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&AMPS

 

 

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.

-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).


 


Эти процедуры реализуют функцию "роуминга", т.е. функ­цию слежения за "блужданиями" пользователя и обеспечения связи с ним из любой зоны, охваченной системой.

В фазе передачи информации системы подвижной связи еще имеется и характерная про­цедура: смена канала - эта процедура необходима для автоматических переключений каналов в процессе взаимного перемещения пользователей и спутников.

С учетом вышеизложенного укрупненный алгоритм проце­дуры предоставления услуг связи будет выглядеть так, как пока­зано на рисунок 3.19. Этот алгоритм пригоден во всех службах, кроме службы пейджинга и службы навигационного обеспечения, в ко­торых используются модификации изображенного алгоритма.

Первой процедурой в фазе установления соединения явля­ется запрос обслуживания (Acquisition) - это процесс организа­ции и закрепления информационных каналов между ТА и обслу­живающими его космическими аппаратами (КА). Этот процесс заключается в следующем.

ТА сравнивает сигналы пилот-каналов видимых спутников и синхронизируется по лучшему из них. Затем он подключается к синхроканалу и пейджинговому каналу этого же спутника и по­лучает от спутника служебную информацию (точное время, эфе­мериды спутников, доступные лучи и др.), необходимую для ус­тановления соединения и последующей смены канала. С исполь­зованием этой информации ТА точно фазируется, точно синхро­низируется, точно компенсирует допплеровский сдвиг на связях со всеми видимыми спутниками.

Если абонент желает сделать вызов, то он набирает номер вызываемого абонента и нажимает кнопку SEND (ПЕРЕДАЧА). ТА по каналу доступа передает к СС этот номер и идентификатор ТА. В результате СС выделяет для данного ТА информационные каналы ко всем видимым спутникам.

Различают два вида запроса обслуживания:

а) "Холодный старт". Он происходит тогда, когда ТА не имеет сведений о своем местонахождении. ТА захватывает пилот-канал от одного из спутников и его синхроканал. Получив дополни­тельные сведения по синхроканалу, ТА быстрее захватывает лу­чи от других спутников. Общее время "холодного старта" со­ставляет 12-20 с.;

б) "Теплый старт". Он происходит тогда, когда ТА имеет сведе­ния о своем местоположении, а также о точном времени и эфеме­ридах спутников (т.е. сведения, полученные при предыдущей связи со спутниками). В ТА определяются спутники, которые должны оказаться в его поле зрения. На этой основе предвари­тельно оцениваются ожидаемые допплеровские сдвиги и квазис­лучайные последовательности радиосигналов. Это позволяет рез­ко уменьшить время на поиски и подстройки. Общее время "теп­лого старта" составляет 1,5 - 2,5 с.

Далее выполняются процедуры аутентификации пользователя, определения местонахождения пользователя и регистрации местонахождения пользователя, которые образуют единый сложный процесс.

Аутентификация пользователя (проверка действительно­сти ТА). Этот процесс позволяет проверить, что ТА, а точнее его модуль SIМ (Subscriber Identification Module - Модуль идентифи­кации абонента), является действительным (законным) и, следо­вательно, абонент является разрешенным для системы Globalstar. Аутентификация предотвращает возможность выхода на связь одного абонента под видом другого и предотвращает, таким об­разом, возможность соединения с неразрешенным вызывающим или вызываемым абонентом.

Процесс аутентификации основан на специальной крипто­графической процедуре, называемой асимметричным алгоритмом (или алгоритмом "с открытым ключом"). В этом алгоритме на ос­нове "секретного" ключа Ki и случайного числа RAND ("откры­того ключа") вычисляется третье число, обозначаемое SRES. Ал­горитм позволяет однозначно вычислить SRES по RAND и Ki, но не позволяет определить Кi, зная RAND и SRES, либо даже зная множество RAND и SRES.

В каждом модуле SIМ имеется собственное число Ki, кото­рое полностью защищено от несанкционированного считывания. Каждое Ki хранится также в центре аутентификации опорной СС.

Рисунок 3.19 - Алгоритм процедуры предоставления услуги связи

 

Центр аутентификации вырабатывает RAND и передает его к ТА. Программа ТА, включающая в себя алгоритм "с открытым ключом", с помощью Ki, записанного в SIМ, и полученного RAND вычисляет число SRES, а затем передает его к опорной СС. Центр аутентификации в опорной СС сравнивает этот SRES с тем, который вычислен на месте. Если они совпадают, то SIМ признается действительным, то есть аутентификация закончилась благополучно.

Определение местоположения пользователя ("геолока­ция") при установлении соединения выполняется на опорной СС в режиме  обычной точности (±10 км). Точность определения местоположения зависит от взаимного геометрического располо­жения ТА и используемых КА, а также от других факторов. В процессе определения местоположения производится серия пере­дач между ТА и визитной СС, при которых измеряется время распространения в канале и разности частот. Результаты и до­полнительные сведения передаются в опорную СС абонента.

С помощью этих сведений опорная СС определяет местопо­ложение абонента. Исходя из него она определяет, нет ли запрета для работы этого абонента с данной территорией.

Регистрация местоположения абонента - это процесс об­новления сведений о местоположении абонента. Такие сведения необходимы сети для инициирования и завершения вызова. В ча­стности, эти сведения необходимы для посылки абоненту входя­щего вызова. При посылке вызова используется последнее из­вестное сети местоположение абонента. Если абонент далеко передвинулся от последнего зарегистрированного места, то он не будет получать входящие вызовы. Необходимо проведение реги­страции (точнее, перерегистрации).

Перерегистрация (если она необходима) производится при каждом успешном доступе к сети (как вызывающего ТА, так и вызываемого ТА).

В процессе регистрации основную роль играют два регист­ра: опорный регистр местонахождения и визитный регистр ме­стонахождения.

На станции сопряжения всегда располагается визитный ре­гистр местоположения (Visited Location Register-VLR), в кото­рый записываются сведения об абонентах - визитерах, в т.ч. их местонахождение. На станции сопряжения может также распола­гаться опорный регистр местоположения (Home Location Register-HLR), хранящий базу данных об абонентах, зарегистри­рованных в этой СС; здесь записываются сведения о последнем местоположении абонента, даже если он находится вне зоны этой СС.

Если на СС отсутствует HLR, то в процессе установления соединения используется "внешний HLR", то есть HLR опорной станции сети, в которой зарегистрирован абонент, имеющий двухрежимное или трехрежимное ТА.

Во время процедуры регистрации ТА сообщает в СС свой идентификатор, статус, тип ТА и номер временного интервала в пейджинговом канале. Эти сведения и результат определения ме­стоположения ТА записываются в визитный регистр СС.

Получив идентификатор ТА, визитная СС определяет из не­го номер для вызова опорного регистра этого ТА. Связь визитной СС с опорным регистром (обычно в опорной станции сотовой се­ти) осуществляется по наземной сети данных Globalstar.

Данные пользователя проверяются в опорном регистре на действительность. В опорном регистре обновляются сведения о местоположении пользователя (если местоположение измени­лось). Из опорного регистра в визитную СС передаются решение о действительности ООП и параметры абонента.

Далее инициирующая визитная СС по наземной сети дан­ных Globalstar устанавливает связь с завершающей опорной СС, а затем с завершающей визитной СС, которая посылает входящий вызов вызываемому пользователю. Вызывающий пользователь слышит сигналы контроля вызова. Ответом вызываемого пользо­вателя завершается фаза установления соединения.

Рассмотрим теперь процедуры установления соединения у вызываемого ТА.

Завершающая опорная СС, получив входящий вызов (в т.ч. номер вызываемого абонента), с помощью опорного регистра оп­ределяет визитную СС, в зоне которой находится этот абонент (если он не находится в зоне действия опорной СС). Вызов пере­сылается к этой визитной СС. Она выполняет операции запроса обслуживания, аутентификации, определения местонахождения и регистрации вызываемого ТА, похожие на аналогичные процеду­ры, описанные выше для вызывающего ТА.

Если все проверки закончились благополучно, то к вызы­вающему ТА посылается входящий вызов. Ответом вызываемого пользователя завершается фаза установления соединения.

Если в соединении используется какая-либо дополнитель­ная услуга (или услуга), запрошенная вызывающим или вызы­ваемым абонентом, то процедуры установления соединения соот­ветственно усложняются на вызывающей или вызываемой сторо­не соединения.

Когда одним из абонентов в связи является абонент мест­ной сотовой сети, в этой сотовой сети выполняются процедуры запроса обслуживания, аутентификации, определения местона­хождения и регистрации, похожие на процедуры системы Globalstar.

Когда одним из абонентов в связи является абонент сети ТФОП, процедура установления соединения будет соответство­вать протоколам сети ТФОП на стороне абонента этой сети. На противоположной стороне соединения (на стороне ТА) будут вы­полняться процедуры системы Globalstar.

Все ТА и СС в системе Globalstar имеют собственные номе­ра (адреса), которые используются для выбора маршрута вызова и нахождения вызываемого абонента.

В процессе установления соединения используются вре­менные номера, которые присваиваются вместо постоянных. Вы­полняется несколько процедур идентификации абонента. Все это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа к систе­ме, от использования похищенных ТА, от несанкционированного наблюдения за трафиком абонента и за местоположением або­нента.

Одна из проверок выполняется с использованием индиви­дуальных криптографических ключей абонентов (Ki), что обес­печивает высокую точность аутентификации ТА.

Одному абоненту могут быть присвоены несколько номе­ров, например, номер для телефонной связи и номер для факси­мильной связи.

Фаза передачи информации пользователя зависит в ос­новном от вида службы, запрошенной вызывающим абонентом. В службах телефонной связи, факсимильной связи и передачи данных производится передача цифровых сигналов по сквозному коммутируемому соединению от абонента к абоненту.

