662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

Рис. 2.9. – Типовая структура пакета при ВРК

Для увеличения коэффициента использования пропускной способности канала связи естественно желание сделать служебные синхропосылки возможно короче. В ГССС этому во многом способствует относительно небольшой разброс параметров принимаемых сигналов и низкая динамика их изменения. Захват частоты и фазы принимаемого несущего колебания и тактовой частоты обычно осуществляется при помощи петель ФАП, инерционность которых определяется шумовой полосой пропускания ∆fш.

С точки зрения быстроты вхождения в синхронизм ∆fш необходимо увеличивать. С другой стороны, в режиме слежения при обработке информационного сигнала увеличение шумовой полосы приводит к росту флуктуации фазы опорного колебания и соответствующему энергетическому проигрышу. Для каналов связи через ГСР компромиссным считается выбор ∆fш 0,1 ∆fк. При этом отношение сигнал/шум в полосе ФАП примерно 10 h2пор . Здесь h2пор – пороговое (минимально допустимое)отношение мощности сигнала к мощности шума, обеспечивающее требуемое качество передачи.

Начальная расстройка частоты принимаемого сигнала ∆fр оказывается относительно небольшой (обычно ∆fр ∆fш) и поиск по частоте не требуется. В этих условиях суммарное время вхождения в синхронизм по несущей и тактовой частотам имеет порядок 100 длительностей информационных символов. Сигнал преамбулы во избежание ложных захватов должен иметь автокорреляционную функцию с низким уровнем боковых выбросов. По знаку отклика согласованного фильтра, обрабатывающего преамбулу, идентифицируется текущий режим работы канала (прямой или обратный).

При работе в шумах возможен ложный захват или пропуск преамбулы, что приводит к полной потере пакета. Вероятность срыва синхронизации падает с увеличением энергии (длительности) сигнала преамбулы. На практике длительность преамбулы имеет порядок 100 символов, а общая длительность синхропосылки составляет около 200 символов. Задавшись уровнем служебных затрат 0,05-0,1 определим, что минимальный объем передаваемых пакетов составляет несколько (2-4) кбит.

91

Уменьшение времени вхождения в связь возможно с применением схем синхронизации с адаптивным отслеживанием несущей {ACT — Adaptive Carrier Tracking}. Основу таких схем составляют цифровые генераторы опорного сигнала, которые подстраиваются до точного согласования частоты и фазы опорного сигнала с принимаемым практически мгновенно. В комбинированных схемах выделения несущей и тактовых частот с адаптивным отслеживанием демодуляция каждого символа осуществляется путем мгновенной подстройки опорных сигналов под этот символ, т.е. синхронизация осуществляется посимвольно. Это позволяет снизить суммарное время вхождения в связь до длительности (10-20) информационных символов [4].

Передающие ЗС должны передавать свои пакеты таким образом, чтобы, несмотря на достаточно большие различия задержек распространения сигналов от разных станций, временная структура кадра формировалась на входе ретранслятора (начале группового тракта). С этой целью центральная ЗС непрерывно передает сигнал кадровой синхронизации. Каждая ЗС, используя сигнал кадровой синхронизации в качестве опорного, и, зная задержки распространения, может определить момент начала передачи, позволяющий «уложиться» ей в отведенный слот кадра.

При использовании априорной информации о задержках относительно номинальной точки стояния ГСР возникает необходимость введения в каждый слот временного защитного интервала, исключающего возможность наложения пакетов при отклонении ГСР от точки стояния. Если точность удержания ретранслятора по широте и долготе составляет ±5°, то линейное отклонение относительно рабочей точки составит ±7005 км. Современные ГСР характеризуются точностью удержания порядка ±0,05°, а максимальное отклонение равно 35 км. Допустим, что зоной неопределенности спутника является сфера, тогда максимальное изменение задержки составит примерно 230 мкс.

Задавшись уровнем служебных затрат 10% (это типичное значение для систем с ВРК), длиной синхропосылки 200 символов, объемом пакета 4 кбит, получим, что скорость передачи информации по каналу не должна превышать 1 Мбит/с. В противном случае либо растут служебные затраты, либо надо увеличивать объем передаваемых пакетов, что не всегда возможно по другим причинам.

