Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

  

 

 

Клочковская Лариса Павловна

Коньшин Сергей Владимирович 

НИЗКО - И СРЕДНЕ-ОРБИТАЛЬНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

 

Алматы  2011

 

УДК 621.3961/075.81 

ББК 32.883Я73 

К 65 

Клочковская Л.П.,  Коньшин С.В. Низко- и средне-орбитальные спутниковые системы. Учебное пособие. – АУЭС, Алматы, 2011г., - 79с.

 

ISBN 978-60/-7307-18-9

 

Рассматриваются основные принципы работы низко- и средне-орбитальных спутниковых систем связи.

Данное учебное пособие рекомендуется для бакалавров и магистрантов в качестве дополнительной литературы  при изучении дисциплин «Спутниковые системы навигации и дистанционного зондирования Земли» (специальность 5В074600), «Спутниковые и радиорелейные системы передачи» (специальности 5В071900, 5В074600), «Организация и технологии спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникациях», «Исследование технологий спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникациях» (специальность 6М071900 )

Учебное пособие дополняет лекционные курсы и предназначено для помощи студентам всех форм обучения. и магистрантам при выполнении семестровых, курсовых и дипломных работ по специальностям 5В071900, 5В074600, 6М071900.

Ил. 23, табл 9, библиогр.- 9назв.

 

                                                                                     ББК 32.883Я73

 

Рецензенты : КазРПНТОРЭС, канд. техн. наук, доц. А.Д.Сартбаев.

            АУЭС, доцент Е.В. Ползик.

 

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2011 г.

 

К 65

 

ISBN 978-60/-7307-18-9

 

 ©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011

 

  

 

Содержание 

Введение	4
1    Свойства спутниковых систем связи	5
2    Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов	7
2.1  Основные особенности построения и проблемы проектирования негеостационарных спутниковых сетей связи	12
2.2  Преимущества и недостатки ССС, использующих негеостационарные орбитальные группировки ретрансляторов	17
2.3  Параметры орбитальных группировок	38
3     Обеспечение устойчивости протоколов случайного многостанционного доступа в НССС	46
4 Оптимизация параметров алгоритмов резервирования при обеспечении непрерывности соединений и переназначения каналов связи	54
5     СППСС, использующие негеостационарные группировки ретрансляторов	60
Список сокращений Список  литературы	77 78

  

Введение 

Сети связи представляют собой комплексы технических средств, которые обеспечивают обмен информацией по каналам связи между совокупностью территориально распределенных объектов и являются обобщением систем связи на случай большого количества отправителей и получателей информации. В настоящее время в мире создаются сети связи со сложной структурой, зависящей как от назначения и требуемых характеристик сети, так и от технических возможностей средств, используемых при их реализации. В общем случае сеть связи включает в себя узлы (абонентские и концентрации, коммутации, маршрутизации и ретранс­ляции информационных потоков) и каналы связи различного типа. В основе построения сетей связи лежит принцип пространственной коммутации каналов, сообщений или пакетов. В сетях, построенных по принципу коммутации каналов, отправитель предварительно посылает вызов, который, пройдя ряд коммутационных узлов, устанавливает сквозной канал (цепочку каналов связи и промежуточных узлов сети) между отправителем и получателем. Эта скоммутированная цепочка остается неизменной на все время соединения (сеанса связи). При коммутации сообщений каждое из них передается поэтапно от одного узла сети к другому по направлению к получателю, занимая каналы по маршруту следования поочередно на время прохождения этого сообщения. Узлы такой сети для промежуточного хранения данных должны иметь в своем составе буферные накопители, выполняющие роль согласующих по скорости поступления информационных потоков и скорости передачи информации по каналу связи устройств. При коммутации пакетов осуществляется передача по сети пакетов фиксированного объема, на которые предварительно фрагментируется каждое сообщение, а переданное сообщение регенерируется из принятых пакетов в узле-получателе.

История коммерческих спутниковых сетей связи (ССС) началась в апреле 1965 г. с выводом на орбиту впервые в мире гражданского спутника связи Интелсат-1, ставшего первым спутником-ретранслятором (СР) международной организации Интелсат, учрежденной в августе 1964 г. [1].

Концепция спутниковой связи проста и заключается в том, что промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), который движется по орбите почти без затрат энергии на это движение. На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы лишь для коррекции параметров орбиты СР, которые могут меняться под влиянием различных дестабилизирующих факторов. Энергообеспечение бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) осуществляется от солнечных батарей (СБ) и подзаряжаемых от СБ аккумуляторов, которые питают бортовую аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей. Таким образом, СР представляет собой в значительной степени автономную систему и способен предоставлять услуги связи в течение длительного времени. Срок службы современных СР составляет 5-15 лет.

Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Под областью обслуживания ССС будем понимать часть земной поверхности и околоземного пространства между любой парой точек, которой возможна передача информации с заданной скоростью и качеством. «Геометрия» области обслуживания определяется не только параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками БРТК, но и характеристиками используемых земных станций (ЗС), а также требованиями к пропускной способности каналов связи и качеству передачи информации. Если необходимые размеры области обслуживания велики настолько, что не могут быть покрыты одним ретранслятором, то используют орбитальную группировку, состоящую из нескольких ретрансляторов, каждый из которых обслуживает часть (зону) области обслуживания. Разбиение на зоны может использоваться и при наличии одного СР с БРТК, оборудованным многолучевой приемопередающей антенной, каждый луч которой формирует свою зону обслуживания. Обычно зоны частично перекрываются, образуя сплошную область обслуживания, но возможны ситуации, когда целесообразным оказывается использование нескольких изолированных зон, например при объединении посредством ССС информационных структур нескольких мегаполисов в единую инфраструктуру. В любом случае при зональном обслуживании для обеспечения возможности связи между ЗС, находящимися в разных зонах обслуживания, необходима организация межзоновых каналов связи.

 

1 Свойства спутниковых систем связи

 

В течение вот уже более сорока лет ССС интенсивно и быстро разви­ваются. В мире создано и создается большое число ССС,  различающихся решаемыми прикладными задачами, масштабами, количеством и качеством используемого оборудования, пропускной способностью. Широкое распространение спутниковых сетей связи обусловлено следующими их во многом уникальными свойствами. Перечислим их.

1)       Обеспечение области обслуживания значительных размеров, вплоть до глобальной, полностью охватывающей поверхность Земли.

2)       Возможность расширения интерфейса между пользователями и сетью, благодаря обслуживанию отдаленных, малонаселенных и труднодоступ­ных территорий, где развертывание наземных сетей связи экономически не оправдано, либо просто невозможно. С этой точки зрения ССС могут играть дополняющую роль по отношению к наземным сетям.

3)       Простота обеспечения широковещательного и многоадресного (циркулярного) режимов передачи.

4)       Возможность гибкой поддержки различных информационных услуг и приложений, независимость технологии передачи и коммутации от техно­логии предоставления услуг.

5)       Обеспечение совместной передачи по общим физическим каналам суще­ственно разнородных информационных потоков (речь, аудио-, видео-, факс, цифровые массивы и т.д.), показатели качества передачи которых значительно различаются.

6)       Совместная передача непрерывного и пакетного трафика.

7)       Одновременная поддержка интерактивных служб с- или без установления соединения или без него.

8)       Предоставление услуг подвижным пользователям.

9)       Высокая пропускная способность спутниковых каналов связи при прием­лемо высоком качестве передачи.

10)   Простота обеспечения требуемых топологических свойств сети, в том числе полносвязности.

11)   Эффективное использование сетевых ресурсов, благодаря возможности перераспределения пропускной способности сети между каналами связи в соответствии с текущими характеристиками сетевого трафика.

12)   Возможность предоставления пользователям услуги глобального местоопределения.

13)   Большая гибкость ССС, позволяющая в случае необходимости достаточно просто изменять область обслуживания путем изменения орбиты ретрансляторов или пространственной ориентации луча (лучей) бортовых антенн, номенклатуру предоставляемых информационных услуг, сетевую топологию, а также быстро адаптироваться к потребностям пользователей.

14)    Простота пространственного расширения сети путем установки в области обслуживания нужных дополнительных ЗС в нужном месте, что позволяет быстро охватить сферой информационных услуг всех вновь присоединяющихся к сети пользователей.

15)   Относительно малые сроки развертывания ССС и наладки оборудования и аппаратуры.

16)   Обеспечение приемлемой совместимости с современными технологиями передачи информации наземных сетей связи.

17)    Возможность построения крупномасштабных широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (ШЦСИО) без значительных инвестиций на началь­ных фазах развертывания, особенно на территориях, где наземная инфра­структура развита недостаточно или вовсе отсутствует.

18)    ССС дают возможность объединять на начальных фазах развития назем­ной инфраструктуры локальные, городские и региональные наземные ШЦСИО, в том числе и на базе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 

 

2  Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов

 

В настоящее время наряду с ГССС, много лет успешно функционирующими в режиме коммерческой эксплуатации, на начальном этапе предоставления услуг связи и в процессе проектирования находятся множество ССС нового типа, которые потенциально могут обеспечить своим пользователям более широкий спектр услуг с более высоким качеством. Это ССС на негеостационарных орбитах (НССС), включая низкоорбитальные сети — LEO, в состав орбитальных группировок которых входят от десятков до сотен КА. Последние успехи в области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить массовое производство космических аппаратов данного типа.

Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных районах, в районах Крайнего Севера и приполярных областей, а также совершенствование конструкции и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в совокупности с применением новых информационных технологий значительно повысили интерес к этим сетям связи. Даже в странах с развитой инфраструктурой связи около 35% потребностей в услугах связи могут обеспечить только НССС. Необходимо отметить, что, например, создание необходимой структуры на базе волоконно-оптических линий связи только в одном штате Калифорния (США) потребует 15 млрд. долларов, а суммарный объем капитальных вложений на пе­реход от медных кабелей на стекловолокно составит в США около 700 млрд. дол­ларов [1].

Современные условия характеризуются непрерывным расширением рынка и качества новых услуг связи (в настоящее время потенциальная прибыль персо­нальных и подвижных спутниковых служб оценивается величиной в 60 млрд. долларов в год [2], которые в сочетании с отсутствием развитой инфотелекоммуникационной структуры большинства стран мира обуславливают актуальность решения задачи по использованию новых нетрадиционных технологий при сравнительно небольших финансовых затратах. Одним из решений этой задачи является использование НССС.

Ранее НССС широко использовались исключительно в военных целях и реже — в научных. Но в последние годы мировому сообществу были успешно продемон­стрированы технологические преимущества данных сетей. Правда, этого нельзя сказать об использованных в них моделях (в частности, из нескольких компаний, развернувших низкоорбитальные спутниковые сети, НССС LEO Iridium и Globalstar воспользовались для защиты от кредиторов соответствующими статьями закона о банкротстве).

ГССС имеют следующие недостатки.

Большое время распространения радиосигналов между абонентами (около 250 мсек), что приводит к появлению эффекта эха. Эта же причина объясняет и высокую стоимость наземных станций ГССС (особенно станций-шлюзов при передаче информационных потоков на скоростях свыше 2 Мбит/с) из-за необходимости обеспечения требуемых энергетических характеристик космических радиолиний. Каждая ЗС представляет в этом случае достаточно громоздкую сложную конструкцию, для размещения которой не всегда легко отыскать место (особенно в городе) и обеспечить её сопряжение с наземными сетями связи. Это привело к тому, что ГССС обладают высокой стоимостью эксплуатации, требуют использования мощных передатчиков, используют в основном стационарные ЗС с зеркальными параболиче­скими антеннами, имеют ограничения по мобильности абонентов. К тому же и стоимость терминалов составляет свыше нескольких тысяч долларов.

Пространственный дефицит для размещения новых СР на геостационар­ной орбите (в частности, из-за необходимости обеспечить требования электромагнитной совместимости различных ССС).

Невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах и др.

Этих недостатков нет у НССС, либо они выражены в меньшей степени. Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:

-     меньшая высота орбит КА (от 700-1500 км - у LEQ до 10000-20000 км -у МЕО, и, как следствие, существенно меньшая задержка распространения сигналов;

-     небольшие энерго- и массогабаритные характеристики КА. Например, масса низкоорбитальных КА, как правило, не превышает 250-750 кг;

-     высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность времени радиовидимости (например, в LEO средняя продолжительность времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи состав­ляет только 6-7 минут). Вследствие этого в конце 80-х годов точное пред­варительное позиционирование антенн абонентов было сложно реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью фазированных антенных решеток;

-     высокие доплеровские сдвиги частот (около +/-40 кГц в Z-диапазоне);

-     использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн терминалов, например 20°-40°, что обеспечивает надежность связи около 99,9%, и др.

Другие отличия LEO НССС от ГССС приведены в таблице 1 (в таблице условно LEO разбиты на два класса: небольшие (весом до 125 кг) и большие (весом до 500-700 кг).

Первыми широкомасштабными системами НССС были российские МЕО-система с тремя спутниками на эллиптической орбите «Молния» и LEO-система «Стрела».

  

Таблица 1 – Основные качественные характеристики НССС и ГССС

 

 

 

 

Рисунок 1 – Зона обслуживания НССС Iridium

 

Рисунок 2 – Орбитальная группировка НССС Globalstar

 

В тот же период времени аналогичные системы появились и за рубежом. Первой коммерческой являлась LEO-система Iridium [2]. Каждый из 66 спутников Iridium действует как коммутатор, маршрутизируя вызовы не­посредственно с одного на другой. Поэтому два пользователя телефонов НССС Iridium, находящиеся в любой точке мира, могут связываться между собой независимо от какой-либо наземной инфраструктуры через межспутниковые линии связи. На рисунке 1 представлена зона обслуживания этой системы, состоящая из множества парциальных зон обслуживания каждого СР.

Для уменьшения стоимости и сложности сети связи в НССС Globalstar [2] (стала предоставлять услуги в конце 2000 г.) используется меньшее число КА в орбитальной группировке (см. рисунок 2), а абонентский трафик направляется от спутников-ретрансляторов к станциям-шлюзам и далее по наземной телекоммуникационной инфраструктуре.

Орбитальные группировки (ОГ) НССС Iridium и Globalstar были выбраны таким образом, чтобы в зоне видимости абонента находился один или более спутник-ретранслятор. Системы другого класса, например Orbcomm и «Гонец» [Gonetz] [2], предоставляют более дешевый, ориентированный на передачу данных, сервис по доставке сообщений в режиме нереального времени. Если спутник отсутствует в зоне радиовидимости наземного терминала, то данные, предназначенные для передачи, хранятся в его запоминающем устройстве до момента входа спутника в его зону видимости и только после этого передаются.

Несмотря на сложности развертывания указанных систем и не совсем удачный первый опыт их коммерческой эксплуатации (например, Iridium), несколько НССС будут запущены в течение ближайших нескольких лет. Наиболее амбициозным из класса LEO-проектов является НССС Teledesic [2], в которой будут использоваться межспутниковые линии связи для передачи данных со скоростью 64-155 Мбит/с. Европейский же проект фирмы Alcatel — НССС Skybridge не предусматривает использование межспутниковой ретрансляции и бортовой обработки сигналов.

Реализация сложных механизмов коммутации и слежения на каждом спутнике приводит к увеличению стоимости услуг связи и снижению надежности. Поэтому для удешевления проекта Alcatel решила сохранить архитектуру ретрансляции, традиционную для ГСР, а также использовать в системе только Кu-диапазон, что снижает потери энергии сигнала при распространении через атмосферу.

В НССС ICO, которая относится к классу МЕО — среднеорбитальных систем, задержка и её вариация имеют промежуточные значения между зна­чениями для LEO и GEO. Это обстоятельство свидетельствует о привлекатель­ности систем МЕО для предоставления интегральных услуг связи. Корпорация Hughes также намеревается вывести на орбиту один спутник МЕО в качестве «орбитального резерва» для своей ГССС Spaceway, зону обслуживания которой составляет Северная Америка (Spaceway должна стать платформой для широкополосной версии DirecPC со скоростью передачи до 6 Мбит/с, при этом в ней не будет эхо-сигналов). Orbital Sciences в своей системе OrbLink для охвата всей поверхности Земли будет также использовать спутники МЕО с передачей в диапазоне (38 и 48 ГГц).

