Государственный Комитет связи Украины

Украинская государственная академия связи им. А.С.Попова

Кафедра систем радиосвязи

Изучение организации глобальной

мобильной радиосвязи на основе

низкоорбитальных спутниковых систем

Методическое руководство к лабораторной работе №37

по курсу «Основы теории мобильных систем связи»

Одесса 1998

1. Цель работы

1. Получить представление о технических возможностях глобальных сетей мобильной радиосвязи, основанных на низкоорбитальных ИСЗ, входящих в системы типа Iridium и Globalstar.

2. Изучить принципы построения, структуру и технические характеристики систем Iridium и Globalstar.

3. Изучить принципы организации и взаимодействия различных элементов глобальных сетей мобильной радиосвязи типа Iridium и Globalstar.

2. Ключевые положения

2.1. Основные положения

Мобильная спутниковая связь может быть реализована в системах с космическими аппаратами (КА) на геостационарных и негеостационарных орбитах (средневысотных, низких круговых и эллиптических орбитах). Каждая система имеет свою уникальную структуру орбитальной группировки, отличающую ее от других.

Геостационарные орбиты (Geo Earth Orbit - GEO). Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36000 км, находятся постоянно над заданной точкой земной поверхности. Этот эффект достигается за счет того, что КА, двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы зависает над определенной точкой поверхности, расположенной на экваторе. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и терминала пользователя. Система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Однако геостационарные КА потенциально смогут обеспечить услуги мобильной спутниковой связи лишь в случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания будут примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

К достоинствам систем на геостационарной орбите следует, в первую очередь, отнести возможность обеспечения непрерывной связи в глобальной зоне обслуживания и практическое отсутствие сдвига частоты за счет доплеровского эффекта.

Ресурс геостационарных КА достаточно высок: срок эксплуатации современных КА составляет около 15 лет. Но это не предел, теоретически он может быть увеличен до 25.

Однако эти системы имеют ряд недостатков. Спутники на геостационарных орбитах можно с успехом использовать для систем радио и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс в каждом направлении не сказываются на качественных характеристиках сигналов. В то же время в системах персональной радиотелефонной связи длительная задержка ухудшает качество телефонной связи. Суммарная величина задержки в этих системах составляет 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), что затрудняет общение абонентов даже при современной технике эхоподавления. В случае двойного скачка задержка становится уже неприемлемой более чем для 20% пользователей.

Геостационарные системы вследствие своей архитектуры имеют ограниченные возможности повторного использования выделенных полос частот и меньшую спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных систем не позволяет обеспечить связь в высокоширотных районах, а следовательно гарантировать истинно глобальное обслуживание.

Средневысотные орбиты (Medium Earth Orbit - МЕО). Системы со средневысотными КА обеспечивают более высокое качество обслуживания абонентов, чем геостационарные, за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в поле зрения наблюдателя. При этом, хотя бы один из спутников виден под углом более 30°. Благодаря этому не нужен дополнительный энергетический запас радиолинии на потери распространения в ближней зоне (деревья, здания и другие преграды).

Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван Аллена, т.е. в диапазоне высот от 5000 до 15000 км.

Они могут создать меньшую зону обслуживания, чем геостационарные, поэтому для глобального охвата наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо 7-12 спутников.

Полная задержка распространения сигналов при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

Средневысотные спутники выигрывают у систем с более высокими орбитами по энергетическим характеристикам, но проигрывают им по продолжительности сеансов связи. Для круговых орбит продолжительность обслуживания в заданном регионе составляет 1,5-2 ч, что существенно выше, чем для низких орбит.

Что же касается ресурса спутников, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных КА. Период обращения вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 часов, из которых лишь несколько минут КА находится в теневой области. Это значительно облегчает работу бортовой системы электропитания и, в конечном итоге, позволяет обеспечить срок службы КА 12-15 лет.

Системы со средневысотными КА обеспечивают более высокие характеристики обслуживания абонентов за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, одновременно находящихся в зоне радиовидимости, а также приемлемую задержку при проведении сеансов связи (до 130 мс).

Что же касается структуры систем на средневысотных орбитах (Odyssey, ICO, Spaceway), то здесь различия весьма незначительны. Во всех системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10355 км) и имеет функциональна адекватные параметры орбит (наклонение лежит в пределах от 45° до 55°).

Низкие круговые орбиты (Low Earth Orbit - LEO). Системы, использующие спутники на низких орбитах, высотой 500-2000 км, обладают существенными преимуществами по сравнению с другими в части энергетических характеристик, но проигрывают им по продолжительности сеансов связи и времени активного существования космического аппарата. Если период обращения КА составляет 100 мин, то около 30 мин он находится на теневой стороне Земли. Поэтому аккумуляторные батареи на борту низкоорбитальных КА испытывают приблизительно 5000 циклов зарядки/разрядки в год. Срок их службы, как правило, не превышает 5-8 лет.

Выбор диапазона высот (500-2000 км) для низкоорбитальных систем не случаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 500 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты ниже 500 км приводит к повышенному расходу топлива при маневрировании для сохранения заданной орбиты.

Длительная работа электронной бортовой аппаратуры на орбитах выше 1500 км, где располагается первый пояс Ван Аллена, практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения, что ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА".

