662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

Геостационарная СПСС ACeS (спутник Garuda-1) [17] рассчитана на обслуживание 1 млн. абонентов и поддерживает до 11 тыс. одновременных телефонных соединений. Компактные мобильные двухмодовые пользовательские терминалы были разработаны и изготовлены фирмой Эрикссон. Также по мере освоения системы большое распространение получили фиксированные спутниковые терминалы.

В частности, реализовывалась программа «Деревенский телефон», в рамках которой было установлено более 15 тыс. фиксированных телефонных аппаратов. Наряду с этим ACeS активно разрабатывает и внедряет новые услуги - системы слежения за объектами, сбор информации/передача данных (до 300 Кбит/с). На спутнике Garuda-1 использована МЛА, а для обеспечения связи между абонентами, находящимися в разных лучах, на спутнике установлен бортовой процессор цифровой обработки и коммутации абонентских сигналов.

Технология ЦФЛ в сочетании с зональным обслуживанием, обеспечиваемым набором узких лучей рассматривается для применения в ряде перспективных СПСС. Так, американская компания SkyTerra, спроектировала гибридную сеть спутниковой связи, которая использует одни и те же телефонные аппараты для того, чтобы предоставить абоненту экономную наземную связь, где это возможно, и соединить со спутниковой, когда это становится необходимым

[24].

Система, разработанная компанией SkyTerra со вспомогательной наземной компонентой включает в себя два спутника, имеющих одну или несколько антенн с узкой диаграммой направленности лучей (космический сегмент) и наземную сеть передатчиков (ретрансляторов). Обе системы связываются с устройством пользователя, используя L диапазон частот, традиционно применяемый в мобильной спутниковой связи.

Создаваемая сеть будет использовать мощную, спектральноэффективную спутниковую систему с большими антеннами. SkyTerra будет использовать два спутника, каждый из которых обеспечивает отношение коэффициента усиления приемной антенны к шумовой температуре (G/T), равное по 21 дБ/К. Это позволит системе обеспечить энергетический запас порядка 10 дБ для установления связи с устройством конечного пользователя мощностью не более 0,1 Вт в режиме пространственного разнесения с возвратной связью. Характеристики спутников приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7. – Параметры СР SkyTerra

Гибридная сеть будет поддерживать стандарты протоколов CDMA2000, GSM, 802.16, 802.20, W-CDMA, WiMAX и др. Запатентованное решение ком-

пании SkyTerra позволяет существенно улучшить спектральную эффективность системы. Спутниковые ячейки, или соты, гораздо больше наземных. Они достигают в диаметре 100 км, тогда как соты наземной связи, работающие в L- диапазоне, - от 1 км (в плотно населенных городских условиях) до 5 км (в пригородах).

Поэтому наземные соты находятся внутри больших спутниковых. Одни и те же частотные спектры используются и спутником, и наземной связью. Однако ни одна наземная ячейка не использует спектр той спутниковой, внутри которой она находится. Тот же спектр используется наземными сотами, но в другой, соседней спутниковой ячейке. Концепция ПИЧ в мобильной спутниковой сети со вспомогательной наземной компонентой показана на рис. 2.31.

Большое значение придается и задаче оптимизации количества используемых наземных станций в соответствии с топографическими условиями. Например, в условиях плотно населенного Нью-Йорка больше нагрузки будет возложено на наземную связь. А в менее населенной местности будет меньше наземных станций, и большая площадь будет покрываться спутниковой связью.

Рис. 2.31. – Архитектура переиспользования частот компании

SkyTerra

SkyTerra планирует запустить два геостационарных спутника с апертурой антенн 22 м. Покрытие спутниками Северной и Центральной Америки изобра-

142

жено на рис. 2.32. [24, 25]

Квазистационарная система спутниковой связи компании Mitsubishi Electric (Япония) [9] разрабатывается на основе трех спутников на эллиптической орбите с апогеем 42000 км и наклоном орбиты 45°.

