |
-25,9 |
дБВт |
ОСП Eb/(Nо + 1о) |
19,8 |
дБ |
|
0.0 |
дБ |
Выигрыш за счет когерентного сложения |
2,5 |
дБ |
Общее ОСП Eb/(Nо + 1о) (вверх и вниз) |
6.3 |
дБ |
Таблица 3.16 - Обратная линия. Случай 3: замирания в
двух линиях
Линия
вверх |
L-диапазона и линия вниз С-диапазона |
||
Линия ввверх Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента Потери затенения ОСП Eb/(Nо +1о) |
-1,2 -10,0 4,7 |
дБВт дБ дБ |
|
Линия вниз |
|
|
|
Эффективно излучаемая мощность на
одного абонента ОСП Eb/(Nn+I0) Выигрыш
за счет сложения
Общее ОСП Eb/(No + 1o) (вверх и вниз) |
-27,7 18,0 1,8 6,3 |
дБВт дБ дБ дБ |
3.2.5 Множественный
доступ с кодовым разделением (CDMA)
Общие замечания
Радиоинтерфейс
системы Globalstar использует модифицированную форму стандарта IS-95 для реализации множественного
доступа с технологией CDMA. Эта технология была выбрана как уже опробованная в
сухопутных сотовых системах и обеспечивающая эффективное использование полосы
частот в спутниковой связи. Её важная особенность, о которой уже говорилось
ранее, состоит в том, что она относительно нечувствительна к внешним помехам и
создает не слишком значительные помехи другим радиослужбам. Эта технология
обеспечивает хорошее качество передачи речевых сигналов даже при сравнительно
низких уровнях мощности радиосигнала. В основу этой технологии в системе Globalstar положены современные разработки фирмы QUALCOMM для сухопутных сотовых систем.
Разнесенный прием лучей является, пожалуй, наиболее важным свойством CDMA. существенно используемым в системе Globalstar для борьбы с замираниями и
затенениями. Это разнесение используется в системе для обеспечения
непрерывности связи даже в тех случаях, когда путь распространения радиоволн от
одного спутника полностью блокирован. Система Globalstar может функционировать с относительно
низким энергетическим бюджетом линий связи, все еще обеспечивая высокое
качество передачи.
Многократное использование спектра является, конечно, основной
особенностью СDМА,
поскольку несколько каналов связи одновременно используют одну и ту же полосу
радиочастот. Реализация этого свойства в системе Globalstar обеспечивается применением ШПС.
Мягкое ограничение емкости сети является еще одним очень полезным
свойством CDMA.
Это свойство является следствием того, что емкость системы CDMA ограничивается главным образом
внутрисистемной помехой, создаваемой самой системой. В результате при
превышении этого предсказываемого предела качество передачи падает не столь
катастрофично, как это имеет место, например, для систем ТDМА и FDMA.
Несколько
спутников в прямой
линии одновременно обеспечивают существенный выигрыш,
поскольку даже при отсутствии многолучевости полное блокирование одного
спутника препятствиями не приводит к прерыванию предоставления услуги связи. В
условиях многолучевых замираний (обычно райсовских с большим числом лучей) возможность
связи одновременно с несколькими спутниками также обеспечивает определенный
выигрыш.
Несколько спутников в обратной линии одновременно также обеспечивают определенные
преимущества даже в отсутствии блокировки или затенений. В системе Globalstar реализовано некогерентное
суммирование сигналов, которое обеспечивает меньший выигрыш по сравнению с
когерентным.
Многолепестковая антенна в прямой линии не обеспечивает выигрыша за счет
разнесения, так как все лучи исходят из одной и той же точки пространства и
обеспечивают пространственные каналы связи на одних и тех же частотах. Если
затенение или многолучевость появляются в одном луче, то они появляются и в
других.
Многолепестковая антенна в обратной линии вынуждает станцию сопряжения принимать
сигналы в разных лучах; замирания этих сигналов имеют коэффициент корреляции
1. Однако помехи в этих лучах фактически некоррелированы, что позволяет
получить определенный выигрыш от такого разнесения.