  

2.1  Основные особенности построения и проблемы проектирования негеостационарных спутниковых сетей связи

 

Параметры орбиты КА в НССС во многом определяют потребительские свойства сети связи, размеры и вес персональных спутниковых терминалов. Одним из параметров орбиты низкоорбитального КА является угол наклонения орбиты — угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли. Чем меньше этот угол, тем уже зона обслуживания НССС. Зона видимости (зона, из любой точки земной поверхности которой виден КА) в каждый момент времени имеет форму круга с центром в подспутниковой точке, а её размер зависит от высоты орбиты. Для низкоорбитальных КА радиус зоны видимости составляет несколько тысяч километров, например для высоты 1000 км радиус равен около 3000 км. С увеличением угла наклона орбиты зона видимости расширяется в направлении севера и юга от экватора. Для обеспечения глобальной связи целесообразно использовать полярные (с наклонением 90°) и околополярные орбиты — это орбиты, проходящие через условную ось вращения Земли. Для обеспечения региональной связи или связи в большинстве густонаселенных районов мира достаточно использовать орбитальные группировки с наклонением орбиты менее 90° — такие орбиты используются в системах Globalstar (наклонение 52°), «Гонец» (наклонение 83°) и др.

Время, в течение которого можно наблюдать низкоорбитальный КА, для большинства НССС не превышает 15 минут. Поэтому для обеспечения непре­рывной связи между абонентами необходимо создание такой орбитальной группировки, при которой достигается непрерывность зоны видимости для сети космических аппаратов. Чтобы обеспечить связь между абонентами не только внутри зоны видимости одного КА, но и на всей зоне обслуживания НССС, необходимо обеспечить связь между различными КА в орбитальной группировке НССС с применением либо межспутниковых линий связи, либо наземных шлюзовых (базовых) станций. В последнем случае эти станции выполняют также и функции средств сопряжения с наземными сетями связи. Очевидно, что для обслуживания абонентов на всей поверхности Земли необходимо большое число спутников. Например, при использовании орбит с высотой от 700 до 1500 км необходимо иметь от 70 до 40 спутников соответственно, так как с увеличением высоты орбиты требуемое количество спутников в орбитальной группировке уменьшается из-за возрастания зоны видимости. Это приводит, в общем, к снижению стоимости вывода всей орбитальной группировки НССС и стоимости предоставляемых услуг связи. Однако в этом случае, во-первых, усложняются и удорожаются наземные пользовательские терминалы за счет увеличения длины линий связи, а во-вторых, возрастает сложность БРТК, так как при увеличении зоны обслужива­ния (и, соответственно, числа абонентов, одновременно находящихся в зоне обслуживания одного КА) возрастают служебные затраты (в конечном счете, мощности и полосы частот) на организацию информационного обмена. В то же время при увеличении высоты орбиты снижаются служебные затраты на обеспечение непрерывности соединений (сеансов связи) между пользователями НССС.

Таким образом, число спутников в орбитальной группировке НССС является результатом компромисса между стоимостью, возможностями и географией оказания услуг связи, с одной стороны, и простотой и ценой спутникового терминала, с другой. В настоящее время окончательно не определены место и роль НССС в системах связи различных стран и регионов, в рамках их национальных программ построения телекоммуникационной инфраструктуры информатизации. Это объясняется, в частности, тем, что:

а)  нет большого опыта производства и коммерческой эксплуатации много­функциональных и широкомасштабных НССС;

б)  первые коммерческие проекты НССС появились в момент уже сложивше­гося рынка услуг, предоставляемых спутниковыми системами связи, по­строенными на базе ГСР, а также на начальном этапе наземных систем со­товой связи. Сейчас уже очевидно, что необходимо было проведение широких маркетинговых исследований для определения круга потенциальных пользователей (абонентов) НССС. Однако, поскольку процесс проектирования и ввода в эксплуатацию НССС достаточно длительный (как показывает мировой опыт, он занимает около десяти лет), то существует большая вероятность изменений на рынке услуг связи. Эти обстоятельства определяют высокий риск внедрения новых спутниковых технологий и ввода их в коммерческую эксплуатацию. В частности, допущенные просчеты в маркетинговых исследованиях для НССС Iridium, технологические основы которой были перенесены из проектов Министерства обороны США, привели к неудачам: в параметры модели системы были заложены неоправданно большое число корпоративных клиентов и высокие тарифы на единственную услугу связи, которую могла предоставить эта система. И даже десятикратное снижение этих тарифов уже в процессе коммерческой эксплуатации не спасло систему от финансового краха;

в)  методы детального анализа и проектирования коммерческих НССС развиты недостаточно. Это приводит в конечном счете к невозможности достаточно точного расчета экономической эффективности НССС, к оши­бочным решениям при построении БРТК и всей системы в целом и др.

Однако даже в таких неопределенных условиях стремление многих фирм-производителей спутниковых систем связи захватить новый рынок потенциальных потребителей привело к появлению в конце 90-х годов множества отечественных и зарубежных проектов НССС. Проведено достаточно полное исследование, результатом которого является сравнительный анализ преимуществ и недостатков НССС со спутниковыми сетями других типов. В определенной степени эти результаты позволяют определить место и роль НССС в будущей телекоммуникационной инфраструктуре.

Очевидно, что вновь создаваемые НССС должны быть интегрированы в сложившуюся структуру телекоммуникационных систем, не противоречить их принципам построения и стандартам информационного взаимодействия. Эта интеграция должна быть выполнена на нескольких уровнях: структурном, логическом, физическом и др. Необходимо также сказать, что технический облик космических аппаратов, БРТК и принципы построения НССС метут существенно отличаться от тех, которые оптимальны, если бы проектирование НССС выполнялось вне зависимости от уже существующих систем ФСС и ПСС. Вследствие необходимости создания единого информационного пространства спутниковых систем связи ГССС и НССС перед разработчиками встают задачи разработки концепции, принципов и методов технической реализации такой интеграции. Эти исследования должны затрагивать, например, такие типовые для ССС задачи, как: использование необходимых диапазонов частот из выделенных международными регламентирующими органами полос, выбор типа и числа антенных систем БРТК, необходимость обработки сигналов на борту и использования мощных вычислителей, нужны ли межспутниковые линии связи (например, между космическими аппаратами НССС, между КА НССС и геостационарным ретранслятором), или целесообразно обеспечить информационный обмен в НССС с использованием региональных наземных станций; какие методы и протоколы многостанционного доступа и разделения каналов связи использовать в различных радиолиниях НССС и т.д. Отметим, что вне зависимости от топологии сети связи, в любой из них будут присутствовать наземные управляющие станции (или только координирующие, или также выполняющие функции шлюзов с наземными сетями связи). Имеется большое количество работ, которые посвящены выбору числа таких станций и точек их размещения на земной поверхности. Однако в качестве управляющих параметров оптимизации в них использовались топологические характеристики, определяемые только баллистическими параметрами ОГ (крат­ность зон радиовидимости этих наземных станций и спутников-ретрансляторов, длительность сеансов связи и т.п.). Поэтому решение этой задачи в отсутствие параметров информационного обмена, таких как наличие служебного трафика от спутников-ретрансляторов к данным станциям, размещение информационно-справочных баз данных на борту ретрансляторов или на наземных станциях, объ­емы этих баз данных, выбор быстродействия вычислительных средств (бортовых или наземных) и выбор пропускной способности фидерных (между данными станциями и спутниками-ретрансляторами) линий связи не позволяет считать решение этой задачи законченным. Реализация каждой концепции приводит к вполне определенному техническому облику космических аппаратов НССС. Очевидно, что каждая концепция построе­ния НССС эффективна только во вполне определенной области её применения.

При проектировании НССС решение задач, достаточно традиционных и «стандартных» для спутниковых геостационарных систем связи, существенно усложняется. Более того, возникает ряд новых проблем и задач. Это связано, пре­жде всего, с ограничениями:

а)  на концептуальном уровне, поскольку существующие сети и системы свя­зи уже занимают определенные позиции на рынке потребителей, а срок развертывания ССС достаточно продолжительный. Необходимо отметить, что проектировщики существенно ограничены в выборе типа ракетоноси­телей, с использованием которых производится вывод всей ОГ;

б)  на техническом уровне: высокая динамика изменения топологии сети, низ­кий энергетический потенциал радиолиний при работе на персональный терминал с ненаправленной антенной, эффект Доплера, многолучевость рас­пространения, эффект «дальний-ближний», неоднократный разрыв каналов связи в течение времени соединения при переходе абонентов из зон обслу­живания одних лучей в другие, от одного ретранслятора к другому и др.

При проектировании БРТК КА НССС перед разработчиками встают мно­жество проблем, таких как, например:

-          выбор антенных систем, числа лучей и их формы; какие применять про­токолы многостанционного доступа в служебных (запросных) каналах связи и методы разделения (уплотнения) информационных каналов;

-          какие использовать алгоритмы управления информационными потоками;

-          использовать ли комбинированное построение системы: с управляющими наземными региональными станциями, с межспутниковой ретрансляцией или без неё и др.

Поэтому решение проблемы эффективного использования мощности и полосы в НССС и построения системы информационного обмена требуют нетрадиционных решений. Например, на наземных станциях ГССС, выполняющих функции шлюзов с другими сетями связи, применяется мультиплексирование множества потоков от различных абонентов, в то время как в НССС каждый абонент, по сути, является отдельной наземной станцией, территориально разнесенной от других, станций. Или, например, решение задачи выбора протоколов многостанционного доступа и маршрутизации в НССС, использующих межспутниковые линии связи для ретрансляции, должно быть проведено только совместно, в отличие от ГССС, где проблема маршрутизации присутствует в существенно усеченном виде либо вовсе отсутствует. В наземных же сетях связи задачи маршрутизации успешно решаются, однако проблема многостанционного доступа практически отсутствует, поэтому известные результаты проектирования наземных сетей связи не могут быть прямо применены к их использованию в НССС и т.д. Более того, отдельный, но достаточно распространенный на практике класс протоколов многостанционного доступа к радиоканалам связи Aloha имеет отрицательное свойство приводить радиоканал к состоянию неустойчивого функционирования, которое характеризуется резким снижением пропускной способности. Поэтому важно знать и использовать методы, которые устраняют или снижают до приемлемого минимума этот недостаток. В данной части книги анализируются эти проблемы.

Даже из небольшого перечня задач видно, что концепции построения и технический облик НССС и космических аппаратов должны отличаться от известных для ГССС и наземных телекоммуникационных систем. В то же время математический аппарат и методы комплексных исследований НССС развиты недостаточно. В связи с этим имеющихся в литературе результатов исследований, подтвержденных практикой, явно недостаточно. Вследствие этого, если сравнить концепции построения проектируемых или заявленных ранее проектов НССС, видно, что каждая из этих систем уникальна по своим принципам построения. Более того, принципы построения этих систем взаимоисключающие, а некоторые базовые технические решения, принятые к реализации на начальных этапах системотехнического проектирования, были просто неоправданны. Это говорит, в частности, и о том, что до настоящего времени нет глубоких концептуальных проработок построения НССС, недостаточно полно разработана система получения качественных и количественных оценок тех или иных альтернативных вариантов построения сетей.

Необходимо отметить, что в настоящее время в вопросах оценки топо­логических характеристик НССС, баллистики, построения орбитальной группировки и выборе её параметров имеется достаточное число моделей и результатов, в частности, по расчету длительности зон видимости, влиянию несфазированности  КА на орбите на вероятность наличия зон видимости и др. Эти мо­дели и результаты были разработаны и получены, а также непрерывно уточнялись, начиная с запуска первых искусственных спутников Земли. Поэтому расчет этих показателей в общем не вызывает затруднений. Но эти имеющиеся результаты не полностью объясняют концептуальное построение НССС, особенно в части организации информационного взаимодействия и предоставления услуг связи, а также не облегчают выбор ряда технических параметров всей НССС и БРТК. Весьма вероятно (за исключением, пожалуй, НССС Odyssey и Teledesic) все различного назначения орбитальные группировки известных проектов строились, исходя во многом из имеющегося опыта использования НССС в других приложениях, особенно военного назначения, а также наличия определенного класса ракетоносителей, но совсем не из результатов оптимизации по обобщенному критерию эффективности. На начальных этапах проектирования НССС для определения технического облика сети желательно иметь достаточно простые аналитические или гибридные (имитационные и аналитические) модели для получения количественных оценок основных параметров сетей.

Традиционно в качестве обобщающих показателей эффективности спутниковых систем связи и передачи информации используются пропускная способность или прибыль, стоимость создания и эксплуатации, либо относительные величины. Про­пускная способность сети связи наиболее часто определяется как:

-     либо максимально возможный трафик, пропущенный системой с задан­ным качеством;

-     либо максимальное число каналов, одновременно функционирующих в сети связи, которые обеспечивают заданное качество обслуживания.

Традиционно в виде косвенной характеристики пропускной способности используют также и вероятностно-временные характеристики информационного обмена: задержку доставки или передачи информации, задержку предоставления каналов связи, вероятность блокировки каналов связи и др.

 

2.2 Преимущества и недостатки ССС, использующих негеостационарные орбитальные группировки ретрансляторов

 

Негеостанционарными группировками спутников-ретрансляторов являются СР, размещенные на круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также на эллиптических орбитах. Разновидности орбит ретрансляторов, используемых в ССС, показаны на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Орбиты спутников

 

Эллиптические орбиты ЕЕО {Elliptical Earth Orbit} привлекательны для избирательного покрытия одного из земных полушарий. На рисунке 4 показана 12-часовая эллиптическая орбита, покрывающая, за исключением приэкваториального пояса, северное полушарие.

Рисунок 4 – Эллиптическая орбита

 

 Высота точки перигея орбиты выбирается минимально возможной с учетом дестабилизирующего влияния остаточной ат­мосферы Земли и составляет примерно 500 км. Поскольку скорость движения СР по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он быстро пересекает на низких высотах южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 90 градусов в течение длительного времени «зависает» над северным. Высота точки апогея 12-часовой эллиптической орбиты сопоставима с высотой геостационарной орбиты и составляет примерно 40000 км. Для непрерывного покрытия по­лушария во времени достаточно трех спутников, длительность сеанса связи с каждым из которых равна 8 часов. Орбиты с аналогичными параметрами впервые были использованы для советских радиовещательных спутников раннего поколения «Молния», поэтому их часто называют орбиты типа Молния (Molniya Orbit). Наряду с отмеченными достоинствами, эллиптическим орбитам присущи и существенные недостатки: значительное изменение дальности в течение сеанса связи, большой доплеровский сдвиг частоты, необходимость использования на ЗС следящих антенных систем, сложность и высокая стоимость вывода тяжелых спутников связи на орбиты с большим углом наклонения.

Заслуживает внимания также и баллистическая структура системы «Кентавр», предложенная российскими разработчиками [2]. Баллистическая структура системы обеспечивает реализацию эффекта псевдогеостационарности (неподвижности спутника) над широтой около 63 градусов. Эффект обеспечива­ется развертыванием четверки спутников на особых двенадцатичасовых высоко эллиптических орбитах. Каждая четверка спутников является одним базовым сегментом системы. В базовом сегменте обеспечивается синхронизация включения/выключения бортовых ретрансляторов на апогейных участках орбиты. Так как на этих участках спутники практически неподвижны относительно земной поверхности, для аппаратуры потребителя создается эффект непрерывного положения космической станции в одной точке. Один базовый сегмент обеспечивает две зоны неподвижности (позиции), что, по сути, эквивалентно развертыванию двух геостационарных спутников связи. Полная автономность сегментов позволяет последовательно развертывать новые сегменты (без взаимной синхронизации) в интересах новых пользователей, в целях расширения зон обслужива­ния или повышения пропускной способности.

Фактически данная система использует новый природный ресурс — два кольца псевдогеостационарности ретранслятора (Северное и Южное полушарие) над широтой 63 градусов, что в совокупности близко к объему геостационарной орбиты.