Рис 2.32. – Покрытие Северной и Центральной Америки спутниками SkyTerra

Каждый спутник оснащен плоской активной антенной решеткой S диапазона (2,6 ГГц) с ЦФЛ, формирующей 160 узких цифровых лучей, обеспечивающих покрытие всей сухопутной территории Японии с поддержкой до 100 тыс. каналов двухсторонней связи (пять миллионов абонентов). Антенна изготовлена из материала на основе кевлара толщиной 2 мм и плотностью 300 г/м2. Ожидаемый размер развернутой АР 45х45 м. Коэффициент усиления 16-и элементного квадратного фрагмента такой антенны 19,3 дБ. Кроме задачи мобильной коммуникации, данная квазистационарная система ориентирована и на персональную связь военного назначения.

В 2000-х в России на базе НПО «Кросна» разрабатывался проект региональной системы подвижной спутниковой связи (СПСС) «Зеркало-КР» [26], на базе геостационарных КА, однако его практическая реализация не состоялось ввиду отсутствия финансирования. По проекту орбитальная группировка «Зеркала» включает два типа КА – на геостационарной («Зеркало-Г») и высокоэллиптической («Зеркало-Э») орбитах. Cвязь по абонентским и фидерным линиям планировалось организовать в диапазонах частот C и L соответственно. В первую очередь проект «Зеркало-КР» ориентирован на предоставление услуг персональной мобильной связи. Базовые виды предоставляемых услуг: телефонная и факсимильная связь, передача данных, доступ к сети Интернет. Скорость передачи информации – не более 9,6 кбит/с (аналогично с СПСС «Турайя»).

143

Высокая энергетика в абонентских линиях обеспечивается за счет использования гибридных многолучевых зеркальных антенн c обработкой сигналов на борту КА и возможностью прямой связи между мобильными абонентами (в одном скачке) за счет внутрилучевой и межлучеврй коммутации.

Развертывание сети персональной связи «Зеркало-КР» предполагалось в несколько этапов. На первом (1999-2003 гг.) должна была быть создана региональная подсистема «Зеркало-Г1», обслуживаемая одним геостационарным КА (точка стояния 90,5 в. д.). Его 30 узких лучей охватили бы практически всю территорию РФ, кроме ее западно-европейской части, Чукотки и Камчатки (рис. 2.33). При необходимости включения в зону обслуживания более южных примыкающих к России территорий число лучей может быть увеличено до 40.

В случае успешной реализации первого этапа НПО «Кросна» планировала начать развертывать еще два ГСР в целях создания трехспутниковой группировки «Зеркало-КР», которая охватила бы связью практически всю Россию (за исключением ее высокоширотных северных районов) и территорию некоторых зарубежных стран. В этих районах связь предполагалось обеспечить на третьем этапе развертывания системы (2005–2007 гг.), за счет выведения на ВЭО четыре КА и создания региональной подсистемы «Зеркало-Э». На завершающем этапе планировалось объединение указанных подсистем в глобальную СПСС.

До недавнего времени считалось, что развитие персональной спутниковой связи с применением КА, находящихся на ГСО, сдерживается в основном отсутствием высокоэнергетических ретрансляторов с большой излучаемой мощностью. Однако сегодня, благодаря возможностям повышения энергетики радиолиний за счет применения многолучевых бортовых антенн, формирующих зону покрытия из большого числа узких лучей, существуют значительные резервы повышения эффективности использования частотного и энергетического ресурса спутниковых линий связи [26].

В подсистеме «Зеркало-Г1» рассматривались гибридные зеркальные антенны (ГЗА) с рефлекторами сложной формы (в виде секторов боковых поверхностей параболоида вращения). Силовой каркас рефлектора в развернутом положении представляет собой конструкцию из углепластиковых труб, которая обеспечивает поддержание формы отражающей сеточной поверхности с погрешностью не более 2% от длины волны излучения. Излучатели ГЗА построены на базе многоэлементных антенных решеток (т.н. кластерных облучателей) и позволяют динамически перераспределять излучаемую мощность по группам лучей с учетом пропускной способности, которую нужно обеспечить в каждом конкретном луче.