Уменьшить величину защитных интервалов можно, осуществляя измерение текущего значения дальности до ГСР. Это возможно двумя способами:

оборудовать каждую ЗС собственной дальномерной системой;

передавать каждой ЗС по отдельному служебному каналу значения текущих координат ГСР.

Все многообразие систем синхронизации, построенных по первому способу, различается в основном:

методами измерения дальности (непрерывный или импульсный);

92

структурами дальномерных сигналов;

методами разделения дальномерных каналов;

методами разделения информационного канала и канала синхронизации;

способами использования информации о дальности для управления процессом передачи информации.

Для организации синхронной работы при ВРК отвлекается часть связных ресурсов сети, поэтому основным показателем качества системы синхронизации являются затраты пропускной способности, точность и устойчивость при наличии в замкнутом контуре управления задержки 250 мс. Использование систем взаимной синхронизации ЗС позволяет уменьшить величину защитных временных интервалов до (30-300) нс.

Таким образом, при ВРК максимизируется использование связных ресурсов ГСР при одновременном существенном усложнении аппаратуры ЗС. Это обстоятельство и определяет области использования ВРК и ЧРК.

ГССС с ВРК используются в сетях высокой и сверхвысокой пропускной способности при относительно небольшом числе ЗС. Примерами подобных сетей могут служить интернациональные сети (типа Intelsat), национальные сети стран с развитой информационной инфраструктурой, например, для объединения наземных сетей связи крупных мегаполисов и т.д.

ЧРК используется в сетях средней и малой пропускной способности при большом числе ЗС (сотни и тысячи). В этом случае неэффективность использования ГСР экономически оправдывается простотой ЗС. Примером могут слу-

жить сети VSAT (Very Small Aperture Terminal), сети мобильной связи, сбора информации и т.д.

В ситуациях, когда информационная активность ЗС изменяется в широких пределах и весьма быстро (с интервалами в несколько минут) эффективно статистическое осреднение трафика отдельных станций путем динамического перераспределения пропускной способности ретранслятора в соответствии с текущими потребностями ЗС. При этом вне зависимости от пропускной способности сети целесообразно использование ВРК. Перераспределение пропускной способности между каналами при ВРК осуществляется значительно проще, чем при ЧРК (путем перераспределения длительности кадра между каналами).

Перспективно при доступе к СР использование комбинированного двухступенчатого уплотнения ЧРК-ВРК {MF-TDMA – Multi Frequency TDMA} [4].

Многостанционная работа при кодовом разделении каналов. При КРК в качестве кодов используют цифровые периодические широкополосные манипулирующие последовательности: m-последовательно-сти, последовательности Голда, последовательности на базе функций Уолша. Такие последовательности ортогональны лишь при строгом совпадении во времени их периодов. Очевидно, что добиться совпадения периодов манипулирующих последо-

93

вательностей на входах приемников ЗС невозможно, поэтому при КРК возникает дополнительный вид помех – шумы неортогональности

Шум неортогональности не может быть подавлен увеличением мощности полезного сигнала. Заметим, что шумы неортогональности присутствуют и при других способах уплотнения и проявляются в виде межсимвольной интерференции при ВРК и помехе по соседнему каналу при ЧРК. Но там они менее интенсивные и с ними легче бороться.

Поэтому применение КРК при многостанционной передаче через ретранслятор с непосредственной ретрансляцией весьма ограничено

Кроме традиционно используемых при объединении и разделении ка-

налов отличительных признаков электрических сигналов занимаемой полосы частот (ЧРК), временного положения (ВРК) и кода (КРК) можно использовать и дополнительные признаки радиосигналов – поляризацию и направление на источник излучения радиоволн.