В службах телефонной связи и передачи данных произво­дится шифрование сигналов, передаваемых по радиоканалам, для дополнительной защиты информации от подслушивания.

В службе пейджинга используется метод коммутации со­общений. Пейджинговое короткое сообщение от абонента-отправителя передается к СС, где оно запоминается в промежу­точном накопителе. Затем оно по каналу пейджинга передается к абоненту-получателю и отображается на дисплее его ТА.

В службе определения местоположения пользователей со­единение устанавливается только между ТА и СС, либо не уста­навливается вообще. Используются две возможные процедуры:

а) процедура с обычной точностью;

б) процедура с повышенной точностью.

В процедуре с обычной точностью пользователь связывает­ся с СС, которая выдает ему результат определения местонахож­дения, выполненного для регистрации (см. выше описание реги­страции).

В процедуре с повышенной точностью используются до­полнительные вычислительные программы в ТА и в СС. Высокая точность достигается благодаря увеличению точности определе­ния положения и скоростей спутников. Для этого используются приемники GPS, установленные на каждом спутнике.

Возможны два режима:

а) активное определение, при котором ТА связывается с СС; основные вычисления производятся на СС;

б) пассивное определение, при котором ТА вычисляет свое местонахождение без помощи СС (но с использованием сведе­ний, полученных ранее от СС).

Во всех случаях увеличение времени измерений повышает точность определения местонахождения.

Для поддержания установленного соединения должны сис­тематически использоваться процедуры смены канала (Handoff). Так как спутники пролетают над местом расположения абонента, необходимо производить автоматические операции по смене ка­нала. Имеются три причины для смены канала и, соответственно, три типа смены канала:

а) смена канала (частоты) внутри луча;

б) внутриспутниковая смена канала, т.е. смена луча, обслуживающего абонента, внутри одного КА;

в) межспутниковая смена канала, т.е. смена спутника, обслуживающего абонента.

Смена канала производится следующим образом. ТА полу­чает от СС текущую базу данных, в т.ч. список лучей, которые могут быть использованы для смены канала. ТА автоматически выбирает лучший луч из списка на основе результатов автомати­ческого измерения качества распространения волн в разных лучах. Выбрав новый луч, ТА запрашивает у СС смену канала.     Под управлением СС производятся необходимые переключения в ТА и в самой СС. После каждой смены канала СС обновляет базу данных, передаваемую к ТА.

Используются три режима смены канала, которые могут изменяться во времени:

а) мягкий режим, при котором в приемнике демодулируются сигналы двух или большего числа лучей с одной и той же ин­формацией, после пропадания сигнала одного из лучей связь продолжается через другой луч, такая смена канала незаметна для пользователей;

б) жесткий режим, при котором прекращается демодуляция одного сигнала и начинается демодуляция сигнала другого кана­ла с измененной частотой или номером кадра, в этом случае про­исходит кратковременное прерывание информационного канала. При одновременной связи через два или большее число спутни­ков такая смена канала может быть незаметна для пользователей;

в) сопровождающий режим, при котором для ТА назначает­ся несколько линий вниз, сигнал может передаваться по любой группе из этих линий, если сигнал передается более чем по одной линии, то ТА комбинирует их, смена канала в таком режиме обычно незаметна для пользователя ООП.

Не каждый режим может быть использован при каждом ти­пе смены канала. В таблице 3.18 показаны возможные их сочетания для линии вниз и линии вверх.

 

Таблица 3.18 - Использование разных режимов смены канала

Тип смены канала

Линия вниз (к ТА)

Линия вверх (от ТА)

Между спутниками

Мягкий / сопровождающий / жесткий

Мягкий / жесткий

Между лучами одного спутника

Мягкий / сопровождающий / жесткий

Мягкий / жесткий

Внутри луча

Жесткий

Жесткий

 

Разъединение соединения. Станция сопряжения следит за установленным соединением с целью своевременного его разъе­динения. Разъединение может быть нормальным (по инициативе одного из абонентов) или ненормальным. При разъединении из­вещается второй абонент (или оба абонента при ненормальном разъединении), освобождаются ресурсы, которые были выделены для соединения, и производится запись для начисления оплаты за соединение.


4 Системы подвижной связи с космическими аппаратами на геостационарной орбите

Прогресс в развитии систем традиционной подвижной спутниковой связи за последние годы впечатляет. Так, масса земных станций изменилась с 300 до 3-5 кг, уменьшались разме­ры антенн, и, наконец, что самое главное, был полностью пересмотрен подход к профессио­нальной подготовке операторов.

В настоящем разделе рассмотрены проекты систем мобильной персональной радиоте­лефонной связи и передачи данных со спутниками на геостационарной орбите (ГСО). Систе­мы Inmarsat-M предназначены преимущественно для обеспечения радиотелефонной связи, а системы Inmarsat-C ориентированы, главным образом, на низкоскоростную передачу данных.

4.1 Система  INMARSAT

Международная организация морской спутниковой связи Inmarsat создана в 1979 г. В ее состав входят 79 государств. Наиболее значительная доля инвестиций различных стран со­ставляет: США - 22,35%, Великобритания - 11,14%, Япония - 9%, Норвегия - 7,83%, Фран­ция - 5,24%, Германия - 4,58%, Россия - 4,43% и Канада - 2,73%. Эксплуатация системы для морских пользователей началась с 1982 г.

В соответствии с международным соглашением, задачей организации является обеспе­чение безопасности мореплавания и охраны человеческих жизней на море, оповещение о бедствиях, радиоопределение местоположения судов, координации поисково-спасательных работ на море, повышения эффективности плавания судов и организация коммерческой мор­ской связи. По мере развития системы и роста пропускной способности, были разработаны различные модификации терминалов и реализованы также услуги воздушной и сухопутной службам. По оценкам потребности рынка, к 2000 г. число абонентских терминалов системы Inmarsat достигнет : 300 тыс. - плавучие объекты, 18 тыс. - самолеты, 180 тыс. - персо­нальные пейджеры, 300 тыс. - сухопутные ПО, персональные терминалы, т. е. к указанному сроку число "сухопутных" терминалов примерно в 1,5 раза превысит число мобильных мор­ских и авиа терминалов

4.1.1 Состав, виды услуг и особенности построения

В состав системы Inmarsat входят:

- космический   сегмент,   состоящий   из   рабочих   и   запасных   геостационарных   КА   с ретрансляторами и командно-измерительного комплекса (наземных станций слежения и др.);

- наземный сегмент, включающий в себя береговые земные станции (БЗС), координи­рующие сетевые станции (КСС) и эксплуатационный контрольный центр (ЭКЦ);

- парк земных станций и терминалов: мобильные (морские суда, самолеты), носимые и стационарные; терминалы используются как для коллективного, так и индивидуального пользования.

Работа системы Inmarsat осуществляется в диапазонах частот, выделенных на первич­ной основе для подвижной спутниковой службы. Для связи с подвижными абонентами используется L диапазон частот: 1626,5-1660,5 МГц (линия " Земля - спутник ") и 1525,0-1559,0 МГц (линия "спутник - Земля"). Работа фидерных линий осуществляется в С диапазоне: 6425-6450 МГц (линия "Земля - спутник") и 3600-3623 (3600-3630) МГц (линия "спутник -Земля").

Контроль за работой полномасштабной системы осуществляет эксплуатационный кон­трольный центр. ЭКЦ обеспечивает прием и обработку информации о состоянии работоспо­собности всех элементов системы, контролирует характеристики космического сегмента, реализует планы ввода в эксплуатацию новых технических средств.

Береговые земные станции служат промежуточными звеньями между спутниками сис­темы Inmarsat и береговыми абонентами, с которыми они могут соединяться по международ­ным и национальным телефонным и телеграфным сетям. Связь объектов в системе Inmarsat осуществляется только через БЗС. Все береговые станции системы Inmarsat обеспечивают для судов, терпящих бедствие, возможность быстрого соединения по телефонному или теле­ксному каналу со службами, участвующими в поисково-спасательных работах.

В каждой подспутниковой зоне Inmarsat работают несколько стандартных БЗС, одна из которых выполняет функции координирующей сетевой станции. КСС следит за работой спут­никовой сети в данном регионе, распределяет пропускную способность ретранслятора между береговыми станциями. В функции КСС входит передача сообщений абонентам сети на основной (1537,750 МГц) или резервной (1538,475 МГц) вызывных частотах, а также ретрансляция ряда других категорий специальных сообщений.

Космический сегмент системы Inmarsat

На первых этапах создания системы Inmarsat связь организовывалась через арендуе­мые у других организаций спутники Marisat, Marecs и Intelsat-5MSC. В настоящее время орби­тальная группировка системы Inmarsat состоит из 6 КА Inmarsat (4 "КА типа lnmarsat-2 и 2 КА типа Inmarsat-З) и 7 КА старого поколения (типа Marisat и Intelsat-5MCS).

Подспутниковая зона орбитальной группировки системы Inmarsat охватывает четыре океанических региона: Атлантический восточный (АОР-В), Атлантический западный АОР-3, Индийский (ИОР) и Тихоокеанский (ТОР). Над каждым из океанических регионов находятся по одному действующему и по два запасных спутника, что обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земного шара, за исключением приполярных районов. В таблице 4.1 приведе­ны состав космического сегмента и точки стояния КА системы Inmarsat.

Таблица 4.1

 

Океанический регион

АОР-В

АОР-3

ИОР

ТОР

Основные КА

Inmarsat- 2 F4 (55° з.д.)

Inmarsat-2F2 (15,5° з.д.) Marecs B2 (15,2° з.д.)

lnmarsat-2 F1 (64,5° в.д.)

lnmarsat-2 F3 (178° в.д.)

Резервные КА

Intelsat MCS-B (50° з.д.)

Intelsat MCS-A (66°в.д.)

Marisat F2 (72,5° в.д.)