Кроме того, предполагается динамическое перераспределение излучаемой мощности не только между соседними лучами или группами лучей (как в других ССС), но и между удаленными друг от друга лучами. Для территории России, охватывающей несколько часовых поясов, возможность оптимального перераспределения мощности в соответствии с изменяющейся пиковой загрузкой

144

позволит существенно повысить эффективность и реальную пропускную способность системы.

Рис. 2.33. – Зоны обслуживания региональной CПCC «Зеркало-Г1» (точка стояния КА – 90,5 в. д.)

ПИЧ в системе «Зеркало-Г1» базируется на семичастотном плане, по которому данная процедура будет задействована лишь для лучей, отстоящих друг от друга не менее чем на две зоны, а кратность использования частотных полос, согласно оценкам, должна составить четыре или пять. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК) спутника «Зеркало-Г1» обеспечивает работу абонентских линий в L-диапазоне, а фидерных – в C-диапазоне частот. В состав БРТК входят четыре ретранслятора: один регенеративного типа (L/L — 1,6/1,5) и три прозрачных, без обработки сигналов на борту (L/C – 1,6/4, C/L – 6/1,5, C/C –

6/4).

Регенеративный ретранслятор L/L-диапазона осуществляет на борту КА следующие операции обработки сигналов: демодуляцию 30 несущих частот (по одной в каждом из 30 лучей), их коммутацию и маршрутизацию. Только затем он переизлучает сигнал на новой несущей частоте L-диапазона. На каждой несущей частоте передается групповой TDMA-сигнал со скоростью 48 кбит/с; кадр разделен на восемь канальных интервалов. Таким образом, при связи абонентов в одном луче может быть организовано до четырех дуплексных каналов, а при межлучевой связи – до восьми.

Принцип работы такого ретранслятора с обработкой сигналов заключается в следующем. Преобразование группового сигнала каждого луча в цифровую форму происходит на промежуточной частоте и выполняется с помощью АЦП и цифрового сигнального процессора (ЦСП), который также демодулирует сигнал и разуплотняет каналы. Коммутация каналов реализована на базе аналогичных ЦСП. Передача сигнала осуществляется после модуляции и преобразова-

145

ния. Управление работой коммутатора и переконфигурирование каналов обеспечивается бортовым вычислительным комплексом. Таким индивидуальным преобразованием частоты каждого луча достигается предусмотренное в системе четырех-пятикратное повторное использование частот. Подобные ретрансляторы с обработкой на борту реализованы в спутниках СПСС Iridium, Thuraya

и ACeS.

Прозрачные L/C-, C/L- и C/C-ретрансляторы не выполняют обработку информации. В них осуществляются лишь прием и частотное преобразование группового сигнала по всему спектру без демодуляции и фильтрации каналов.

При общей ширине полосы частот в абонентской линии 29 МГц и семичастотном плане максимально возможная полоса частот в каждом луче не должна превышать 4 МГц. Следовательно, для фидерной линии C-диапазона потребуется полоса шириной 120 МГц (при 30 лучах) или 160 МГц (при 40 лучах).

Электропитание бортовой аппаратуры обеспечивается солнечными батареями и буферным источником питания, в качестве которого разработчики намерены использовать никель-водородные аккумуляторные батареи. Энергоотдача солнечных батарей составляет около 8 тыс. Вт, а мощность, постоянно потребляемая полезной нагрузкой, – 6300 Вт, что равно примерно 79% от общего потребления (следует учесть: на борту КА размещена также корректирующая двигательная установка с энергопотреблением, достигающим в момент включения 1600 Вт). Общая масса спутника составляет около 2,6 т, его вывод на орбиту может осуществляться ракетой-носителем «Протон».

СПСС «Зеркало-КР» по техническим возможностям, видам предоставляемых услуг и характеристикам связи аналогична глобальным системам Inmarsat и Globalstar, а по архитектуре, принципам организации связи и протоколам обмена данными наиболее близка к региональным системам ACeS и Thuraya. Связь в системе «Зеркало» организована так же, как и в других СПСС. Двухрежимные абонентские терминалы, прежде всего, пытаются установить связь по наземным каналам сотовой связи и лишь за пределами зон их обслуживания работают через спутниковые каналы.