При поляризационном разделении каналов (ПлРК) отличительным признаком канала является поляризация радиосигналов. На практике число уплотняемых при ПлРК каналов равно двум (вертикальная и горизонтальная линейная поляризация, либо левосторонняя и правосторонняя круговая поляризация), что объясняется большими поляризационными потерями на трассе распространения радиосигналов. Поэтому в чистом виде ПлРК не может быть использовано, но в сочетании с другими методами ПлРК обеспечивает сокращения полосы частот сети в 2 раза (повторное использование частоты) и широко используется на практике.

При пространственном разделении каналов (ПРК) учитывается распределенность ЗС в пространстве, что позволяет экономить полосу частот сети за счет многократного использования частоты. ПРК предусматривает использование многолучевых бортовых приемо-передающих антенн и может быть практически использовано в сочетании с другими способами объединения сигналов.

Обеспечение множественного доступа (МД) к СР является общесистемной проблемой спутниковой связи [1]. Понятие МД связывается с задачей разделения сигналов многих ЗС при их совместной передаче через общий тракт (ствол, луч) одного и того же СР, т.е обеспечение многостанционного доступа к линии связи. В более широком смысле оно может быть распространено и на разнесение сигналов ЗС при работе через разные стволы или лучи СР одного, либо разных ИСЗ, а так же и на взаимный радиодоступ между самими СР в ретрансляционной (межспутниковой) сети. Кроме того, с понятием множественного доступа связывается и обеспечение процедур обращения абонентов к каналу связи (запрос, предоставление, разъединение канала), а так же управление ресурсами ССС.

Выбор вариантов и характеристик МД во многом зависит от назначения, архитектуры и орбитального построения системы. Таким образом, обеспечение МД является одной из центральных задач анализа и проектирования ССС.

94

Так же наряду с традиционными аспектами многостанционной работы в одной линии связи существуют многолучевой и многоспутниковый доступ. В наиболее общей постановке многостанционный, многозоновый и многоспутниковый доступ, который может быть так же назван зональным обслуживанием, представляет собой комбинирование более традиционных сигнальных (частот- но-временных) методов разделения каналов с пространственным разнесением парциальных зон, образуемых лучами многолучевых бортовых антенн СР, а так же и зон обслуживания СР (КА) находящихся в различных точках орбиты того или иного типа. Другими словами, зональное обслуживание – это множественный доступ c частотно-пространственным разделением лучей [1, 2].

Благодаря увеличению апертуры и усиления антенны в луче применение МЛА приводит к повышению энергопотенциала в линии связи каждого луча и сужению парциальных ДН (пропорционально числу лучей) по сравнению с глобальной бортовой антенной. Последнее создает возможность повторного использования частот (ПИЧ) благодаря пространственному разнесению лучей, которым назначена одна и та же полоса частот. За счет этого повышается частотная эффективность ССС, т.к. многократное использование частот позволяет значительно экономить частотный ресурс сети.

Эта возможность реализуется при помощи пространственного разделения (разделения по направлению прихода) сигналов, перекрывающихся в частотной области. Эффективность пространственного разделения может быть оценена в зависимости от формы диаграммы направленности конкретной антенны и величины углового разноса между источниками разделяемых сигналов.

Наличие боковых лепестков ДН не позволяет реализовать в диапазонах радиочастот пространственное разделение в чистом виде, т.е. использовать во всех приемных лучах одну и ту же полосу частот. На практике не допускается использование одинаковых сигналов в соседних лучах, а возможно применение одинаковых частот, пространственно разнесенных не менее чем через один луч. Но даже и в этом случае к уровню боковых лепестков многолучевых бортовых антенн предъявляются существенно более жесткие требования, чем к однолучевым антеннам [1].

В однородной сети для характеристики степени ПИЧ вводится понятие «кластера», которое характеризует количество частотных полос (К), на которое делится общая используемая полоса для разделения смежных или близких лучей. При частотном разделении сигналов только соседних лучей кластер не может быть менее 3, а на практике обычно равен 4. Чаще частоты повторяются через 2 луча, а K = 7. В то же время, при МДКР за счет квази-ортогональности сигналов и ослабления взаимных помех, могут применяться одни и те же частоты во всех лучах (K = 1). В качестве примеров можно привести НО ССС Iridium (K = 7), ICO (K = 4), а так же ряд систем с ГСО (K = 7): Инмарсат, Гаруда, Турайя. Системы, в которых используется МДКР позволяют применить ПИЧ в соседних лучах, то есть K = 1, –Глобалстар и Эллипсо [1].