Управление мощностью передатчиков, которое в системе Globalstar поддерживается станциями сопряжения
как в прямой, так и в обратной линиях, введено для борьбы с медленными замираниями.
Чтобы обеспечить управление мощностью в прямой линии терминал абонента измеряет
качество сигнала пилот-канала и передает результат измерения на станцию
сопряжения. При введении управления мощностью в обратной линии станция
сопряжения измеряет относительную частоту неверно принятых кадров. Время
реакции системы управления мощностью определяется суммарным временем задержки
в кольце управления, среднее значение которого равно примерно 30 мс.
Управление мощностью
в прямой линии осуществляется замкнутой петлей под контролем станции
сопряжения. Динамический диапазон изменения мощности сигнала в прямой линии в
системе Globalstar не менее 20 дБ.
В обратной линии мощность управляется сначала с помощью открытой петли, а затем с помощью замкнутой петли под управлением станции сопряжения. Динамический диапазон изменения мощности в обратной линии не превышает 20 дБ, мощность изменяется с шагом 0,5 дБ. Терминал абонента ограничивает максимальное значение мощности излучаемого сигнала.
Перемежение является традиционным способом борьбы с быстрыми
замираниями. В системе Globalstar реализована передача кадрами
длительностью 20 мс, на которых осуществляется перемежение.
Поиск в многомерном пространстве сигнала пилот-канала должны выполнять
приемники системы Globalstar для обеспечения режима синхронизации.
Здесь первая проблема
состоит в том, чтобы всеми доступными средствами минимизировать размер области
поиска. После этого в системе Globalstar используется параллельная обработка
для ускорения поиска без уменьшения вероятности правильного его завершения.
Зависимость от широты времени поиска обусловлена геометрией орбит спутников: при
более высоких широтах число одновременно наблюдаемых спутников уменьшается.
Несколько подходов
используются для достижения этого результата. Параллельный поиск, конечно,
существенно снижает время поиска. Центр управления наземными операциями (GOCC) также участвует в ускорении процесса
поиска. GOCC
может помочь путем указания частот сигналов пилот-каналов в центре диапазона
для конкретного географического региона, в котором соответствующая станция
сопряжения расположена. Эта мера существенно сужает размер зоны поиска вдоль
оси частот до интервала неопределенности, обусловленного эффектом Допплера.
Так, если терминал абонента находится в зоне обслуживания домашней станции
сопряжения, процесс поиска завершается очень быстро. Если же частота сигнала
пилот-канала неизвестна либо из-за неточного указания центром GOCC, либо из-за перемещения в зону
обслуживания другой станции сопряжения, то время поиска может увеличиться.
Среднее время поиска равно примерно половине максимального его значения.
Прямая CDMA линия
Пример назначения
кодовых каналов, передаваемых станцией сопряжения представлен на рисунке 3.7. Среди 128 кодовых каналов, доступных для использования,
определены пилот-канал (требуется всегда), один синхроканал, семь каналов
вызова (это максимально допустимое число) и 119 каналов связи при наборе
скоростей передачи 1. В другой возможной конфигурации можно было бы заменить
все каналы вызова и канал синхронизации один на один каналами связи при наборе
1 скоростей передачи. В этом случае прямая линия содержала бы один пилот-канал,
нуль каналов вызова, нуль каналов синхронизации и 127 каналов связи с набором 1
скоростей передачи информации.
Рисунок 3.7 - Прямая линия CDMA
Таким образом, прямая
линия содержит пилот-канал, один синхроканал, до семи каналов вызова и ряд
прямых каналов связи (каналов трафика). Совокупность прямых каналов формируется
станцией сопряжения путем размещения каждого прямого канала на свою несущую
частоту. Функциональная схема устройства формирования пилот-канала,
синхроканала и канала вызова прямой CDMA линии представлена на рисунке 3.8.