Intelsat MCS-D (180° в.д.)

Marisat F1 (106° з.д.)

Marisat F3 (176,5° в.д.)

Спутники третьего поколения размещаются в следующих орбитальных позициях: 64,5° в.д. (Inmarsat-3F1) и 180,5° з.д. (Inmarsat-3F2).

Космические аппараты lnmarsat-2 и Inmarsat-3

Разработку и изготовление спутника Inmarsat-2 провели фирма British Aerospace (Вели­кобритания) совместно с фирмами Hughes Aircraft (США) и Matra (Франция). Конструкция спутника lnmarsat-2 базируется на стандартной платформе Eurostar со стабилизацией по трем осям. Ретрансляционная аппаратура спутников Inmarsat-2 использует стандартные для под­вижной морской связи диапазоны частот L (1,6/1,5 ГГц) и С (6/4 ГГц).

Ретранслятор выполнен без обработки информации на борту, т.е. осуществляет прием, усиление и перенос сигналов по частоте. Диаграмма направленности антенных систем опти­мизирована для облучения поверхности соответствующего региона Земного шара. Стартовая масса спутника составляет 1200 кг, масса на орбите - 860 кг.

Спутники третьего поколения Inmarsat-З организуют в L диапазоне один глобальный луч и 5 остронаправленных лучей с высокой  ЭИИМ  (до 46 дБВт),  один  глобальный луч для GPS/Глонасс" и 2 остронаправленных луча в С - диапазоне, что позволяет уменьшить габа­риты и существенно снизить требования к ЭИИМ подвижных терминалов. Этот ствол в соче­тании с более широкой полосой частот (до 29 МГц) позволил увеличить пропускную спо­собность КА до 1000 телефонных каналов. Основные характеристики КА lnmarsat-2 и Inmarsat-З приведены в таблице 4.2. Наряду со связным оборудованием, на борту КА lnmarsat-3 установлены навигационные приемники GPS/Глонасс" сигналов, а также дополнительное оборудование, обеспечивающее ретрансляцию навигационных сигналов, подобные сигналам систем GPS/Глонасс".

 

 

Таблица 4.2 - Основные характеристики космических аппаратов и ретрансляторов системы Inmarsat

Тип спутника

lnmarsat-2

lnmarsat-3

Спутниковая платформа

Eurostar

Satcom 4000

Размах панели с солнечными батареями, м

15,23

20

Масса КА, кг

1200

1900

Мощность СЭП, Вт

1200

1670 (общая) 1440 (L) + 115 (С)

Количество лучей

4 (С диапазон) 1 (L диапазон)

1 глобальный (L диапазон) 5 узких (L диапазон) 2 узких (С диапазон) 1 глобальный (GPS/Глонасс")

ЭИИМ (L - диапазон)

39

46

Количество эквивалентных телефонных каналов

250 (судно - берег) 150 (берег - судно)

1000

Срок службы, лет

10

13

Стоимость КА, млн. долл.

73

80

4.1.2 Земные и абонентские станции

Береговые земные станции

В настоящее время в системе Inmarsat функционируют 40 береговых станций, располо­женных в различных странах мира, в том числе и на территории СНГ (Одесса и Находка). Эти станции обслуживают абонентов в Атлантическом, Индийском и Тихоокеанском регионах. Береговые станции находятся во владении тех стран, на чьей территории они находятся. Их экс­плуатация осуществляется уполномоченными  организациями национальных админист­раций.

Алгоритмы работы БЗС и их основные тактико-технические параметры должны нахо­диться в строгом соответствии с требованиями организации Inmarsat. Каждая БЗС имеет за­крепленную за ней несущую, которая уплотняется 22 телеграфными каналами. Телефонные каналы не закреплены за конкретными станциями, а находятся в "общем пользовании". Бере­говые станции имеют выход в национальные и международные сети телефонной и телексной связи.

Работа абонента, имеющего аппаратуру определенного стандарта, через береговую станцию может осуществляться только в случае, если БЗС имеет соответствующее оборудо­вание. В частности, все БЗС оснащены оборудованием, поддерживающим связь со станция­ми Стандарта Inmarsat-A. Что же касается высокоскоростного режима передачи данных, то он осуществляется только через некоторые из них. Аналогичная ситуация происходит и с осна­щением БЗС оборудованием других стандартов. Так, протоколы Стандарта Inmarsat-C под­держивает около 20 БЗС, причем на территории РФ таких станций нет. Услуги Стандартов Inmarsat-M и Inmarsat-B предлагаются еще меньшим числом БЗС, в основном вновь созда­ваемыми береговыми станциями.

На береговых станциях используются параболические антенны, с диаметром 12-15 м. Стоимость береговой станции в зависимости от комплектации составляет 1,0 - 2,5 млн. долл.

Парк абонентских станций

В системе Inmarsat подвижные объекты оснащаются разными типами оконечного або­нентского оборудования, которое должно удовлетворять специфическим требованиям от­дельных категорий пользователей, известным как Стандарты. Наибольшее распространение получили следующие виды стандартов.

Стандарт Inmarsat-A. ЗC этого стандарта предназначены для работы в сетях телефон­ной, факсимильной, телексной и телеграфной связи. Станция оснащена параболической ан­тенной диаметром 0,8 - 1,2 м. Связь устанавливается после набора номера в автоматическом режиме. К настоящему времени выпущена 71 модель станций, разработка новых станций это­го стандарта прекращена.

Стандарт Inmarsat-B. Цифровая ЗС, предлагающая расширение функциональных услуг Стандарта А с одновременным снижением их стоимости. Передача речи и данных осуществ­ляется со скоростью 24 кбит/с с использованием модуляции типа QPSK со сдвигом фазы. Размеры антенны те же, что и для станций Стандарта А. В коммерческую эксплуатацию эта подсистема введена в 1994 г. Планируется, что в ближайшие годы ЗС Стандарта В постепен­но заменят существующий парк станций Стандарта А. Модели наземных ЗС могут быть раз­мещены в 1 - 2 чемоданах или же установлены непосредственно на транспортных средствах.

Стандарт Inmarsat-C. Малогабаритная станция персональной связи с ненаправленной или слабонаправленной антенной, обеспечивающая передачу информации в пакетном режи­ме. Обмен данными, в том числе короткими сообщениями, осуществляется со скоростью 600 бит/с . Организацией Inmarsat уже одобрено 12 моделей станций Стандарта С в морском ис­полнении и 8 моделей для других служб.

Стандарт Inmarsat-M. Малогабаритная станция спутниковой связи, обеспечивающая радиотелефонную и факсимильную связь, передачу данных. Передача информации осуществ­ляется со скоростью 8 кбит/с (данные) с использованием модуляции типа QPSK. Использует­ся антенна диаметром 40 - 50 см, а также ФАР для подвижных наземных объектов.

Стандарт Inmarsat-Mini-M. Малогабаритная станция, предназначенная для радиотеле­фонной и пейджинговой связи.

Основные характеристики морских и сухопутных терминалов Стандартов А, В, С, М и Mini-M приведены в таблице 4.3.

 

 

Таблица 4.3 - Основные характеристики морских и сухопутных терминалов системы Inmarsat

 

Стандарт

А

В

С

М

Mini-M

Год начала эксплуатации

1976

1992

1991

1993

1997

Скорость передачи, кбит/с

до 64

24 (речь) до 64 (данные)

0,6

ДО 8

4,8 (речь) 2,4 (данные)

Модуляция

ЧМ

QPSK

BPSK

QPSK

BPSK, OQPSK

G/T, дБ/К

-4

-4

-23

-12...-10

н/д

ЭИИМ, дБВТ

36

33

14±2

27

11-17

Полоса, кГц

50

20

5

10

10

Стоимость терминала, долл.

25 000

25 000

5000

15000-25000

4000

Стоимость услуг, долл./мин

8-12

5,5

1 долл. за 1 кбит

5,5

3

В системе Inmarsat используется несколько типов самолетных станций, предназначен­ных для обеспечения следующих видов услуг:

- Inmarsat-Aero-H - 6-канальная, работающая в режимах: радиотелефонная связь, факс, телекс, высокоскоростная передача данных - для обслуживания экипажей воздушных судов и пассажиров на международных авиалиниях;

- lnmarsat-Aero-\ - 4-канальная, работающая в режимах: радиотелефонная связь, факс,телекс, высокоскоростная передача данных - предназначена для обслуживания экипа­жей воздушных судов и пассажиров на международных авиалиниях;

- Inmarsat-Aero-L - одноканальная, режим низкоскоростной передачи данных для обеспе­чения безопасности полетов воздушных судов;

- Inmarsat-Aero-C - одноканальная, режим низкоскоростной передачи данных, удовлетво­ряющая требованиям Стандарта Inmarsat-C.

Основные параметры терминалов, предназначенных для воздушных судов, приведены в таблице  4.4.

Таблица 4.4 Основные параметры самолетных терминалов стандарта Аero

Стандарт

Аего-Н

Aero-I

Aero-L

Аего-С

Число каналов (макс)

6

4

1

1

Скорость передачи, кбит/с,

2,4...9,6

2,4...4,8

1,2

0,6

ЭИИМ, дБВТ

22,5-25,5

22,5

13

12-14

G/T, дБ/К

-13

-19

-26

-23

Стоимость, тыс. долл.

250-500

до 250

до 100

н/д

4.1.3 Система INMARSAT-M

Система цифровой спутниковой телефонной связи Inmarsat-M является первой среди подобного класса систем, которая предоставляет возможность установления и ведения рече­вого обмена без участия оператора связи. Терминал Inmarsat-M находится в личном пользо­вании абонента.