Данный класс орбитальных группировок имеет следующие особенности:

-     использование нового природного ресурса — псевдогеостационарной ор­биты, реализующей принципы геостационарной, но на широтах 63°;

-     значительные углы видимости на территориях выше широты 35°, где расположены государства с максимальным объемом трафика — Европа, США, Канада, а также Россия и страны СНГ. Как следствие этого — устойчивая работа в условиях пересеченной местности и городской застройки;

-     возможность поэтапного развертывания широкомасштабной системы спутниковой связи с практически глобальным покрытием, запуска в ком­мерческую эксплуатацию уже на первом этапе с относительно небольшими начальными финансовыми вложениями;

-     возможность использования РН легкого класса, отсутствие квот и очередей на запуски спутников системы.

Высота круговых орбитальных группировок на низких орбитах LEO лежит в пре­делах от 700 до 1500 км. Ограничение снизу обусловлено наличием остаточной атмосферы Земли, а сверху — околоземными радиационными поясами Ван Аллена, снижающими надежность и долговечность главным образом первичных источников питания, а также радиоэлектронной аппаратуры. Как ранее уже отмечалось, низкоорбитальные ретрансляторы принято подразделять на небольшие (Little LEO) и большие (Big LEO).

Простые и дешевые малые ретрансляторы в НССС используются для низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений, в том числе и речевых в цифровой форме. Интерактивный режим информационного обмена не предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного сегментов сети и, соответственно, предоставляемых информационных услуг. В процессе функционирования вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов параметры орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных сетях передача сообщений обычно осуществляется в режиме электронной почты и сводится к следующему: пользователь-отправитель цифрового сообщения набирает его на своем терминале и включает его в режим прослушивания. Формат сообщения предусматривает включение в его служебную часть адресов отправителя и получателя, а также информации об объеме сообщения. Когда, спустя некоторое время ожидания t_ож > 0, терминал оказывается в зоне обслуживания одного из ретрансляторов группировки, он получает от ретранслятора значения частот информационных каналов и ответного канала и передает свои сообщения на спутник с использованием протоколов множественного доступа Р- или S-Aloha При передаче более объемных сообщений могут быть использованы протоко­лы с предоставлением каналов по требованию. Правильно принятое сообщение демодулируется ретранслятором и заносится в бортовую память. Далее, в течение некоторого времени переноса t_n > 0, сообщение физически переносится ретранслятором до тех пор, пока в зоне его обслуживания либо не окажется терминал пользователя-получателя, на который оно и «сбрасывается», либо земная координирующая станция, которая осуществляет ретрансляцию данного сообщения по наземной сети связи или через другой спутник-ретранслятор, время пролета которого к терминалу получателя меньше, чем данного ретранслятора. Для обеспечения нормального функционирования сети каждый ретранслятор должен непрерывно обновлять и пополнять текущий список адресов пользователей, находящихся в данный момент времени в зоне его обслуживания (такой подход часто называют сетью со «скользящими» зонами обслуживания). Время ожидания сеанса связи t_oж > 0 может колебаться от нескольких миллисекунд до нескольких минут. Время переноса t_n > О лежит в пределах от миллисекунд (если отправитель и получатель находятся в зоне обслуживания одного и того же ретранслятора) до нескольких часов. Упрощенные прототипы рассматриваемых сетей на базе малых низкоорбитальных ретрансляторов начали эксплуатироваться еще со второй половины 60-х годов, например система Courier (США). Ана­логичная система чуть ранее была создана и в бывшем СССР. С целью привлечения пользователей подобных систем необходимо повышать их оперативность и расширять круг информационных услуг. Оперативность может быть резко увеличена путем использования межспутниковых каналов (линий) связи (ISL Inter-Satellite Links). В пределах зоны обслуживания возможна организация телефонных каналов. Однако наличие в подобных системах «скользящей» зоны обслуживания не гарантирует представления телефонного канала даже паре близкорасположенных пользователей и необходимую длительность установления соединения. Примерами сетей, использующих малые ретрансляторы, являются системы Гонец, Orbcomm, Starsys.

Большие низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС, обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к реальному. При этом во избежание возникновения «брешей» в области обслуживания необходимо с весьма высокой точностью поддерживать расчетные баллистические пара­метры орбитальной группировки, что возможно лишь при периодической коррекции этих параметров в процессе эксплуатации сети. Для этого каждый ретранслятор снабжается системой коррекции орбиты (двигательная установка, соответствующий запас топлива, подсистема приема, распределения и исполнения команд), а наземный сегмент дополняется командно-измерительными станциями.

В основе построения ССС на базе больших низкоорбитальных ретрансляторов лежит принцип, аналогичный используемому в наземных сотовых сетях связи. Область обслуживания сети разбивается на ряд фиксированных зон обслуживания. Геометрические размеры и размещение зон обслуживания на поверхности Земли определяются концепцией построения сети, в частности параметрами орбитальной группировки ретрансляторов. Каждый из пользователей сети «приписывается» к конкретной зоне обслуживания. В любой момент времени каждая зона обслуживается как минимум одним из ретрансляторов группировки. Динамика движения спутников по орбитам и вращение Земли приво­дят к тому, что одна и та же зона обслуживается в различные интервалы времени разными ретрансляторами. В результате возникает необходимость в реконфигурации каналов связи сети, поскольку часть каналов «разрывается» и заменяется вновь организуемыми каналами. Реконфигурация каналов отрицательно сказывается на качестве информационного обмена, и следует стремиться к минимизации частоты этих событий. Количественной оценкой частоты реконфигурации каналов связи является средняя (или, что менее объективно, максимальная) продолжительность сеанса связи ретранслятора с зоной обслуживания.

Первые проекты глобальных НССС появились в конце 70-х — начале 80-х годов. Предлагались достаточно сложные группировки с ретрансляторами па орбитах разной высоты и наклонения (в пределах одной сети). Позднее общепризнанными стали ОГ с ретрансляторами, размещенными на орбитах одинаковой высоты и наклонения, с равномерным распределением плоскостей орбит в пространстве, а ретрансляторов — в пределах каждой плоскости. Основными параметрами подобных группировок являются:

-     высота орбиты — h;

-     угол наклонения орбитальных плоскостей — i;

-     количество орбитальных плоскостей — п_п;

-     число спутников в каждой орбитальной плоскости — п_с;

-     общее число спутников в группировке п = п_п ∙ п_с.

 

СР – спутниковый ретранслятор; БС – базовая станция;

АЛ – абонентская линия; ВФЛ – внутризоновая фидерная линия.

 

Рисунок 4 – Организация межзоновой сети связи

 

 

 

Одной из ключевых проблем при разработке НССС является организация меж­зонового информационного обмена, необходимого для поддержания связи между пользователями, находящимися в разных зонах обслуживания. Для этого необходи­ма межзоновая сеть связи (МСС). Вне зависимости от способа организации каналов связи между зонами к МСС предъявляются следующие основные требования:

-     топология сети должны быть разветвленной настолько, чтобы обеспечи­вать приемлемо малые задержки при передаче;

-     топология сети должна быть максимально устойчивой во времени, иначе возникает необходимость реконфигурации каналов связи МСС, что суще­ственно ухудшает качество связи.

Рассмотрим основные преимущества и недостатки возможных вариантов ор­ганизации межзоновой сети связи.

С использованием наземных (кабельных, волоконно-оптических, радиорелейных) каналов связи (см. рисунок 4). В этом случае в каждой зоне обслуживания размещается наземная базовая станция (БС), соединенная с обслуживающим контролируемую ею зону спутником внутризоновой фидерной линией. Основным достоинством рассматриваемого варианта является возможность использования простых и относительно дешевых спутников с непосредственной ретрансляцией. Для организации фидерной линии БС и СР должны быть оборудованы следящими антенными системами с узкими сканирующими лучами. Пространственное разделение узконаправленных фидерных линий позволяет использовать в них одинаковые диапазоны частот. Концептуально рассматриваемый вариант наиболее близок к наземным сотовым сетям связи: ретрансляторы, соединенные с со­ответствующими БС фидерными линиями, выполняют функции «высоких ан­тенн» сотовой сети. Информационный обмен между пользователями, например, при коммутации сообщений осуществляется следующим образом. Отправитель передает по абонентской линии сообщение на обслуживающий его зону ретранслятор, который по фидерной линии пересылает его без обработки в БС-зоны, БС демодулирует и декодирует сообщение, выявляет адрес получателя и принадлежность его к одной из зон обслуживания сети. Если получатель находится в пределах зоны обслуживания данной БС, то БС по фидерной линии возвращает его тому же ретранслятору, который и доводит его до получателя. В противном случае БС определяет другую станцию, контролирующую зону обслуживания получателя, выбирает оптимальный маршрут и пересылает к ней сообщение по наземной сети. Аналогичные процессы происходят при коммутации пакетов и каналов с той разницей, что при коммутации каналов подобным образом обрабатываются запросы (вызовы) на установление канала связи. Топология МСС в рас­сматриваемом случае не зависит от времени, поэтому установленные соединения «разрываются» только при реконфигурации абонентских и фидерных линий. Сложность и стоимость космического сегмента сети среди возможных вариантов минимальные, а сложность наземного сегмента — максимальная.

Использование для связи между базовыми станциями ретрансляторов группировки (см. рисунок 5). В этом случае, как и в предыдущем, возможно исполь­зование спутников с непосредственной ретрансляцией, но поскольку они передают не только внутри-, но и межзоновый трафик, их пропускная способность должна быть выше. Дополнительно ретранслятор оборудуется для замыкания межзоновых линий тремя-четырьмя приемными узкими сканирующими лучами. БС также усложняются, поскольку они поддерживают фидерную линию и 3-4 межзоновых линий (БС должны быть оборудованы 4-5 узкими сканирующими лучами). Наземные каналы исключаются. Маршрутизация информационных потоков осуществляется в базовых станциях. Канал связи между парой пользователей, расположенных в разных зонах обслуживания, образуется цепочкой абонентских, внутризоновых и межзоновых фидерных линий. В рассматриваемом случае требуется частая реконфигурация всех линий, поэтому вероятность «разрыва» установленного соединения, если не приняты специальные меры, достаточно велика (особенно для «длинных» каналов).

 

СР – спутниковый ретранслятор; БС – базовая станция;

АЛ – абонентская линия; ВФЛ – внутризоновая фидерная линия;

МФЛ – межзоновые фидерные линии.

 

Рисунок 5 – Организация межзоновой связи с использованием ретрансляторов группировки и базовых станций

 

Использование для связи между зонами обслуживания межспутниковых каналов (линий) связи (МЛС) (см. рисунок 6). В этом случае необходимость в использовании БС отпадает, поскольку все их функции возлагаются на ретрансляторы. Очевидно, что для этого необходимы ретрансляторы с полной обработкой (демодуляция-модуляция, коммутация на видеочастоте). Связность между зонами обслуживания обеспечивается тремя-четырьмя межспутниковыми каналами на каждый ретранслятор. Динамика взаимного перемещения ретрансляторов группировки небольшая и реконфигурация межспутниковых каналов требуется только вблизи точки пересечения орбитальных плоскостей.

 

 

АЛ – абонентские линии; МЛС – межспутниковые линии связи.

 

Рисунок 6 – Организация межзоновой связи при помощи межспутниковых линий связи

 

Поэтому вероятность «разрыва» установленного соединения существенно ниже, чем в предыдущем рассмотренном случае.

Топология МСС при использовании 3- и 4-межспутниковых каналов (межзоновых линий) показана на рисунке 7

 

 

Рисунок 7 – Топология сети межзоновой связи

Качественные характеристики возможных способов организации в межзоновой связи приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Характеристики возможных способов организации межзоновой связи

 

В пользу круговых ОГ на низких и средних орбитах по сравнению с геоста­ционарными обычно приводятся следующие аргументы перечисленные ниже.

Поскольку затухание сигналов в свободном пространстве прямо пропор­ционально квадрату расстояния, относительно небольшая дальность связи при прочих равных условиях позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов. Это дает возможность, в частности, поставить на рынок новые привлекательные информационные услуги — высокоскоростную персональную фиксированную спутниковую связь и глобальную персональную подвиж­ную связь по ценам, приемлемым для широкого круга пользователей.

Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что позволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании ГСР задержка распространения составляет 250-270 мс).

 Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Зем­ли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвы­шения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10° простирается по широте в пределах +/-70°, а при увеличении минимально допустимого угла возвышения до 30° сокращается до +/- 50° .

Оценим влияние высоты орбиты СР на требования к энергетическим характеристикам абонентских терминалов и ретрансляторов. Рассмотрим рисунок 8.

 

 

 

Рисунок 8 – Геометрические соотношения при оценке энергетических затрат

 

Зафиксируем угловой размер зоны обслуживания α — угол обзора зоны из центра Земли. Пусть ретранслятор неподвижен относительно зоны обслуживания и его подспутниковая точка совпадает с центром зоны. Тогда, с использованием соотношений элементарной тригонометрии, легко получить:

а)  угол обзора зоны обслуживания со спутника:

 

                                                    ₍₁₎

 

где h – высота орбиты ретранслятора,

б)  максимальная дальность связи:

 

                                                                                                   ₍₂₎

 

Рассмотрим две орбиты с высотами h₁ и h₂ (h₂>h₁) с соответствующими параметрами r₁, β₁ и r₂, β₂. Относительный энергетический проигрыш более высокой орбиты за счет увеличения дальности связи составит (r₂/r₁)². С другой стороны, при увеличении высоты орбиты уменьшается угол обзора зоны обслуживания со спутника, что приводит к необходимости использования антенн с лучшими характеристиками направленности. Поскольку эффективная площадь приемных антенн и коэффициент усиления передающих обратно пропорциональны квадрату ширины диаграммы направленности, то величина отно­сительного выигрыша равна (β₁/β₂)², a результирующий проигрыш составит.

Результаты расчетов по приведенным соотношениям для двух значений углового размера зоны обслуживания α = 20° и 4° приведены в таблице 3.

Приведенные в таблице значения энергетического проигрыша абонентских линий рассчитаны относительно орбиты минимальной высоты и оказываются меньше единицы. Таким образом, при сделанных допущениях, увеличение высоты орбиты не только не сопровождается энергетическим проигрышем, но и обеспечивает незначительный выигрыш, величина которого растет по мере увеличения высоты орбиты и размеров зон обслуживания. Увеличение дальности связи компенсируется необходимостью использования более сложных и громоздких бортовых антенн с высоким коэффициентом усиления.

 

Таблица 3 – Сравнительные характеристики различных ОГ

 

При достаточно малых угловых размерах зон обслуживания, используя разложения:

 

_{тогда получим:}

 

                                                                                                     ₍₃₎

 

Мы рассмотрели энергетику абонентских линий в предположении неподвижности ретрансляторов относительно зон обслуживания. На практике негеостационарные спутники последовательно пересекают эти зоны, проводя с их абонентами сеансы связи. При использовании бортовых антенн с фиксированной диаграммой направленности формируется так называемый «скользящий» луч и для покрытия зоны обслуживания в течение сеанса связи ширину диаграммы направленности приходится увеличивать примерно в 2 раза (см. рисунок 9 а), что приводит к энергетическому проигрышу по сравнению с ГСР на - 6 дБ. Исключить этот проигрыш позволяет применение сканирующих бортовых антенн. В течение сеанса связи приемо-передающий луч антенны отслеживает перемещение спутника относительно зоны обслуживания таким образом, чтобы луч был постоянно нацелен в центр зоны (см. рисунок 9 б). При смене зон обслуживания луч ретранслятора скачкообразно перенацеливается в центр следующей обслуживаемой зоны.

 

 

а – покрытия «скользящим» лучом;

 б – квазистатическое покрытие; 1 и 2 – точки входа/выхода в/из зону обслуживания, соответственно.