Пилот-канал передается станцией сопряжения непрерывно и используется
терминалом абонента, находящегося в зоне покрытия данной станции сопряжения,
для тактовой синхронизации, для фазовой синхронизации, необходимой для
реализации когерентной демодуляции, для измерения и сравнения уровней сигналов
при реализации процедуры эстафетной передачи. Сигналом пилот-канала является
кодовое слово Уолша, все символы которого являются нулями. Этот сигнал
складывается с коротким кодом, который используется для разделения сигналов
разных станций сопряжения и разных спутников. Сложение сигнала пилот-канала и
короткого кода осуществляется по модулю 2. Частота следования символов
короткого кода равна 1,2288 МГц. Затем осуществляется квадратурная фазовая
модуляция. В результате спектр сигнала пилот-канала расширяется до полосы 1,23
МГц.
Рисунок 3.8 - Формирование сигналов прямой линии
Терминал абонента все время следит за
сигналом пилот-канала, непрерывно оценивая его уровень, за исключением тех
интервалов времени, когда он находится в режиме "slotted mode".
Канал синхронизации содержит устройства кодирования, перемежения, расширения
спектра и модуляции, которые формируют сигнал с расширенным спектром. Этот
сигнал используется терминалом абонента, находящимся в зоне обслуживания станции
сопряжения, для начальной тактовой синхронизации. Сигнал синхроканала несет
поток данных при скорости передачи 1200 бит/с, который содержит (1) время, (2)
идентификационный номер передающей станции сопряжения, (3) назначенный канал
вызова. Применяется сверточное кодирование и блоковое перемежение для борьбы с
быстрыми замираниями. Получающиеся в результате каждые 4800 символов в секунду
потока данных складываются по модулю 2 сначала с символами кодового слова
Уолша, используемого в канале синхронизации, символы которого следуют с
частотой 1,2288 МГц и затем с символами короткого кода. Последующая
квадратурная фазовая модуляция завершает процесс формирования CDMA сигнала с шириной спектра 1,23 МГц.
Канал вызова используется для передачи команд управления и вызовов от
станции сопряжения к терминалу абонента. Канал содержит устройства кодирования
сверточным кодом со скоростью R =
1 / 2 и кодовым
ограничением К = 9 и блокового
перемежения. Получающиеся символы складываются по модулю 2 с символами длинного
кода, образуя новую последовательность символов, которые затем складываются по
модулю 2 с символами кодового слова Уолша, выделенного для данного канала вызова.
Частота следования символов Уолша равна 1,2288 МГц. Наконец, результирующая
последовательность символов складывается по модулю 2 с символами короткого
кода и получающийся сигнал используется для квадратурной фазовой модуляции. В
результате получается CDMA сигнал, ширина спектра которого увеличена до 1,23 МГц,
Прямой канал трафика формируется устройствами, представленными на рисунках 3.9 и
3.10 при наборе скоростей
1 и 2 соответственно. Вокодер реализует ИКМ и преобразует речевой сигнал в
поток данных, который обрабатывается устройствами, указанными на рисунке 3.9. В мультиплексоре в данный поток вставляются (методом
выкалывания) символы управления мощностью. Символы с выхода мультиплексора
складываются по модулю 2 с символами Уолша, частота следования которых равна
1,2288 МГц, а затем с символами короткого кода. Получающийся в результате
сигнал используется для квадратурной фазовой модуляции несущего колебания,
заканчивая тем самым формирование СDМА сигнала с шириной спектра 1.23 МГц. Радиоинтефейс системы
Globalstar поддерживает два разных набора скоростей передачи
информации от станции сопряжения. В наборе радиоинтерфейс поддерживает режим
передачи с переменной скоростью. При большой скорости передачи, указанной на
рисунке 3.9, требуются два кодовых слова Уолша.
Модуляция и расширение реализуются схемой, изображенной на рисунке 3.11.
Структура расширяющей
последовательности для данного CDMA канала системы Globalstar содержит в себе пару внутренних ПСП и
единственную внешнюю ПСП. Внутренняя ПСП имеет скорость следования символов
1,2288 символов/с и длину 1024 символа, в то время как внешняя ПСП - частоту
следования 1200 символов/с и длину 288 символов. Внешняя ПСП модулирует
внутреннюю ПСП, в результате чего получается фактически расширяющая
последовательность, длительностью точно 240 мс. Точно один период внутренней
ПСП содержится в одном символе единственной внешней ПСП. Подобные процедуры
расширения и модуляции применяются при формировании всех каналов прямой линии.
