Спутниковые системы персональной связи

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

В 1945 г в статье «Внеземные ретрансляторы», опубликованной в октябрьском номере журнала «wirelessworld» английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи.

Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству.

Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи. 12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар/ Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи EarlyBird.

20 августа 1964 года 11 стран (СССР в их число не вошёл) подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization). В СССР к тому времени была собственная развитая программа спутниковой связи, увенчавшаяся 23 апреля 1965 года успешным запуском связного советского спутника Молния-1. В рамках программы Intelsat первый коммерческий спутник связи EarlyBird (англ.) («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT, был запущен 6 апреля 1965 год.

По сегодняшним меркам спутник EarlyBird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи.

В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.

В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году.

Пассивный спутник связи Echo-2. Металлизированная надувная сфера выполняла функции. Одной из наиболее заметных тенденций в развитии телефонии в последнее десятилетие является быстрый рост числа абонентов сотовой связи. За 26 лет, прошедших от момента зарождения идеи до настоящего времени, число абонентов, пользующихся услугами сотовых систем, достигло 200 млн, а к 2001-2002 годам оно увеличится до 500-600 миллионов. Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует далеко не везде, и альтернативным вариантом -- особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных и малонаселенных районах -- является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи, но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем персональной связи и их интеграция обеспечат возможность приема и передачи речи, данных и факсимильных сообщений в любом регионе Земли с приемлемым уровнем цен на предоставляемые услуги пассивного ретранслятора.

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya).

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar. спутниковый связь персональный интернет

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

1. НАЗНАЧЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ

Основным назначением систем является обеспечение связью зон вне покрытия наземными сетями GSM, предоставление связной среды для российской системы координатно-временного обеспечение ГЛОНАСС и связь со стационарными и мобильными абонентами, находящимися в труднодоступных регионах. Реализована передача пакетированных данных/сообщений как между абонентами системы, так и с абонентами сетей общего пользования. Оборудование и программное обеспечение космических аппаратов и абонентских терминалов (АТ) спроектировано таким образом, что для работы системы не требуется непрерывное нахождение абонентов в зоне радиовидимости космического аппарата (КА). При отсутствии совместной зоны радиовидимости АТ и КА сообщение буферизуется и передаётся при пролёте одного из КА системы над абонентом.

В данное время на базе в спутниковых системах персональной связи реализованы следующие услуги:

· обмен сообщениями между абонентами системы в глобальном масштабе;

· передача данных о местоположении объектов, полученных с использованием системы ГЛОНАСС

· обмен сообщениями между абонентами системы и абонентами внешних сетей в глобальном масштабе;

· циркулярная передача сообщений группе пользователей;

· передача телеметрической (датчиковой) информации контролируемых объектов в центры мониторинга;

· построение ведомственных подсистем связи.

Низкая орбита в отличие от геостационарной (1,4 против 40 тыс. км) требует менее мощного передатчика, что позволяет выпускать компактные и недорогие терминалы даже по сравнению с VSAT.

Абонентские терминалы системы выпускаются в стационарном, носимом и мобильном вариантах исполнения. Размеры терминалов и антенн компактны и пригодны для эксплуатации на различных видах объектов, а также для персонального пользования. Например, размеры терминала модификации «Мобильный обслуживаемый» составляют 12х7,5х2,5 см.Данные передаются в системе как без задействования наземного сегмента (точка-точка: абонент-КА-абонент), так и с задействованием региональных станций (абонент-КА-региональная станция). Региональные станции обеспечивают маршрутизацию сообщений, а также информационный обмен абонентов с сетью Интернет. При нахождении передающего и принимающего терминалов в зоне радиовидимости одного КА время доставки сообщения составляет 1-2 минуты.

2. ТИПЫ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ

Сети персональной спутниковой связи (СПСС) обладают рядом преимуществ по сравнению с рассмотренными ранее сетями подвижной связи. Например, если пользователь находится за пределами зоны обслуживания местных сотовых систем, спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по привязке к конкретной местности. Во многих регионах спрос на услуги подвижной связи может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем.

В зависимости от вида предоставляемых услуг систем спутниковой связи можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных; определения местоположения (координат) абонентов.