 

Рисунок 9 – Покрытие зон обслуживания негеостационарными ретрансляторами

 

Такое решение называют квазистатическим покрытием зон обслуживания. При этом необходимо использование сканирующих бортовых антенн на основе ФАР и АФАР, что приводит к заметному усложнению и удорожанию антенных систем ретрансляторов

С использованием соотношений  выразим угловой размер зоны обслуживания через параметры абонентских линий связи:

 

                                                                                           ₍₄₎

 

_{где  f  [ГГц] – рабочая частота,}

_{Рп  [Вт] – мощность предатчика,}

_{Gп  [Вт] – коэффициент         усиления        передающей        антенны   пользовательских терминалов,}

– пороговое отношение сигнал/шум,

_{L – результирующие  потери  полезного  сигнала  на  трассе распространения,}

                _{Т [*К] – шумовая температура приемной системы ретранслятора,}

                _{С [кбит/с] – пропускная способность абонентской линии.}

 

Оценим задержки распространения сигналов. Рассмотрим рисунок 10.

 

 

Рисунок 10 – К определению задержек распространения

 

Непосредственно из геометрических построений следует, что дальность связи равна:

-     при использовании спутников с непосредственной ретрансляцией и меж­зоновой связью через базовые станции:

 

r = 2r₁+(n-1)r₂+(n+1)h;

 

-     при использовании для межзоновой связи МЛС:

 

r = 2r₁+(n-1)r₃,

 

где п — расстояние между зонами обслуживания абонентских терминалов, установивших соединение, выраженное в числе зон.

Расстояния r₁, r₂ , r₃ (длина межспутникового канала) определяются следую­щими соотношениями:

 

                                      _{,                               (5)}

 

где

- угловой размер зоны обслуживания,

_{γ – минимальный допустимый угол возвышения ретранслятора над зоной обслуживания.}

 

Результаты расчетов максимальной дальности связи и задержки для       γ = 10° и типовых значений высот орбит приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Дальности связи r [км] и задержки распространения сигналов τ [мс]

Окончание  таблицы 4

 

Данные таблицы позволяют заключить следующее:

-     использование средних орбит при межзоновой связи через БС обеспечивает задержки (максимальные), сопоставимые с задержками в глобальных ССС через TCP (соответственно, 382 и 517 мс);

-     среднеорбитальиые группировки, использующие МЛС, обеспечивают задержку, сопоставимую с задержкой в региональных ССС через ГСР (230 и 270 мс, соответственно);

-     использование низких орбит позволяет уменьшить максимальную задержку распространения в 4-6 раз по сравнению с геостационарной орбитой.

Низкоорбитальные группировки, использующие МЛС, обеспечивают наименьшие задержки, причем их величина слабо зависит от высоты орбиты и составляет 80-90 мс. При использовании низких орбит задержка распространения пропорциональна расстоянию между приемной и передающей сторонами, что с учетом «тяготения» сетевого трафика к концентрации в одной или соседних зонах обслуживания обеспечивает средние задержки распространения, существенно меньшие максимальных. С другой стороны, при увеличении числа спутников в группировке (снижении высоты орбиты) растет аппаратурная задержка (задержка обработки), возникающая в узлах сети. Наиболее жесткие требования предъявляются к задержкам интерактивного трафика. Так, в соответствии с рекомендациями МККТТ, задержка передачи в спутниковой телефонии не должна превышать 400 мс. Для других спутниковых служб допускаются существенно большие задержки. Таким образом, с точки зрения задержек передачи предпоч­тительны низкоорбитальные группировки (особенно для глобальной телефо­нии), способные обеспечить наибольшее качество интерактивной связи. Тем не менее среднеорбитальиые и геостационарные группировки все же «укладываются» в рамки предъявляемых требований, поэтому критерий задержки распространения не позволяет выявить однозначно предпочтительный вариант построения сети.

Угол возвышения (видимости) ретранслятора γ является важным параметром, определяющим эффективность связных ресурсов. Как уже отмечалось, уменьшение γ приводит к увеличению потери энергии сигналов в атмосфере и росту шумовой температуры приемных систем. При малых у возрастает вероятность затенения ретранслятора окружающими пользовательский терминал предметами, а при использовании приемо-передающих антенн терминалов с широкими диаграммами направленности условия связи дополнительно в значительной степени ухудшаются из-за эффекта многолучевости распространения, проявляющегося в том, что на вход приемника пользователя помимо «прямого» сигнала в случайных фазовых соотношениях поступают сигналы, отраженные от земной поверхности и расположенных на ней предметов. Эти предметы могут рассматриваться как ретрансляционная помеха «прямому» сигналу. Аналогично, на вход ретранслятора поступают основной сигнал и сигналы, рассеянные поверхностью Земли.

В сетях персональной фиксированной службы через ГСР энергетические потери, обусловленные атмосферным затуханием и ростом шумов, компенсируются использованием абонентских антенн с высоким коэффициентом усиления. При этом благодаря узким диаграммам направленности минимизируется влияние многолучевости. Затенения ретранслятора окружающими предметами в большинстве случаев можно избежать выбором приемлемого места установки стационарной пользовательской антенны. Поэтому в рассматриваемом случае вполне приемлема работа при углах возвышения 10 градусов и более, что в принципе позволяет создавать практически глобальные (с областью обслуживания в пределах +/-70° по широте) сети персональной фиксированной службы на базе ГСР.

В сетях персональной подвижной спутниковой связи принципиально необходимо использовать антенны пользовательских терминалов с достаточно широкими диаграммами направленности, а мобильность пользователей не позволяет избежать негативного влияния затенения. В результате огибающая принимаемого сигнала претерпевает быстрые (обусловленные многолучевостью) и медленные (обусловленные затенением) изменения, что приводит к существенному снижению помехоустойчивости. Например, работа в городских условиях при γ = 10° и весьма высокой допустимой вероятности ошибочного приема двоичного символа р = 10 требует обеспечения отношения сигнал/шум h² ~ 2500 [3]. Это на три порядка больше, чем при оптимальном приеме ФМ-сигналов с постоянной амплитудой. При увеличении минимально допустимого угла возвышения появляется возможность использования слабонаправленных пользовательских антенн, ориентированных в верхнюю полусферу. Это позволяет существенно ослабить влияние многолучевости и затенения, а также снизить требования к мощности передающего устройства. Считается, что величина у для подвижных терминалов должна быть не менее 25-30°. При этом можно в первом приближении не учитывать особенностей подвижной связи.

Ниже в таблице 5 сведены указанные преимущества и недостатки каждого типа спутниковых сетей связи, а в таблице 6 — типовые технико-экономические характеристики.

 

Таблица 5 – Сравнительный анализ трех  типов ССС

 

 Продолжение таблицы 5

LEO	МЕО	GEO
Возможность обеспече­ния высокого минимально­го угла возвышения
Для пользователя, находящегося в любой точке земной поверхности достигается увеличением числа ретрансляторов ОГ при соответствующем упрощении каждого из них.	Для пользователя, находящегося в любой точке земной поверхности.	Невозможность обеспече­ния больших углов возвы­шения в высоких широтах (более 70"), что делает про­блематичным создание глобальных сетей подвижной связи
Зона покрытия
Незначительный размер зоны обслуживания каждого ретранслятора диаметром порядка нескольких тысяч километров, что приводит к необходимости исполь­зования в ОГ большого числа спутников (от нескольких десятков до нескольких сотен	Для глобального покрытия земной поверхности доста­точно 10-20 ретранслято­ров.	Для практически глобаль­ного покрытия зоны обслу­живания достаточно 3-6 ретрансляторов
Число базовых станций
Необходимость использо­вания большого числа базовых станций (до нескольких сотен), либо межспут­никовых линий связи, что приводит к удорожанию сети	Число базовых станций (станций управления и ко­ординации) около 10-15.	Минимальное число базо­вых станций.
Длительность сеансов связи
Небольшая длительность сеансов связи пользователя с каждым ретранслятором (от 3 до 14 минут), что приводит к необходимости частой реконфигурации каналов связи ("hand-off), снижению качества обслуживания и существенным служебным затратам пропускной способности.	Длительность сеансов связи составляет около 100 минут, что в значительной степени снимает про­блему реконфигурации ка­налов связи	Пользователи непрерывно находятся в зоне видимо­сти «своего» ретранслято­ра, нет необходимости в построении системы обеспечения непрерывности со­единений ("hand over", "handofP')
Срок службы ретрансля­торов
Срок службы ретрансляторов (не более 5-7 лет), обусловленный частой сменой «дня» и «ночи» на низких орбитах, что требует допол­нительных материальных затрат на восполнение ОГ.	Срок службы ретрансляторов составляет более 10 лет. Редкая цикличность «день — ночь	Срок службы ретрансля­торов составляет более 10 лет. Редкая цикличность «день — ночь»

Продолжение таблицы 5

  

Продолжение таблицы 5

LEO	МЕО	GEO
Риск разработки
Значительный риск проектов НССС в связи с отсутствием опыта их разработки, производства и эксплуатации	Средний риск проектов, поскольку имеется возмо­ность использования хорошо себя проявивших и проверенных на практике технологий геостационарных ретрансляторов.	Риск разработки мини-мальный.
Эффективность использования частотных ресурсов
Неэффективное использование выделяемых частотных диапазонов и проблематичность их использования различными системами.	Неэффективное использование выделяемых частотных диапазонов и проблема­тичность их использования различными системами.	Возможность многократ­ного использования диапазонов частот различными системами путем пространственного разделения
Уровень воздействия радиации на ретрансляторы
Низкий, но есть невозможность размещения ОГ на орбитах 1500-5000 км (1-го радиационного пояса Ван-Аллена)	Приемлемый, но есть невозможность размещения ОГ на орбитах 13000-20000 км из-за сильного воздейст­вия радиации	Низкий
Уровень «космического мусора»
Малый	Приемлемый	Высокий
Стоимость выведения ретранслятора на орбиту
Низкая стоимость выведения ретранслятора на низкую орбиту	Средняя стоимость выведения О Г	Высокая стоимость выве­дения ретранслятора на геостационарную орбиту
Стоимость ретранслятора и ракетоносителя
Низкая	Средняя	Высокая
Стоимость наземного сегмента системы
Сложный и дорогостоя­щий наземный сегмент си­стемы	Низкая	Низкая

  

Окончание таблицы 5

 

2.3 Параметры орбитальных группировок

 

При построении негеостационарных орбитальных группировок используются круговые орбиты одинаковой высоты и наклонения с равномерным распределением плоскостей орбит в пространстве и спутников в каждой плоскости. При этом угол между смежными плоскостями Δφ= 180°/n_п, а угловое расстояние между спутниками в каждой плоскости Δψ= 360°/n_с. Не нарушая общности, рассмотрим группировки, использующие полярные орбиты, а вопрос о выборе угла наклонения рассмотрим отдельно в дальнейшем. При использовании полярных орбит область наибольшего разрежения спутников находится в приэкваториальном поясе, а «пучности» — в приполярных областях. Возможны два варианта фазировки орбитальных плоскостей (см. рисунок 11):

а) случайная (некорректируемая) с произвольным и с, возможно, изменяю­щимся во времени сдвигом спутников в различных орбитальных плоско­стях (СФ);

б) фиксированная (ФФ) со сдвигом спутников в смежных плоскостях на угол Δψ/2.

Очевидно, что фиксированная фазировка позволяет минимизировать общее число спутников для сплошного покрытия земной поверхности при обеспечении заданных вероятностно-временных характеристик информационного обмена. Однако при случайной фазировке упрощается развертывание и эксплуатация орбитальной группировки, особенно в тех случаях, когда СР имеют небольшую массу, малое энергопотребление и низкую точность ориентации.

Независимо от способа фазировки параметры орбиты должны быть выбраны таким образом, чтобы в любой момент времени обеспечить возможность предоставления информационных услуг пользователю, находящемуся в любой точке заявленной зоны обслуживания.

  

 

 

Рисунок 11 – Способы фазировки орбитальных плоскостей негеостационарных группировок ретрансляторов

 

Установим связь между параметрами группировки и угловым размером зоны обслуживания α. Угловое расстояние между двумя точками на сфере определя­ется следующим соотношением:

 

 

                                 (6)

 

где – сферические   координаты   рассматриваемых   точек,

- – полярное расстояние,

– долгота.

 

При случайной фазировке наименее благоприятная ситуация с точки зрения покрытия земной поверхности возникает при нулевом сдвиге между спутниками смежных орбитальных плоскостей. Непосредственно из рисунка 11а следует, что при случайной фазировке угловой размер зоны обслуживания может быть получен  подстановкой β₁ = 90° + Δψ/2, ψ₁= 0,        β₂ = 90 - Δψ/2, ψ₂= Δψ:

 

.

 

С учетом того, что центры смежных зон обслуживания находятся в вершинах квадрата, имеем:

 

                                                 (7)

 

 

При фиксированной фазировке центры смежных зон обслуживания должны находиться в вершинах равностороннего треугольника. При заданном числе орбитальных плоскостей n_c, и соответствующем угловом разносе смежных плоскостей Δφ= 180°/n_п  угол разноса спутников в каждой плоскости может быть определен из уравнения:

 

 

Это выражение, с учетом (2.6) и известного тригонометрического соотношения cos2x = cos²x- sin²x, сводится к уравнению:

 

 

Решение этого уравнения имеет следующий вид:

 

                                                                       (8)

 

Число спутников в каждой орбитальной плоскости равно:

 

 ,                                                  (9)

 

где запись ]x[ обозначает ближайшее целое число, больше х.

 

Теперь можно уточнить угловой разнос спутников в орбитальной плоскости (с учетом того, что число ретрансляторов должно быть целым)  Δψ= 360°/n_с  и определить угловой размер зоны обслуживания, воспользовавшись очевидным равенством:

 

 

         Откуда вспомогательная величина φ* определяется из уравнения:

 

 

         А угловой размер зоны обслуживания равен:

 

               ,     (10)

 

где

 

В таблице 6 приведены результаты расчетов угловых размеров зон об­служивания. При известном угловом размере зоны обслуживания и заданном минимальном угле возвышения ретрансляторов у требуемая высота орбиты определяется выражением:

 

                                                                                              (11)

 

 

где:		– при использовании фиксированных зон обслуживания,
		– при использовании скользящих зон.

        

Угол обзора зоны  обслуживания со спутника при фиксированных зонах

равен

а при скользящих зонах –

 

В таблице 6 приведены результаты расчетов угловых размеров зон обслуживания.

 

Таблица 6 – Угловые размеры зон обслуживания

 

 

Основные параметры низкоорбитальных группировок ретрансляторов в диапазоне высот 700-1500 км и углов возвышения 10-40 градусов приведены в таблицах 7 (для фиксированных зон обслуживания) и 8 (для скользящих зон).

 

Таблица 7 – Основные параметры низкоорбитальных группировок (фиксированные зоны обслуживания)

СФ								–	–	–
		[км]	746	843	964	1120	1328	–	–	–
		[град]	62	60	59	57	55	–	–	–
		[км]	746	800	862	935	1021	1122	1244	1396
		[град]	57	57	56	55	54	53	52	50
							–	–	–	–
		[км]	1140	1223	1317	1428	–	–	–	–
		[град]	47	47	46	45	–	–	–	–
ФФ								–	–	–
		[км]	753	866	973	1157	1416	–	–	–
		[град]	62	60	59	56	54	–	–	–
		[км]	737	781	850	931	1002	1115	1255	1432
		[град]	57	57	56	55	54	53	52	50
								–	–	–
		[км]	1048	1127	1198	1298	1423	–	–	–
		[град]	48	47	47	46	45	–	–	–

 

Сравнение данных таблиц 7 и 8 позволяет заключить, что использование фиксированных зон обслуживания, несмотря на отмеченные выше достоинства такого подхода, при заданном угле возвышения γ требует заметно более объемных (в 3-4 раза) орбитальных группировок. Так, например, при организации фиксированных зон обслуживания, γ = 10° и независимом фазировании орбитальных плоскостей требуется не менее 200 спутников на орбите высотой около 1330 км, а при организации скользящих зон — всего 50.

С учетом важности критерия минимизации общего числа ретрансляторов на практике проектируются сети с плавающими (дискретно-плавающими) зонами обслуживания. Использование случайной фазировки орбитальных плоскостей требует при прочих равных условиях большего числа ретрансляторов, причем эта разница увеличивается с ростом числа орбитальных плоскостей. Однако необходимое увеличение объема группировки не превышает 10-12%, поэтому с учетом небольшой сложности и меньшей стоимости развертывания нефазированных группировок возможны оба подхода и, в конечном счете, все определяется технической политикой и средствами разработчиков.