Со снижением высоты орбиты уменьшается мгновенная зона обслуживания, а, следовательно, требуется значительно большее число спутников для глобального охвата. Количество КА в орбитальной группировке зависит от высоты орбиты и рабочих углов места, при которых обеспечивается устойчивая связь. Если низкоорбитальная система должна обеспечивать глобальную связь, то число ее спутников не может быть менее 48. Период обращения КА на этих орбитах составляет 1-1,5 ч, максимальное время пребывания в зоне радиовидимости не превышает 10-15 мин.

На рис. 1 представлены типы орбит, используемых в мобильной спутниковой связи.

Рис. 1.

Основные характеристики орбит различного типа (GEO, LEO и МЕО) приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики орбит

Тип орбиты	GEO	МЕО	LEO
Высота орбиты, км	36000	5000-15000	500-2000
Количество КА в орбитальной группировке при непрерывном глобальном охвате	3	8-12	48-66
Площадь зоны покрытия для одного КА, в % относительно поверхности Земли (угол места 10°)	34%	15-25%	2-5%
Время пребывания КА в зоне радиовидимости	Непрерывное	1,5-2 ч	10-15 мин
Задержка при передаче речи, мс Региональная связь Глобальная связь	не менее 500 мс	80-130 250-400	20-70 170-300
Частота переключения с одного спутника на другой из одного луча в другой	Не требуется	50 мин	8-10 мин 1,5-2 мин
Минимальный рабочий угол места	5°	25°	10-15°

2.2. Классификация систем мобильной спутниковой связи.

Цифровая спутниковая сеть обеспечивает возможность передачи по одному каналу различных видов информации (речи, данных, видеоинформации). Учитывая это обстоятельство, в основу приведенной ниже классификации положены два основных признака: скорость передачи информации в абонентской линии (линия "Земля-спутник") и тип орбит. В зависимости от скорости передачи системы можно разделить на 4 класса:

• системы со сверхнизкими скоростями передачи (менее 1,2 кбит/с);

• низкоскоростные (от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с);

• среднескоростные (9,6-64 кбит/с);

• высокоскоростные (64 кбит/с и выше).

Отличительные особенности, основные виды услуг и тенденции развития каждого из указанных выше классов рассматриваются ниже.

Системы со сверхнизкими скоростями передачи данных. Системы данного класса предназначены для обнаружения и определения местоположения судов и самолетов, потерпевших аварию, мониторинга окружающей среды и сбора данных с морских и наземных объектов. По каналам этих систем передаются преимущественно однопакетные сообщения длиной не более 256 бит. В зависимости от типа используемых орбит системы разделяются на две группы: LEO и GEO.

В системах на низкоорбитальных КА (COSPAS-SARSAT, Argos, "Курс") связь осуществляется на частотах, выделенных МСЭ в качестве аварийных для авиационной и морской подвижной службы (121,5/243 МГц и 406 МГц). Объем передаваемых аварийных и экстренных сообщений достаточно мал. В качестве абонентской аппаратуры применяются радиомаяки и радиобуи, приводимые в действие вручную или автоматически (в момент удара, при погружении в водную среду и др.). Электропитание аппаратуры обеспечивается автономными источниками.

В системах, построенных на базе геостационарных КА (GOES, Meteosat, Inmarsat-E и др.), связь осуществляется в режиме TDMA, поскольку все обслуживаемые объекты находятся одновременно в зоне радиовидимости КА. Передача сообщений осуществляется регулярно в фиксированные временные интервалы (для каждого радиомаяка выделен свой интервал), а каждая из платформ использует один из фиксированных каналов ретранслятора. Такой метод организации сбора данных исключает взаимные помехи от передатчиков разных объектов.

Низкоскоростные и среднескоростные системы спутниковой связи. Системы данного класса предназначены для передачи коротких пакетов данных и обеспечения ра­диотелефонной связи. В зависимости от типа используемых орбит системы разделяются на 5 групп: little LEO, big LEO, MEO, НЕО и GEO.

Группа little LEO. Эти системы предназначены для передачи данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с. Их отличительной особенностью является используемый диапазон частот (до 1 ГГц) и легкие КА массой 50-250 кг. К бортовой аппаратуре не предъявляется жестких требований по времени доставки сообщений. В системах используется от 6 до 48 КА. Для организации передачи данных принципиально достаточно одного спутника с электронным «почтовым ящиком» на борту. На каждом следующем витке ИСЗ будет появляться над новым районом Земного шара, что обеспечит глобальное обслуживание.

Основной режим работы таких систем - пакетная передача данных в режиме электронной почты или реального времени. Для систем данного класса характерно:

• пакетный режим передачи данных (короткие сообщения) с предоставлением каналов по требованию или применение группового опроса;

• использование легких и портативных терминалов с ненаправленными антеннами;

• групповой вывод малых КА на орбиту:

• более низкие тарифы по сравнению с другими классами систем персональной спутниковой связи.

Такие системы должны появиться в самое ближайшее время, так как уже существуют демонстрационные спутники систем "Гонец" и Orbcomm.

Группа big LEO. Системы данного класса ориентированы на обеспечение персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития систем радиотелефонной связи является объединение в единую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS.. PCS и др.), а также предоставление полного набора услуг (данные, телекс, факсимильные сообщения, определение местоположения, передача коротких сообщений), обеспечиваемых системами класса little LEO.

Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и в реальном масштабе времени. Для этого в них используются корректируемые орбитальные группировки из 48-66 спутников. Связь с абонентами регламентирована L и S диапазонами частот. Масса спутников составляет 300-700 кг, что несколько больше, чем у КА систем little LEO. Реальная пропускная способность, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов на КА (пропускная способность эквивалентного телефонного канала составляет 2,4 кбит/с). К этой группе относятся системы Indium, Globalstar, "Сигнал" и ЕССО.

Группа МЕО. Системы, использующие КА на средневысотных орбитах, являются одним из основных конкурентов системам класса big LEO. Они ориентированы на один и тот же рынок услуг, т.е. обеспечение глобальной радиотелефонной и пейджинговой связи.

Если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO. которые не используют межспутниковых линий, требуется 150-210 станций сопряжения (Globalstar), то в системах класса МЕО достаточно всего 7-12 узловых станций.

Пропускная способность систем этого класса составляет 3000-4500 эквивалентных телефонных каналов на КА, что достигается за счет увеличения мощности системы электропитания КА до 4600 -8700 Вт. К этой группе относятся системы Odyssey, ICO, Ellipso.

Группы НЕО и GEO. Системы мобильной спутниковой связи, использующие КА на геостационарных и высокоэллиптических орбитах (High-elliptic Earth Orbit - НЕО), предназначены для обеспечения всех видов связи (речь, данные, телекс, факс). Эти наиболее многочисленные группы включают все существующие и перспективные системы, ориентированные как на передачу данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat), так и на радиотелефонную связь ((Inmarsat -М, "Марафон", ACeS, AMSC, MSAT, Optus и др.).

Прогресс в развитии систем традиционной подвижной спутниковой связи впечатляет. Так, за последние 10 лет масса ЗС изменилась с 300 кг до 3-5 кг, уменьшались размеры антенн, и, наконец, что самое главное был полностью пересмотрен подход к профессиональной подготовке операторов. Все это позволяет всерьез говорить о возможности использования геостационарных и высокоэллиптических орбит для организации персональной связи.

Группа среднескоростных систем МЕО и GEO. Выделение этой группы в самостоятельный подраздел обусловлено тем, что системы этого класса могут обеспечивать высококачественную радиотелефонную связь и передачу данных со скоростью 64 кбит/с. Все более широко применяются каналы ISDN (цифровая сеть с интеграцией услуг) со скоростью передачи информации 64 кбит/с. К этой группе относятся системы Inmarsat-B, "Банкир" и Odyssey, причем последние две ориентированы только на обслуживание стационарных пользователей.

Высокоскоростные системы спутниковой связи. К этому классу относятся глобальные системы широкополосной связи, использующие LEO, MEO и GEO орбиты, которые предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедиа, конференц-связи, доступа в Internet, интерактивной связи, и предоставления других все видов услуг, пока недоступных абонентам мобильных ССС.

К наиболее важным относятся два типа обслуживания; персональная и групповая связь пользователей и организация магистральных линий для широкополосных сетей различного назначения (в том числе транкинговых или сотовых). Первый тип услуг обеспечивает связь в реальном времени в режиме предоставления каналов по требованию (bandwidth-on-demand) со скоростью передачи информации до 2-10 Мбит/с.

Ко второму типу услуг относится передача высокоскоростных потоков информации (155,52 Мбит/с), принятых в сетях синхронной цифровой иерархии (SDH). Конечно, речь идет не о замене волоконно-оптических каналов (ВОЛС), а лишь о расширении их возможностей при связи с удаленными пользователями или для разрешения проблемы "последней мили".

В предлагаемую классификацию не включены специализированные системы межспутниковой ретрансляции, базирующиеся на геостационарных КА: TDRS (NASA, США), КА DRS (ESA), КА DRTS (NASDA, Япония). Системы этого типа предназначены для организации фидерных линий связи между низкоорбитальными КА и наземными пунктами сбора данных и, в перспективе, могли бы быть использованы, например, для решения задач сбора данных с необслуживаемых объектов. Принципы классификации систем мобильной спутниковой связи иллюстрирует рис 2.

Рис. 2.

Современные требования пользователей к услугам связи далеко выходят за рамки традиционного прямого соединения. Их учет является одним из наиболее важных факторов, определяющих целесообразность применения системы того или иного класса.

В отличие от систем наземной мобильной связи в спутниковых ССС передача информации обеспечивается преимущественно только с открытого пространства. Возможности связи из зданий (расположение антенн на подоконнике и т.п.) ограничена. Мобильная связь в городских условиях затруднена из-за затенения городскими застройками, а следовательно работа возможна только при больших углах возвышения.

В зависимости от скорости передачи и режима информационного обмена различают следующие основные категории услуг:

• служба передачи сообщений (электронная почта, передача неподвижных изображений, графика, пейджинг и передача коротких сообщений);

• информационно-справочная служба (видеотекст, передача программного обеспечения по каналам связи, телереклама, развлекательные программы, информационный поиск документов);

• интерактивные службы (обучение, телешопинг, избирательный просмотр телепрограмм);

• широковещательные интерактивные службы (пересылка газет, электронное издательство теле и радиовещание, рассылка телевизионных программ, циркулярные сообщения).