В состав наземного оборудования региональной системы «Зеркало-Г1» входят земные станции (ЗС) двух типов – центральная (ЦС) и региональные шлюзы (РС), а также абонентские терминалы (АТ). Оба типа ЗС оснащены приемопередающими параболическими антеннами диаметром 6 м (максимальная ЭИИМ – 65 дБВт, добротность G/T – не менее 25 дБ/К).

Связь между двумя мобильными пользователями обеспечивается через ретранслятор с обработкой информации на борту (L/L), т. е. за один скачок. Абонентский терминал передает информацию в диапазоне частот 1,6 ГГц, а принимает в диапазоне 1,5 или 2,5 ГГц. Как следует из опыта эксплуатации других систем аналогичного назначения, связь «мобильный–мобильный» используется примерно в 5-10% сеансов. Поэтому в каждом луче для организации

146

связи этого типа отведено 5% его пропускной способности (одна несущая частота).

Все остальные несущие частоты обеспечивают информационный обмен между мобильными и стационарными пользователями. Этот тип связи поддерживается в системе с помощью двух других ретрансляторов: в первом из них сигнал из L-диапазона переносится в C-диапазон, а во втором осуществляется обратное преобразование - из C- в L-диапазон.

В задачи центральной станции входят управление работой сети в целом, организация взаимодействия с РС, сопряжение спутниковых каналов с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) и выполнение функций биллинга.

Преимущество односпутниковой региональной системы состоит в том, что расширить наземный сегмент можно на любом этапе ее развертывания без нарушения его архитектуры и практически с минимальными доработками используемых протоколов. Именно поэтому все функции маршрутизации и биллинга разработчики «Зеркала» передали ЦС. Таким образом, на начальном этапе система начнет функционировать сразу после ввода в эксплуатацию ЦС, а региональные шлюзы будут наращиваться по мере необходимости.

Абонентские терминалы «Зеркало-КР» аналогичны терминалам для систем Globalstar, ACeS и Thuraya. Базовым устройством является двухмодовая «телефонная трубка», которая обеспечивает работу в двух режимах: непосредственно через спутник или через наземную сотовую сеть. Предполагается применение абонентского оборудования четырех типов: персональная телефонная трубка (масса не более 500 г), мобильный терминал (устанавливаемый на транспортные средства – автомобили, суда, самолеты) и стационарные устройства – домашний телефон и таксофон. Планируется также создание терминала передачи данных, через который будут предоставляться услуги доступа в сеть Интернет, для чего разработчики намерены увеличить скорость передачи информации за счет объединения нескольких (от двух до восьми) канальных интервалов на одной несущей частоте.

Региональная система «Зеркало-Г1» рассчитана на обслуживание 400-500 тыс. абонентов. По оценкам специалистов НПО «Кросна», срок ее окупаемости составит около четырех лет. Общие затраты на создание системы оцениваются в 360 млн долл. [26]

Указанные выше технологические решения в настоящее время находят широкое применения также и Ка-диапазоне частот, использование которого в последнее время становится наиболее актуально в связи с тем, что частотный ресурс геостационарной орбиты в С и Ku-диапазонах близок к насыщению [16]. В мире уже существует несколько систем, использующих МЛА и зональное об-

служивание, например: WildBlue, SpaceWay3, Astra2Connect и IpStar, которые обслуживают абонентов в Северной Америке, Европе и АзиатскоТихоокеанском регионе [27-29].

В частности, передающая антенна спутника Spaceway 3 способна рабо-

147

тать в многолучевом режиме с перенацеливанием лучей (число перенацеливаемых лучей до 24). Количество точек прицеливания равно 780, в том числе возможна ориентация лучей в соответствии с положениями приемных фиксированных зон, или формируется общий контурный луч, охватывающий США (рис. 2.34). Таким образом, число передающих лучей почти в 5 раз меньше числа приемных лучей, но первые в состоянии перенацеливаться за наносекунды в зависимости от трафика (технология была отработана на спутнике ACTS).