При радиотелефонной связи в системах спутниковой связи используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться международные стандарты! В таких системах задержка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,1 с и переговоры абонентов не должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и происходить в РМВ. В этом случае при построении радиотелефонной спутниковой сети необходимо учитывать следующие требования: спутники должны оснащаться высокоточной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении; количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания; для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА); для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, оснащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций (ШС) с дорогим коммуникационным оборудованием. Системы пакетной передачи данных предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и т.п.). Скорость передачи данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен килобайт в секунду. В этих системах, как правило, не предъявляется жестких требований к оперативности доставки сообщений. В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация запоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту в заранее определенное время суток).

Для определения местоположения абонента применяется стандартная навигационная аппаратура GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения координат потребителя и специальная навигационная аппаратура, которая по сигналам спутников персональной связи и/или шлюзовых станций позволяет определять координаты абонента, но с меньшей точностью. Используя аппаратуру второго типа, можно определять координаты абонента по сигналам 4-х спутников персональной связи, шлюзовых станций, спутников и шлюзовых станций. Значительный прогресс в развитии сетей персональной спутниковой связи достигнут благодаря внедрению новых технических решений, ключевыми из которых можно считать: обработку сигнала на борту спутника-ретранслятора, создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией и применение недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением.

В зависимости от назначения спутниковых сетей связи могут быть военными, гражданскими государственными (например, системы телевизионного вещания) или коммерческими; стационарными (фиксированными) или подвижными; связь может осуществляться в РВ или с задержкой (например, с накоплением и последующим «сбросом» информации).

В космических системах, решающих задачи персональной связи, используются спутники, которые могут находиться на различных орбитах. В настоящее время для решения задач персональной радиосвязи применяют следующие типы спутников:

- высокоорбитальные, или геостационарные (GEO) -- с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник оказывается неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора;

- среднеорбитальные (МЕО) -- с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км;

- низкоорбитальные (LEO) -- с круговыми орбитами высотой 700--1500 км.

Высота орбит спутников выбирается на основании анализа многих факторов, включая энергетические характеристики радиолиний, задержку при распространении радиоволн, размеры и расположение обслуживаемых территорий, способ организации связи и требования по обеспечению необходимого значения угла места спутника. Спутник, находящийся на низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8--12 мин. Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента потребуется большое число спутников, которые последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспутниковой связи) должны обеспечивать непрерывную связь. С увеличением высоты орбиты спутника зона прямой видимости спутника-ретранслятора и абонента увеличивается, что приводит к уменьшению количества спутников, необходимого для обеспечения непрерывной связи. Таким образом, с увеличением высоты орбиты увеличиваются время и размеры зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории.

2.1 Низкообрбитальные системы спутниковой связи

Одним из направлений развития спутниковых систем связи с начала 90-х годов являются системы связи на базе низкоорбитальных спутников, высота орбит которых находится в пределах 700--1500 км. Орбитальная группа может содержать от одного до нескольких десятков малых спутников массой до 500 кг. Для охвата связью большой территории Земли применяют орбиты (на которых могут находиться несколько спутников), лежащие в различных плоскостях.

Большой интерес к низкоорбитальным спутниковым системам связи объясняется возможностью предоставления ими услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен, при использовании сравнительно дешевых малогабаритных спутниковых терминалов. Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить бесперебойную связь с терминалами, размещенными в любой точке Земли, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения.

Одним из главных преимуществ, способствующих развитию низкоорбитальных систем спутниковой связи, является биологической фактор. Так, для обеспечения требований биологической защиты человека от излучения СВЧ, рекомендуемый уровень мощности непрерывного излучения радиотелефона должен составлять не более 50 Мвт. Эффективный прием сигнала такой мощности, например, геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением КА, развертыванием больших антенн и точным их позиционированием. Для низкоорбитальных спутниковых систем длина радиолиний во много раз меньше, и проблема создания многолучевых антенн менее остра. К этим системам относятся, прежде всего, системы Iridium и Globalslar, создаваемые зарубежными консорциумами при ведущей роли таких крупных компаний-производителей, как Motorola/Lockheed и Oualcomm/Loral соответственно.

Низкоорбитальные системы рассматривались специалистами на заре становления спутниковой связи, но до недавних пор не пользовались широкой популярностью. На то имелся ряд причин, среди которых не последнее место занимает определенная инерция взглядов и суждений, согласно которой спутник «должен быть виден долго и непрерывно», а лучше всего «быть неподвижным для наблюдателя», т. е. находиться на геостационарной орбите.

