Спутниковая связь

Спутник связи TDRS (Tracking and Data Relay Satellite)

Спу́тниковая свя́зь — один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.

Поскольку спутниковая связь является частным случаем радиосвязи, для передачи через спутник сигнал должен быть модулирован. Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну.

Обычный (нерегенеративный) спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. В спутнике может быть несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами).

Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому ошибки исправляются два раза: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостатком этого метода является сложность, следствием которой является гораздо более высокая цена спутника.

История

Инженеры работают над первым в мире спутником связи Early Bird

Возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи заставили искать способы применения для этой цели спутниковых ретрансляторов. Исследования в этой области начались во второй половине 50-х годов XX в., и 20 августа 1964 г. 11 стран подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization). СССР в их число не входил. 6 апреля 1965 г. в рамках этой программы был запущен первый коммерческий спутник связи Early Bird («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT.

По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи.

В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.

Несмотря на то, что первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР в 1957 г., развитие спутниковой связи в социалистических странах шло с некоторым запозданием. Соглашение между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» было подписано только в 1971 г.

Орбиты спутниковых ретрансляторов

Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная

Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса:

• экваториальные,
• наклонные,
• полярные.

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Однако, геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

Многократное использование частот. Зоны покрытия.

Типичная карта покрытия спутника, находящегося на геостационарной орбите

Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних и тех же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами:

• пространственное разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного района, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты,

• поляризационное разделение — различные антенны принимают и передают сигнал во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации, при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей).

Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты:

• глобальный луч — производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника.

• лучи западной и восточной хемисфер — эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной хемисферах используется один и тот же диапазон частот.

• зонные лучи — поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи хемисфер. Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи хемисфер и глобальный луч.

При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной хемисферах и в каждой из зон.

Частотные диапазоны

Антенна для приема спутникового телевидения (Ku-диапазон)

Спутниковая антенна для C-диапазона

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6:

Название диапазона	Частоты (согласно ITU-R V.431-6)	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая связь
X	Для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.	Фиксированная спутниковая связь (для военных целей)
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

Использутся и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой.

Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.

Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

• значительной удаленностью приемника от передатчика,
• ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

Всвязи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ).

Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция.

Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок. Для этого применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты сверточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды.

Множественный доступ

Для обеспечения возможности одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа:

• Множественный доступ с частотным разделением — при этом каждому пользователью предоставляется отдельный диапазон частот.

• множественный доступ с временны́м разделением — каждому пользователю предоставляется определенный временной интервал (таймслот), в течение которого он производит передачу и прием данных.

• множественный доступ с кодовым разделением — при этом каждому пользователю выдается кодовая последовательность, ортогональная кодовым последовательностям других пользователей. Данные пользователя накладываются на кодовую последовательность таким образом, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на различных частотах.

Кроме того, многим пользователям не требуется постоянный доступ к спутниковой связи. Этим пользователям канал связи (таймслот) выделяется по требованию с помощью технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access — множественный доступ с предоставлением каналов по требованию).

Применение спутниковой связи

Антенна терминала VSAT

Магистральная спутниковая связь

Изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объемов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat, затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat, Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объеме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных.

С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи.

Системы VSAT

Системы VSAT (Very Small Aperture Terminal — терминал с очень маленькой апертурой) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокая пропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с.

Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне — 0,75-1,8 м.

В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.

Системы подвижной спутниковой связи

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

• Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya).

• Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако, такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

Спутниковый интернет

Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Особенностями такого вида доступа, являются:

1. в той или иной мере, разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения, поэтому такие соединения называют ассиметричными
2. одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями — через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал

По типу исходящего канала, различают:

• терминалы работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае, для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету (например, через dialup-подключение). Для работы в такой схеме, привлекается тунеллирующее программное обеспечение, обычно, входящиее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью, по сравнению с диалапом, за сравнительно небольшую цену.
• приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению со входящим), каналом передачи. Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно, если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера.

И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.

См. также

• Спутник связи

Cсылки

Операторы фиксированной спутниковой связи

• Intelsat
• Eutelsat
• AsiaSat
• Arabsat
• Интерспутник

Операторы подвижной спутниковой связи

• Inmarsat
• Globalstar
• Iridium
• Thuraya
• Дилер услуг спутниковой связи в России

Информация

Общая информация

• WTEC Panel Report on Global Satellite Communications Technology and Systems

История спутниковой связи

• О спутнике Early Bird на сайте boeing.com
• Communications Satellites Short History

Системы VSAT

• VSAT FAQ

Спутниковый интернет

• Satellite Internet and VSAT Information Centrum

Литература

1. INTELSAT Satellite Earth Station Handbook
2. Dennis Roddy. Satellite Communications. — McGraw-Hill Telecommunications, 2001.
3. Bruce R. Elbert. The Satellite Communication Applications Handbook. — Artech House, Inc., 2004. — ISBN 1-58053-490-2.