662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

Федеральное агентство связи

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(СибГУТИ)

В.И. Носов

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПРИ ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОМ ПЛАНИРОВАНИИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

С ЗОНАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

МОНОГРАФИЯ

Новосибирск

2016

621.396.43

Носов В.И. Обеспечение электромагнитной совместимости при частотнотерриториальном планировании систем спутниковой связи с зональными обслуживанием: Монография / СибГУТИ. Новосибирск, 2016 г. - 252 с.

Вмонографии излагаются:

основы построения и характеристики систем спутниковой связи;

системы спутниковой связи с зональным обслуживанием;

энергетические и пространственные характеристики систем спутниковой связи с зональным обслуживанием;

методы частотно-территориального планирования сети спутниковой связи с зональным обслуживанием;

экспериментальные исследования разработанных методов ча- стотно-территориального планирования.

Кафедра систем радиосвязи Ил. – 102, табл. – 21, список лит. – 69 наимен.

Рецензенты: профессор Спектор А.А., доцент Гельцер А.А.

Для студентов телекоммуникационных вузов и специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем радиосвязи.

Утверждено редакционно-издательским советом «СибГУТИ» в качестве монографии.

©«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2016

2

1.2.1.Антенны …………………..……………………..……………. 14

1.2.2.Характеристики приёмных и передающих станций ……….. 21

1.3.Особенности передачи сигналов в ССС ………..…………………... 23

1.4. Физические явления, приводящие к ослаблению сигнала………… 29

1.7.1Зоны обслуживания и число ИСЗ…………………………….. 59

1.8.Диапазоны частот, используемые в ССС…………………………… 64

2.1.Спутниковые ретрансляторы………………...………………………. 71

2.2.ССС на базе негеостационарных орбитальных группировок ретрансляторов ………………………………………………………….... 81

2.3.Разделение частотного ресурса спутникового ретранслятора

между земными станциями ………..………………..…………………… 88 2.4. Протоколы множественного доступа в спутниковых системах связи ……………………………………...……………………………….. 96

2.4.1.Характеристики информационных потоков пользователей.. 96

2.4.2.Протоколы фиксированного доступа……………………….. 103

2.4.3.Протоколы случайного многостанционного доступа………. 106

2.4.4.Протоколы предоставления каналов по требованию………. 112

3

2.5.Использование многолучевых приемных и передающих бортовых антенн для реализации зонального обслуживания…………………….. 120

2.6.Действующие и перспективные СПСС с зональным

вой связи с зональным обслуживанием………………….………… 135 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

СЗОНАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ …….…………………………… 150

3.1.Определение параметров ДН антенных решеток, используемых

на спутниковом ретрансляторе …..……………………………………… 150

3.1.1.Плоская антенная решетка…………………………………… 150

3.1.2.Концентрическая кольцевая антенная решетка…………….. 158

3.2.Оценка зоны покрытия лучей антенной решетки…………………. 161

3.2.1.Определение зон видимости, покрытия, обслуживания….. 161

3.2.2. Оценка зоны покрытия спутникового ретранслятора……… 166

3.3.Определение энергетических параметров лучей АР………………. 173

3.3.1.Структура СПСС с зональным обслуживанием……………. 173

3.3.2.Определение энергетических параметров спутниковых ли-

ний связи……………………………………………………………... 174 3.4. Разработка методики определения частотно-пространственных ограничений при учете влияния боковых лепестков ДН АР и множественности помех на частотно-территориальное планирование ……… 178 3.5. Методика частотно-территориального планирования сетей радиосвязи………………………………………………………………… 184

4.РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ЗОНАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ …….………………………………………………. 192

4.1. Анализ существующих методов частотно-территориального планирования сетей радиосвязи…………………………………….…… 192

4

4.2. Использование теории графов в частотно-территориальном планировании……………………………………………………………… 195 4.3. Разработка метода частотно-территориального планирования СПСС ……………………………………………………………………… 197

4.3.1.Определение частотно-пространственных ограничений ….. 197

4.3.2.Разработка алгоритма частотных присвоений для предложенного метода ЧТП СПСС ……………………………………..…. 200