Правда, за последнее десятилетие было создано несколько низкоорбитальных систем, но для ограниченного применения, связанного, главным образом, с передачей коротких и относительно редких сообщений (примером может служить первый проект российской систем «Гонец-Д». И лишь заманчивая идея глобальной персональной связи, основанной на современной технологии, возродила интерес к низкоорбитальным спутниковым системам.

В проекте системы Iridium космический сегмент должен содержать в составе 66 спутников-ретрансляторов, размещенных на орбитах высотой 780 км. В системе Globalstar предусматривается 48 спутников-ретрансляторов находящихся на орбитах высотой около 1000 км. Такое число спутников необходимо для поддержания непрерывной связи, предоставляемой любому абоненту на территории земного шара, ибо каждый из низкоорбитальных спутников-ретрансляторов находится в зоне видимости абонента всего несколько минут. Благодаря следованию спутнике в одного за другим и расположению их орбит в разных плоскостях, обеспечивается полное покрытие земной поверхности зонами обзора и непрерывная видимость спутников с наземных станций. При этом переключен не с одного спутника на другой является делом техники, а увеличение их числа компенсируется снижением затрат на их выведение (несколько спутников за один раз) на заданную орбиту.

Ситуация на рынке телекоммуникаций в настоящее время такова, что даже странах с развитой инфраструктурой связи около 35% услуг предоставляется низкоорбитальными спутниковыми системами. В последнее время отечественными и зарубежными фирмами заявлено около 40 различных проектов по созданию низкоорбитальных систем, которые оцениваются как вполне реализуемые. Далее будут рассмотрены те проекты низкоорбитальных систем связи, которые находятся в стадии применения или развертывания.

2.2 Среднеорбитальные системы спутниковой связи

К среднеорбитальным спутникам связи МЕО относятся спутники с высотой орбиты 5--15 тыс. км. В среднеорбитальной группе может находиться до 12 спутников, масса которых составляет до 1000 кг. При таких орбитах время видимости одного спутника-ретранслятора доходит до нескольких часов, что позволяет уменьшить количество спутников до 10--12 и, кроме того, увеличить углы, под которыми их «наблюдают» абонентские терминалы. Из проектов МЕО-систем наиболее известны Inmarsat, ICO и Odyssey, созданные различными международными организациями и концернами. Кроме космического и пользовательского сегментов (орбитальной группы спутников и абонентских терминалов), архитектура МЕО-систем включает комплексы радиочастотного, линейного, коммутационного оборудования шлюзовых станций, предназначенных для соединения мобильных или неподвижных абонентов спутниковых систем с абонентами ТфОП и других наземных сетей и служб, в том числе сотовых систем радиосвязи.

К факторам, способствующим развитию среднеорбитальной спутниковой системы, можно отнести то, что группировка КА находится между двумя разновысотными радиационными поясами естественного происхождения, что позволяет обеспечить большой срок эксплуатации (до 10 лет). Это очень важно, поскольку вывод спутника на сред не высотную орбиту значительно дороже, чем на низкую. В зависимости от высоты расположения группировки КА задержка распространения сигнала колеблется от 40 до 140 мс, но остается при этом незаметной для восприятия речи на слух. Для обеспечения надежной связи в большинстве регионов Земли достаточно сравнительно малого количества спутников -- 9 (при увеличении их числа до 12 обеспечивается глобальное обслуживание).

2.3 Геостационарные системы спутниковой связи

Персональная связь может быть реализована с помощью спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите GEO, которые «зависают» над заранее выбранными точками Земли. Такое «зависание» обеспечивается высотой орбиты (35875 км), на которой скорость перемещения спутника совпадает со скоростью вращения Земли. Системы на основе геостационарных спутников, из-за постоянства их расположения над определенной точкой поверхности Земли, обладают следующими преимуществами при организации глобальной связи: отсутствие перерывов связи из-за взаимного перемещения спутников и пользовательского терминала во время сеанса связи; охват связью 95% поверхности Земли системой, состоящей всего из трех геостационарных спутников; отсутствие необходимости в организации межспутниковой связи. Большинство ACT, использующих технологию VSAT, обслуживаются спутниками-ретрансляторами, находящимися на геостационарной орбите, высота которой достаточно большая, поэтому основным недостатком таких систем является длительная задержка между передачей и приемом сигнала. Кроме того, дополнительную задержку вносят атмосфера и приемопередающая аппаратура VSAT-терминалов и спутников-ретрансляторов. На практике появление задержки приводит к тому, что при телефонном разговоре возникают паузы. Наличие задержек может служить препятствием к использованию телефонной связи, так как вследствие этого невозможно взаимодействие с другими системами передачи данных. Поскольку геостационарная орбита находится на расстоянии около 36000 км от поверхности Земли, то задержка из-за конечности скорости распространения радиосигнала в одном направлении составляет около 260 мс, если сигнал проходит путь до спутника-ретранслятора и обратно -- задержка равна 2x260=520 мс. Остальные перечисленные источники задержки не играют большой роли. При передаче данных задержка незаметна и может проявляться только в некотором снижении скорости обмена. Для устранения этого недостатка применяют специальные протоколы. Однако в телефонной связи задержка сигнала чувствуется очень сильно и при высоких требованиях к каналу связи может быть неприемлема.