Система Inmarsat-M обеспечивает двухстороннюю телефонную связь (до 8 кбит/с) и пе­редачу данных или факсимильных сообщений (группа G3) со скоростью 2,4 кбит/с. Основная область применения - предоставление услуг пользователям, удаленным от наземных телефонных сетей общего пользования. Система Inmarsat-M также обеспечивает интерфейс для обмена данных в сетях пакетной коммутации (Х.25) и электронной почты (Х.400).

Для абонентов Inmarsat-M предоставляются следующие дополнительные виды услуг:

- введение индивидуальных идентификационных номеров для абонентов, коллективно ис­пользующих станцию Inmarsat-M;

- автоматическая регистрация длительности занятия канала станции с выводом данных на дисплей или принтер;

- доступ к спутниковому каналу по кредитной карточке и др.

Комплект станции для установки на подвижных объектах включает приемо-передающий терминал и легкую, развертываемую на остановке антенную решетку, которую наводят на геостационарный спутник.

Протоколы работы системы Inmarsat-M поддерживают около 20 береговых ЗС. Серий­ное производство станций освоено более чем 10 фирмами в различных регионах мира.

Особенно привлекательна для персональных пользователей последняя модификация станции (Стандарт Mini-M). Масса станции составит 3-5 кг. Стоимость терминала - около 4000 долл., тариф - 3 долл/мин.

В системе Inmarsat-M возможно установление соединений не только с абонентами се­тей общего пользования, но также и двух абонентов системы между собой с использованием двойной ретрансляции через береговые ЗС.

Для сухопутных пользователей разработаны два базовых варианта исполнения станции Стандарта-М: "кейс- дипломат" и переносной контейнер.

Терминал типа "кейс-дипломат" представляет собой облегченный вариант носимой станции, ориентированной преимущественно для персональных пользователей, совершающих деловые поездки. В кейс-дипломат, кроме собственно антенны, размещаемой в крышке, мо­жет дополнительно укладываться миниатюрный факс-аппарат или малогабаритное печатаю­щее устройство.

Основные характеристики автомобильного терминала модели CAPSAT ТТ-3062 (фирма Thrane & Thrane): скорость передачи - 5,6 кбит/с (OQPSK) или 3 кбит/с (BPSK), напряжение питания - 10,5-32 В постоянного тока, телефонный интерфейс - RJ-11, масса - 3 кг (масса приемопередатчика - 1,3 кг). Время развертывания и подготовки терминала к работе не бо­лее 1 мин.

Контейнерный вариант терминала предназначен для эксплуатации в полевых условиях или для установки на подвижные объекты, включая летательные аппараты. Он имеет значи­тельно больший вес и габариты, его отличает промышленный дизайн и возможность авто­номного электропитания. Так, терминал Стандарта-М фирмы NEC имеет массу порядка 16 кг.

4.1.4 Система INMARSAT-C

Система Inmarsat-C предоставляет пользователям следующие виды услуг:

- автоматический сбор данных с транспортных средств или судов. Центр управления может опрашивать подвижные терминалы периодически (через фиксированные проме­жутки времени) или же в заранее определенные моменты времени.

- определение местоположения. Передаваемые данные о местоположении могут быть получены от наземных систем Decca и Loran-C, спутниковых систем GPS/Глонасс и Transit или другого навигационного оборудования, установленного на подвижном объек­те.

- координация поисково-спасательных работ. Система обеспечивает передачу зара­нее запрограммированных сообщений (путем нажатия одной или нескольких кнопок). Записанные в память терминала аварийные сообщения указывают на последнее место­положение подвижного объекта.

- отслеживание угона транспортных средств.   В  случае угона,   вмонтированное в транспортное средство датчики посылают аварийный сигнал на терминал, к нему до­бавляется информация о местоположении, и сообщение излучается в эфир. Принимае­мая информация поступает на станцию наблюдения, связанную с соответствующими службами обеспечения безопасности.

Организация связи в системе INMARSAT-C

 


Абонентские станции системы Inmarsat-C осуществляют связь с диспетчерскими цен­трами соответствующих служб через региональные береговые ЗС, выполняющих функции станций сопряжения сети. Структурная схема сети связи системы Inmarsat-C представлена на рисунке 4.1.

 

Рисунок 4.1 - Структурная схема сети связи системы Inmarsat-C

 

 

Сообщения, полученные из наземных сетей, сначала запоминаются на станции сопря­жения, а затем преобразуются из исходного формата (телекс, данные и др.) в удобную для передачи в системе Inmarsat-C форму. На процедуру накопления и передачи уходит обычно несколько минут. Однако приоритетные сообщения, типа аварийных, обрабатываются в тече­ние нескольких секунд.

Передача данных в радиоканал осуществляется с использованием фазовой манипуля­ции и помехоустойчивого кодирования (сверточный код r=1/2, k=7). Метод многостанционно­го доступа - синхронная Алоха. Длительность кадра - 8,6 с.

Абонентская станция стандарта Inmarsat-C, оборудованная встроенным GPS приемни­ком, позволяет автоматически передавать данные о местоположении объекта в диспетчер­ский центр.

Дополнительные виды услуг системы Inmarsat-C

Служба FleetNET. Сеть циркулярной связи, позволяющая передавать сообщения неог­раниченному числу заранее определенных абонентов. FleetNET используется для учета або­нентской платы, передачи информационно-справочных данных, организации диспетчерской связи.

Этим перечень услуг не ограничивается. Любая организация может стать провайдером услуг. Пользователям предоставляется возможность модифицирования или изменения пара­метров группового вызова. Данный вызов может быть осуществлен через ТФОП, по телексу, видеотекстовому терминалу или с ПК, имеющего соответствующее программное обеспечение.

Служба SafetyNet. Выделенная сеть для распространения информации о морской безопасности используется гидрографическими, метеорологическими, береговыми службами безопасности и администрациями, координирующими деятельность поисково-спасательных бригад. Она сходна с FleetNET, но имеет дополнительную возможность автоматического вы­хода на технические средства района бедствия.

Предоставляемые сетью SafetyNet услуги включают передачу информации по обеспече­нию безопасности мореплавания, метеосводки и навигационные предупреждения для управ­ления флотом.

Терминал Inmarsat-C

В системе используется несколько моделей терминалов, отличающихся своими функ­циональными возможностями и конструктивным исполнением. Дополнительное оборудование, включающее навигационные и телеметрические устройства, может входить в состав термина­ла или подключаться к нему с использованием стандартного интерфейса.

Терминалы Inmarsat-C морского исполнения оснащены специальной аварийной систе­мой, которая генерируют и автоматически посылают сообщения о бедствии, включающие дан­ные о местоположении и другие сведения.

Конструктивно терминал состоит из связного модуля и малогабаритной всенаправлен­ной антенны. Основные параметры приемопередатчика: ЭИИМ - 14±2 дБВт (для углов места 5°), добротность G/T = -23 дБ/К, модуляция - QPSK.

В терминале используются следующие интерфейсы:

- стандартный интерфейс терминала - рекомендация МККТТ V.24/28, 9-штырьковый D-разъем, скорость 110-9600 бит/с, код ITA-5, максимальная длина кабеля 100 м.

- стандартный интерфейс принтера - параллельный типу Centronics, 25-контактный D-разъем, максимальная длина кабеля 4 м.

Сравнительные характеристики двух базовых моделей терминалов Inmarsat-C приведе­ны в таблице  4.5.

4.1.5 Система пейджинговой связи  INMARSAT-D

Система глобальной односторонней пейджинговой связи Inmarsat-D введена с 1995 г. Она является естественным расширением наземной сети пейджинговой связи. Основные ус­луги, предоставляемые службой пейджинговой связи, следующие:

- передача тонального оповещения (до 4-х видов сигналов);

- передача цифровых сообщений длиной 32 символа;

- передача буквенно-цифровых сообщений длиной до 128 символов;

- прозрачная служба передачи данных - до 400 символов (напр., иероглифов);

- передача групповых вызовов.

 

Таблица 4.5 - Сравнительные характеристики терминалов Inmarsat-C

Тип терминала

TT-3022D

TNL-7001, Galaxy

Изготовитель

Thrane & Thrane, Дания

Trimble Navigation, США

Размеры (Wx Lx H)

50x180x165

215x245x60

Масса приемопередатчика

1,3 кг

2,9 кг

Масса антенны

0,75 кг

2 кг

Объем ЗУ

512 кбайт

-

Диапазон частот

1525-1559 МГц 1660,5-1575,42 МГц

1530-1545 МГц 1626,5-1645,5 МГц

Шаг сетки частот

1,25/2,5/5 кГц

-

Источник питания

10-32 В

12-24 В (+30%-20%)

Потребление:     передача прием

81 Вт 4,8 Вт

105 Вт 12 Вт

Режим энергосбережения (Sleep mode)

1,14 Вт (15 мин) 570 мВт (30 мин) 280 мВт (1 час) 140 мВт (2 часа) 60 мВт (5 часов) 30 мВт (10 часов)

-

Рабочие температуры

от -25° С до +55° С

от -25° С до +55° С

Основные характеристики встроенного GPS приемника

Число каналов

8

8

Период обновления данных

1 с

1 с

Навигационный интерфейс

NMEA 0183

NMEA 0183

Доступ к спутниковой службе принципиально не отличается от существующей схемы ор­ганизации связи в наземных сетях пейджинговой связи. Короткое буквенно-цифровое сооб­щение может передаваться пользователю как с диспетчерского пункта, так и непосредствен­но с терминала пользователя.

Для организации такого вида связи предполагается создать в различных регионах службы пейджинговой связи, в которых будут регистрироваться пользователи. В случае пре­бывания в другой стране или регионе абонент должен информировать об этом своего опера­тора. Возможна передача пейджинговых сообщений одновременно в несколько регионов, однако стоимость такой услуги будет выше.