 

Таблица 8 – Основные параметры низкоорбитальных группировок (скользящие зоны обслуживания)

СФ						–	–	–	–	–
		[км]	743	957	1313	–	–	–	–	–
		[град]	124	118	110	–	–	–	–	–
							–	–	–	–
		[км]	744	860	1017	1239	–	–	–	–
		[град]	115	112	108	104	–	–	–	–
									–	–
		[км]	737	809	896	1003	1138	1314	–	–
		[град]	102	100	100	97	95	92	–	–
		[км]	702	851	917	992	1081	1188	1318	1479
		[град]	87	87	84	83	82	80	79	77
ФФ					–	–	–	–	–	–
		[км]	832	1151	–	–	–	–	–	–
		[град]	121	113	–	–	–	–	–	–
							–	–	–	–
		[км]	780	930	1083	1379	–	–	–	–
		[град]	114	110	107	101	–	–	–	–
									–	–
		[км]	742	826	902	1027	1193	1420	–	–
		[град]	102	100	99	96	94	90	–	–
		[км]	730	785	848	903	988	1089	1214	1328
		[град]	87	86	85	84	83	82	80	79

 

 

Период обращения спутника по круговой орбите определяется третьим законом Кеплера:

 

 

С уменьшением высоты h возрастает скорость «скольжения» зон обслуживания и в большей степени проявляется эффект Доплера. Скорость перемещения подспутниковой точки по земной поверхности (скорость «скольжения» зоны обслуживания) равна:

 

 

Для низкоорбитальных группировок эта скорость лежит в пределах от 24400 км/час (при h = 700 км) до 20800 км/час (при h = 1500 км), а для среднеорбитальных примерно 700 км/час. Столь высокая скорость приводит к чрезвычайно быстрому изменению топологических свойств сети и требует затрат существенной части связных ресурсов на оперативное обновление базы данных о текущей принадлежности терминалов пользователей к конкретным зонам обслуживания. Для идентификации абонентов сети требуется выполнение весьма сложных процедур, поэтому особенностью НССС является достаточно большое время установления соединения, достигающее нескольких десятков секунд.

Максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания (максимальная длительность сеанса связи) зависит от угловых размеров зоны:

 

 

Зависимость длительности сеанса связи от высоты орбиты, полученная с использованием данных таблиц 6, 7  приведена на рисунке 12. При использовании низких орбит максимально возможная длительность сеанса связи оказывается относительно небольшой и даже при малых допустимых углах возвышения не превышает 10-14 минут, поэтому проблема реконфигурации абонентских и фидерных линий (переключение пользовательского терминала с одного ретранслятора на другой) проявляется в наибольшей степени.

 

Рисунок 12 – Зависимость максимальной длительности сеанса связи от высоты орбиты

 

 

Моделирование, проведенное для НССС Iridium с целью определения крат­ности покрытия земной поверхности, показало, что при углах радиовидимости более 10° в приэкваторной зоне обслуживания (от 30° с.ш. до 30° ю.ш.) вероятность однократного покрытия с нулевым временем ожидания будет равна 0,973-0,974, а двукратное покрытие обеспечивается на территориях севернее 70° с.ш. При возрастании углов радиовидимости (более 20°) вероятность двукратного покрытия приэкваториальной области составляет только 0,5-0,6 [3]. Поэтому для обеспечения устойчивой связи в высокоширотных районах в состав орбитальной включаются одна-две дополнительные плоскости с небольшим числом КА, но с более высоким наклонением. Теоретически, эти орбитальные структуры должны перекрывать всю территорию Земного шара. Однако при небольшом числе КА в дополнительных плоскостях не могут быть обеспечены высокие вероятностно-временные характеристики обслуживания. Спутниковые системы с размещением на наклонных орбитах обеспечивают большую плотность покрытия в густонаселенных районах по сравнению с размещением ретрансляторов на полярных орбитах.

Оценим вероятность установления непрерывного (сплошного) соединения в предположении, что пользователи, установившие связь, расположены на траектории движения подспутниковой точки ретрансляторов по земной поверхности (т.е. оценим эту вероятность сверху), а в момент установления связи пользователи с равной вероятностью находятся в любой точке своих зон обслуживания. Рассмотрим сеть, использующую МЛС. Тогда, при условии, что соединение имеет требуемую длительность х, вероятность того, что оно окажется непрерывным, равна  , а искомая безусловная вероятность установления непрерывного соединения — Р_с получится осреднением по распределению его длительности. Пусть устанавливаемые соединения имеют экспоненциальное распределение длительности со средним значением t_с, тогда:

 

                                                         (12)

 

Зависимость вероятности установления непрерывного соединения от высоты орбиты при t_c= 1,5 мин, полученная с использованием (12) и рисунка 12, приведена на рисунке 13, из которого следует достаточно слабое влияние высоты низких орбит на Р_с.

 

Рисунок 13 – Зависимость вероятности непрерывного соединения от высоты орбиты

 

В то же время эта вероятность оказывается небольшой даже тогда, когда средняя длительность соединения заметно меньше длительности сеанса связи. Заметим, что нами получена верхняя оценка Р_с для сетей, использующих МЛС. В сетях же, использующих в качестве ретрансляторов наземные БС, вероятность непрерывности соединения может быть существенно меньше из-за возможности «разрыва» не только абонентских, но и фидерных линий. Поэтому, если не приняты специальные меры, доля преждевременно разомкнутых каналов становится неприемлемо большой. Способы же обес­печения непрерывности соединений отвлекают заметную часть связных ресурсов сети.

В проектах сетей, использующих средние орбиты, предпочтение отдается синхронным 6-часовым орбитам (высота ~ 10350 км), что дает определенные преимущества, т.к. через каждые четыре витка спутник проходит над поверхностью Земли повторяющуюся траекторию. При этом максимальная длительность сеанса связи составляет около 116 мин при у= 10° и 95 мин при у = 20°, а вероятности установления непрерывного соединения (при t_c = 1,5 мин) равны соответственно 0,98 и 0,97, что в значительной мере упрощает проблему реконфигурации кана­лов и снижает затраты сетевых ресурсов на ее решение по сравнению с низкими орбитами. Поэтому с этой точки зрения среднеорбитальные группировки обладают преимуществом.

  

3 Обеспечение устойчивости протоколов случайного многостанционного доступа в НССС

 

В настоящее время в большом числе ССС используются протоколы чистая Aloha и тактированная Aloha. Популярность этих протоколов объясняется тем, что при применении протокола чистая Aloha между наземными терминалами пользователей не нужно обеспечивать синхронизацию при доступе к каналу связи СР, протоколы реализуются достаточно просто, эффективны при большом числе пользователей, активность которых невысока, а объемы передаваемой информации незначительны. Поэтому данные протоколы используются либо в запросных каналах связи ССС при передаче запросных сообщений на предоставление информационных каналов связи, либо в ССС, канал связи которых функционирует в широковещательном режиме.

Однако известно, что с ростом интенсивности потока пакетов в радиоканале связи, в котором применяются протоколы Aloha, канал связи переходит в режим неустойчивого функционирования, причем для этих протоколов вероятность перехода в этот режим отлична от нуля при любой произвольной интенсивности поступления пакетов в канал связи. Режим неустойчивого функционирования характеризуется большим числом конфликтов и высокой задержкой передачи пакетов. В результате этого пропускная способность спутникового канала (или спутниковой системы связи), в запросных каналах которой применяются протоколы Aloha, существенно снижается. Иногда это состояние канала или системы называют деградацией канала или системы. Поэтому необходимо применять специальные процедуры, которые бы исключали этот эффект или уменьшили бы степень его влияния на снижение пропускной способности. Эти процедуры называются алгоритмами стабилизации протокола Aloha.

Среднее число успешных передач пакетов оп­ределяется вероятностью успешной передачи пакетов Р , которая вычисляется, например, для протокола тактированная Aloha как:

 

                                                                                                      (13)

 

где: G(n) — среднее число попыток передач пакетов в одном «окне» (тайм-слоте), когда канал свя­зи находится в состоянии п. Под состоянием канала п понимается количество земных станций (на­земных терминалов), имеющих п информационных пакетов, предназначенных для повторной пе­редачи (т.е. для этих пакетов первая попытка передачи была неудачной из-за перекрытия по вре­мени (наложений) с пакетами других наземных станций).

Выражение (13) достигает максимума при G(n) = 1. Поэтому большинство известных алгоритмов построено на основе методов, максимизирующих именно это соотношение. В частности, для поддержания G(n) = 1 большая группа применяемых на практике методов стабилизации протокола Aloha динамически изменяет вероятность передачи пакетов в последующих тайм-слотах. Реализация данного типа алгоритмов осложняется тем, что число п, как правило, неизвестно на каждой наземной станции из-за отсутствия передачи управляющей информации между ними. Оценку значения п можно получить с использованием информации, получаемой наземными станциями по каналу обратной связи (по каналу «вниз» — от СР к ЗС). Все реализации данного типа алгоритмов, по сути, увеличивают вероятность передачи пакета, когда появляется свободный тайм-слот, и уменьшают её при определении конфликта.

Другая часть известных алгоритмов основана на ограничении загрузки канала связи вверх при превышении числа конфликтных передач пакетов выше некоторого порогового значения. Этот тип алгоритмов может быть реализован путем уменьшения числа наземных станций, имеющих доступ к каналу связи.

Для обеспечения устойчивой работы протокола Aloha известен также и псевдобайесовский алгоритм. Но для его реализации недостаточно иметь ог­раниченную обратную связь, когда каждая станция узнает об успешной или не­успешной передаче только своего пакета. Для реализации псевдобайесовского алгоритма каждая станция должна знать также и общее число искаженных паке­тов. Это число пакетов иногда в литературе называют задолженностью системы.

Одним из распространенных методов стабилизации протоколов Aloha является так называемое замедление по двоичной экспоненте, которое успешно применяется в локальных сетях с протоколом Ethernet. Суть этого метода заключается в следующем. Если пакет безуспешно передается i раз, то вероятность его передачи в последующих тайм-слотах полагается равной 2^-i (для передачи пакета равновероятно выбирается один из 2ⁱ тайм-слотов, следующих после неуспешной попытки). При первоначальной же передаче пакета выбирается первый ближайший тайм-слот. Такая стратегия построена на предпосылке о том, что когда предпринимается первая попытка передачи пакета, то на наземной станции неизвестно о задолженности пакетов во всех других станциях, а поэтому нет никаких оснований для принудительной задержки первоначальной передачи данного пакета. При появлении же последовательности конфликтов возрастает оценка задолженности, что приводит к снижению текущей вероятности повторной передачи пакета в ближайшем тайм-слоте для данной наземной станции. Однако в этой новой ситуации и наземная станция начинает получать меньше (реже) информации по обратной связи о величине задолженности, приведенной к одному тайм-слоту. Поэтому в условиях такой априорной неопределенности целесообразно действовать достаточно осторожно и разумно увеличивать оценку задол­женности во всё большей степени после каждого очередного конфликта.

Необходимо отметить, что все известные алгоритмы данного класса теоретически также неустойчивы, однако при конечном числе наземных станций и определенной интенсивности передачи пакетов они позволяют из неустойчивого режима функционирования протокола Aloha перейти в устойчивый режим и, в конечном счете, повысить пропускную способность канала связи (или системы связи).

Функционирование систем связи, в том числе и спутниковых, характеризуется крайне неравномерной нестационарной загрузкой каналов, связанной с наличием часов наибольшей нагрузки (ЧНН) в течение дня. А для негеостационарных спутниковых систем связи, в частности низкоорбитальных, такой режим функционирования является практически штатным, так как в данных системах связи зона радиовидимости каждого спутника-ретранслятора постоянно изменя­ется и пересекает регионы с различной плотностью населения. В частности, при выходе спутника из региона с низкой плотностью населения и входе в регион с высокой плотностью населения на вход запросных каналов спутника поступает групповой поток запросов на предоставление каналов связи, т.е. из состояния низкой загрузки канал практически мгновенно переходит в режим большой загрузки или даже перегрузки.

Для наземных систем связи, как было сказано выше, успешно применяются специальные методы, позволяющие сглаживать отрицательные моменты функционирования систем связи в данном режиме. Однако эти методы, вернее их параметры, для ССС не являются оптимальными, поскольку в этом случае, в отличие от наземных систем, где задержки распространения сигналов небольшие, задержки распространения радиосигналов существенно выше.

Проведем исследование и определим оптимальные параметры, например, алгоритма с замедлением по экспоненте на примере низкоорбитальной системы связи с размещением спутников-ретрансляторов на орбитах с высотой около 1500 км. Параметрами исследуемого алгоритма являются начальное значение интервала времени, на котором разыгрываются моменты повторных попыток передачи запросных пакетов Tp, и коэффициент замедления К.

Для исследования примем следующий алгоритм функционирования и построения системы информационного обмена. Пусть на спутнике-ретрансляторе организован один запросный канал, который функционирует под управлением протокола тактированная Aloha, причем прямой канал связи (от абонента к ретранслятору) и обратный канал связи (от ретранслятора к абоненту) функционируют на одной частоте. В этом случае временная ось разбивается на тайм-слоты, часть из которых предназначена для передачи запросов от абонентов к ретранслятору, а часть — для передачи квитанций от ретранслятора к абонентам (квитанциями могут быть сами переданные сообщения). Пусть, например, эти тайм-слоты чередуются, т.е. все нечетные тайм-слоты предназначены для передачи запросов, а четные — для передачи квитанций, т.е. режим функционирования запросного канала — полу­дуплексный. Такое построение запросного канала характерно для недорогих низкоорбитальных спутников-ретрансляторов с небольшой пропускной способностью, малой массой и, естественно, с ограниченным энергетическим и частотным ресурсом.

Детальный анализ нестационарных или динамических систем традиционно проводится с использованием имитационного моделирования. В качестве исходных данных примем следующие:

-     распределение интервалов времени между запросными пакетами экспоненциальное;

-     начальное значение рандомизированного интервала (выраженного в числе интервалов, равных времени передачи пакетов) повторных попыток в экспериментах Тp = 5, 10 и 20 минимальных тактов моделирования (один ма­шинный такт соответствует интервалу передачи запросного пакета плюс время его распространения от абонента до СР);

-     диапазон варьирования коэффициентов «замедления» К от 1,5 до 3,0;

-     используем две модели входного потока пакетов: стационарный пуассоновский поток и нестационарный поток (кусочно-стационарный, который будем моделировать групповым поступлением пакетов).

Задержку передачи запросных пакетов будем измерять от момента первой передачи пакета до момента его успешного приема на ретрансляторе.

Имитационные эксперименты, проведенные при пуассоновском потоке за­просных сообщений, показали, что без стабилизации протокола Aloha пропуск­ная способность в канале связи не превышала 0,25 (теоретический предел 0.36), но уже при групповом поступлении пакетов с объемом группы в 30 пакетов протокол переходил в неустойчивое состояние и канал связи начинал функционировать в режиме перегрузки (т.е. загрузка канала возрастала выше 1).

При использовании же механизма стабилизации протокола «замедление по экспоненте» наблюдается существенное увеличение производительности. На рисунках 14, 15, 16 представлены полученные зависимости задержки передачи за­просов от загрузки запросного канала связи.

В качестве параметров на графиках представлены Тp и К. Из полученных зависимостей следует, что существует оптимальное значение коэффициента замедления К. При К = 1,5 и небольших зна­чениях Тp вероятность конфликта при повторных и последующих передачах ока­зывается достаточно высокой и, несмотря на использование алгоритма стабилизации, запросный канал связи переходит в режим неустойчивого функционирования (задержка на графиках стремится к бесконечности).

При увеличении Тp порог устойчивости функционирования смещается в сторону больших значений λ, т.е. производительность канала связи повышается. Например, при увеличении T_р с 5 до 20 пропускная способность возросла с 0,34 (см. рисунок 14) до 0,354 (см.рисунок 16).