В последние годы разработано несколько проектов применения спутниковых GEO-систем для обеспечения персональной связи. Это проекты АРМТ (Asiа Pacifik Mobil Telecommunications), ASC (Afro-Asian Satellite Communications), ACS (Asia Cellula Satellite) и др. Их отличительная особенность -- применение спутников-ретрансляторов с большими (диаметром 12 м и более) многолучевыми антеннами.

Системы персональной связи на основе геостационарных спутников потенциально могут предоставить услуги, сравнимые с услугами низкоорбитальных систем, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковы. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий.

3. СПУТНИКОВЫЙ ИНТЕРНЕТ

Спутниковая связь находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Особенностями такого вида доступа являются:

Разделение входящего и исходящего трафика и привлечение дополнительных технологий для их совмещения. Поэтому такие соединения называют асимметричными.

Одновременное использование входящего спутникового канала несколькими (например 200-ми) пользователями: через спутник одновременно передаются данные для всех клиентов «вперемешку», фильтрацией ненужных данных занимается клиентский терминал (по этой причине возможна «Рыбалка со спутника»).

По типу исходящего канала различают:

Терминалы, работающие только на прием сигнала (наиболее дешевый вариант подключения). В этом случае для исходящего трафика необходимо иметь другое подключение к Интернету, поставщика которого называют наземным провайдером. Для работы в такой схеме привлекается туннелирующее программное обеспечение, обычно входящее в поставку терминала. Несмотря на сложность (в том числе сложность в настройке), такая технология привлекательна большой скоростью по сравнению с dial-up за сравнительно небольшую цену.

Приемо-передающие терминалы. Исходящий канал организуется узким (по сравнению со входящим). Оба направления обеспечивает одно и то же устройство, и поэтому такая система значительно проще в настройке (особенно если терминал внешний и подключается к компьютеру через интерфейс Ethernet). Такая схема требует установки на антенну более сложного (приемо-передающего) конвертера. И в том, и в другом случае данные от провайдера к клиенту передаются, как правило, в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB, что позволяет использовать одно и то же оборудование как для доступа в сеть, так и для приема спутникового телевидения.

Существует два способа обмена данными через спутник:

- односторонний (one-way), иногда называемый также «асимметричным» -- когда для приёма данных используется спутниковый канал, а для передачи -- доступные наземные каналы.

- двухсторонний (two-way), иногда называемый также «симметричным» -- когда и для приёма, и для передачи используются спутниковые каналы.

3.1 Двухсторонний спутниковый Интернет (VSAT)

Системы VSAT (VerySmallApertureTerminal -- терминал с очень маленькой апертурой) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокаяпропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с.

Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне -- 0,75-1,8 м.

В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента:

- центральная земная станция (при необходимости),

- спутник-ретранслятор

- абонентские VSAT терминалы

Центральная земная станция в сети спутниковой связи выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети.

Абонентская станция VSAT Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приемопередатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.). Спутники ретрансляторы сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Современные VSAT работают как правило в Ku диапазонов частот 11-14 ГГц (одно значение частоты на прием, другое на передачу), также есть системы использующие С диапазон 4/6 ГГц, также сейчас осваивается Ка диапазон 18-30 ГГц.