Пользователь может установить различные атрибуты персонального вызова: число по­второв сообщений, время их передачи, категорию срочности. В системе установлены сле­дующие категории срочности: приоритетный (экстренный), срочный, обычный и несрочный. Защита от потери информации осуществляется за счет повторной передачи данных. Все пе­редаваемые сообщения имеют пометки о времени передачи данных и пронумерованы для облегчения поиска.

Наряду с сообщениями персонального вызова, по каналу пейджинговой связи переда­ются обновляемые данные финансового рынка, информация о погоде, бюллетень новостей.

Пейджер может быть встроен в терминалы Inmarsat-A,-B,-C и -М. Он способен опове­щать о вызове в случае, если даже терминал выключен или не готов к работе.

Первым спутниковым пейджером глобального действия является устройство GP 1600 (стандарт Inmarsat-D). Компактный, легкий (масса менее 200 г) приемник персонального вы­зова способен принимать буквенно-цифровые сообщения длиной до 64 знаков. Он имеет достаточную память для хранения сообщений. Пейджер обеспечивает индикацию уровня при­нимаемого сигнала, в нем предусмотрен режим энергосбережения.

 

4.1.6 Система  INMARSAT-E

Запуск технически более совершенных и мощных спутников, характеризующихся ис­пользованием многолучевых антенн на борту, позволил организовать ретрансляцию данных от аварийных радиомаяков с использованием КА на геостационарной орбите.

Аэрокосмический научно-исследовательский институт связи в Oberpfaffenhofen (Герма­ния) разработал систему аварийной радиосвязи, работающую в L - диапазоне через спутники системы Inmarsat. Система прошла предварительные испытания на борту нескольких кораб­лей в районе Атлантического океана (АОР-В). Учитывая, что зоны обслуживания системы Inmarsat охватывают все основные океанические регионы (АОР-В, АОР-3, ИОР и и ТОР), то сообщения с радиобуя могут быть немедленно доставлены на одну из береговых станций. Сбор и обработку аварийных сигналов предполагается осуществить на наземной станции, находящейся в Германии.

Радиобуй Inmarsat-E, наряду с радиобуями системы "Коспас-Сарсат", предназначен для оснащения крупнотоннажных морских су­дов (с водоизмещением более 300 тонн).

В системе Inmarsat-E используется радиобуй типа EPIRB. Срабатывание радиобуя про­исходит автоматически при погружении его в воду. Радиобуй передает аварийное сообщение, в котором содержатся координаты места катастрофы и другие сведения об объекте, на кото­ром он установлен. Среднее время ожидания с момента приведения радиобуя в активное со­стояние до приема сообщения составляет не более 2 мин. Масса радиобуя - 5 кг.

 

 

5 Развитие спутниковой связи в IMT-2000

 

5.1 Концептуальные основы системы 3-го поколения IMT-2000

 

Концепция IMT-2000 базируется на следующих принципах построения систем 3-го поколения.

 

Связь всегда и везде

 

Термин «связь всегда и везде» (Anywhere, Anytime) играет основополагающую роль в кон­цепции IMT-2000 и подразумевает, что услуги связи должны быть доступны в любом месте на поверхности Земли и в любое время. Глобализация связи создает предпосылки, при кото­рых пользователь может получить доступ ко всему спектру информационных услуг других сетей, распределенных по всей территории земного шара, т.е. независимо от окружающих ус­ловий. Реализация услуг осуществляется за счет межсистемного глобального роуминга через базовые станции сотовой сети или станции сопряжения сети персональной спутниковой связи (рисунок 4.1). ITU разработал рекомендации, позволяющие интегрировать в рамках IMT-2000 внутриофисные, городские, региональные и глобальные системы подвижной связи.

В создании систем 3-го поколения важное место занимает технология Универсальной персональной связи UPT (Universal Personal Telecommunication). Согласно концепции UPT каждому жителю Земли должен быть выделен персональный телефонный номер, по кото­рому он мог бы войти в любую сеть связи, в любое время суток и в любом месте, где бы не находился. С номером UPT ассоциирован профиль абонента, т.е. набор услуг связи, доступных конкретному абоненту, и персональные требования/режимы связи. Профиль UPT может разрешить отправку/прием факсимильных сообщений или включение в режим конференц-связи, мобильный доступ к Internet и Web-услугам в различных режимах поиска и просмот­ра мультимедийной информации.

 

Единое информационное пространство

 

В основе концепции построения IMT-2000 лежит принцип мобильного доступа ко всем ре­сурсам единого общемирового информационного пространства. Новое поколение мобиль­ной связи откроет большие возможности для получения различных видов информации за счет увеличения скорости передачи информации до 2,048 Мбит/с.

Задача построения глобальной общемировой телекоммуникационной сети подвижной связи предполагает разработку унифицированных методов доступа к узлам информацион­ных сетей. Важная роль отводится спутниковым системам, которые в сочетании с сетями наземного доступа позволят довести информацию до любого уголка Земли. Для решения такой задачи необходимо создание гибкого радиоинтерфейса, обеспечивающего

 

 

Рисунок  5.1 - Интеграция сетей наземной и спутниковой связи в рамках

IMT-2000

 

совмести­мость глобальных спутниковых и наземных сетей.

Универсальный мобильный доступ к общемировым информационным ресурсам реали­зуется путем интеграции радиосетей и Internet. На первом этапе мобильные терминалы по­лучат доступ к фиксированным Web-узлам Internet. На последующих этапах подвижные уз­лы радиосетей смогут выполнять функции Web-узлов и хост-систем (серверов) Internet, что обеспечит глобальную связность локальных ресурсов сотовых сетей и доступ к ним с лю­бых типов абонентских устройств. Например, абоненты смогут стандартным образом обра­щаться к узлам своих домашних локальных сетей, находясь в поездах, и работать с разно­образной персональной информацией (просмотр поступающих сообщений, контроль бан­ковских счетов, поиск документов в домашних архивах и т.п.).

 

Единое частотное пространство

 

В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Примечательно, что полосы частот, выделенные для наземной и спутниковой связи, распо­ложены рядом, что позволяет в перспективе говорить о возможном объединении термина­лов, работающих в соседних полосах частот.

Реализуются также два принципиально различающихся по концепции выделения час­тотного ресурса подхода - это работа в старых, уже освоенных диапазонах, с возможным в перспективе постепенным их расширением, и выделение «индивидуальных» полос частот для новых технологий 3-го поколения. За IMT-2000 уже закреплены «на всемирной основе» два сплошных участка спектра шириной 230 МГц в районе 2 ГГц, которые поделены между системами беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи.

Новый подход, который впервые реализован в IMT-2000, связан с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD) и непарных для систем с временным дуплексным разносом (TDD).

Комбинированное использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой, по­зволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Так, режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов. Режим TDD, напротив, предназначен для применения в пико- и микросотах, т.е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Преимущество режима TDD заключается в более эффективном использовании радиока­налов при асимметричных потоках информации, передаваемых в прямом и обратном на­правлениях связи.

 

Мобильный терминал

 

Концепция систем 3-го -поколения подразумевает предоставление услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсов и данных любому абоненту с использованием мобильного терминала, имеющего единый номер. В век инфор­мационных технологий мобильный телефон перестает быть просто средством голосовой связи, а становится мультимедийным абонентским устройством, способным передавать и принимать графические данные и видеоизображения. Такие услуги должны предоставлять­ся по минимальной цене, обеспечивать приемлемое качество и уровень безопасности. Ко­нечная цель систем 3-го поколения - создание массового рынка для удовлетворения по­требностей в персональной связи. Успех систем 3-го поколения будет зависеть как от размеров тарифов за услуги мобильной связи, платы за использование сетей общего пользова­ния, так и стоимости абонентского терминала.

Ключевое требование концепции - использование портативных, дешевых и гибких або­нентских терминалов. Абоненты новых систем будут располагать удобными и компактны­ми терминалами, которые по своим возможностям значительно расширят традиционное представление о радиотелефонах. Абоненты получат массовые (доступные по цене и про­стоте использования) терминалы, которые будут обеспечивать новые возможности связи и обработки информации.

В системе IMT-2000 предполагается использовать перепрограммируемые терминалы, адаптирующиеся к требованиям пользователей. Такие терминалы должны конструировать­ся по модульному принципу с возможностью их модификации и гибкой комплектации в зависимости от требований пользователей. Предусматривается гибкая настройка терминала на различные стандарты радиосвязи и обеспечение работы терминала в различных операци­онных средах. Одновременно с предоставлением такого широкого спектра услуг, новые терминалы будут очень просты и удобны в обращении, т.е. основаны на современном принципе «включи и пользуйся» .

 

Объединение сетей мобильной и фиксированной связи

 

С проблемой организации роуминга тесно связана задача интеграции и конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи (FMC), т.е. реализация принципа «один человек - один телефон».

Несмотря на стратегическое и очень существенное различие в сетевых архитектурах и способах реализации услуг фиксированной и мобильной связи - их стартовые возможности примерно одинаковы, т.е. абонентам требуется обеспечить примерно идентичный набор конвергируемых услуг и тарифов.

На первый взгляд кажется, что фиксированные и мобильные услуги - это вещи несовмес­тимые, и что их реализация весьма проблематична. По мере того, как сотовая связь превраща­ется из элитной услуги в массовую, все насущней становится проблема конвергенции.

Долгое время основным препятствием на пути конвергенции оставалось низкое качест­во передачи речи. Если на первом этапе развития мобильной связи это было как-то оправ­дано - «разумная цена» за выигрыш в мобильности. Однако современные речевые кодеки позволяют довести качество речи в беспроводной сети до уровня фиксированной связи. Ряд услуг для рядовых абонентов, реализуемых в GSM и корпоративных УАТС, также фактиче­ски объединены, - в этом и состоит реальная конвергенция.

Современные службы на базе коммутации каналов уже сейчас в состоянии предоста­вить стационарному абоненту элементы мобильности. Услуги оказываются непосредствен­но там, где находится абонент. Ему предоставляется единый персональный номер с пере­ключением, между разными проводными сетями или радиосетями, работающими в прозрач­ном по отношению к вызывающему абоненту режиме.