4.3.3.Модификация предложенного метода ЧТП СПСС алгорит-

мами краска-вершина и вершина-краска ……………………..…… 208 4.3.4. Пример проведения ЧТП предложенным методом………… 213 4.3.5. Сравнение различных модификаций предложенного мето-

да ЧТП……………………………………………………...………… 217 4.4. Методика оценки эффективности выделения частотного ресурса на основе анализа пропускной способности сети………………………. 218

4.5.Метод повышения эффективности частотно-территориального планирования, основанный на учете перераспределения абонентов в лучах………………………………………………………………………. 225

5.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ…. 232

5.1.Программная модель для исследования ЧТП………………………. 232

5.2.Алгоритм назначения частот методом координационных колец,

модифицированным методом ветвей и границ………………………… 238

5.3.Алгоритм назначения частот методом координационных колец, модифицированным алгоритмами вершина-краска и краска-вершина. 243

5.4.Анализ времени исполнения программных алгоритмов разрабо-

танных методов ЧТП……………………………………..……………….. 243

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………….…..……………... 244

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………..……….. 246

5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СССсистема спутниковой связи

6

ВВЕДЕНИЕ

Национальная система мобильной и в то же время персональной спутниковой связи (СПСС), которая бы полностью контролировалась и управлялась с российской территории, чрезвычайно важна как для индивидуальных пользователей, так и для многих государственных структур и промышленных корпораций страны. Первые подобные проекты датируются 90-ми годами. Однако до сих пор из-за отсутствия средств и (как следствие) конкурентоспособных отечественных разработок на рынке присутствуют только зарубежные СПСС, та-

кие как Thuraya, Inmarsat, Globalstar, ICO и др.

В условиях постоянного роста спектра услуг, предоставляемых системами спутниковой связи, увеличивающегося объема передаваемых данных, стремительного роста требований к скоростям их передачи, вопросы эффективного распределения частотного ресурса встают наиболее остро. При жестко ограниченном диапазоне частот, выделяемом для СПСС, а также не менее высоких требованиях к энергетике линий связи, используются различные способы обеспечения эффективного множественного доступа к спутниковому ретранслятору (СР). При этом наиболее широкое применение находят системы с зональным обслуживанием, которые позволяют повторно использовать частоты при пространственном разнесении совмещенных каналов.

В рамках данного подхода при частотном планировании в пределах выделенной полосы частот на множестве лучей антенны СР определяется такое распределение частотных каналов, которое позволит использовать каждый частотный канал максимально возможное число раз. Это обеспечивает эффективное использование частотного ресурса в системе, а возможность возникновения помех определяется совокупностью частотно-пространственных ограничений в зонах сети при назначении частотных каналов. В частности требуется, чтобы лучи антенны, использующие некоторые комбинации частотных каналов были разнесены в пространстве на соответствующее этим комбинациям минимальное расстояние.

Реализация СПСС с зональным обслуживанием требует использования многолучевых антенн с узкими диаграммами направленностей (ДН) лучей. В частности, в рекомендациях международного союза электросвязи указаны требования к ширине луча ДН для спутниковых группировок из геостационарных СР - порядка 0,7-1 градусов. Наиболее эффективно такие лучи позволяют формировать антенные решетки (линейные, плоские, концентрические круговые и др.), в том числе с использованием технологий цифрового диаграммообразования. Большинство передовых зарубежных глобальных и региональных СПСС имеют узкие лучи ДН с цифровым формированием луча: Турайя (спутники Турайя 1, 2 и 3); Инмарсат (Инмарсат-4); перспективные систему SkyTerra; QuasiGEO компаниии Mitsubishi Electric и др. Вопросы использования антенн с цифровым формированием луча в спутниковой связи наиболее полно освещены в публикациях Слюсара В.И., R. Steele, Gockler H.G.

При построении СПСС с зональным обслуживанием и, особенно с узкими лучами ДН, неизбежно возникают задачи оптимального частотнотерриториального планирования (ЧТП). Для достижения максимального эффекта необходимо учитывать степень взаимного влияния лучей, формирующих отдельные парциальные зоны, которая в первую очередь определяется пространственной и энергетической конфигурацией диаграммы направленности

7

антенны СР. Благодаря её анализу возможно определение ограничений на ЧТП сети.