В табл. 2 представлены скорости передачи информации, соответствующие различным видам услуг.

Таблица 2. Примерный объем передаваемой информации для различных

категорий услуг

Категория услуг	Услуги	Объем данных или скорость передачи
		Линия "Вверх"	Линия "Вниз"
Обмен короткими сообщениями	Аварийные и экстренные сообщения Пейджинг	пакет 64 бит-1кбит	пакет 0,5-1 кбит
Речевая информация	Узкополосная речь Среднескоростная речь Высококачественная речь (ISDN) Видеоконференцсвязь	2,4-4,8 кбит/с 16 кбит/с 64 кбит/с 144 кбит/с
Обмен документами	Электронная почта Сбор данных и их обработка	4,8-64 кбит/с 64-384 кбит/с
Интерактивный обмен	Документальная связь Высококачественная речь (ISDN) Видеоизображение (VCR качество) Высококачественное видео, доступ в Интернет	4,8 кбит/с 64 кбит/с 4,8-64 кбит/с 384 кбит/с	64 кбит/с 64 кбит/с 2-6 Мбит/с 2-20 Мбит
Информационно-поисковые системы	Видеоизображение Документ Видеотекст	64 кбит/с 64 кбит/с 384 кбит/с	6 Мбит/с 2 Мбит/с 2 Мбит/с
Передача изображений	Графическая информация Видеоизображение (VCR качество) Телеизображения (HDTV)	2 Мбит/с 6 Мбит/с 25 Мбит/с

2.3. Корректируемые и некорректируемые орбитальные группировки

В настоящее время используется два основных типа орбитальных группировок: некорректируемых и корректируемых, главным отличием которых являются их баллистические параметры.

Некорректируемая орбитальная группировка. Для нее баллистические параметры орбит выбираются таким образом, чтобы заданное время ожидания обеспечивались с необходимой вероятностью без коррекции элементов орбиты. Увеличение числа КА для некорректируемой группировки оказывает незначительный эффект на сокращение времени ожидания сеанса связи.

К числу основных достоинств данного типа орбиты относятся: малая масса КА, малое энергопотребление, повышенная надежность, более низкие требования к точности ориентации. Все эти факторы играют решающую роль при создании миниатюрных и недорогих КА. Некорректируемая ОГ используется преимущественно в системах передачи коротких пакетов данных ("Гонец-Д1", Orbcomm, Starsys и др.).

Корректируемая орбитальная группировка. Она обеспечивает равномерное покрытие земной поверхности и минимальное время ожидания сеанса связи. Для поддержки ее динамической устойчивости коррекция элементов орбит, плоскости орбит должны быть разнесены по долготе восходящего узла, а спутники равномерно распределены вдоль орбиты в каждой плоскости.

Основное преимущество корректируемой ОГ - обеспечение заданных временных характеристик при минимальном количестве спутников в системе. На время ожидания в системе с корректируемой ОГ оказывают влияние только баллистические параметры, а не число используемых КА.

Для повышения эксплуатационных характеристик радиотелефонных сетей многие проекты предусматривают применение корректируемой ОГ с большим числом орбитальных плоскостей.

В глобальных сетях очень важна точность поддержания взаимного размещения КА на орбите в течение всего срока активного существования, т.к. произвольные смещения КА относительно друг друга приводят к появлению необслуживаемых участков зон охвата.

Для определения параметров движения в начальный период полета и поддержания КА на орбите с заданной точностью необходим радиоконтроль орбиты. На первых этапах развертывания системы он осуществляется с помощью сети наземных контрольно-измерительных станций, обеспечивающих слежение за КА Существующие баллистические модели движения позволяют сделать достаточно точный прогноз на 1-3 месяца (для повышения точности прогноза необходимо учитывать возмущения от внешних воздействий определяющих деградацию орбиты).

Во всех схемах, использующих корректируемую ОГ, на борту КА установлена навигационная аппаратура для определения параметров орбиты по сигналам спутников GPS/"Глонасс". Это позволяет контролировать параметры ОГ автономно, т.е. пользоваться услугами наземных станции слежения за КА лишь в экстремальных ситуациях.

Наиболее жесткие требования к точности контроля параметров орбит предусмотрены в системах с межспутниковыми линиями (Iridium, Teledesic). что вызвано необходимостью поддержки устойчивости межспутникового канала.

Для обеспечения равномерного распределения зон покрытия необходимо удерживать КА в расчетной точке с максимальной возможной точностью (порядка ±0,2°). Достоверных сведений о том, как часто потребуется производить коррекцию орбиты пока нет. Как показывают расчеты разработчиков систем, коррекция будет выполняться не чаще 1 раза в 0,5-1,5 месяца, что реально означает следующее: за срок активного существования КА в 5-7 лет двигатели будут включаться не более 100 раз.

2.4. Спутниковая связь для мобильных систем 3-го поколения

Концептуальная программа UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) направлена на создание глобальной по охвату географических регионов системы связи 3-го поколения.