Основные дискуссии в области FMC-конвергенции в настоящее время ведутся вокруг двух проблем: услуг и тарифов. Учитывая, что услуги prepaid (предоплаченные услуги) уже оказали положительное влияние на растущие рынки мобильной связи, коммерческие выго­ды от стабильного расширения роуминга для возрастающего парка абонентских средств благоприятно скажутся на операторской деятельности.

Какой бы подход не выбрали операторы для интеграции услуг фиксированной и мобильной связи, два фактора играют определяющую роль: преемственность поколений систем связи и оп­тимальная стратегия конвергенции. Чтобы выиграть у своих конкурентов, необходимо решить главную задачу - предоставлять широкий ассортимент услуг и по более низкой цене.

 

Преодоление «технологической пропасти»

 

В последнее время в мире заметно увеличился дисбаланс между новыми возможностями систем 3-го поколения и реально существующей во многих странах телекоммуникационной инфраструктурой, т.е. образовалась так называемая «технологическая пропасть».

В связи с этим ITU просматривает другие возможности, которые смогли бы «навести мосты над пропастью» (Bridge the Telecommunications Gap) с учетом особенностей теле­коммуникационной инфраструктуры слаборазвитых стран: малой плотности населения и больших территорий. Для таких регионов предлагается использование маловысотных лета­тельных аппаратов с ретрансляторами на борту, позволяющими по сравнению с традиционными базовыми станциями существенно расширить зону обслуживания и снизить время развертывания системы.

Большое значение эта проблема имеет для Казахстана, значительная часть террито­рии которой расположена в труднодоступных районах, где организация полноценного на­земного сегмента проводной или сотовой связи нерентабельна. Немаловажную роль может сыграть низкий платежеспособный спрос в ряде регионов на новые услуги. Люди, которые никогда ранее не пользова­лись услугами связи, не видят необходимости за них платить. Выход видится в постепенном наращивании услуг и создании, в первую очередь, недорогих систем мобильной связи, ко­торые позволят быстро решить проблему информационной изоляции труднодоступных и малонаселенных районов .

 

 

5.2 Концепция спутниковой подсистемы S-IMT-2000

 

Если по стандартам наземной связи T-IMT-2000 достигнут в процессе гармонизации опре­деленный компромисс, то в отношении спутниковых сетей еще целый ряд вопросов ждет своего решения. Поэтому в рамках данного раздела рассмотрим лишь ключе­вые характеристики S-IMT-2000.

При создании спутниковой подсистемы ключевыми требованиями являются: освоение нового S-диапазона частот, разработка эффективных радиоинтерфейсов, обеспечивающих интеграцию спутниковых и наземных систем связи. С помощью спутниковых сетей абонен­там будет предложен расширенный ассортимент услуг:

- голосовая связь и низкоскоростная передача данных (короткие сообщения и элек­тронная почта) со скоростью 2,4-16 кбит/с;

- асимметричные услуги, включающие передачу данных, доступ к базам данных, вы­ход в сеть Internet, при скорости передачи до 144 кбит/с;

- интерактивные мультимедийные услуги (видеотелефония, видеоконференцсвязь) со скоростью до 144 кбит/с.

Скорость передачи в сетях спутниковой связи несколько ниже, чем в наземной свя­зи, т.е. не более 144 кбит/с. Тем не менее, такой пропускной способности вполне доста­точно, чтобы обеспечивать высокоскоростную передачу данных и мультимедиа. Введе­ние новых видов услуг и протоколов будет происходить без предъявления дополни­тельных требований к существующим сетям радиотелефонной связи и передачи данных. Таким образом, спутниковые сети 3-го поколения уже на первой фазе развертывания будут предоставлять практически тот же набор услуг, что и наземные, но в глобальной зоне обслуживания.

Общий подход к разработке стандартов спутниковых систем в рамках проекта S-IMT-2000 несколько отличается от проектирования наземного сегмента T-IMT-2000. Прежде всего, для спутниковой связи выделен только парный диапазон: 1980-2010 МГц («Земля-спутник») и 2170-2200 МГц («спутник-Земля»), т.е. работа в режиме с временным дуплекс­ным разносом (TDD) пока не планируется.

Чтобы обеспечить меньшие затраты пропускной способности на сигнализацию и пе­редачу управляющей информации, длина кадра в спутниковых сетях выбрана больше, а скорость передачи битов управления мощностью ниже, чем в наземных. Один из основ­ных путей наращивания пропускной способности и обеспечения заданной энергетики спутниковых линий - использование высокоэффективных многолучевых бортовых антенных систем. Максимально возможный запас по энергетике, реализуемый в современ­ных системах, как правило, не превышает 20 дБ и реализуется в основном за счет сниже­ния скорости передачи.

 

Структура орбитальных группировок 

Концепция построения систем 3-го поколения может быть реализована в системах с косми­ческими аппаратами (КА) на геостационарной (ГСО) и негеостационарной (НГСО) орбите (табл. 5.1). Несмотря на перегруженность ГСО и наличия большой суммарной задержки (в среднем около 500 мс), эта орбита по-прежнему будет очень привлекательна для связи бла­годаря тому, что она не вносит перерывов в обслуживании. Система из 3-4 спутников на ГСО обеспечивает охват почти всей территории Земли. Однако системы с геостационарны­ми КА будут потенциально эффективны лишь в случае, когда формируемые на поверхности Земли зоны обслуживания будут сравнительно невелики. Прообразом систем будущего мо­жет явиться система Thuraya.

Построение космического сегмента на негеостационарной орбите будет практически совпадать с тем, которое используется в существующих системах 2-го поколения. Европей­ским космическим агентством (ESA) предложено использовать для связи 4 типа НГСО группировок, которые достаточно близки к тем, которые используются в системах Globalstar (LEO), Ellipsо (Borealis), ICO (MEO), Archimedes (НЕО). Переход к негеостационарным орбитам позволяет обеспечить более высокие характеристики обслуживания або­нентов за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в зоне радиовидимости абонентского терминала. Особенность негеостационарной орбиты состоит в том, что по мере снижения высоты, с одной стороны, увеличивается энергетический запас в радиолинии, а, с другой стороны, снижается суммарная длительность сеансов связи и увеличивается доплеровский сдвиг частоты.

 


Таблица 5.1 - Варианты построения орбитальной группировки для систем

3-го поколения (ESA)

 

Обозначение орбиты

LEO

 

НЕО

 

МЕО

 

НЕО

 

GEO

 

Тип орбиты

 

Круговая

Borealis

 

Круговая

 

Archimedes

 

Круговая

 

Число КА

48

8

6

10

6

4

Высота орбиты, км (апогей/перигей), км

1414

 

7846/520

 

7846/

4223

 

10355

 

26784/1000

 

36000

 

Наклонение, град

52

116

0

45

63,4

0

Число плоскостей на КА в каждой плоскости

 

 

8 x 6

 

2 x 4

 

1 х 6

 

2 x 5

 

6 х 1

 

1 х 4

 

Высота переключения с захо­дящего на восходящий КА, км

7303

20500

Минимальный угол места, град

10

20

10

40

20

Диаметр зоны, км

5850

11340

12900

13380

15900

Число лучей

19

61

169

61

160

Ширина луча, град

21,5

 

5,5

2,9

2,3

0,94

Максимальная задержка при распространении, мс

11,7

 

38,2

 

48

 

101,8

 

131,9

 

Разброс по задержке, мс

6,95

 

14,1

 

13,4

 

33,4

 

12,6

 

Доплеровский сдвиг частоты, кГц

36,6

 

 20,0

 

 10,3

 

14,6

 

 

Время пребывания в ближнем луче, с

97

 

720

 

334

 

9500

 

Пост.

 

Время пребывания в дальнем луче, с

356

 

1040

 

1258

 

9870

 

Пост.

 

 

Первоначально в ITU поступили на рассмотрение пять проектов (рисунке 5.2), которые мож­но разделить на две группы. Первая из них основана на использовании технологии ТDМА: Horizons (Inmarsat), ICO RTT (ICO Global Communications), а другая создается на базе CDMA: SAT-CDMA (Южная Корея), SW-CDMA и SW-CTDMA (ESA). Несколько позже был заявлен еще один проект INX (Iridium Next Generation), подготовленный компанией Motorola.

 

 

Рисунок 5.2 - Переход к спутниковым системам 3-го поколения

 

Проекты, основанные на СDМА

 

Европейским космическим агентством (ESA) совместно с рядом ведущих компаний Европы разработаны два предложения: первое из них основано на широкополосном кодовом разде­лении каналов SW-CDMA (Satellite Wideband CDMA), а второе - на гибридном кодово-временном разделении каналов, получившим название SW-C/TDMA (Satellite Wideband Code and Time Division Multiple Access).

Основная идея проекта SW-CDMA заключается в адаптации технологии широкополос­ной системы с кодовым разделением WCDMA, разработанной в рамках проекта системы UTRA FDD, применительно к спутниковой связи .

В системе SW-CDMA используется структура логических каналов, сходная с той, кото­рая реализуется в наземной сети UTRA. Длина кадра равна 20/10 мс и может изменяться в зависимости от чиповой скорости 1,92 или 3,84 Мчип/с. Структура кадра аналогична той, которая предложена в наземной сети UTRA. Кадр состоит из 15 канальных интервалов дли­ной 0,625 мс (3,84 Мчип/с) или 1,25 мс (1,92 Мчип/с).

Некоторые отличия от UTRA имеются в структуре передаваемых сообщений. Вместе с пилот-сигналом и командами управления излучаемой мощностью ТРС (Transmit Power Control) по спутниковому каналу передается сигнал, в котором указана скорость передачи текущего кадра.