95

Общее количество лучей МЛА обычно выбирается исходя из требуемой ширины ДН луча, с заданной зоной обслуживания и гексагональной модели парциальных зон, то есть покрытия зоны обслуживания СР правильными шестиугольниками – сотами, вписанными в окружности проекций лучей на земной поверхности.

Многолучевое зональное обслуживание может быть параллельное, последовательное и комбинированное. Последовательное, то есть переключение лучей во времени, как и разделение лучей по поляризации применяется реже. Параллельное чаще всего предполагает использование одного из рассмотренных выше способов МД внутри парциальной зоны луча (например, временное), частотное, либо кодовое разделение сигналов, применяемых в соседних зонах (лучах), и пространственное разнесение линий связи лучей с непересекающимися диаграммами направленности (ДН). [1, 3, 5]

2.4. Протоколы множественного доступа в спутниковых системах

связи

Под протоколом множественного доступа {MAC — Multiple Access Control Protocol} в спутниковый канал связи понимаются правила, определяющие порядок коллективного использования многими ЗС (пользователями) связных ресурсов ретранслятора и общей среды распространения радиосигналов. Если в кабельных наземных сетях связи информационные потоки поступают в узлы сети по отдельным независимым проводам и задача узла сводится лишь к мультиплексированию-демультиплексированию потоков, то в радиосетях, использующих общую среду распространения сигналов, имеется возможность совместного и эффективного использования таких дорогостоящих ресурсов, как полоса частот и мощность, при помощи соответствующего протокола множественного доступа (ПМД).

При этом в сетевой архитектуре радиосетей возникает дополнительный иерархический уровень ПМД. Выбор рационального ПМД во многом определяется свойствами используемого радиоканала, в первую очередь задержкой распространения сигнала и пропускной способностью, а также характеристиками пользовательского трафика и числом обслуживаемых ЗС.

2.4.1. Характеристики информационных потоков пользователей

Важным классификационным признаком цифровых информационных потоков является их восприимчивость к задержкам, вносимым сетью. В связи с этим различают потоки реального времени (ПРВ) и потоки нереального времени (ПНВ). Передача информационных потоков по сетям неизбежно сопровождается искажениями, величина которых определяется показателями качества обслуживания {QoS — Quality Of Service}. Показатели качества обслуживания тесно связаны с прикладным содержанием информационных потоков и опреде-

96

ляют выбор способов и режимов информационного обмена в сети, в том числе протоколов множественного доступа.

Потоки реального времени характеризуются жесткими требованиями к задержкам и искажениям их временной структуры. Допустимое время задержки не превышает долей секунды. ПРВ генерируются при организации режима интерактивного обмена – телефония, видеоконференцсвязь, активные телеигры, оперативное телеуправление различными процессами и т.д. Различают два типа ПРВ – с постоянной скоростью {CBR – Constant Bit Rate} и с переменной скоростью {VBR – Variable Bit Rate}. Потоки с постоянной скоростью иногда называют непрерывными. Единственным параметром непрерывного потока является скорость генерации R [бит/с]. Очевидно, что пропускная способность канала С, выделяемая ПРВ с постоянной скоростью, должна удовлетворять условию С = R.

ПРВ с переменной скоростью чаще всего генерируются источниками, осуществляющими уменьшение смысловой и статистической избыточности первичных аналоговых сигналов (телефония, телевидение). Параметрами VBR являются максимальная скорость генерации Rm и коэффициент пульсаций β, равный отношению максимальной скорости генерации к средней. Поскольку сгладить пульсации потока на передающей стороне не представляется возможным, из-за того, что при этом недопустимо сильно искажается временная структура потока, пропускная способность канала выбирается равной Rm. При этом коэффициент использования пропускной способности канала связи ρ, равный отношению средней скорости передачи информации к пропускной способности канала, составит 1/ β.