Спутниковый сегмент UMTS (S-UMTS) следует рассматривать как развитие многих глобальных систем спутниковой связи, реализуемых в 1998-2000 годах (Indium, Globalstar и др) и предоставляющих узкополосные услуги связи типа голосовой телефонии, факс-связи и низкоскоростной передачи данных (4,8-9,6 Кбит/c). С европейской общеполитической точки зрения важным фактором, не способствующим принятию какой-либо из этих систем в качестве основы S-UMTS, является и то обстоятельство, что европейские производители не занимают ведущие позиции в этих проектах. Поэтому европейский подход в области спутниковой связи (в отличие от США и России) не концентрируется на создании еще одной глобальной системы, а ориентирован на многоаспектные исследования вопросов интеграции спутниковых сетей связи с наземными сегментами UMTS.

Европейские проекты в области спутниковой связи - SECOMS, SINUS, INSURED, TOMAS и другие направлены на постепенное развитие межсетевых механизмов и развитие новых технологий спутниковой связи, позволяющих создать спутниковый сегмент. UMTS как интегрированную систему из нескольких отдельных спутниковых и наземных сетей связи. Например, проект INSURED исходит из принципа "невмешательства" в отдельные сегменты UMTS (наземные и спутниковые), предлагая общие решения для межсетевых функций - IWF (InterWorking Functions). Необходимо подчеркнуть, что IWF-протоколы разрабатываются не как общие транспортные механизмы связи, а для определенных взаимодействий отдельных сетей связи, например, Indium и GSM. При этом выдвигается принципиальное требование к IWF-протоколам -использовать общие концепции, архитектурные принципы, протокольные объекты и процедуры для. любых пар взаимодействующих сетей.

Экспериментальная система INSURED проектируется в соответствии со схемой рис.3. Каждая из двух взаимодействующих сетей функционирует независимо от другой сети. Основной блок взаимодействия (Модуль IWF) реализуется в двух видах:

Адаптер, встраиваемый в двухрежимный терминал DMT (Dual-Mode Terminal), обеспечивает интерфейс между GSM MT (Мобильным терминалом/станцией) и Indium МТ.

Сетевой Стенд (Network Testbed), встраиваемый в сеть GSM, реализует в основном функции сигнализации по ОКС-7.

В этой схеме обеспечивается выполнение следующих важных функций S-UMTS:

• межсегментное переключение (handover), когда вызов, приходящий из наземной части (GSM сети), переключается на спутниковый сегмент (Indium),

• внутрисегментный роуминг, когда вызов автоматически маршрутизируется внутри сегмента (либо в GSM сети, либо в спутниковой сети Iridium); при этом предпочтение отдается выбору наземных каналов с учетом экономических факторов.

Проект SECOMS (Satellite EHF COMmunications for Mobile Multimedia Services -спутниковая связь в диапазоне КВЧ для мобильных мультимедийных услуг) ориентирован на высокоскоростные применения в диапазоне 2-32 Мбит/с и предоставление мультимедийных услуг. Широкополосная спутниковая сеть SECOMS должна поддерживать разнообразные протоколы передачи данных (TCP/IP, ATM, Frame Relay) для взаимодействия с наземными сервис-провайдерами. В общей архитектуре системы (рис. 4) показано, что бортовая спутниковая система выполняет минимальный набор протоколов: физический транспорт данных, управление каналом, сигнализация и т.п. Все протоколы верхних уровней (уровни 3-7) реализуются в наземных терминальных и шлюзовых станциях, оптимизируя спутниковую транспортную сеть по ее нагрузке со стороны пользовательских приложений.

Внедрение и развертывание спутниковых компонент планируется осуществить поэтапно. На первом этапе (2000-2002 гг.) на геостационарную орбиту выводятся GEO спутники, работающие в Ка диапазоне. На втором этапе спутники, работающие в диапазоне EHF (Extreme High Frequency - Крайне Высокие Частоты, 30-300 ГГц), выводятся на орбиты LEO/MEO. В экспериментальных реализациях SECOMS используются спутники ITALSAT (Ка, 20/30 ГГц). Спутники связи ITALSAT работают в двух возможных конфигурациях: мультилучевое покрытие и глобальное (по территории Италии) покрытие. Генераторы радио сигнала обеспечивают 20, 40 и 50 ГГц радио каналы. Первый спутник ITALSAT F1 выведен на геостационарную орбиту 13° в феврале 1998 г.

Одной из тестовых задач проекта SECOMS является предоставление интерактивных мультимедийных услуг связи для авиапассажиров (самолет DG 228) в Ка-диапазоне.

3. Ключевые вопросы

1. Классификация систем мобильной спутниковой связи в зависимости от структуры орбитальной группировки.

2. Классификация систем мобильной спутниковой связи по скорости передачи информации и типу орбит.

3. Особенности спутниковой мобильной связи 3-го поколения.

Рис.3.

Рис. 4.

4. Домашнее задание

1. Изучить рекомендуемую литературу.

2. Подготовить ответы на ключевые вопросы.

3. Изучить особенности взаимодействия спутниковых систем мобильной связи с сотовыми наземными сетями подвижной радиосвязи.

4. Рассчитать плотность потока мощности у поверхности Земли, создаваемую бортовыми передатчиками в системах Iridium и Globalstar.

5. Лабораторное задание

1. Изучить технические данные космической низкоорбитальной системы Iridium.

2. Изучить технические характеристики космической низко орбитальной системы Globalstar.