Вследствие того, что задержки в спутниковой системе больше, чем в наземной сети, для повышения быстродействия замкнутой петли регулирования использован 4-уровневый сиг­нал (2 бита на кадр). Суперкадр (мультикадр) длиной 600 мс образуется путем объединения 60 или 30 кадров (в случае половинной скорости). Модуляция данных осуществляется с использованием QPSK. Для снижения фазовых ошибок при малых скоростях передачи (менее 4,8 кбит/с), вместо QPSK применяется BPSK или двухканальная BPSK (dual BPSK).

В случае, если передача пейджинговых сообщений по вызывному каналу невозможна, то в системе SW-CDMA предусмотрен режим с пониженной скоростью, так называемый канал с высокой проникающей способностью НРРСН (High Penetration Paging Channel). Для обеспечения необходимого запаса по энергетике не менее 20 дБ скорость передачи понижа­ется до 1,2 кбит/с (информационная скорость 100 бит/с и ниже). Для обеспечения нормального функционирования системы необходимо, чтобы различные спутники не излучали сиг­нал НРРСН одновременно в одном и том же географическом районе.

В системе W-C/TDMA реализуются два режима: традиционный двухчастотный дуплекс (FDD) и комбинированный частотно-временной дуплекс FDD/TDD (Frequency-Time Division Duplex). В режиме FDD/TDD каналы передачи и приема являются ортогональными во времени, однако передаются на разных частотах .

В спутниковой связи комбинированный метод FDD/TDD имеет ряд преимуществ по сравнению с «чистым» временным дуплексным разносом (передача на одной несущей). В отличие от сетей наземной подвижной радиосвязи, где выделены отдельные участки спек­тра для работы в непарных полосах частот (TDD), в спутниковой связи такого диапазона нет. Кроме того, нельзя забывать о том, что комбинированный режим FDD/TDD приведет к определенному усложнению абонентской аппаратуры.

Схемы многостанционного доступа в прямом и обратном каналах системы W-C/TDMA являются различными. В первом случае используется синхронная передача с кодово-временным разделением каналов W-O-C/TDMA (Wideband Orthogonal C/TDMA), а во втором - квазисинхронная передача W-QS-C/TDMA (Wideband Quasi-Synchronous C/TDMA).

Проект спутниковой системы SAT-CDMA подготовлен Ассоциацией телекоммуника­ционных технологий (ТТА, Южная Корея). Орбитальная группировка системы будет состо­ять из 48 КА находящихся на высоте 1600 км с наклонением 54°. Спутники расположены в 8 орбитальных плоскостях по 6 КА в каждой. Земные станции обеспечивают работу при уг­лах места 17,5° (абонентские терминалы) и 10° (станции сопряжения).

Основу технологии SAT-CDMA составляют широкополосные CDMA-каналы (ширина полосы 5 МГц на несущую). На борту спутника должна быть установлена антенная система, формирующая 37 узких лучей, в каждом из которых передача осуществляется на 3-х несу­щих частотах. Планируемая скорость передачи - от 9,6 кбит/с до 144 кбит/с (табл. 5.2). В системе SAT-CDMA намечено задействовать эффективные способы борьбы с замираниями и методы компенсации потерь, обусловленных эффектом Допплера .

 

Проекты, основанные на ТDМА

 

В рамках программы IMT-2000 предложены два проекта систем спутниковой связи но­вого поколения: ICO RTT (ICO Global Communications) и Horizons (Inmarsat). Система персональной спутниковой связи ICO является одной из первых, которая реально будет предоставлять услуги в диапазоне частот 1980-2100 МГц и 2170-2200 МГц.

 


Таблица 5.2 - Сравнительные характеристики проектов стандартов спутниковых систем (по данным ITU)

 

Название проекта

SW-CDMA

SW-CTDMA

SAT-CDMA

ICO RTT

Horizons

ING

Разработ

чик

ESA

ESA

Ю. Корея

ICO Global

Inmarsat

Motorola

Тип орбиты

 

 

 

 

Параметры зависят от типа орбитальной   группировки (ОГ). Всего предложено 5 вариантов построения ОГ (см. табл. 4.8)

 

LEO

 

МЕО

 

GEO

 

LEO

 

Число КА

 

48

 

10-12

 

3-4

 

96

 

Высота орбиты, км

1600

 

10390

 

36000

 

860

 

Наклоне

ние, град

54

 

45

 

5

 

поляр.

 

Число плоскостей

8

 

2

 

1

 

8

 

Число КА в плоскости

6

 

5-6

 

3-4

 

12

 

Число лучей

37

 

163

 

150-250

 

228 (перем)

 

Обработка на борту

Нет

 

Нет

 

Да

 

Нет

 

Нет

 

Да

 

Метод доступа

DS-CDMA

 

Гибридная

 

CDMA/FDMA

 

TDMA/FDMA

 

TDMA

 

FDМА/

TDМА, FDMA/

CDMA

Метод дуплекси­рования

FDD

 

FDD FDD/

TDD

FDD

 

FDD

 

FDD

 

TDD и FDD

 

Ширина полосы частот канала, МГц

2,35/4,7

 

2,35/4,7

 

5,0

 

0,025

 

0,1

 

0,27 (TDMA) 1,25

(CDMA)

 

Скорость переда­чи, кбит/с

 

1,2-144

 

1,2-144

 

4,8-64 (речь)

144 (данные)

4,8 (речь)

38,4 (данные)

 

4-64 (речь) 144 (данные)

 

2,4-4 (речь) 144 (данные)

 

Чиповая скорость, Мчип/с

1,92 или 3,84

 

3,84

 

Нет

 

Нет

 

1,228 до 4,096

 

Продолжение таблицы 5.2

 

 

 

 

 

 

Метод модуляции

 

QPSK или BPSK

 

QPSK или BPSK

 

QPSK/HPSK (ОК), QPSK (ПК)

GMSK (ОК), QPSK, BPSK (ПК)

 

QPSK, 16QAM

 

16QAM, QPSK

 

ЭИИМ терминала, дБВт

 

3 (портат6 (мобил. 16 (перен.

 

8

(портат)  11 (мобил.) 20 (перен.)

 

2

(портат 15,8 (мобил. 21 (перен.) 36 (фик

сир)

7 (портат.)

10 (мобил.)

 

15 (тип 1) 10 (тип 2)

 

-2 до 4

 

G/T терминала, дБ/К

 

Класс портативных тер­миналов:

22 (GEO),

-23,5 (LEO/MEO)

-22,8

(портат -20,8 (перен.) -4 (фик

сир.)

-23,8 (портат.)

 

-11 (тип1)

-16 (тип 2)

 

-24,8 (портат.)

 

Динамический диапазон, дБ

20

 

15

 

20

 

16

 

8

 

25

 

Шаг управления мощностью, дБ

0,2-1

 

0,2-1

 

0,25; 1,0

 

1

 

1

 

2 (ТDМА) 0,5 (СDМА)

 

Скорость циклов управления,

цикл/с

50-100

 

50-100

 

100

 

2

 

Перемен.

 

50

 

Развязка в терми­нале (прием/пере­дача), дБ

> 169

 

>169

 

110

 

57

 

50

 

63

 

Запас на замира­ния, дБ

20

 

20

 

25

 

8

 

3

 

15-25 (речь)

45(пейдж.)

Число канальных интервалов на кадр

15

 

8

 

15

 

6

 

18

 

4

 

Проект ICO RTT в целом повторяет конфигурацию системы ICO с узкополосной ТDМА. В этих проектах используется один и тот же метод многостанционного доступа FDMA/TDMA, работа обеспечивается в общих полосах частот, орбитальная группировка также одинакова, т.е. включает 10 КА (2 плоскости по 5 КА в каждой) с высотой орбиты 10390 км над поверхностью Земли.

Ретрансляционный комплекс создается на базе прозрачного ретранслятора с антенной сис­темой, формирующей 163 узких луча (на прием и на передачу). Кадр длиной 40 мс разделен на 6 канальных интервалов. Исходная канальная скорость для каждого интервала выбрана равной 2,4 кбит/с (без кодирования) или 4,8 кбит/с (с кодированием). Наземная инфраструктура строится на базе сети ICONET, что обеспечивает полную преемственность двух проектов. Фактически, проект ICO RTT - это дальнейшее развитие узкополосной системы с тем же названием .

Основные изменения связаны с повышением пропускной способности и спектральной эффективности системы за счет увеличения скорости передачи информации до 38,4 кбит/с. Однако увеличение скорости планируется реализовать лишь в терминалах профессиональ­ных пользователей, используя в них объединенные канальные интервалы. Для передачи ре­чи и данных в прямом канале задействуется модуляция QPSK/BPSK, а в обратном канале -GMSK. Для передачи речи применяется сверточное кодирование (R=l/3), а для данных -код Рида-Соломона в сочетании со сверточным кодированием.

В проекте системы ICO RTT предложена гибкая канальная структура, позволяющая пе­редавать информацию со скоростью от 1,2 до 38,4 кбит/с в прозрачном и непрозрачном ре­жимах. В вокодере, который оптимизирован под канальную структуру с длительностью кадра 40 мс, применяется алгоритм АМВЕ.

Разработчики ICO RTT намерены обеспечить управление мощностью за счет объеди­ненного канала управления АССН (Associated Control Channel), который состоит из двух подканалов: SACCH (Slow АССН ) и FACCH (Fast АССН ). Максимальная скорость пере­дачи управляющей информации по низкоскоростному каналу SACCH 160 бит/с, а по быст­родействующему каналу FACCH - 80 бит за кадр 40 мс. С целью снижения уровня помех в ICO RTT планируется обеспечить управление мощностью с точностью  1 дБ.