Многообразие видов систем спутниковой связи, а также видов и типов антенн, используемых в них не позволяет разработать универсальный метод присвоения частот, так как многие известные методы обладают ограничениями либо по точности получаемых результатов, либо по размерности задачи. Для разработки практически пригодных методов необходим учет особенностей постановки задач для различных случаев и поиск рациональных алгоритмов оптимизации. Поэтому актуальна задача анализа эффективности различных алгоритмов оптимального присвоения частот в СПСС.

Следует отметить, что вопросы пространственного формирования лучей антенн спутниковых ретрансляторов подробно рассмотрены в работах зару-

бежных авторов (Hansen R. С., Balanis C. A., Monzingo R. A., Miller T. W.). В то же время, в отечественной литературе по данной тематике опубликованы лишь отрывочные материалы. В практической деятельности для расчёта условий электромагнитной совместимости, особенно сетевых структур радиосвязи (наземного телевизионного вещания, радиорелейной и спутниковой связи), используются так называемые гарантированные огибающие ДН антенны в графической или аналитической форме, являющиеся результатом аппроксимации экспериментальных ДН реальных антенн. При этом структура боковых лепестков ДН антенны не учитывается в полной мере.

Кроме того, в научной литературе практически отсутствует информация о подходах к ЧТП в спутниковой связи как за рубежом (в том числе об алгоритмах, реализованных в существующих спутниковых системах), так и в отечественных публикациях. Это объясняется коммерческим характером иностранных разработок и отсутствием современных российских разработок в области СПСС с ЦАР, т.к. основной упор развития космической отрасли России сделан на развитие технологий VSAT и использование антенных систем с фазированными антенными решетками.

При планировании наземных передающих сетей радиовещания применяются методы, основанные на использовании регулярной сетки элементарных треугольников, в вершинах которых располагаются передатчики. Также в последнее время при частотно-территориальном планировании сетей радиосвязи все чаще используется теория графов. Данной проблеме посвящены работы Arno G., Heil W., Jensen T. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского М.А., Дотолева В.Г., Дудкина С.Н., Зубарева Ю.Б., Гитлица М.В., Носова В.И., Зеленина А.Ю., Тигина Л.В.

Таким образом, центральным вопросом рассматриваемой проблемы является разработка оптимальных методов ЧТП на основе подходов, используемых в наземной связи, но применительно к спутниковым системам. Для этого моделируется граф, множество вершин которого однозначно соответствует множеству лучей многолучевой антенны. Ребрами соединяются те лучи, соответствующие парциальные зоны которых могут создавать друг другу недопустимые помехи.

8

1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

1.1. Основы построения систем спутниковой связи

Концепция спутниковой связи 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. [1, 4, 5] На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы лишь для коррекции параметров орбиты спутникового ретранслятора (СР), которые могут меняться под влиянием различных дестабилизирующих факторов.

Энергообеспечение бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) осуществляется от солнечных батарей и подзаряжаемых от них 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 бортового ретрансляционного комплекса (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.

В течение вот уже более тридцати пяти лет ССС интенсивно и быстро развиваются. В мире создано и создается большое число ССС, различающихся

9

решаемыми прикладными задачами, масштабами, количеством и качеством используемого оборудования, пропускной способностью. Широкое распространение спутниковых сетей связи обусловлено следующими их во многом уникальными свойствами:

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.Предоставление услуг подвижным пользователям на большой территории, где нет соответствующих систем наземной связи.

5.Высокая пропускная способность спутниковых каналов связи при приемлемо высоком качестве передачи, по сравнению с наземными каналами радиосвязи.

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

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

8.Возможность предоставления пользователям услуги глобального местоопределения.

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

10.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.

11.Относительно малые сроки развертывания ССС и наладки оборудования и аппаратуры.

12.Обеспечение приемлемой совместимости с современными технологиями передачи информации наземных сетей связи, таких как ATM (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный режим передачи) и Frame Relay.

10