Идентификация лучей необходима для того, чтобы облегчить разделение станций
сопряжения в прямой CDMA
линии и обеспечить разнесенный прием. Информация о луче выделяется из сигнала
пилот-канала.
Рисунок 3.9 - Канал трафика прямой линии (набор скоростей 1)
Рисунок 3.10 - Канал трафика прямой
линии (набор скоростей 2)
Рисунок 3.11 - Модуляция в прямой линии и расширение спектра
Две станции сопряжения могут
использовать один прямой CDMA канал. Пилот-канал 0 выделяется первой станции сопряжения
и ему может выделяться большая мощность для того, чтобы он служил маяком в
данном луче и обеспечивал быстрое вхождение в синхронизм терминалов абонентов
в данном луче.
Орбитальная плоскость идентифицируется внутренней ПСП. Длина этой ПСП равна 210
символам при частоте их следования 1,2288 МГц. Эта ПСП повторяется 24 раза
каждые 20 мс.
Каждый спутник идентифицируется ПСП пилот-канала.
Каждый луч спутника имеет уникальное значение смещения внешней ПСП.
Позиционирование лучей спутника: каждый соседний луч идентифицируется
уникальным значением смещения внутренней ПСП. Значения смещения внутренней ПСП
повторяются среди несоседних лучей спутника.
Разделение прямой линии: возможно, что две станции сопряжения делят один луч. Этот
режим используется в том случае, когда для передачи трафика требуется только
часть емкости луча и каждая станция сопряжения должна обеспечить отдельный пилот-сигнал.
В частности, этот режим оказывается полезным, когда луч спутника перемещается
из зоны обслуживания станции А в зону
обслуживания станции В. Станции
сопряжения А и В могут тогда
совместно использовать луч, так как трафик от А падает, а трафик от В растет.
При этом первая станция сопряжения будет использовать кодовые каналы с четными
номерами, а вторая станция - с нечетными номерами.
Пилот-канал первой
станции сопряжения передается по кодовому каналу 0. Синхроканал, связанный с
этим пилот-каналом, если он существует, передается по кодовому каналу 32.
Первичный канал вызова (канал вызова 1) первой станции, если он существует,
передается по кодовому каналу 64. Номера каналов вызова 2, 3, 4. 5, 6 и 7, если
они существуют, передаются по кодовым каналам 2, 66, 4, 68, 6 и 70 соответственно.
Пилот-сигнал второй
станции сопряжения передается по кодовому каналу 1. Синхросигнал, связанный с
этим пилот-сигналом, если он существует, передается по кодовому каналу 33.
Первичный канал вызова (канал вызова 1) второй станции, если он существует,
передается по кодовому каналу 65. Сигналы каналов вызова с номерами 2, 3, 4, 5, 6
и 7, если они существуют, передаются по кодовым каналам 3, 67, 5, 69, 7 и 71 соответственно.
Обратная CDMA линия
Обратная линия
включает каналы доступа и обратные каналы трафика, как это показано на рисунке
3.12.
На этом рисунке
показан пример всех сигналов, принимаемых станцией сопряжения по обратной CDMA линии.
Рисунок 3.12 - Обратные CDMA каналы (принимаются шлюзом)
Эти каналы разделяются благодаря
назначению тех же частот и использованию тех же ПСП для прямого расширения
спектра. Каждый канал трафика идентифицируется определенным длинным кодом
абонента. Каждый канал доступа идентифицируется его кодами квадратурного
расширения. Для идентификации станции сопряжения используется маска длинного
кода. Станцией сопряжения может приниматься совокупность обратных CDMA каналов на различных частотах.
Структура обратных CDMA каналов иллюстрируется рисунком 3.25 и
рисунком 3.26. Данные, передаваемые по обратному каналу, группируются в кадры
длительностью 20 мс. Все данные кодируются сверточным кодом,
Рисунок 3.13 - Канал доступа обратной CDMA линии
Рисунок 3.14 - Канал трафика обратной CDMA линии
подвергаются блочному перемежению и
используются для 64-кратной ортогональной модуляции. Перед передачей в канал
связи сформированные таким образом сигналы смешиваются с последовательностями
прямого расширения спектра.