Жесткие требования к оперативности доставки ПРВ могут быть обеспечены при их передаче в режиме коммутации каналов. Показателями качества обслуживания являются также время установления соединения – промежуток времени между передачей вызова (запроса) на предоставление канала связи и моментом, когда выделенный канал оказывается доступным для пользователя, и вероятность блокировки вызова (вероятность отсутствия свободного канала связи).

Рассмотрим в качестве примера наиболее распространенный тип ПРВ, формируемых при цифровом представлении аналоговых речевых сигналов. При стандартном регулярном цифровом представлении сигнал подвергается дискретизации с частотой 8 кГц и квантованию с формированием 8-разрядных кодовых слов. В результате генерируется ПРВ с постоянной скоростью 64 кбит/с. Речевой сигнал представляет собой последовательность чередующихся активных фаз и пауз. Статистика речи свидетельствует, что средняя длительность активной фазы равна bа = 0,352 с. Паузы подразделяются на два типа — паузы между словами, имеющие среднюю продолжительность b1 = 0,372 с, и паузы прослушивания собеседника длительностью b2 = 2,59 с.

97

Вероятность того, что произвольно взятая пауза является паузой между словами, примерно равна р = 0,875. В этом случае средняя безусловная продолжительность паузы составляет bп = pb1 + (1 - р) b2 = 0,65 с. Распределения длительности активных фаз и пауз можно в первом приближении считать экспоненциальными. Таким образом, если на передающей стороне использован детектор пауз, формируется ПРВ с переменной скоростью, соответствующий модели источника с двумя состояниями. Коэффициент пульсаций этого потока равен β = (bа - bп)/ bа = 2,85, а коэффициент использования пропускной способности канала ρ = 1/ β = 0,35.

Потоки нереального времени допускают достаточно большие задержки и разрушение их временной структуры. Примером ПНВ являются потоки пакетов более высоких уровней иерархии сети, в частности интернетовские пакеты. Поскольку на сетевом уровне ПМД возможно разбиение внешних пакетов на внутренние пакеты уровня, во избежание путаницы условимся называть пакеты, поступающие на уровень ПМД, сообщениями. Моменты возникновения сообщений чаще всего имеют случайный характер и количественно описываются во времени интенсивностью , (средним количеством сообщений, генерируемых в единицу времени). Сообщения же характеризуются объемом V бит, который в зависимости от приложений может быть фиксированным или случайным. Средняя скорость источника ПНВ равна R = V , где V – средний объем сообщения. Поскольку работа источников ПНВ осуществляется чередующимися фазами активности (генерация сообщения) и простоя, их обычно называют пульсирующими.

Некритичность ПНВ к задержкам позволяет эффективно использовать пропускную способность каналов связи. Установив на передающей стороне буферный накопитель (БН) и занося в него сообщения в темпе их поступления, можно считывать информацию в канал связи со скоростью, близкой к средней скорости источника. При этом в БН образуется очередь сообщений, уже сформированных источником ПНВ и ожидающих окончания передачи ранее поступивших сообщений. Под задержкой сообщения т понимают интервал времени между моментом записи сообщения в БН и моментом завершения его приема получателем.

Случайность моментов возникновения сообщений приводит к флуктуации длины очереди в БН и, соответственно, случайности задержки. В качестве показателя качества обслуживания ПНВ обычно принимают среднее время задержки τ . Поскольку задержки являются сетевыми издержками, они, хотя и допускаются ПНВ, но, тем не менее, регламентируются: пользователи, допускающие задержки, накладывают на них ограничение сверху. В зависимости от конкретных приложений допустимое время задержки сообщения колеблется от долей секунды до десятков минут, а в ряде случаев и нескольких часов.

Случайный характер очередей сообщений может приводить к тому, что в отдельные отрезки времени их длина оказывается больше объема БН и часть

98

сообщений теряется, поскольку их просто некуда записывать. Количественно это явление оценивается вероятностью потери сообщения Рпот, равной

где nпост и nпот соответственно – общее число поступивших и число потерянных сообщений.