Ретрансляционная аппаратура спутника работает в Ка-диапазоне, она полностью выполнена по схеме с обработкой сигналов на борту и ориентирована на использование VSAT-технологии. Каждый приемный луч имеет полосу частот 62,5 МГц (в полосе 500 МГц имеет 8 частотных литер). Приемные лучи развязаны по поляризации (используется круговая поляризация) и пространству. В каждом приемном луче формируются частотно-разделенные потоки TDMA со скоростями от 512, 2048 и 16 384 кбит/с, занимая соответственно 600 кГц, 2,6 и 20 МГц. Для передающих лучей могут быть образованы полосы: 100, 167 или 500 МГц. Соответственно в передающем луче формируются TDMпотоки с различными скоростями 110, 142 Мбит/с и вплоть до 440 Мбит/с. Передающие лучи развязаны по пространству и поляризации (используется круговая поляризация).

Рис. 2.34. – Зона обслуживания спутника SpaceWay3

На спутнике обеспечивается коммутация пакетов с учетом приоритизации, поддержание режима адаптивной модуляции и кодирования в стандарте DVB-S2 с использованием QPSK и 8PSK с различными FEC. Используются VSAT-станции с антеннами 0,74-1,8 м для скоростей передачи 512 и 2048 кбит/с и с антенной 3,5 м для скорости передачи 16 384 кбит/с. Технические параметры системы SpaceWay3 приведены в таблице 2.8.

148

При разработке систем массового обслуживания в Kа диапазоне частот одной из наиболее важных (в системном плане) проблем является формирование зоны обслуживания, в которой пропускная способность системы распределена по лучам локальных зон в соответствии с плотностью распределения абонентов [28].

Анализ возможных решений показывает, что использование равномерной сетки сверх узких лучей (0,3-0,5 град.) оправдано для формирования зоны обслуживания с очень высокой (более 100 ч/км2) равномерной плотностью распределения потенциальных абонентов. В этом случае предполагается безусловное наличие достаточного числа потенциальных пользователей в локальной зоне любого луча. Луч в этом случае можно сужать до технически реализуемого предела. Если плотность распределения принципиально неравномерна, такое решение ведет к бесцельным затратам ресурса и высоким коммерческим рискам.

Таблица 2.8. – Параметры ССС SpaceWay3

Следует отметить, что все существующие ССС Ка-диапазона предоставляют собой системы передачи данных и оказывают абонентам услуги двустороннего высокоскоростного (от 200 кБит/с до 5 Мбит/с) доступа к сети Интернет и не предоставляет абонентам услуги мобильной связи [27-29]. В то же время в перспективных системах Ка предусматривается штатная работа абонентских станций непосредственно в движении при их размещении на подвижных средствах.

149

Исходя из анализа существующих зарубежных СПСС, для проведения исследования частотно-территориального планирования можно установить желаемые границы базовых параметров СР и абонентских терминалов. В частности, требуемый ЭИИМ и коэффициент усиления МЛА будем рассматривать исходя их рекомендаций ITU-R для СПСС, работающих в L диапазоне частот (табл. 1.2). При этом эквивалентная шумовая температура бортового приемника

СР оценивается величиной Tспутн = 500 К (с учетом шумов Земли) [16]. Подавляющее большинство действующих СПСС используют портативные термина-

лы, аналогичные используемым в ССС Thuraya. В этой связи для исследования ЧТП целесообразно использовать технические характеристики антенн абонентских устройств Thuraya (табл. 1.4), а также тип модуляции и рабочие диапазоны частот, принятые для данной системы (табл. 1.3 и 1.4).

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ЗОНАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ

3.1. Определение параметров ДН антенных решеток, используемых на спутниковом ретрансляторе

3.1.1. Плоская антенная решетка

Для формирования необходимой зоны покрытия МЛА, используемой на СР, могут использоваться массивы излучателей на основе линейных, круговых, плоских антенных решеток [35, 36, 37]. При этом для оптимального частотнотерриториального планирования, необходимо учитывать параметры ДН, которую они формируют: уровни боковых лепестков, ширину главного и боковых лепестков в зависимости от числа излучателей в антенной решетке и их взаимного расположения [38, 39, 40].

Рассмотрим одномерный и двумерные массивы излучателей (рисунок

3.1).

150