Канал доступа используется терминалом абонента для установления связи со
станцией сопряжения. Он используется для обмена короткими сигнальными
сообщениями, такими, как начальный вызов, отклик на вызов и регистрация. Канал
доступа является каналом со случайным доступом. Каждый канал доступа, как
показано на рисунке 3.13, идентифицируется определенной
последовательностью длинного кода.
Канал трафика обратной линии идентифицируется определенной
последовательностью длинного кода абонента, как это показано на рисунке 3.14. Код со скоростью 1/2, использованный для обратной линии
системы Globalstar, использует определенные преимущества большего времени
когерентности канала передачи и обеспечивает наилучшие результаты в канале с
аддитивным гауссовским белым шумом, который является типичным для системы Globalstar. Коды со скоростью кодирования 1/3,
обычно используемые в сухопутных СDМА системах, обеспечивают лучшие результаты в релеевских
каналах, поскольку они обеспечивают большее разнесение. В обратной линии не
используется процедура рандомизации, применяемая в сотовых СDМА системах. Передача в обратной линии
ведется непрерывно с повторением символов с целью сохранения постоянной
скорости передачи.
Качество CDMA линий передачи
Существует ряд других
особенностей технологии CDMA, которые относятся как к прямой, так и обратной линиям.
Время. Все
цифровые передачи станций сопряжения привязаны к шкале общесистемного времени,
которая в свою очередь использует временную шкалу СРНС типа GPS: последняя доступна для слежения и
является синхронной с универсальным координированным временем (Universal Coordinated Time - UTC). Шкалы времени GPS и UTC отличаются на целое число секунд, а
именно число секунд коррекции, добавленных к UTC с 6 января 1980 г. В качестве начала
отсчета системного времени СDMA принято 6 января 1980 г.. 00:00:00 UTC, которое совпадает с началом шкалы
времени системы GPS.
Системное время сохраняет запись коррекций шкалы UTC, но не использует эти коррекции для
физической установки часов системного времени. Когда принимается сигнал вызова,
терминал абонента находится во временном интервале длительностью 1 мкс от
самого раннего приходящего сигнала, используемого для демодуляции.
Задержка в линии является важным параметром всей линии передачи. Эта
величина становится особенно важной при передаче речи, когда одна совокупность
устройств предпринимает попытку прервать другую. Спутники на низких околоземных
орбитах обеспечивают намного более малую задержку, чем спутники с более
высокими синхронными орбитами. Задержка не превышает 150 мс в каждом
направлении. Существует, конечно, и предел снизу. На рисунке 3.15 указано распределение задержки для прямой линии.
Рисунок 3.15 - Распределение задержки в прямой линии
Возможны обменные соотношения с целью улучшения качества голоса, увеличения емкости линий или других важных параметров системы за счет увеличения общего времени задержки.
Вокодер системы Globalstar использует алгоритм линейного
предсказания с кодовым возбуждением со структурой, аналогичной структуре,
используемой в кодере IS-95, но с некоторыми улучшениями. Может быть установлено
процентное соотношение между временем передачи со скоростью 0 бит/с и 8550
бит/с. Качество передачи речи можно повысить (понизить) при уменьшении (увеличении)
емкости; аналогичное обменное соотношение имеет место и для времени задержки
сигнала. Система Globalstar спроектирована таким образом, чтобы обеспечить высокое
качество речи, если нет дефицита емкости сети и если линии могут быть
замкнуты. Если линии не могут быть замкнуты или если емкость исчерпана, то
связь может быть обеспечена при более низком качестве речи. Скорости вокодера и
соответствующие скорости передачи данных в линии указаны в таблице 3.17.
Предусматриваются некоторые улучшения, которые могут повысить емкость сети. В прямой линии может быть использован режим со скоростью передачи 0. Так как в этом направлении используется когерентный режим, терминалы абонентов могут оставаться в режиме синхронизации путем использования сигнала пилот-канала. Это направление ограничивает емкость сети. В обратном направлении, которое не является когерентным, может передаваться некоторая энергия, чтобы сохранить соответствующий приемник в рабочем состоянии.