6. Организация глобальной мобильной радиосвязи на основе

низкоорбитальных спутниковых систем

6.1. Система глобальной связи на основе низкоорбитальных ИСЗ Iridium.

Система Iridium предназначена для обеспечения глобальной радиотелефонной и пейджинговой связи, передачи данных. Iridium будет охватывать связью как всю земную поверхность, так и пространство до высоты 180 км, обеспечивая обслуживание авиации.

Концепция создания системы Iridium с орбитальной структурой из 77 КА была предложена в 1987 г. специалистами Отделения спутниковой связи компании Motorola. Название системы навеяно ассоциацией с элементом иридием (латинское название -Indium), который имеет 77 электронов. Позднее авторы проекта уточнили свою концепцию, рассчитав, что для глобального охвата поверхности Земли достаточно 66 КА. Запуск первого КА состоялся 5 мая 1997 г., а в концу 1997 года на орбите уже находились 46 КА. Оставшиеся 20 КА предполагается запустить в течение ближайших 3-4 лет.

Таким образом, космический сегмент системы Iridium включает орбитальную группировку, состоящую из 66 КА, равномерно размещенных (по 11 КА) на шести приполярных круговых орбитах, плоскости которых имеют наклонение 86,4°. Высота орбиты составляет 780 км. Угловой разнос орбитальных плоскостей составляет 31,6°, за исключением двух плоскостей, смещенных на 22°. Период обращения каждого ИСЗ составляет 100 мин 28 сек. Каждый КА формирует свою зону обслуживания, а совокупность таких зон покрывает всю площадь, которую обслуживает система Iridium (рис. 5).

При этом предусматривается значительное перекрытие обслуживания соседних КА, степень которого возрастает с увеличением географической широты территории. Величина зоны обслуживания одного КА, т.е. та площадь, где создается необходимая плотность потока мощности, излучаемого его антеннами, составляет приблизительно 19 млн. кв. км. Диаметр зоны обслуживания на поверхности Земли достигает 4700 км. При вращении связки ИСЗ вся картина, изображенная на рис. 5, перемещается по поверхности Земли со скоростью 7500 км/час.

Рис. 5.

Рис. 6.

Космический аппарат

Спутниковая платформа	Lockheed (США)
Масса	690 кг
Стабилизация	трехосная (на основе подсистемы MANS)
Точность удержания на орбите	не хуже ±1°
Система электропитания
Мощность СЭП	1400 Вт (в конце САС)
Напряжение первичного электропитания	22-36 В
Мощность потребления оборудованием L-диапазона	230 Вт
Запас по мощности потребления	60 Вт
Тип буферной аккумуляторной батареи	22-элементная никель-водородная
Емкость буферной аккумуляторной батареи	48 А/ч
Срок активного существования	5 лет

Ретранслятор

Тип ретранслятора	регенеративный, процессор
Диапазоны частот
Абонентская линия	1616 (1611,35) – 1626,5 МГц
Фидерная и командно-телеметрическая линии
"спутник -Земля"	19,4-19,6 ГГц
"Земля-спутник"	20,1-29,3 ГГц
Межспутниковая линия	23,18-23,38 ГГц

Многостанционный доступ в абонентской радиолинии

Метод доступа	FDMA/TDMA
Количество лучей	46
Коэффициент повторного использования частот	4
Количество каналов на луч
Приемных	55 рабочих + 9 служебных
Передающих	25 рабочих + 5 служебных
Скорость обмена информацией
Приемный канал	1.80кбит/с
Передающий канал	400 кбит/с
Ширина полосы частот одного канала
Приемный	126кГц
Передающий	260 кГц
Разнос по частоте между соседними каналами
Приемные каналы	350 кГц
Передающие каналы	160 кГц
Структура кадра МДВР одного канала
Количество временных интервалов окон	8
Длительность кадра	90 мс
Время передачи пакета	6,28 мс

Характеристики ретранслятора L диапазона (абонентские линии)

Ширина полосы частот	10,5 МГц
ЭИИМ	7,5-27,7 дБВт
G/T	-4,4дБ/К
Коэффициент усиления антенны	23,1 дБ
Ширина диаграммы направленности	8,2°
Шумовая температура	550 К
Пропускная способность на КА	1100 каналов (мак. 3840)

Характеристики ретранслятора Ка диапазона (фидерные линии)

Количество каналов на несущую	480
Мощность передатчика	1 Вт
ЭИИМ на несущую	13,5-23,2 дБВт
G/T	-1дБ/К
Коэффициент усиления антенны
Прием	30,1 дБ
Передача	26,9 дБ
Пропускная способность на КА	1920 каналов

Ретранслятор Ка диапазона (межспутниковые линии)

Число направлений связи	4
Скорость передачи	25 Мбит/с
Число частотных каналов	8
Разнос между частотными каналами	25 МГц
Ширина диаграммы направленности	5°
ЭИИМ	37,9дБВт
G/T	5,3дБ/К
Пропускная способность	600/1300 каналов (DSI, коэффициент сжатия 2,2)

Характеристики командно-телеметрической линии (режим аварийной связи)

Вид модуляции	некогерентная ЧМн
Скорость приема командной информации	0,1 кбит/с
Скорость передачи телеметрических данных	1 кбит/с
ЭИИМ	9.5 дБВт
Плотность потока мощности	120дБВт/м^2