 

Рисунок 14 – Задержка передачи запросных пакетов

 

 

Рисунок 15 – Задержка передачи запросных пакетов

 

 

Рисунок 16 – Задержка передачи запросных пакетов

 

Вместе с этим, при увеличении коэффициента замедления от 2 до 3 снижение производительности связано с ростом задержки передачи запросов, но не вследствие увеличения числа конфликтных передач, а из-за увеличения времени ожидания повторных и последующих передач запросов. Из этих за­висимостей видно, что оптимальными значениями параметров алгоритма являются К = 2 и T_р = 10.

На рисунка17 представлены зависимости среднего времени передачи запро­сов при входном трафике 0,357 (это максимальный трафик, при котором протокол функционировал устойчиво) и изменении К от 1,5 до 3.

Рисунок 17 – Задержка передачи запросных пакетов

 Эти зависимости отражают то, что с ростом К наблюдается смещение минимального значения Tp в область более низких значений Tp вследствие существенной нелинейной зависимости от Tp и К. Число запросных передач пакетов при оптимальном К изменялось от 2,23 до 1,84 при изменении T_p от 5 до 20.

Таким образом, приведенные выше результаты показывают, что использование стабилизационных алгоритмов в протоколе тактированная Aloha приводит к увеличению пропускной способности канала связи примерно на 40%.

Нестационарность входного трафика запросов моделировалась как групповое поступление пакетов (размеры группы 50 и 100 пакетов) дополнительно к стационарному трафику с интенсивностью λ = 0,357. Длительность интервала стабилиза­ции будем рассчитывать от момента возникновения нестационарности до момента перехода канала в устойчивый (стационарный) режим. В частности, на рисунке 18 представлены полученные в ходе экспериментов изменения величины трафика в запросном канале при  K  = 2 и T_p = 15 (именно эти значения параметров оказались оптимальными с точки зрения максимизации пропускной способности) при по­ступлении группы в 50 и 100 пакетов.

Рисунок 18 – Переходной процесс при групповом запросе (Т_р=15)

 Момент поступления группы пакетов отмечен на оси абсцисс вертикальной чертой (на графике весь интервал наблюдения равнялся по длительности 11600 тактам моделирования, а момент нестационарности вводился в момент такта моделирования с номером 5000). На оси ординат показаны уровни загрузки запросного канала (0%, 50% и 100%). Из этой диаграммы видно, что интервал стабилизации примерно равен 600. Аналогичные зависимости для значения длительности рандомизированного интервала повторной передачи запросных пакетов, равного T_p = 20, представлены на рисунке 19

 

Рисунок 19 – Переходной процесс при групповом запросе (Т_р=20)

 

Таким образом, в реальных системах ССС, в которых применяются протоко­лы Aloha, необходимо использовать алгоритмы стабилизации, которые позволя­ют существенно повысить пропускную способность каналов связи, причем опти­мальные параметры этих алгоритмов отличаются от значений параметров для наземных каналов связи.

 

4 Оптимизация параметров алгоритмов резервирования при обеспечении непрерывности соединений и переназначения каналов связи

 

Одной из задач, которую необходимо решать в подвижных системах связи, является задача обеспечения непрерывности соединений при переходе подвижных абонентов из зоны обслуживания одного ретранслятора в зону обслуживания другого ретранслятора. В низкоорбитальных спутниковых сетях связи актуальность решения этой задачи повышается вследствие быстрого изменения топологии сети из-за движения спутников-ретранслято­ров. Типичным средним значением зоны радиовидимости для высоты орбит ретрансляторов до 1500 км можно считать 5 минут. Следствием «короткой жизни» топологии сети является наличие большого числа соединений, кото­рые установлены через один ретранслятор, а заканчиваются, когда в зоне радиовидимости абонента уже находится другой ретранслятор. Поэтому в НССС должны быть предусмотрены специальные процедуры, которые бы не допускали разрыва установленных соединений (или минимизировали бы веро­ятность этого события). Если абонент, участвующий в соединении, выходит из зоны радиовидимости спутника-ретранслятора, то этот момент может определяться несколькими различными способами. Все способы можно классифицировать как централизованные или децентрализованные. При централизованном способе реализация известных различных алгоритмов основана на выполнении практически одной и той же последовательности процедур, которая заключается в следующем. Центральный узел зоны обслуживания (это может быть региональная управляющая наземная станция или спутник-ретранслятор) имеет постоянно корректируемую базу данных, в которой хранятся координаты местоположения абонентов, участвующих в информационном взаимодействии. В этом случае именно центральный узел рассчитывает моменты выхода абонентов из зоны радиовидимости спутника-ретранслятора. Для обеспечения неразрывности уже установленного соединения (сеанса) между двумя абонентами перед моментом окончания зоны радиовидимости центральный узел зоны должен зарезервиро­вать пропускную способность каналов связи на другом спутнике-ретранслято­ре, который входит в зону радиовидимости абонента (абонентов), и образовать через него новое физическое соединение. Как правило, запросам на предостав­ление требуемого ресурса для обеспечения непрерывности уже установленных соединений устанавливается более высокий относительный приоритет по отношению к запросам на установление первичного соединения. Если требуемый ресурс пропускной способности (в зависимости от метода уплотнения каналов связи это может быть частотный канал, временной слот или разрешение на активизацию — при использовании кодового разделения) на ретрансляторе имеется, то он резервируется под новое виртуальное соединение. Выделенный ресурс на ретрансляторе помещается в этот момент в список занятых ресурсов (недоступных для других запросов). В противном случае, при прочих равных условиях, разрыв соединения неизбежен. Однако при правильном использовании системы приоритетов можно минимизировать вероятность этого события. При реализации децентрализованных способов обеспечения непрерывности соединения аналогичные процедуры выполняются самими абонентами, участвующими в информационном обмене.

Однако независимо от способа реализации алгоритма (процедуры) обеспечения непрерывности соединения необходимо решить задачу, которая заключается в выборе оптимального интервала начала резервирования необходимого ресурса, максимизирующего пропускную способность сети связи. С одной стороны, значение этого интервала должно быть как можно меньше, поскольку в этом случае непроизводительное использование ресурса минимизируется. Очевидно, что резервирование ресурса (выделение несущей частоты, временного слота и др.) под новое виртуальное соединение уменьшает общую пропускную способность ретранслятора на величину запрашиваемого ресурса до момента установления этого соединения. С другой стороны, этот интервал должен быть достаточно продолжительным для того, чтобы с заданной вероятностью гарантировать выделение требуемого ресурса. Например, при экспоненциальном распределении длительности соединений вероятность того, что это соединение завершится на интервале t, пропорциональна длительности этого интервала (другими словами, вероятность того, что запрашиваемый ресурс будет предоставлен на интервале t, в общем случае пропорциональна длительности этого интервала).

Определим оптимальное значение этого интервала из анализа вероятностно-временных характеристик процессов информационного обмена с учетом динамики изменения топологии и пропускной способности каналов связи спутников-ретрансляторов.

В качестве математического аппарата исследования используем теорию массового обслуживания и имитационное моделирование, поскольку при исследовании динамики информационного обмена аналитические выражения для показателей качества в явном виде можно получить только для простейших моделей.

Задачу формализуем следующим образом. Пусть имеется низкоорби­тальная группировка, состоящая из N спутников-ретрансляторов (высота орбит h км, орбиты круговые, на каждой орбите по М СР, разнос долготы восходящих узлов g, наклонение орбит d), которая обслуживает совокупность наземных абонентов. Будем считать, что орбитальная группировка обеспечивает глобальное покрытие земной поверхности с заданной кратностью. На каждом спутнике-ретрансляторе организовано К каналов связи на линии вниз для обслуживания предложенного наземными абонентами трафика, поступающего с интенсивностью λпр . Количественно определим пропускную способность одного спутника-ретранслятора как максимальный трафик λобсл вызовов/с, обслуженный с заданным качеством: с заданными достоверностью Р_ош, вероятностью блокировки каналов связи Р_бл и средней задержкой передачи информации Т с. Будем считать, что в структуре НССС существуют множество наземных региональных управ­ляющих станций, которые выполняют функции управления информационным обменом в заданном регионе. Требуется определить такое значение длительности интервала резервирования, при котором пропускная способность НССС максимальна.

Примем распределение предложенного входного трафика от наземных абонентов пуассоновским с интенсивностью λпр , а в качестве функции распределения длительности соединений (сеансов связи) используем экспоненциальное распределение с параметром μ. Обозначим через t_ri длительность зоны радиовидимости i-го спутника-ретранслятора для произвольного наземного абонента. Значение этих величин определяется из расчета баллистики движения космиче­ских аппаратов, заданных углов места приемных антенн абонентов и ширины диаграммы направленности передающей антенны (антенн) спутников-ретрансляторов. Таким образом, длительность соединения для абонента через ретранс­лятор СРi ограничена величиной t_ri. Каждый спутник-ретранслятор будем моделировать К-канальной системой массового обслуживания, на вход которой поступают два информационных потока: поток первичных запросов на установление соединения и поток запросов на выделение каналов связи для уже уста­новленных соединений. Примем, что второй поток имеет относительный при­оритет. В качестве протокола множественного доступа для передачи запросов первичного потока примем протокол тактированная Aloha Для пояснения ин­формационного взаимодействия ниже на рисунке 20 показаны основные процессы и временные интервалы.

 

Рисунок 20 - Основные процессы и временные интервалы протокола  Aloha

 

         На данном рисунке приняты следующие обозначения:

         tзi – момент передачи запросного пакета на установление соединения между m-ым и k-ым абонентами через CPi;

         tнсi – момент предоставления канала связи CPi  для проведения сеанса между m-ым и k-ым абонентами;

         tкi – конец зоны радиовидимости i-го СР для m-го абонента;

         tнr – начало интервала резирвирования спутниковых ресурсов;

         tr – длительность интервала резервирования;

         tkcj – момент окончания сеанса между m-ым и k-ым абонентами через CPj;

         tcj – «остаточная» длительность сеанса между m-ым и k-ым абонентами через CPj;

         tиj – начало «остаточной» длительности сеанса между m-ым и k-ым абонентами через CPj.  

Количественно определим пропускную способность ретранслятора С как:

 

где Р_p — вероятность разрыва соединения между произвольными абонентами вследствие конечной длительности зоны радиовидимости и непредоставления канала связи при обеспечении непрерыв­ности соединений, Р_бл — вероятность блокировки (непредоставления) канала связи для первично­го потока запросов на установление соединения, s — весовой коэффициент, который характеризует более высокий штраф (цену) за разрыв уже установленных соединений по сравнению с отказами запросам первичного потока.

Отдельные результаты имитационного моделирования представлены ниже на рисунках 21,22

Рисунок 21 – Зависимость вероятности отказа в установлении соединений Р_бл, вероятности разрыва соединения Р_р и обслуженного трафика С от величины интервала резервирования Δ при средней длительности сеансов t_с = 100 сек

Рисунок 22 - Зависимость вероятности отказа в установлении соединений Р_бл, вероятности разрыва соединения Р_р и обслуженного трафика С от величины интервала резервирования Δ при средней длительности сеансов t_с = 200 сек

 

Моделирование проведено при различных значениях средней длительности сеансов связи t_c и следующих, типовых для проектов НССС, исход­ных данных: высота орбит спутников-ретрансляторов h = 1500 км, число каналов связи на одном ретрансляторе К = 30, загрузка каналов связи —

значение коэффициента s принято равным трем.

 

Полученные результаты моделирования показали, что:

1) Существует оптимальное значение длительности интервала резервиро­вания, при котором пропускная способность каналов связи НССС макси­мальная.

2) При принятых типовых исходных данных значение интервала резервиро­вания находится в диапазоне от 10 до 15 секунд, увеличиваясь при росте длительности соединений.

3) При малых значениях интервала резервирования (до 5 секунд) определяю­щими являются потери пропускной способности из-за разрыва соедине­ний. При увеличении интервала резервирования свыше 10-15 секунд ве­роятность разрыва соединений существенно меньше, чем вероятность блокировки.

Очевидно, что при уменьшении загрузки каналов связи оптимальное значе­ние длительности интервала резервирования также уменьшается.

Сравнительный анализ алгоритма, использующего элементы прогнозирования, с алгоритмом без прогнозирования и с протоколом установления соединений, применяемым в IP-сетях, показал, что его вероятность неразрывности соединения и обеспечения требуемого QoS на порядок выше.

 

5 СППСС, использующие негеостационарные группировки ретрансляторов

 

Создание ССС, опирающихся на новые технологические принципы, пред­ставляет собой сложный, во многом итерационный и длительный процесс. От разработки концепции до ее практического воплощения, конечно, если такое слу­чается, проходит не менее 8-10 лет. Рассмотрим основные особенности и техни­ческие решения проектов негеостационарных сетей персональной подвижной спутниковой службы.

В 1993 году компания Motorola анонсировала проект низкоорбитальной СППСС, базирующейся на 77 ретрансляторах (позднее это число было изменено на 66) и получившей название Iridium. Это побудило других разработчиков и производителей космических систем представить конкурирующие проекты:

1)       низкоорбитальную сеть Globalstar (Loral&QUALCOMM);

2)       среднеорбитальную сеть Odyssey (TRW, Teleglobe, Spar Aerospace и др.);

3)       среднеорбитальную СППСС ICO (ICO-Global и Hughes).

 

Несколько позднее были лицензированы сети Ellipso (Mobile Communications Holdings, Inc.) и ЕССО (Constellation Communication, Inc.).

Проанализируем с технической точки зрения четверку наиболее «продвину­тых» проектов, стартовавших в гонке первыми. Сразу заметим, что проект Od­yssey закрыт, ICO — заморожен после аварийной попытки запуска первых ретрансляторов и вследствие других причин. До уровня практической реализа­ции были доведены лишь Iridium и Globalstar. Основные технико-экономические характеристики проектов сведены в таблицу 9

Системы Iridium, Globalstar и Odyssey должны работать в парном L/S — диа­пазоне 1,6100-1,6265/2,48350-2,50000 (полоса частот 16,5 МГц). Globalstar и Odyssey делят в этом диапазоне общую полосу частот 11,35 МГц с использова­нием уплотнения сигналов по форме, a Iridium — отдельно занимает оставшуюся полосу частот 5, 15 МГц.

При наличии существенных различий, о которых пойдет речь ниже, проекты имеют и схожие черты:

-          применение многолучевых бортовых приемопередающих антенн, что по­зволяет обеспечить массогабаритные и мощностные характеристики пор­тативных пользовательских терминалов, соизмеримые с аналогичными па­раметрами терминалов наземных сотовых сетей, а также реализовать многократное использование полосы выделенных частот с целью достиже­ния требуемой высокой пропускной способности сети;

-          использование двухмодовых пользовательских терминалов, совместимых как с СППСС, так и с наземными сотовыми сетями, работающими в различных стандартах.

 

 

Таблица  9  – Основные параметры негеостационарных СППСС

 

 Продолжение таблицы 9

 

 

Окончание таблицы 9

Примечания к таблице:

* В системах, использующих уплотнение и разделение сигналов по форме, уровень внут­рисистемных и межсистемных помех и, соответственно, энергетический запас непостоя­нен и зависит от числа активных каналов.

** Приведено эквивалентное число симплексных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Для системы Globalstar учтено пространственное дублирование маршрутов.

 

 

-          автоматическая регулировка выходной мощности передатчиков термина­лов с целью адаптации по условиям связи и поддержания мощности пере­датчика на минимальном уровне, обеспечивающем требуемое качество связи, что позволяет снизить внутрисистемные помехи и экономно ис­пользовать небольшую емкость автономных источников питания термина­лов;

-          принятие всех известных мер по устранению возможности разрывов уста­новленных в сети соединений;

-          использование в радиоканалах связи оптимальных по критерию макси­мальной помехоустойчивости методов модуляции — двукратная ФМ;

-          использование в радиоканалах связи эффективных помехоустойчивых сверточных кодов с «мягким» декодированием по алгоритму Витерби.