Управление мощностью обеспечивает излучение минимально необходимой мощности,
достаточной для предоставления услуги с заданным качеством. Качество услуги
можно было бы определить в терминах относительной частоты неверно принятых
кадров (Frame Error Rate -
FER)
и вероятности отказа. Точное управление мощностью уменьшает излучаемую мощность,
необходимую для достижения заданного объективного качества услуги, значительно
увеличивая срок службы батарей портативного телефона. Кроме того, оно
увеличивает емкость сети.
Таблица 3.17 - Скорости вокодера и каналa
Конфигурация |
Скорость вокодера |
Скорость канала |
Цели |
Скорость 1 |
8550 |
9600 |
Режим высокого качества |
Скорость 1/2 |
3950 |
4800 |
Основной режим передачи речи |
Скорость 1/4 |
1750 |
2400 |
Основной режим передачи данных |
Скорость 1/8 |
800 |
1200 |
Паузы/Фон |
Управление мощностью и время вхождения в синхронизм являются тесно связанными.
После того как
требуемое значение отношения Eb/No установлено, цель управления мощностью состоит в сохранении
этого значения Eb/No. Время вхождения в синхронизм будет
увеличиваться, если значение отношения Eb/No устанавливается
или управляется неточно, отличаясь от требуемого значения. Для достижения этих
целей используются две петли.
Внутренняя петля
обеспечивает управление мощностью так, чтобы обеспечить требуемое значение
отношения Eb/No ,
используя для этого один бит управления на каждый кадр.
Внешняя петля устанавливает требуемое
значение отношения Eb/No на
основе измерений относительной частоты неверно принятых кадров.
3.2.6
Сценарии установления соединения
При запросе услуги связи и организации
коммутируемого соединения вызывающий пользователь с помощью своего ТА должен
указать:
- вид базовой
услуги;
- вид
дополнительной услуги, если она нужна;
- номер
вызываемого абонента.
ТА при этом автоматически выдаст в сеть ряд
сведений (свой идентификатор и т.д.) и автоматически будет участвовать в
процедурах установления соединения и организации необходимых услуг связи. От
пользователя не требуется участвовать в этих сложных процедурах.
Вызываемый абонент при входящем вызове должен выполнить
фактически только одну операцию - ответить на входящий вызов.
ТА не имеет абонентской линии, то есть
закрепленного за ним канала до космического аппарата
(КА). На этом участке, как обычно в спутниковых системах, используется принцип
"многостанционного доступа", при котором наземный пользователь получает
доступ по заново организованной линии к порту спутника только на время сеанса
связи. Принцип многостанционного доступа фактически реализует метод коммутации
каналов.
Соединение между абонентами сети Globalstar организуется с помощью коммутаторов,
расположенных в каждой СС. Между собой СС соединяются с помощью наземной сети данных Globalstar. Если одним из соединяемых абонентов является абонент ТФОП или наземной сотовой сети, то используются
также коммутационные станции этих сетей.
В системе Globalstar реализуются все необходимые функции сети
подвижной связи - регистрация абонента, определение местонахождения абонента и
слежение за блужданием ("роумингом")
абонента. Эти функции описываются ниже.
В организации коммутируемого соединения и
предоставлении услуг связи принимают участие многие элементы системы Globalstar - оконечное оборудование пользователя (ТА), одна
или несколько станций сопряжения (СС), космические аппараты (КА) и наземная
сеть данных Globalstar, соединяющая
станции сопряжения между собой и с центрами управления системой.
Участники
организации коммутируемых соединений могут выполнять разные роли.
Абонент системы Globalstar и, следовательно, его ТА может играть две разные
роли:
а) вызывающий (инициирующий) абонент - это абонент,
который запрашивает у сети услугу, то есть выдает исходящий вызов;
б) вызываемый (завершающий) абонент - это абонент,
который получает от сети входящий вызов.
Станции
сопряжения (СС), участвующие в организации соединения между абонентами, могут
выполнять разные роли.
