Лекция №2. Что такое пассивные и активные спутниковые ретрансляторы.

План:

1. Что такое регенеративный и нерегенеративный спутник?

2. Орбиты спутниковых ретрансляторов.

3. Основные частотные диапазоны спутниковой связи.

Технологически спутниковая связь обеспечивается соединением спутникового ретранслятора и наземной спутниковой терминала посредством радиоканала. Ретранслятор устанавливается на ИСЗ (искусственный спутник Земли). Спутниковые ретрансляторы бывают пассивные и активные. Пассивные практически сейчас уже не используются, они просто отражают радиосигнал и часто никакой приемопередающей аппаратуры не содержат в отличие от активных ретрансляторов. Активные ретрансляторы в свою очередь могут быть регенеративными и нерегенеративными. Нерегенеративные спутники принимают сигнал, переводят его на другую частоту, усиливают и транслируют на землю. Регенеративные спутники в дополнение к этому еще производят демодуляцию полученного сигнала, в ходе которой он очищается от помех, затем сигнал переводится на другую частоту, модулируется и после этого транслируется на землю. Поэтому регенеративные спутники обеспечивают более высокое качество сигнала, «оборотной стороной медали» является то, что для его работы требуется существенно более сложное и дорогостоящее оборудование.

Спутники, на которых располагаются ретрансляторы, могут находиться на разных орбитах. По углу наклона к экваториальной плоскости земли орбиты можно разделить на экваториальные, наклонные и полярные. Спутники, находящиеся на орбите, можно по расстоянию до Земли разделить на низколетящие и высоколетящие. Важное место среди экваториальных орбит с высоколетящими спутниками занимает геостационарная орбита. Она расположена на высоте примерно 36 000 километров. Важным её достоинством является то, что спутник как бы «висит» над одной точкой земной поверхности, поэтому антенне наземной станции нет необходимости «следить» за спутником. Это сильно упрощает систему управления такой антенной. Вторым важным достоинством использования геостационарной орбиты в спутниковой связи является то, что спутник, расположенный на ней «покрывает» практически одну треть земного шара. Это снижает количество спутников, которые нужно вывести на орбиту для обеспечения связи, по сравнению низколетящими спутниками. Недостатком спутников на геостационарной орбите можно считать то, что они не «покрывают» приполярные области, а главное из-за своей удаленности требуют более больших антенн (обычно с направленными облучателями) для обеспечения связи.

Наземные спутниковые станции могут подразделяться на операторские станции и абонентские терминалы. Операторские станции, как правило, являются шлюзами между абонентскими терминалами и сетями общего пользования (ТфОП, Интернет) или корпоративными сетями. Абонентские терминалы, в свою очередь, могут подразделяться на терминалы фиксированной службы спутниковой связи (ФСС) и на терминалы подвижной службы спутниковой связи (ПСС). Наиболее популярными терминалами, относящиеся к первой категории абонентских терминалов, относятся VSAT-станции. Это абонентские ЗССС, в состав которых входит спутниковая параболическая антенна, с диаметром апертуры не более 2.4 м и передатчиком не более 2 Вт. Самыми распространёнными терминалами 2-й категории являются абонентские спутниковые трубки систем Iridium и Globalstar.

Как в первом, так и во втором случае, абонентский терминал, через ретранслятор ИСЗ, связывается с операторской станцией и через неё получает выход на телефонные сети и сети передачи данных.

Преимущества абонентских терминалов 1-й категории: обеспечение высокоскоростных каналов связи, низкая абонентская плата за услуги связи.

Преимущества абонентских терминалов 2-й категории: компактность и мобильность.

Радиоканал связи, устанавливаемый между ретранслятором ИСЗ и спутниковой станцией, характеризуется в первую очередь частотным диапазоном, в котором он находится, форматом несущей передаваемого сигнала (SCPC, MCPC, TDMA, MF-TDMA), типом модуляции (QPSK, 8PSK, 16QAM, 32QAM) и типом помехоустойчивого кодирования. В спутниковой связи обычно используются частотные диапазоны C- и Ku-. Также в последнее время получает развитие Ka-диапазон.