 

Система Iridium обеспечивает речевую связь, передачу дан­ных и факсимильных сообщений со скоростью 2,4 кбит/с, пейджинговую связь и местоопределение пользователей. В состав сети Iridium входят портативные, мобильные и стационарные пользовательские терминалы. Портативные терминалы по дизайну и размерам мало отличаются от существующих моделей сотовых телефонов и пейджеров. По назначению портативные телефоны могут быть однорежимные, работающие только в сети Iridium, и двухрежимные, обслуживающие абонентов региональной сети сотовой связи и обеспечивающие глобальную спутниковую связь. Мобильные станции и стационарные таксофоны являются коллективными средствами связи. В частности, предусмотрено производство таксофонов с питанием от солнечных батарей, что позволяет использовать их там, где отсутствуют телефонная связь и электроснабжение. Распределенные по всему миру станции сопряжения выполняют роль шлюзов между спутниковой сетью и наземными телефонными сетями общего пользования, а также контролируют доступ пользователей к сетевым ресурсам, в частности, ведут базу данных зарегистрированных абонентов и показателей, необходимых для выставления счетов на предоставленный сервис. Благодаря использованию в ССС межспутниковых линий связи необходимое количество станций сопряжения не превышает 20-25. Основные технические особенности проекта заключаются в использовании межспутниковых линий связи и полной бортовой обработки сигналов, включая быструю коммутацию пакетов.

Управляемая орбитальная группировка ретрансляторов сети Iridium состоит из 66 рабочих СР, рассредоточенных в 6 орбитальных плоскостях по 11 равноудаленных СР в каждой плоскости. Высота круговых орбит равна 780 км, а угол наклонения всех орбитальных плоскостей — 86,4°. Соотношение между высотой орбиты и ее наклонением подобрано таким образом, чтобы подспутниковая точка перемещалась по возможности наиболее строго в меридианальном направлении. Траектория движения подспутниковой точки ИСЗ орбитальной группировки Iridium показана на рисунке 23. На каждом витке орбиты СР в течение 80 минут, благодаря частичной компенсации вращения Земли, движется в пределах широт +/-75° весьма близко к направлению юг — север или север — юг, а южную или северную приполярные области быстро пересекает в течение 10 минут.

 

Рисунок 23 – Траектория подспутниковой точки рестранслятора Iridium

 

Поскольку на каждом полувитке орбиты ИСЗ появляется над точками земной поверхности в одно и то же местное время, такие орбиты называют солнечносинхронными. Несмотря на то что вывод спутников на солнечносинхронную орбиту дороже, чем на орбиты с меньшим наклонением, использование этого типа орбит предполагается во всех проектах НССС, предусматривающих применение МЛС. Это позволяет обойтись без переключения межспутниковых линий и обеспечить наименьшую динамику изменения дальности и пространственного направления связи между ретрансляторами над основными обслуживаемыми регионами.

Каждый ретранслятор поддерживает четыре дуплексные МЛС — 2 для связи с соседями спереди и сзади в общей плоскости (внутриорбитальные МЛС) и 2 для связи с соседними плоскостями (межорбитальные МЛС). Межспутниковые радиолинии работают в диапазоне 23 ГГц, что, благодаря значительному резо­нансному поглощению радиосигналов этого диапазона в атмосфере Земли, прак­тически полностью экранирует МЛС от наземных источников помех. Пропуск­ная способность МЛС 25 Мбит/с в каждом направлении при вероятности ошибочного приема двоичного символа — не более 10~⁶. При использовании низких круговых орбит ретрансляторы «крайних» орбитальных плоскостей двигаются навстречу друг другу. Из-за чрезвычайно быстрого относительного перемещения спутников связать эти орбитальные плоскости между собой не удалось, а чтобы уменьшить возникающую в космической сети «брешь», угол разноса 1-ой и 6-ой орбитальных плоскостей уменьшен по сравнению с остальными. Тем не менее, наличие разрыва в сети проявляется в периодических «всплесках» средних задержек передачи от 40 до 100 мс в течение двух часов с периодичностью приблизительно 12,5 часов.

В НССС Iridium применена концепция скользящих зон обслуживания, что позволяет использовать более простые бортовые антенны с фиксированным наведением лучей. Рабочий угол возвышения СР над обслуживаемым терминалом выбран не менее 8°, что при высоте орбиты 780 км обеспечивает на земной поверхности скользящую область обслуживания диаметром 4500 км. Область обслуживания разбита на 48 зон диаметром около 650 км, каждая из которых обслуживается отдельным приемопередающим лучом. Многолучевая бортовая антенна абонентских линий связи состоит из 6 АФАР, каждая из которых формирует 8 лучей при помощи цифровой диаграммообразующей схемы, которая позволяет независимо изменять конфигурацию каждого луча в достаточно широких пределах. Каждый пользовательский терминал может работать только через один из лучей СР. Ретрансляторы группировки обеспечивают сплошное безызбыточное покрытие приэкваториального пояса. По мере смещения ИСЗ к полюсам, площадь обслуживаемого пояса земной поверхности уменьшается и для снижения уровня взаимных помех приходится сужать по долготе области обслуживания каждого ретранслятора, что достигается отключением части периферийных лучей. Это также позволяет более экономно использовать мощность источников питания, что особенно важно в периоды затенения спутников Землей.

При доступе абонентов к ретранслятору используется комбинированное уплотнение каналов ЧРК-ВРК (MF-TDMA). В каждом частотном канале с использованием ВРК уплотняются сигналы от восьми абонентов. Кадр длительностью 90 мс делится на 8 канальных интервалов (слотов) длительностью 11,25 мс. В слотах от пользователей передаются пакеты объемом 1024 символов (с учетом служебных символов синхронизации, заголовка и используемого помехоустойчивого кода) и длительностью 8,5 мс. Полоса частот канала ВРК 125 кГц, а коэффициент использования пропускной способности равен 8 ∙ 2,4/125 ~ 0,15. Столь низкое значение частотной эффективности в основном объясняется необходимостью введения достаточно больших защитных временных интервалов из-за высокой динамики изменения дальности связи и требованием малых дополнительных задержек при пакетизации цифрового речевого сигнала. Для обеспечения возможности работы на разных частотах в смежных лучах в каждом луче доступна для использования полоса частот не более 5150/7 ~ 735 кГц, что с учетом необходимости введения защитных частотных интервалов позволяет уплотнить в каждом приемном луче 4 частотных канала с ВРК, обеспечивая пропускную способность каждого луча 32 канала, а 48-лучевого ретранслятора — 1536 каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Часть этих каналов являются служебными и предназначены для целей сигнализации, управления ресурсами сети и передачи пользовательских запросов на обслуживание. В сети Iridium использован протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию, пропускная способность которого равна 0,7, поэтому реальная пропускная способность ретранслятора составит 1000-1100 симплексных информационных каналов со скоростью передачи   2,4 кбит/с, а частотная эффективность СР равна 0,51. Ключевым аспектом в сети является обеспечение непрерывности установленного соединения при переходе обслуживаемого абонента из луча в луч одного ретранслятора, а также с одного ретранслятора на другой. При максимальном времени пребывания абонента в области обслуживания ретранслятора около 8 минут и использовании 48 лучей интенсивность переходов между лучами составляет не менее 1 раза в минуту, поэтому весьма высока вероятность переключения абонентских линий в процессе сеанса связи. Такое переключение не должно создавать неудобств для пользователей, т.е. должно происходить без пауз в связи, посторонних звуковых сигналов в канале, изменения громкости звучания и т.д. Поскольку в смежных лучах используются разные полосы частот, переключение каналов должно сопровождаться сменой рабочей частоты пользовательского терминала, что требует применения достаточно сложного алгоритма быстрого переключения рабочих частот наземных терминалов. Процедура переключения абонентских линий приводит к некоторому снижению пропускной способности ретранслятора, поскольку часть информационных каналов в каждом луче должна быть зарезервирована для быстрой замены «размыкающихся» в смежных лучах каналов.

 

Система Globalstar

По предоставляемым информационным услугам и используемым наземным терминалам сеть Globalstar практически аналогична Iridium. С точки же зрения принятой концепции построения и используемых технических решений проекты различаются коренным образом. В отличие от Iridium, в сети Globalstar:

-     каждый пользователь имеет возможность доступа к любому СР, находя­щемуся в его зоне видимости;

-     отсутствуют межспутниковые линии связи;

-     используются СР с непосредственной ретрансляцией;

-     связь между пользователями осуществляется по многоскачковой схеме при помощи наземных базовых станций, часть которых одновременно вы­полняет роль шлюзов с наземными телефонными сетями общего пользо­вания;

-     используются орбитальные группировки СР с круговыми орбитами, имею­щими небольшой угол наклонения;

-     применяется пространственное разнесение маршрутов передачи.

Орбитальная группировка сети Globalstar состоит из 48 ретрансляторов, размещенных в 8 равноудаленных орбитальных плоскостях по 6 СР, равномерно распределенных в каждой плоскости. Высота круговых орбит 1414 км, угол наклонения 52°. Период обращения спутников по орбите равен 114 минут. Из-за относительно небольшого угла наклонения орбит область обслуживания сети ограничивается средними широтами от 70° ю.ш. до 70° с.ш. (подспутниковая точка ИСЗ не может быть выше 52°). Из области обслуживания исключаются также акватории мирового океана, поскольку в системе не предусмотрена организация управляющих станций морского базирования. С коммерческой точки зрения указанные ограничения не являются недостатком, так как на указанных территориях практически нет обычных гражданских пользователей, за исключением наличие разрыва в сети проявляется в периодических «всплесках» средних задержек передачи от 40 до 100 мс в течение двух часов с периодичностью приблизительно 12,5 часов.

В НССС Iridium применена концепция скользящих зон обслуживания, что позволяет использовать более простые бортовые антенны с фиксированным наведением лучей. Рабочий угол возвышения СР над обслуживаемым терминалом выбран не менее 8°, что при высоте орбиты 780 км обеспечивает на земной поверхности скользящую область обслуживания диаметром 4500 км. Область обслуживания разбита на 48 зон диаметром около 650 км, каждая из которых обслуживается отдельным приемопередающим лучом. Многолучевая бортовая антенна абонентских линий связи состоит из 6 АФАР, каждая из которых формирует 8 лучей при помощи цифровой диаграммообразующей схемы, которая позволяет независимо изменять конфигурацию каждого луча в достаточно ши­роких пределах. Каждый пользовательский терминал может работать только через один из лучей СР. Ретрансляторы группировки обеспечивают сплошное безызбыточное покрытие приэкваториального пояса. По мере смещения ИСЗ к полюсам, площадь обслуживаемого пояса земной поверхности уменьшается и для снижения уровня взаимных помех приходится сужать по долготе области обслуживания каждого ретранслятора, что достигается отключением части периферийных лучей. Это также позволяет более экономно использовать мощность источников питания, что особенно важно в периоды затенения спутников Землей.

При доступе абонентов к ретранслятору используется комбинированное уплотнение каналов ЧРК-ВРК (MF-TDMA). В каждом частотном канале с использованием ВРК уплотняются сигналы от восьми абонентов. Кадр длительностью 90 мс делится на 8 канальных интервалов (слотов) длительностью 11,25 мс. В слотах от пользователей передаются пакеты объемом 1024 символов (с учетом служебных символов синхронизации, заголовка и используемого помехоустойчивого кода) и длительностью 8,5 мс. Полоса частот канала ВРК 125 кГц, а коэффициент использования пропускной способности равен 8 • 2,4/125 ~ 0,15. Столь низкое значение частотной эффективности в основном объясняется необходимостью введения достаточно больших защитных временных интервалов из-за высокой динамики изменения дальности связи и требованием малых дополнительных задержек при  пакетизации цифрового речевого сигнала. Для обеспечения возможности работы на разных частотах в смежных лучах в каждом луче доступна для использования полоса частот не более 5150/7 ~ 735 кГц, что с учетом необходимости введения защитных частотных интервалов позволяет уплотнить в каждом приемном луче 4 частотных канала с ВРК, обеспечивая пропускную способность каждого луча 32 канала, а 48-лучевого ретранслятора — 1536 каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Часть этих каналов являются служебными и предназначены для целей сигнализации, управления ресурсами сети и передачи пользовательских запросов на обслуживание. В сети Iridium использован протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию, пропускная способность которого равна 0,7, поэтому реальная пропускная способность ретранслятора составит 1000-1100 симплексных информационных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с, а частотная эффективность СР равна 0,51. Ключевым аспектом в сети является обеспечение пассажиров трансконтинентальных авиарейсов, но они уже имеют возможность воспользоваться услугами сети Inmarsat. Однако над наиболее населенными территориями в местах пересечения плоскостей орбит наблюдается скопление спутников. В целом, на средних широтах везде можно одновременно видеть не менее двух СР группировок. В рассматриваемом случае это является преимуществом, поскольку спутники мало мешают друг другу, а пользователям при напряженном трафике могут быть предоставлены свободные каналы связи любого наблюдаемого ими СР.

При рабочем угле возвышения СР не менее 10° скользящая зона обслужива­ния каждого СР имеет диаметр 5800 км. Область обслуживания разбита на 16 примерно одинаковых по размерам зон, каждая из которых имеет эквивалентный диаметр примерно 1400 км. Каждая зона обслуживается отдельным лучом ретранслятора. Бортовая антенна выполнена в виде отдельных приемной и передающей активных ФАР. Передающая АФАР позволяет плавно перераспределять выходную мощность активных элементов решетки между передающими лучами в соответствии с направляемым в них трафиком.

При доступе к абонентским линиям используется комбинированный способ уплотнения сигналов абонентских терминалов ЧРК-РКФ (MF-CDMA). Недостатком РКФ является более высокий уровень шумов неортогональности по сравнению с другими способами уплотнения, что приводит на практике при прочих равных условиях к заметно менее эффективному использованию полосы частот, чем при ВРК или ЧРК. При передаче через СР с непосредственной ретрансляцией начинает проявляться и следствие указанного недостатка — повышенный отбор полезной мощности ретранслятора на переизлучение шумов канала «вверх» в канал связи «вниз» В то же время в рассматриваемом случае разделение каналов по форме (РКФ) позволяет решить ряд других проблем:

1)  Главное, что в отличие от узкополосных сигналов, используемых при ЧРК, РКФ, так же как и ВРК в чистом виде, благодаря применению широкопо­лосных канальных сигналов позволяет существенно ослабить требования к развязке между лучами многолучевых приемных и передающих антенн. В результате при РКФ появляется возможность использования одинаковых полос частот в смежных лучах, за счет этого при большом числе лучей примерно в 7 раз увеличивается коэффициент многократного использования частоты по сравнению с ЧРК и вынужденным разнесением частот через луч. Это позволяет с лихвой компенсировать плохое использование полосы частот в каждом луче из-за повышенного уровня шумов неортогональности.

2) Если для ВРК в условиях персональной мобильной связи через быстролетящие низкоорбитальные СР частотная эффективность резко снижается из-за необходимости введения значительных защитных временных интервалов, которые препятствуют возникновению значительных внутрисис­темных помех, то для РКФ этого не наблюдается.

3) РКФ позволяет снизить требования к электромагнитной совместимости с другими системами, работающими в том же диапазоне частот, и обеспечить при соответствующей координации гибкость этой совместимости. Например, полоса частот 11,35 МГц I-диапазона сети Globalstar изначально была зарезервирована и за средноорбитальной СППСС Odyssey.

4) РКФ позволяет относительно просто реализовать пространственное разнесе­ние маршрутов передачи через разные СР и базовые станции. Это особенно важно для систем персональной подвижной связи, так как при разнесении маршрутов резко снижается вероятность затенения антенн пользовательских терминалов предметами окружающей обстановки. В многоканальных приемниках портативных терминалов осуществляется автовыбор маршрута, обеспечивающего наиболее высокое качество приема. В более сложных приемниках мобильных и стационарных терминалов могут быть использованы и более совершенные алгоритмы обработки, вплоть до когерентного сложения сигналов, приходящих по разным маршрутам, что позволяет повысить качество связи.

5) Очень важно, что применение РКФ обеспечивает плавное, без прерывания связи и ухудшения качества приема переключение абонентских линий при переходе пользователя из одного луча в другой или при смене обслуживающего ретранслятора.