Рисунок
3.16 - Установление соединения между двумя терминалами абонентов системы Globalstar (максимальный вариант)
По отношению к
устанавливаемому или установленному соединению различают два вида СС:
а) инициирующая СС - это СС, обслуживающая вызывающего
абонента;
б) завершающая СС - это СС, обслуживающая
вызываемого абонента.
По отношению к конкретному абоненту системы Globalstar различают еще два вида СС:
в) опорная СС - это СС, в которой этот абонент
зарегистрирован (абонирован), при установлении
соединения абонент может находиться в зоне опорной СС или вне этой зоны;
.
Рисунок 3.17 -
Установление соединения между двумя терминалами абонентов системы Globalstar (минимальный вариант)
Рисунок 3.18 - Участники установления
соединения от ТА системы Globalstar к
абоненту наземной сети
г)
визитная СС - это СС,
в зоне которой находится этот абонент, когда он вышел за пределы зоны своей
опорной СС и является "визитером" для обслуживающей его СС.
В большинстве
случаев СС выполняет только роль визитной СС, так как роль опорной СС выполняет опорная станция местной
сотовой сети, где зарегистрированы (абонированы) пользователи этой сотовой
сети, которые одновременно являются пользователями системы Globalstar.
Там, где отсутствует сотовая сеть, и там, где у
пользователей имеются однорежимные ТА (работающие только в системе Globalstar), СС
выполняет также роль опорной СС.
При организации соединения между абонентами системы
Globalstar могут участвовать максимально четыре СС (рисунок 3.16), а минимально -
одна СС (рисунок 3.17). Опорные СС участвуют только в процессе установления
соединения. В процессе передачи информации пользователей (речи, данных и т.д.)
по установленному соединению опорные СС не участвуют.
Если абонент (вызывающий
или вызываемый) не является абонентом системы Globalstar, а является абонентом ТФОП или
соединенной с ней сотовой сети, то по отношению к этому абоненту различают еще
один вид СС;
д) СС-ТФОП - это СС,
имеющая шлюз с сетью ТФОП и сотовой сетью.
Пример установления соединения с участием СС-ТФОП
показан на рис. 3.18.
Одна конкретная СС может
выполнять все эти пять ролей одновременно (по отношению к разным абонентам, по
отношению к разным соединениям).
Тип запрашиваемой базовой услуги: телефонная связь,
пейджинговая связь, факсимильная связь,
передача данных между компьютерами, определение местонахождения (в этом случае
организуется связь ТА только с СС).
Из этих примеров очевидно, что существует множество
сценариев установления соединения и предоставления услуг связи.
3.2.7 Процедуры предоставления услуг
Стартовая функция ТА задается программно. Например,
двухрежимный ТА при включении может делать вначале запрос обслуживания в
местную сотовую сеть. При неудачной попытке ТА автоматически делает запрос
обслуживания в систему Globalstar.
Все процедуры предоставления услуги связи в системе
Globalstar можно разделить, как и во всех сетях связи с коммутацией каналов, на
три фазы:
а) фаза установления соединения;
б) фаза передачи информации пользователя по
установленному соединению;
в) фаза разъединения соединения.
В системе Globalstar используются довольно сложные процедуры
установления соединения. Обязательными процедурами являются:
а) запрос обслуживания - эта процедура необходима
для организации радиолинии между ТА и спутником;
б) аутентификация пользователя (точнее его ТА) -
эта процедура необходима для начисления платы за пользование связью на
определенного пользователя и для недопущения связи в некоторых случаях
(например, вызов с использованием украденного ТА);
в) определение местоположения пользователя; эта
процедура необходима для определения права пользователя получать связь на
указанной территории (например, власти страны могут запрещать связь для
иностранцев на всей территории страны или в некоторых областях) и для
организации входящих вызовов к пользователю;
г) регистрация (точнее перерегистрация)
местоположения пользователя - эта процедура необходима для обновления сведений
о пользователе (главным образом, сведений о его местоположении), хранящихся в
станции сопряжения системы Globalstar (или в опорной станции наземной сотовой сети), в
которой пользователь зарегистрирован (абонирован).