В системе предусмотрено автоматическое переключение каналов между разными лучами одного и того же спутника, а также между лучами соседних спутников. Перерыв связи при жестком хэндовере не превышает 80 мс. Планируется также для отдельных пользователей обеспечить режим мягкого хэндовера. В качестве базовых в системе ICO RTT предполагается использовать портативные двухрежимные терминалы, совмещенные с сотовыми телефонами.

Проект создания системы спутниковой связи Horizons предложен международной орга­низацией Inmarsat . Система строится на базе нескольких геостационарных КА с боль­шим числом узких лучей. В системе Horizons планируется реализовать спектрально-эффективные методы модуляции (1,4 бит/с/Гц), n-кратное повторное использование частот (n=5), турбокодирование. Речь может передаваться с изменяемым качеством, т.е. с вероят­ностью ошибки от  до . Достоверность в канале передачи данных лежит в пределах от  до . Высокая скорость передачи (144 кбит/с) обеспечит предоставление широко­го спектра услуг, в первую очередь, мультимедийных услуг, а также оперативный доступ в сеть Internet и корпоративные интрасети.

В качестве абонентского устройства предлагается малогабаритный мультимедийный тер­минал (масса не более 750 г) с малым энергопотреблением. Высокое качество связи достигается за счет автоматического переключения каналов в момент перехода мобильной станции с одного луча геостационарного КА на другой. Такая возможность достигается за счет использования двух каналов: узкополосного (связь в глобальном луче) и широкополосного (связь в узком луче).


Приложение А

 

Таблица А1 - Характеристики систем подвижной спутниковой связи

 

Название

системы

Iridium

Globalstar

Odyssey

Сигнал

ICO

      1

        2

       3

     4

     5

          6

Тип

орбиты

LEO

LEO

MEO

-

MEO

Число

спутников

 

66

 

 

48

 

12

 

48

 

12

 

 

Зона

обслу-

живания

 

Глобальная,

представле-

ние

услуг

к наземной

ТФОП

 

 

700 ю.ш.-700

с.ш.

(оптимизиро-

     ванная

для 200-500

с.ш.)

Континен-

тальная

часть США

с прибреж-

ными

районами,

Европа,

Азия

 

 

 

Глобальная

 

Регионально-

  глобальная.

  Дополнение

       услуг

к наземной

   ТФОП

 

Высота

орбита,

    км

 

780

 

1400

 

10354

 

 

 

10355

Масса

спутников,

     кг

 

700

 

450

 

2500

 

360

 

2750

Потреб-

ляемая

мощ-

ность, Вт

 

 

1000

 

 

1200

 

 

4600

 

 

-

 

 

8700

Число

лучей

бортовой

антенны

 

 

48

 

 

16

 

 

61

 

 

-

 

 

163

 

 

Диапазон

частот,

ГГц

АС-КА

 

 

 

1,616-1,6265

 

 

 

1,610-1,6265

 

 

 

-

0,3354 –

0,3435

0,3865 –

0,3999

1,6315 –

1,65526

1,98-2,01

1,61- 1,626

28,6 – 29,1

 

 

 

 

1,980 – 2,010

 

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы А1

 

      1

        2

       3

     4

     5

          6

 

Диапазон

Частот,

КА-АС

 

 

1,616 – 1,625

 

 

 

2,4835 – 2,500

 

 

-

0,270 –

0,275

0,31135 –

0,322

1,535 –

1,55876

2,17 -2,2

2,4835 – 2,5

18,8 – 19,3

 

 

 

 

2,170 -2,200

Число

каналов

На КА

 

1100

 

2800

 

3000

 

820

 

4500

 

Срок

эксплуа –

тации

спутников,

лет

 

 

 

5

 

 

 

7,5

 

 

 

 

15

 

 

 

-

 

 

 

12

Метод

много-

станцион-ного

доступа

 

 

 

 

TDMA

 

 

 

CDMA/FDMA

 

 

 

CDMA

 

 

 

FDMA

 

 

 

TDMA

Скорость

передачи,

кбит/с

 

2,4(4,8; 9,6)

 

 

4,8;

(1,2 – 9,6)

 

 

-

 

 

2,4

 

 

-

Наличие

межспут-

никовой

связи

 

Есть

 

Нет

 

-

 

Нет

 

Нет

Число

станций

сопряжения

 

12

 

50

 

7

 

12

 

200

Виды

предостав-

ляемых

услуг

Телефония,

передача

данных,

факсимиль-

ная связь,

персональ-

ный вызов,

определение

местополо-

жения

 

Телефония,

передача

данных,

факсимильная

связь,

персональный

вызов,

определение

местоположе-

ния

 

Телефония,

передача

данных,

факсимиль-

ная связь,

персональ-

ный вызов,

определение

местоположе-ния

Телефония,

передача

данных,

факсимиль-

ная связь,

персональ-

ный вызов,

определе-

ние место-

положения

Телефония,

передача

данных,

факсимильная

связь,

персональный

вызов

 


Таблица А2 - Характеристики систем подвижной спутниковой связи

 

Название

системы

Inmarsat

(2, 3, C)

Ellipso

Orbcomm

Teledesic

Гонец

      1

        2

       3

     4

     5

          6

Тип

орбиты

GEO

MEO

LEO

LEO

LEO

Число

спутников

 

14

 

14+3

резервные

 

28+8

резервные

 

 

288+36

резервные

 

12

 

Высота

орбита,

км

 

-

 

 

8040

 

825

 

1400

 

1400

Масса

спутников,

кг

 

800-1200

 

730

 

43

 

795

 

250

Потреб-

ляемая

мощ-

ность,ВТ

 

1600 -1800

 

1880

 

160

 

11595

 

120

Диапазон

частот,

ГГц

АС-КА

1,6265-

1,6265;

1,630 -1,660

 

 

1,610 -1,6265

 

0,148-

0,15005

 

28,6 29,1

 

0,388 – 0,390

Диапазон

частот,

ГГц

КА-АС

 

1,530 -1,548;

1,530 -1,560

 

2,4835 -2,500

0,137 –

0,138,

0,4001-

радиомаяк

 

18,8 -19,3

 

0,312 -0,315

Срок

эксплуа-

тации

спутни-

ков,лет

 

 

10

 

 

5

 

 

4

 

 

10

 

 

1,5 -2,5

Метод

много-

станцион-

ного

доступа

 

 

SALOHA

 

 

SS/CDMA

 

 

POMA/TOM

 

MF-TDMA/

ATDMA

 

 

FDMA/TDMA

Скорость

передачи,

кбит/с

 

 

2,4; 4; 8; 64

 

4,8

 

2,4;  4,8;  9,6

 

16; 144

 

2,4; 4,8

 


Продолжение таблицы А2

 

      1

        2

       3

     4

     5

          6

Общее

количест-

во

узловых

станций

 

 

-

 

 

14 -16

 

 

-

 

 

-

 

 

6 -8

Виды

Предоста-вляемых

Услуг

Телефония,

передача

данных,

факсимильная

связь,

персональный

вызов

голосовая

почта,

определение

местоположе-ния

 

Телефония,

передача

данных,

факсимильная

связь,

персональный

вызов,

определение

местоположе-

ния

 

Телефония,

передача

данных,

факси-

мильная

связь,

персональ-

ный вызов,

опреде-

ление

местопо-

ложения

 

Телефония,

передача

данных,

факсимиль-

ная связь,

персональ-

ный вызов,

опреде-ления

местопо-

ложения

Телефония,

передача

данных,

факсимиль-

ная связь,

персональный

вызов

 

 

 


Список  литературы

 

1. Тихвинский В.О. Сети подвижной связи третьего поколения. Экономические и технические аспекты развития в России. –М. : Радио и связь, 2001.

2. Спутниковая связь и вещание: Справочник, под. Ред. Л.Я. Кантора.- М.: Радио и связь, 1997.

3.                  CDMA: прошлое, настоящее и будущее / Под ред.проф.Л.Е.Варакина и проф. Ю.С. Шинакова. – Москва: МАС, 2003.

4.                  Бабков В.Ю., Вознюк М.А. , Дмитриев В.И. Системы мобильной связи / СпбГУТ.- СПб., 1999.

5.                  Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. –М.: Эко-Трендз,1998.

6.                  Невдяев Л.М., Смирнов А.А. Персональная спутниковая связь.- М.: Эко-Трендз, 1998.

7.                  Карташевский В.Г.,Семенов С.Н.,Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. – М.: Эко-Трендз, 2001.

8.                  Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов. Под ред.. В.П. Ипатова. –М.: Горячая линия.-Телеком, 2003.

9.                  АфанасьевВ.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных сетей.- М.: МЦНТИ, 2000.

 

 


 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                  3

1 Роль и место систем подвижной спутниковой связи                       4

2 Классификация систем персональной спутниковой связи              5

3 Системы связи с космическими аппаратами на низких орбитах    9

3.1Система IRIDIUM                                                                              9

3.2Спутниковая система CDMA GLOBALSTAR                                24

4 Системы подвижной связи с космическими аппаратами на

геостационарной    орбите                                                                     72

4.1Система INMARSAT                                                                         72

5 Развитие спутниковой связи в IMT-2000                                          85

5.1 Концептуальные основы системы 3-го поколения IMT-2000      85

5.2 Концепция спутниковой подсистемы S-IMT-2000                        90

Приложение А                                                                                         100

Список литературы                                                                                 104

 

 

 

 

                                                                                                      

 

 

 

 

 

 

Алтай Зуфарович Айтмагамбетов

 

 

 

 

Системы подвижной спутниковой связи

Учебное пособие

 

 

 

Редактор Т.С. Курманбаева

Доп. План 2006 г., поз. 75

 

 

 

 

Подписано в печать                                                

Тираж 100 экз.                                                     

Объем 6,6 уч.-изд.л..                                           

 

Формат 60х84 1/16

Бумага типографская №1

Заказ ______Цена 660 тг.

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

050013 Алматы, Байтурсынова,126