Спутниковая связь Ku и Ka-диапазонов

Связь с Ku-диапазоне осуществляется на частоте 11 – 14 ГГц, практически он начал использоваться раньше, чем Ka-диапазон, вещание в котором ведется на частоте 20 – 30 ГГц. Общая логика последовательности внедрения частотных диапазонов здесь такая. Ku-диапазон проще в использовании и более помехоустойчив. Зато Ka-диапазон хотя и требует более сложного оборудования, является более перспективным: спутник может нести больший частотный ресурс (больше каналов пользователю может предоставить) и позволяет использовать антенны меньшего диаметра.

Поэтому постепенный переход на Ka-диапазон выглядит вполне закономерным. Но мгновенно этот переход осуществиться не может, особенно в России, в первую очередь потому, что нужно запустить на орбиту достаточное число спутников с ретрансляторами (транспондерами) в Ka-диапазоне. Поэтому, по всей видимости, в ближайшем обозримом будущем VSAT-связь Ku-диапазона все еще сохранит свою актуальность.

Фиксированная и подвижная спутниковая связь

По тому, осуществляется ли прием сигнала движущимся наземным терминалом или нет, спутниковую связь можно подразделить на подвижную и фиксированную. Первая позволяет осуществлять связь «без швов» при движении спутникового телефона (то есть, наземного терминала), а также при смене спутника, с которым связывается спутниковый телефон. Это аналогично тому, как сотовый телефон человека, едущего и разговаривающего в поезде, соединяется с разными базовыми станциями по мере того, как он движется, но телефонная связь при этом не обрывается, на воспринимаемом голосе собеседника это никак не отражается.

Спутниковая связь и радиорелейные линии связи

В некотором смысле спутниковую связь можно считать предельным случаем радиорелейной связи, когда ретранслятор вынесен на большое расстояние – на земную орбиту. Напомним, что радиорелейной линией связи называется способ передачи сигнала, при котором радиосигнал (электромагнитные волны) передается по цепочке ретрансляторов, от одного к другому. Ретранслятором в данном случае выступает комплекс приемо-передающего оборудования, состоящий из приемной антенны, передающей антенны и преобразующего радиооборудования. То есть, попросту говоря, сигнал передается от одной антенны к другой, потом к третьей и так далее пока не достигнет назначения. Фактически это основной вид наземной беспроводной связи.

Поэтому с этой точки зрения спутниковая связь действительно может быть рассмотрена как предельный и частный случай РРЛ (радиорелейной линии связи). Однако не все так однозначно. Спутниковый ретранслятор отнесен от абонентского терминала столь далеко, что здесь количественное изменение расстояния приводит к качественным изменениям. Действительно, большая удаленность ИЗС приводит к тому, что соотношение сигнал/шум у спутниковой связи значительно хуже, чем у РРЛ. Это приводит к необходимости использовать и разрабатывать сложные помехоустойчивые коды. А также использовать более сложное оборудование, которое с ними работает.

Спутниковая связь и наземные линии связи

В некоторых случаях спутниковая связь может конкурировать с наземной в качестве магистрального канала передачи данных. Действительно, у спутниковой связи есть в этом отношении некоторые преимущества в покрытии больших территорий: нет необходимости тянуть линии связи в каждую удаленную точку. С экономической точки зрения, тянуть ВОЛС (волоконно-оптическую линию связи) в удаленные районы вообще не рентабельно. ВОЛС нерентабельно проводить даже в районы со средней плотностью: там, скорее всего, будет «царствовать» технологии 4G. Поэтому на огромных территориях малозаселенных районов, а также там, где слаборазвита наземная телекоммуникационная инфраструктура, целесообразно использовать спутниковую связь.

С другой стороны, спутниковая связь на данный момент обладает меньшей пропускной способностью и помехозащищенностью, чем наземные линии связи, поэтому не всегда могут конкурировать с ними в качестве магистральных каналов.

Будущее обеспечения связью районов с малой плотностью населения, по-видимому, в том, чтобы развивать технологии спутниковой VSAT-связи, повышая пропускную способность и снижая стоимость. Именно это постепенно и происходит.