6) Использование РКФ позволяет решить актуальную для систем подвижной связи задачу борьбы с многолучевостью распространения и воздействием мощных узкополосных помех.

Таким образом, особенности персональной подвижной спутниковой связи через низкоорбитальные спутники-ретрансляторы одновременно маскируют достоинства и подчеркивают недостатки ЧРК и ВРК, а с РКФ происходит обратное. Поэтому в СППСС через низкоорбитальные ретрансляторы разделение каналов по форме является конкурентноспособным, а возможно, и предпочтительным ва­риантом организации многостанционной работы через общий ретранслятор.

В сети Globalstar полоса частот канала РКФ выбрана равной 1,25 МГц. В качестве цифровых широкополосных поднесущих использованы                      т-последовательности с периодом повторения 127 символов. Все возможные канальные сигналы имеют одинаковую структуру и отличаются лишь начальной фазой. По оценкам разработчиков проекта с учетом интегрального воздействия возможных источников помех, а именно: внешнего и внутреннего шума, внутрисистемных шумов неортогональности канальных сигналов, межлучевой интерференции, мешающего воздействия других радиосистем, работающих в том же диапазоне частот, в одном РКФ-канале при приемлемом качестве передачи можно уплотнить до 25 абонентских каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Коэффициент использования пропускной способности (частотная эффективность) составляет 25 • 2,4/1250 ~ 0,05. Напомним, что частотная эффективность ВРК-канала сети Iridium равна 0,15, т.е. в 3 раза выше, что является следствием отмеченных выше недостатков разделения по форме. При использовании во всех лучах одинаковых частот в выделенной для Globalstar полосе 11,35 МГц можно уплотнить 8 частотных каналов с полосой 1,25 МГц. Тогда пропускная способность луча составляет 200 каналов, а 16-лучевого ретранслятора — 3200 каналов. В сети использован протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию. В запросных каналах применяется протокол случайного доступа S-Aloha. В этом случае пропускная способность протокола ориентировочно равна 0,7, а пропускная способность ретранслятора составит 0,7∙3200 = 2240 симплексных информационных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Частотная эффективность ретранслятора оказывается равной 2,4 ∙ 2240/11300 = 0,47, что всего на 8% ниже, чем у СР сети Iridium, в которой используется доступ ЧРК-ВРК. Получаемые же за столь незначительную «плату» преимущества РКФ были перечислены выше.

 

Среднеорбитальная спутниковая система персональной связи Оdyssеу

Разработана фирмами TRW и Teleglobe Inc., которые включили в космическую группировку 12 спутников-ретрансляторов, размещенных на трех круговых орбитах. Высота орбит составляет 10,4 тыс. км. Для обеспечения глобального обзора Земли спутники располагаются в трех плоскостях С наклонением i = 55°. На каждой орбите находится по 4 спутника, что позволяет обеспечить одновременную видимость с территории наиболее важных регионов земной поверхности (с точки зрения рынка услуг) сразу двух КА, Возможность наблюдать одновременно два спутника позволяет наземным терминалам работать с высоким углом места (более 45°) практически в любой точке Земли. Это обстоятельство значительно повышает надежность радиосвязи, поскольку высотные здания и другие преграды практически не будут влиять на распространение сигналов.

В системе применяются широкополосные сигналы и метод много станционного доступа с кодовым разделением каналов. Протокол передачи информации полностью совместим с протоколами сотовых радиотелефонных систем связи.

При проектировании системы Odyssey учитывались следующие основные требования потенциальных пользователей персональных терминалов:

-          обеспечение дуплексной телефонной связи с применением высококачественного кодирования речи; 

-          обеспечение прямого доступа к системе из любой точки земли;

-          обеспечение совместимости с наземными сотовыми системами- (поддержка двух режимов работы наземных терминалов);

-          обеспечение услуг пейджинговой связи с буквенно-цифровой передачей данных.

 

Удовлетворение экологических норм и стандартов.

Шлюзовые станции

Для обеспечения связи подвижных абонентов с абонентами наземной телефонной сети общего пользования, как и в других системах МЕО, используются шлюзовые станции. Каждая такая станция имеет в своем составе четыре следящие антенны диаметром 3,3 м, которые могут быть удалены от основного оборудования на 30 км. Три антенны используются для оперативной связи со спутниками, а четвертая — для передачи на спутники служебной информации. Поскольку в системе Odyssey не используется межспутниковая связь, то зона, обслуживаемая каждым спутником, жестко привязана к определенным регионам земной поверхности. Это обеспечивается тем, что антенны спутника формируют 10 лучей с шириной диаграммы направленности 5°, каждый из которых направлен в соответствующую зону наблюдения.

Поскольку пользовательский терминал, всегда находится в одной из зон наблюдения, то связь с различными абонентами осуществляется через спутник и шлюзовую станцию, которая обеспечивает выход в телефонную сеть общего пользования.

Предполагается, что основными пользователями системы будут правительственные службы и органы управления, которые нуждаются в оперативной мобильной связи, а также часть населения, проживающая на удаленной территории с плохо развитой наземной телефонной сетью. Расчетная стоимость проекта  составляет примерно 1,2 млрд. USD, а ожидаемая численность абонентов системы — около 2 млн. Стоимость минуты телефонной связи — 0,65 USD.

Разработчик системы (компания TRW) получил в 1992 г. лицензию от Федеральной комиссии связи США на проведение экспериментальных работ с наземным сегментом системы.

 

Системы ICO

Общая характеристика системы.

Структура системы ICO объединяет технологию мобильной спутниковой связи с наземными стационарными и мобильными сетями для обеспечения возможности предоставления услуг персональной связи при нахождении пользователя вне помещений в любой точке поверхности Земли. Система способна передавать вызов конечного пользователя на спутник, а от него на одну из 12-ти наземных станций, называемые узловыми станциями спутниковой связи (SAN).

   Узловые станции SAN, расположенные по всему миру, образуют сеть INCONET, которая передает вызов в стационарную, мобильную сеть либо через второй спутник на другой телефон ICO. Cсоответственно, каждый вызов от наземной сети будет передан в сеть INCONET, а затем через узел SAN и спутник к конечному пользователю.

   В системе ICO будет использоваться полоса частот 2 ГГц для линии связи абонент-спутник (абонентская линия) и 5/7 ГГц для линии связи спутник-узел SAN (фидерная линия).

 

   Космический сегмент.

   Космический сегмент состоит из группировки 10 ИЗС, расположенных в двух орбитальных плоскостях по пять ИЗС в каждой с наклонением 45о и высотой 10 390 км. Это обеспечит постоянный охват всей поверхности Земли. Период обращения спутников 6 часов. В каждой плоскости находится еще по одному ИСЗ для системного резервирования.

Спутник разработан на базе облегченного варианта космической платформы Н5-601 (фирма Нughes), которая ранее использовалась для геостационарных ИСЗ. Масса ИСЗ—2300кг. Мощность солнечных батарей в конце срока службы ИСЗ — 8,5 кВт (изготовлены из арсенида галлия). Из них примерно 1,5 кВт обеспечивает подзарядку бортовых аккумуляторов, 1 кВт излучается антеннами, 6 кВт выделяется в виде тепла и рассеивается. Солнечные батареи дискретно ориентируются на Солнце. Срок службы — 12 лет.

Антенны абонентской радиолинии выполнены в виде многолучевых управляемых цифровых АФАР. Приемная и передающая АФАР имеют идентичные размеры (2 м, mах) и число излучателей (127 шт.). Число лучей — 163. Полоса частот каждого луча, — 2,5 МГц. В результате достигается многократное использование отведенного рабочего диапазона частот и эффективная эквивалентная рабочая полоса увеличивается до 200 МГц. Потенциальная пропускная способность ИСЗ составляет 4500 каналов. Для обработки сигналов (цифровых потоков) применяют цифровые процессоры, обеспечивающие коммутацию информации и ее распределение по лучам с учетом загрузки.

Геометрия расположения спутников обеспечивает несколько преимуществ с точки зрения качества услуг:

Большой средний угол возвышения от пользователя к спутникам, снижающий до минимума вероятность затенения рельефом местности или зданиями

Высокая вероятность наличия в поле зрения пользователя одновременно нескольких спутников и, таким образом, наличия альтернативного пути в том случае, если используемый спутник уходит за горизонт

Медленное – около 1 градуса в минуту перемещение спутника в поле зрения пользователя, снижающее до минимума вероятность сбоя и возможной потери связи.

Эти преимущества означают, что пользователям системы ICO, весьма вероятно, потребуется меньше ждать соединения и их вызовы будут реже прерываться. Выбранный вариант модели спутника и расположение спутниковой группировки обеспечит оптимальное сочетание высокого качества обслуживания пользователей, технического риска, сроков внедрения и простоты управления спутниковой системой.

 

   Наземный сегмент.

   Организация связи осуществляется через 12 центральных станций (SAN), расположенные по всему миру. На каждом континенте как минимум две станции.

 Планируется строительство 13-й SAN в России.

  Все станции SAN объединены в наземную сеть INCONET. Сеть INCONET разработана для передачи вызова таким образом, чтобы обеспечить абоненту самое высокое достижимое качество и коэффициент готовности обслуживания. Она также обеспечит абонентам бесперебойный глобальный роуминг и будет обладать техническими возможностями для обеспечения возможности интерфейса с сетями сотовой и персональной связи (PCS), как построенных по стандарту GSM, так и по стандартам США, Японии и другим.

   Сеть INCONET сможет обеспечить интерфейс со стационарными и мобильными сетями, расположенными по всему миру.

   Координацию работы сети предполагается осуществляется из сетевых центров MNC, управление и контроль орбитальной группировкой — двумя станциями из единого SCC.

   Каждая SAN сети ICONET включает 5 полноповоротных антенн (одна резервная), обеспечивающих непрерывную связь с видимыми ИСЗ. Она обеспечивает вход-выход в различные наземные сети общего пользования (фиксированные, сотовые, специальные цифровые).

   Центры управления космической группировкой SCC расположены в Uxbridge (Великобритания) и в Японии, которые включают сетевые центры Network Management Center(MNC).

   Работа сетевых центров координируется из SCC. Например, по запросу в MNC возможно увеличить пропускную способность лучей, в зонах которых наблюдается повышенная плотность трафика :

   Основная идея управления космической группировкой - независимость от других систем. Поэтому для орбитального контроля не используется система GPS, а все измерения проводятся наземными станциями контроля и управления совмещенными с SAN, которые расположены на шести континентах. Данные стекаются в SCC (Великобритания), где обрабатываются и выдаются поправки для наведения наземных антенн SAN с целью непрерывного слежения за ИСЗ от горизонта до горизонта.

 

   Радиотехнические параметры SAN.

   В системе используется принцип многостанционного доступа TDMA-FDMA с модуляцией цифровых потоков QPSK (четырехпозиционная фазовая манипуляция). Каждый цифровой поток включает шесть абонентских каналов.

   Компания ICО планирует предоставлять разнообразную продукцию и услуги для индивидуального потребителя и предпринимателя, которая включает в себя:

 

   Подвижная мобильная связь.

   Клиенты могут пользоваться этим видом услуги, используя комплектующие стандартного мобильного телефона приспособленного к спутниковой связи. Двухрежимный телефон ICO дает возможность при перемещении автоматически переключаться с наземной системы охвата на сеть ICO.

   Потенциальными пользователями будут прежде всего лица, работающие в отдаленных отраслях промышленности, таких как нефтяная, газовая, отрасли добывающей промышленности и сельское хозяйство. ICО планирует, что услугами спутниковой мобильной связи будут пользоваться в областях, которые плохо обслуживаются сотовой инфрастуктурой.

 

   Специализированные мобильные услуги.

   ICО планирует предоставлять услуги в соответствия потребностями пользователей в морской, авиационной и транспортной индустрии. Клиентам будут предложены специализированные терминалы с помощью которых, они смогут пользоваться голосовыми услугами и услугами данных протокола Internet в любой точке земного шара.

 

   Фиксированные услуги.

   Эта услуга основана на управлении инсталляционной наружной антенной, установленной на доме или офисе заказчика. Наружная антенна соединена с внутренним устройством клиента через проводные или беспроводные средства связи. Таким образом, ICО предполагает передачу голоса и данных.

   Потенциальными пользователями данного вида услуг будут удаленные центры нефтяной и горнодобывающей промышленности, а так же жилые районы, испытывающие затруднения с традиционными наземными услугами связи.

 

   Двухсторонние передачи сообщений.

   ICO планирует спроектировать двухстороннюю передачу сообщений с любой точке земного шара. Предполагается, что основными целевыми рынками данного вида передачи сообщений будут транспортная, морская и авиационная промышленность. Под двухстороннюю передачу сообщений будет использоваться модем для интеграции с действующими и планируемыми системами связи, которые предлагают другие провайдеры.

   В данной системе передачи сообщений не будет пределов длины передаваемых сообщений.

 

   Услуги передачи данных.

   Усовершенствованный базовой пакет передачи данных сети ICO, дает возможность предлагать услуги данных протокола Internet. ICO будет предоставлять данный вид услуг тем клиентам, у которых нет доступа к наземным сетям. Данный вид услуги предоставит доступ в Internet c любой точки земли со скоростью до144 кВт.

 

   Абонентское оборудование ICO.

   Телефоны ICO разрабатываются тремя ведущими в мире производителями, обладающими обширным опытом работы на современном рынке сотовой связи.

   Ожидается, что большинство телефонов ICO будут иметь возможность работы в двух режимах: в системе спутниковой связи и в наземных сетях сотовой-персональной связи (PCS). Пользователи смогут выбирать предпочтительную для них сотовую систему при приобретении телефона.

   ICO намерена предложить ряд специализированных терминалов для авиационного, морского и транспортного применения, а так же для жилых помещений и таксофонов.

   

Список сокращений 

АТМ	Асинхронный режим передачи
БРТК	Бортовой ретрансляционный комплекс
ГО	Геостационарная орбита
ГСР	Геостационарный спутник-ретранслятор
ГССС	Спутниковая сеть связи, базирующаяся на ГСР
ЗС	Земная станция
ИСЗ	Искусственный спутник Земли
КА	Космический аппарат
МККР	Международный консультативный комитет по радио
МЛС	Межспутниковая линия связи
МПСС	Морская подвижная спутниковая служба
МСС	Межзоновая сеть связи
МССС	Мультимедийные спутниковые сети связи
НППИ	Наземный пункт приема-передачи информации
НССС	Низкоорбитальная спутниковая сеть связи
ОГ	Орбитальная группировка
ППСС	Персональная подвижная спутниковая служба
ППТ	Приемо-передающий (пользовательский) терминал
ПСС	Подвижная служба связи
СППСС	Сети персональной подвижной спутниковой службы
СПСС	Сухопутная подвижная спутниковая служба
СР	Спутник-ретранслятор
ССС	Спутниковая сеть связи
ФСС	Фиксированная спутниковая служба
ФФ	ОГ с фиксированной фазировкой орбит КА
ЦЗС	Центральная земная станция

   

Список литературы 

1                     Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи, - М., - 2004.

2                     Машбиц Л.М. Компьютерная картография  и зоны спутниковой связи, - М., – 2000.

3                     Камнев В.Е. Место негеостационарных спутниковых сетей в глобальной  информационной  инфраструктуре, -М. :Электросвязь №4,  2001.

4                     Камнев В.Е. Исследование характеристик качества обслуживания в спутниковой сети, - СПб. – 2001.

5                     Гусаков Г.С., Тузов Г.И. Моделирование региональной низкоорбитальной системы спутниковой связи  с наземными ретрансляторами, -М., - 2001.

6                     Камнев В.Е. Методика  расчета основных показателей качества специализированных спутниковых сетей связи, - М., - 2002.  

7                     Камнев В.Е. Интеграция  низкоорбитальных спутниковых и сотовых сетей связи, - М., – 2001.

8                     Камнев В.Е. Преимущества и недостатки  спутниковых сетей  связи, использующих негеостационарные орбитальные  группировки ретрансляторов, Спутниковая связь №8,  2006.

9                     Тамаркин В.М., Невдяев Л.М., Сергеев С.И. Низкоорбитальные сети спутниковой связи, -  М., - 2001.