Вероятность потери резко падает с ростом объема БН, поэтому для каналов связи ЗС-СР, в которых накопители входят в состав аппаратуры ЗС и могут иметь значительный объем, этот показатель качества обслуживания обычно игнорируется (считается, что потерь нет).

Для ретрансляторов с бортовой обработкой и коммутацией на видеочастоте проблема снижения вероятности потери сообщений на борту весьма актуальна, потому что практически достигаемая емкость бортовых запоминающих устройств весьма ограничена и, следовательно, должна быть эффективно использована. Кроме того, потерянные на борту сообщения приходится передавать повторно, что приводит к дополнительной загрузке каналов связи ЗС-СР и увеличивает задержку передачи.

Основные разновидности протоколов множественного доступа и их характеристики.

Уровень ПМД в иерархической структуре уровней сети обеспечивает интерфейс между физическим и канальным уровнями. ПМД должен обеспечивать бесконфликтный доступ сообщений (пакетов более высоких уровней) в физический канал при возможно более экономном использовании его пропускной способности.

При использовании ПМД любого типа имеет место обмен между степенью использования ресурсов канала и качеством обслуживания информационных потоков. При увеличении ρ среднее время задержки монотонно увеличивается, причем эта зависимость имеет существенно нелинейный характер. При достижении некоторого значения ρ 1 канал насыщается (система выходит из равновесного состояния, начинается неограниченный рост очередей и, соответственно, задержек). Устойчивая работа возможна лишь при ρ < ρm . Безразмерная величина ρm, равная отношению максимально возможной скорости передачи информации к пропускной способности канала связи, называется пропускной способностью ПМД.

Пропускная способность ПМД характеризует качество протокола с точки зрения уровня служебных затрат, эффективности использования информации о текущем состоянии сети и т.д. Количественные зависимости средней задержки от ρ для различных ПМД отличаются, поэтому правомочна постановка задачи о выборе рационального ПМД, обеспечивающего при заданной средней задержке

99

сообщений наибольший коэффициент использования пропускной способности канала связи (или, что приводит к тем же результатам, при заданном коэффициенте использования канала, минимизирующего задержку).

Большинство ПМД адаптируется к текущему состоянию канала (каналов) сети, используя для этой цели сигналы обратной связи. В связи с этим возникает вопрос об устойчивости возникающего замкнутого контура управления, особенно с учетом достаточно большой задержки распространения сигналов в спутниковых радиолиниях.

КПМД предъявляются следующие основные требования:

ПМД должен обеспечивать заданные показатели качества обслуживания информационных потоков пользователей;

ПМД должен обеспечивать максимально возможный коэффициент использования пропускной способности каналов связи сети;

ПМД должен поддерживать устойчивость процессов информационного обмена в сети;

технические средства, обеспечивающие функционирование ПМД, должны быть приемлемы по критерию сложность/стоимость.

При обеспечении указанных требований необходимо, как уже отмечалось, учитывать статистические характеристики и вид обслуживаемых информационных потоков, свойства используемых радиоканалов, количество ЗС, возможность мультиплексирования на передающей стороне и другие факторы. Очевидно, что требования к ПМД во многом противоречивы, поэтому выбор конкретного протокола обычно базируется на компромиссных решениях.

В последние годы существует устойчивая тенденция к созданию ССС интегрального обслуживания, обеспечивающих совместную передачу потоков реального и нереального времени с существенно различающимися характеристиками и требованиями к качеству обслуживания, а также к объединению наземных и спутниковых сетей интегрального обслуживания в единую глобальную информационную инфраструктуру. В связи с этим к ПМД предъявляются дополнительные требования:

ПМД должен обеспечивать эффективную совместную передачу потоков реального и нереального времени;

ПМД должен быть совместим с протоколами сетевого и транспортного уровней наземных сетей связи, в частности, TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Packet), и обеспечивать эффективное использование этих протоколов, несмотря на существенное различие характеристик спутниковых и наземных каналов связи.

Основные классификационные признаки ПМД, приемлемых для использования в спутниковых каналах связи, приведены на рис. 2.10. По признаку

100