Ракетно-космический комплекс

РН Delta-2 (McDonell Douglas)	запуск 40 КА (5 КА за запуск)
РН "Протон" (ГКНПЦ им. Хруничева)	запуск 21 КА (7 КА за запуск)
РН Long March 2C (Китай)	запуск 12 КА (2 КА за запуск)

ЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ

Центральная и узловая станции

Количество земных станций
Центральная станция	2 (основная и резервная)
Узловых станций	20 (из них 2 в России)
Канальная емкость (для 4 типов УС)	30, 60, 90 и 120 тыс. абонентов
Скорость передачи	12,5 Мбит/с
Вероятность ошибки	не более 10%
Максимальная задержка сигнала
При международной связи	410 мс для 90% вызовов
При местной и зоновой связи	240 мс (в среднем)
Количество одновременно отслеживаемых.КА	3
Коэффициент усиления параболической антенны
Прием	57,5 дБ
Передача	54дБ
ЭИИМ
Фидерная линия (ФМ-4)	68,0 дБВт
Командная линии (ЧМн)	77 дБВт
G/T	24,5 дБ/К

Абонентский терминал

Тип терминала
Однорежимный	портативный, мобильный
Двухрежимный	Iridium/GSM (сменная кассета)
Скорость передачи	2,4кбит/с
Вероятность ошибки в канале передачи данных	не более 10^-6
Модуляция	ФМ-4 со сглаживанием фазы по закону приподнятого косинуса
Параметры речевого кодека
Алгоритм речепреобразования	VSELP
Кодирование	сверточный код (r = 3/4, k = 7)
Средняя оценка качества	3,2 (по шкале MOS)
ЭИИМ	5,9-8,6дБВт
G/T	-23,8 дБ/К
Антенна портативного терминала	Четырехзаходная спираль
Шумовая температура	553 К
Масса терминала
Портативный	700 г
Мобильный	2,5 кг

Приемник персонального вызова (пейджер)

Объем буквенно-цифровых сообщений

от 20 до 58 знаков

6.2. Система глобальной связи на основе низкоорбитальных ИСЗ Globalstar.

Система Globalstar предназначена для персональной радиотелефонной связи и передачи данных, пейджинговой связи и определения местонахождения подвижных объектов.

Идеология построения системы Globalstar cocтоит в использовании методов сотовой связи с переносом в космическое пространство ретрансляторов базовых станций. При разработке этой системы в основном использовался опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов (CDMA) фирмы Qualcomm. Запуск первых четырех КА осуществлен с помощью РН Delta 2 в начале 1998 г. Ввод в эксплуатацию системы на основе 24 спутников намечен на конец 1998 года, а полное развертывание будет завершено к концу 1999 г.

В состав наземной сети управления Globalstar входят две основные подсистемы: центр управления сетью GOCC (Ground Operations Control Center) и центр управления и контроля орбитальной группировкой SOCC (Satellite Operations Control Center). Обе подсистемы связаны между собой с помощью сети Globalstar Data Network, к которой подключены и наземные станции сопряжения. Центр управления спутниками SOCC совместно с командно-телеметрическими станциями (ТТ&С station) производит контроль орбит, обработку телеметрической информации и формирование команд. Кроме того, SOCC отслеживает текущее состояние КА и информирует центр управления сетью о доступных КА, их ресурсах и эфемеридах. В задачи центра управления GOCC входит планирование трафика, выделение и закрепление сетевых ресурсов, а также слежение за функционированием системы. Центр SOCC не имеет собственного радиотехнического оборудования, а постоянно подключен к одной из УС по наземной линии связи. Эта узловая станция, в отличие от остальных, должна быть доукомплектована аппаратурой для приема телеметрии с борта КА и передачи команд управления. Центр управления SOCC размещен в Сан-Хосе, шт. Калифорния. Резервный центр управления связью будет построен в Эль-Дорадо, шт. Калифорния.

Космический сегмент состоит из 48 спутников, обращающихся по круговым орбитам на высоте 1414 км над поверхностью Земли. Их орбиты находятся в 8 плоскостях с наклонением 52°, в каждой из которых равномерно размещены шесть спутников. Период обращения спутников 114 мин. На каждом ИСЗ помещены два транспондера, работающих в полосах частот: в направлении от абонента к спутнику -1610...1626,5 МГц (полоса L), от спутника к шлюзовой станции - 6875...7055 МГц (полоса фидерной линии); в направлении от шлюзовой станции к спутнику - 5091...5250 МГц (полоса фидерной линии), от спутника к абоненту - 2483,5...2500 МГц (полоса S).

Приемная и передающая антенны спутника в полосах S и L представляют собой многолучевые АФАР, состоящие из 61 элемента в полосе L и 91 элемента в полосе S. Создаваемые антеннами 16 лучей образуют на поверхности Земли зону обслуживания диаметром 5500 км (рис. 8). В каждом луче сигналы занимают полосу частот шириной 16,5 МГц.

В транспондере ИСЗ сигналы каждой пары лучей преобразуются по частоте, занимая 8 отдельных полос в полосе частот фидерной линии при использовании ортогональной поляризации.

