3. Архитектура и основные принципы работы спутниковых систем связи

Любая ССС состоит из трех сегментов: пользовательского, спутникового и сег­мента управления. Пользовательский сегмент — это сеть абонентских станций. Сегмент управления включает несколько наземных станций, обеспечивающих управление и сопряжение ССС с наземными системами связи. Спутники на ор­бите выполняют роль ретрансляторов. В этом смысле они мало отличаются от традиционных ретрансляционных систем.

Возможны три основных направления передачи информации: Земля КА (вос­ходящий канал), КА Земля (нисходящий канал) и спутник-спутник. В послед­нем случае бортовая аппаратура КА может выполнять функцию маршрутизации трафика. КА, как правило, поддерживает несколько независимых каналов приемопередачи (стволов или траспондеров). Современные КА могут содержать де­сятки транспондеров. Известно несколько схем спутниковой ретрансляции. Наи­более простая — это схема группового повторителя (прозрачная ретрансляция). Принимаемый групповой сигнал (от наземной станции) преобразуется без демо­дуляции в сигнал выходной частоты, усиливается и транслируется. Известны ме­тоды разделения входного канала на несколько подканалов и отдельная обработ­ка (усиление) в каждом из них. Наконец, в современных ССС, поддерживающих пакетную коммутацию, т.е. с демодуляцией и декодированием сигнала на борту КА, применяются регенеративные схемы ретрансляции сигнал восстанавлива­ется до исходного потока данных, а затем вновь преобразуется в ВЧ-сигнал.

С точки зрения зоны обслуживания выделяют глобальные (охватывающие значительную часть территории Земли) и региональные ССС (т.е. оптимизи­рованные для обслуживания определенного региона или страны). Характерный пример глобальных ССС — Intelsat, Inmarsat, региональных «Молния», Eutelsat, Arabtelsat.

Согласно исторической традиции ССС принято делить на системы фиксиро­ванной спутниковой связи (СФСС) и подвижной (СПСС). Сегодня это деление достаточно условно, и речь скорее надо вести о возможной скорости передачи данных (или о широкополосной и узкополосной связи). Однако данная градация отражена в действующих нормативных документах, и игнорировать ее нельзя. Для ФСС предусмотрено несколько возможных диапазонов частот: С-диапазон (5,9-6,4 и 3,7-4,2 ГГц, восходящий и нисходящие каналы соответственно), Кu-диапазон (14,0 14,5 и 11,7 12,2 ГГц) и Ка-диапазон (27-31 и 17 21 ГГц). В по­следнее время начинают осваивать Q- и V-диапазоны (в районе 40 и 50 ГГц). Для межспутниковых каналов используют диапазоны 54-58 и 59-64 ГГц. Наиболее развитая система ФСС несомненно Intelsat. Основанная в 1964 году как между­народная организация, Intelsat в 2001 году стал частной компанией. К началу 2004 года в ее орбитальную группировку входило 28 действующих КА (и два резервных) на геостационарной орбите. ССС Intelsat связывает пользователей более чем в 200 странах мира.

Формально СПСС должны работать в L- и S-диапазонах частот (1,53-2,7 МГц и 2,7 3,5 ГГц) и ниже 1 ГГц. Но развитие микроэлектронных технологий позво­ляет сегодня делать вполне мобильными и абонентские станции в Ка-диапазоне. Крупнейший оператор СПСС это основанный в 1979 году международный кон­сорциум Inmarsat, в 1999 году преобразованный в частную компанию. Он распо­лагает орбитальной группировкой на GEO в составе 5 КА Inmarsat 1-3 третье­го поколения (один резервный), образующей глобальную систему мобильной связи. До этого в группировку входили 4 КA Inmarsat 1-2 второго поколения (за­пуски в 1990 1992 годах). ССС Inmarsat работает в L- И С-диапазонах и поддер­живает несколько стандартов предоставления услуг как телефонной связи, так и низкоскоростной пересдачи данных. Основной недостаток системы Inmarsat — удаленность ее КА, находящихся на GEO, и связанный с этим комплекс проблем. Даже специально разработанный терминал стандарта Inmarsat Mini-M весит око­ло 3 кг и по размерам соответствует ноутбуку.

В начале середине 90-х годов появилось несколько десятков проектов созда­ния низко- и среднеорбитальных ССС, как для задач телефонии, так и для широкополосной передачи данных (к 1977 году в ITU поступило около 50 таких проектов). В области телефонии до практической реализации дело дошло лишь у двух глобальных низкоорбитальных систем Iridium и Globalstar (персональные спутниковые телефоны). Первая пережила Банкротство и медленно возвращает­ся к жизни, вторая пребывает в состоянии банкротства. Та же судьба постигла и ССС па МЕО - ICO- Наиболее амбициозным низкоорбитальным проектом спут­никовой СПИ была система Teledesic. Предполагалось, что эта система с орби­тальной группировкой и 288 КА будет работать в Ка-диапазоне, однако подобные системы получаются очень дорогими. Наземные беспроводные СПИ развиваются столь стремительно, что конкурировать с ними низкоорбитальным ССС оказа­лось не под силу.

Видимо, первой услуги широкополосной передачи информации мобильным пользователям станет предоставлять Inmarsat, в ближайших планах которого Запуск па GEO спутников четвертого поколения Inmarsat 1-4, обеспечивающих обмен с абонентскими терминалами на скоростях до 432 кбит/с и совместимость с системами сотовой связи третьей поколения (первый спутник Inmarsat 1-4 успешно запущен 11 марта 2005 года).

Упомянем еще об одном виде низкоорбитальных ССС. так называемых little-LEO. Это ССС, работающие в частотном диапазоне ниже 1 ГГц и выполняющие функцию передачи небольших объемов информации вне реального времени. Ха­рактерный пример системы «Гонец» и Orbcomm. KA систем «Гонец» это ретрансляторы с юной обслуживания диаметром примерно 5 тыс. км (высота орбиты 1500 км, наклонение 82,5°). Если принимающий абонент находится вне зоны обслуживания, информация запоминается и передается при пролете КА через его регион. Основное назначении таких систем — электронная почта и пейджинг. Они относительно просты, что существенно снижает стоимость оборудо­вания и услуг.

В последнее десятилетие чрезвычайно мощное развитие получили сети, ис­пользующие геостационарные КА и наземные станции с очень малой апертурой антенн (VSAT - Very Small Aperture Terminal) и их разновидность US AT стан­ции с ультрамалой апертурой антенн (диаметром менее 0,5 м). VSAT-системы широко используются при создании корпоративных ССС. Такие системы за счет относительной простоты и невысокой стоимости наземных станций (диаметр ан­тенн порядка 1,5 1 м в Ku-диапазоне и 0,5 м в Ка-диапазоне) позволяют достаточ­но просто объединить удаленные друг от друга локальные объекты в единую сеть передачи информации со скоростями обмена порядка 2 Мбит/с и выше. И если бы не особенности национального регулирования связи, ряд из них вполне можно было бы отнести к подвижным системам.

Архитектура VSAT-сетей может быть произвольной: точка-точка, каждый с каждым, звезда. Однако для построения распределенных сетей передачи данных наиболее приемлема последняя технология. Она подразумевает наличие одной центральной наземной станции с большой антенной и ряд удаленных терминалов. Связь организуется через центральную станцию в режиме разделения времени. Используют и технологию «каждый с каждым», при этом каналы, как правило, не фиксированы и предоставляются по запросу (механизм DAMA). С точки зре­ния спутникового сегмента отличие технологии VSAT зона обслуживания не накрывается одним глобальным лучом, а разбита на ряд сегментов, охватывае­мых рядом относительно узких лучей. Такой метод поддерживают практически все современные КА на GEO. Отметим, что на фоне неудач низкоорбитальных спутниковых систем передачи данных рынок VSAT-систем успешно развивается, в том числе и в нашей стране. В качестве характерной VSAT-системы назовем принадлежащую ОАО «Газпром» систему «Ямал».