Поэтому, сигналы, принимаемые и передаваемые шлюзовой станцией, занимают (с учетом защитных интервалов) две полосы шириной 180 МГц и 159 МГц соответственно. Приемная и передающая антенны ИСЗ в полосах частот фидерных линий имеют ДН с глобальным охватом.

Земной сегмент системы состоит из нескольких шлюзовых станций, включенных в общие коммутируемые станции наземных сетей связи, и абонентских станций. Шлюзовая станция имеет 4 параболические антенны диаметром 3,4 м с программным наведением: три антенны сопровождают три спутника в зоне обслуживания, а четвертая готовится сопровождать новый, появляющийся на горизонте, спутник.

Абонентские станции могут быть трех видов: портативные переносные, перевозимые автомобильные и стационарные. Все они имеют ненаправленные антенны.

В системе Globalstar используются шумоподобные сигналы (ШПС) и многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов.

Полосы частот шириной по 16,5 МГц разделены на 13 субполос шириной 1,3 МГц. В каждой полосе организована работа с МДКР.

В речевом канале применен вокодер с переменной скоростью передачи. Средняя скорость передачи сигнала цифровой телефонии равна 2,4 кбит/с. Вокодер преобразует речевой сигнал в цифровой поток, который подвергается сверточному кодированию с последующим декодированием на приемной стороне по алгоритму Витерби.

Рис. 7.

Технические и эксплуатационные характеристики системы Globalstar

КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ

Параметры орбитальной структуры

Тип орбиты	LEO, корректируемая
Количество КА в орбитальной группировке	48 + 8 резервных
Число орбитальных плоскостей	8
Количество КА в каждой плоскости	6
Высота орбиты	1414 км
Наклонение орбиты	52°
Период обращения КА	114 мин

Зона обслуживания

Глобальная зона обслуживания	от 70° с.ш. до 70° ю.ш.
Подспутниковая зона диаметром	5500 км (16 лучей)
Зона одной соты	1600 км
Время радиовидимости КА	10-12 мин
Время радиовидимости КА в одном луче	2 мин

Космический аппарат

Масса	450 кг
Точность удержания на орбите	не хуже ±1°
Мощность СЭП	1100 Вт (в конце САС)
Срок активного существования	7,5 лет

Ретранслятор

Тип ретранслятора	прозрачный (bent-pipe)
Диапазоны частот
Линия «терминал-спутник»	1610-1626,5 МГц
Линия «спутник-терминал»	2483,5-2500 МГц
Линия «спутник-узловая станция»	6875-7055 МГц
Линия «узловая станция-спутник»	5091-5250 МГц

Многостанционный доступ в абонентской радиолинии

Метод доступа	CDMA/FDMA
Количество лучей	16
Ширина полосы частот в луче	16,5 МГц
Количество частотных каналов	13
Ширина полосы одного канала	1,3МГц
Количество CDMA-каналов в полосе частот 1,3 МГц	127
Количество CDMA-каналов в линии «терминал-спутник»
Каналы сигнализации (для доступа)	72
Информационные каналы	55
Количество CDMA-каналов в линии «спутник-терминал»
Канал пилот-сигнала	1
Синхроканал	1
Каналы персонального вызова	7
Информационные каналы	118
Ретранслятор L/S диапазона (абонентские линии)
Выходная мощность	240 Вт (перераспределяется между лучами)
Средняя ЭИИМ (в пересчете на канал 2,4 кбит/с)	-2,9 дБВт
G/T	-10 дБ/К
Коэффициент усиления антенны	12...17 дБ
Шумовая температура	261 К
Ретранслятор С диапазона (фидерные линии)
Выходная мощность	140 Вт
ЭИИМ (в пересчете на канал 2,4 кбит/с)	-27,7 дБВт
G/T	-13,7 дБ/К
Коэффициент усиления антенны
Прием	3,6 дБ
Передача	1,0 дБ
Пропускная способность на КА	2400 каналов
Плотность потока мощности на поверхности Земли	-122 дБВт/м^2

Ракетно-космический комплекс

РН Delta-2 (Boeing, США)	запуск 8 КА (4 КА за запуск)
РН «Зенит-2» (НПО «Южное»)	запуск 36 КА (12 КА за запуск)
РН «Союз» (Starsem, Франция)	запуск 12 КА (4 КА за запуск)

ЗЕМНЫЕ СТАНЦИИ

Узловая станция

Количество узловых станций	150-210 (глобальное обслуживание)
Количество антенных постов	4
Коэффициент усиления антенны (диаметр 3,4 м)	42,4 дБ
Прием	57,5 дБ
Передача	54 дБ
ЭИИМ	40,3 дБВт
G/T	18,5 дБ/К
Шумовая температура	190 К

Абонентский терминал

Тип портативного терминала
Однорежимный	Globalstar
Двухрежимный	Globalstar/GSM
Трехрежимный	Globalstar/AMPS/CDMA
Скорость передачи	2,4кбит/с или 4,8кбит/с
Вероятность ошибки в канале передачи данных	не более 10^-6
Мощность передатчика	0,6 Вт (портативный), 3 Вт (мобильный)
ЭИИМ	-0,7 дБВт
G/T	18,5 дБ/К
Шумовая температура	261 К
Параметры речевого кодека
Алгоритм речепреобразования	SELP
Средняя скорость	2,4 кбит/с (от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с)
Качество речи	3,5 балла (по шкале MOS)