3.2 Односторонний спутниковый Интернет

Односторонний спутниковый Интернет подразумевает наличие у пользователя какого-то существующего способа подключения к Интернету. Как правило это медленный и/или дорогой канал (GPRS/EDGE, ADSL-подключение там, где услуги доступа в Интернет развиты плохо и ограничены по скорости и т. п.). Через этот канал передаются только запросы в Интернет. Эти запросы поступают на узел оператора (провайдера) одностороннего спутникового доступа (используются различные технологии VPN-подключения или проксирования трафика), а данные, полученные в ответ на эти запросы, передают пользователю через широкополосный спутниковый канал. Поскольку большинство пользователей в основном получает данные из Интернета, то такая технология позволяет получить более скоростной и более дешёвый трафик, чем медленные и дорогие наземные подключения. Объем же исходящего трафика по наземному каналу (а значит и затраты на него) становится достаточно скромным (соотношение исходящий/входящий -- примерно от 1/10 при веб-серфинге, от 1/100 и лучше при загрузке файлов).Естественно, использовать односторонний спутниковый Интернет имеет смысл тогда, когда доступные наземные каналы слишком дорогие и/или медленные. При наличии недорогого и быстрого «наземного» Интернета -- спутниковый Интернет имеет смысл как резервный вариант подключения, на случай пропадания или плохой работы «наземного».

Задержки при использовании одностороннего доступа определяются как временем передачи сигнала через спутник (от оператора до абонента -- порядка 250 мс), так и задержками в "наземном" (запросном) канале, и при большой загрузке сети могут варьироваться в очень широких пределах -- вплоть до секунд.

Оборудование для одностороннего спутникового Интернета:

- спутниковая плата (DVB-карта) для приёма сигнала в стандарте DVB-S или DVB-S2 . Может быть с интерфейсом PCI, PCI-E или USB, выбор зависит от того, что вам удобнее подключать к компьютеру. Лучше использовать платы с поддержкой DVB-S2, поскольку все больше операторов переходят на этот стандарт;

- спутниковая антенна («Тарелка»), такая же, как для приёма спутникового ТВ, как правило достаточно антенны диаметром 90 см (но проверьте на сайте провайдера размер конкретно для вашей местности).

- устанавливаемый на антенне усилитель-конвертер (как правило -- «универсальный конвертер Ku-диапазона», работающий с линейной поляризацией, но некоторые провайдеры работают в круговой поляризации, возможно также и использование C-диапазона -- проверьте на сайте провайдера)

4. СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ GLOBALSTAR

Globalstar -- это глобальная цифровая система персональной связи, основанная на использовании низкоорбитальных спутников. При разработке системы Globalstar был использован опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов фирмы QUALCOMM/FONT Inc. Набор услуг системы Globalstar в целом аналогичен услугам ССПС Iridium и включает передачу речи, данных, факсимильных сообщений, сигналов персонального радиовызова (пейджинговых сообщений) и, кроме того, -- определение координат подвижных объектов. Следует отметить, что система предназначена для абонентов не только мобильной, но и обычной связи.

Так же, как в ССПС Iridium, прежде чем установить связь, мобильный терминал Globalstar должен будет сначала проверить возможность работы в наземной сотовой сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение через спутник. В этом случае сигнал с абонентского терминала (телефонного аппарата пользователя) будет передаваться через спутник на ближайшую земную станцию сопряжения, которая соединит его с требуемым абонентом обычной телефонной сети, сотовой сети или с абонентом системы Globalstar. Принцип действия системы иллюстрируется на рис. 1. При этом максимальная задержка сигнала не должна превышать 150 мс, а время установления соединения -- 5 с. Мировой роуминг позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру, вне зависимости от его географического местоположения.

При передаче речи исходный сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью адаптивного вокодера c линейным предсказанием (CELP), создающего трафик от 1,2 до 9,6 Кбит/с (средняя скорость для данного алгоритма приблизительно равна 2,4 Кбит/с). Вокодеры, установленные на земных станциях, включают в свой состав эхоподавители. Качество передачи речи при этом, по средней оценке мнений (MOS) , эквивалентно цифровым сотовым системам. Цифровые данные передаются со скоростью до 9600 бит/с, что заметно выше, чем в ССПС Iridium (до 2400 бит/с). Вероятность ошибки при этом не превышает 10-6.

Предполагаемыми абонентами Globalstar станут люди, совершающие частые поездки и нуждающиеся в глобальной беспроводной коммуникационной системе.

Для реализации ССПС Globalstar в 1991 году компаниями Loral Aerospace Corporation (Нью-Йорк) и QUALCOMM Incorporated (Сан-Диего, шт. Калифорния) был создан консорциум Globalstar Limited Partnership. В него вошли также ведущие международные фирмы -- производители спутниковых систем и телекоммуникационного оборудования -- Elsag Baily (Италия), Alenia (Италия), Alcatel (Франция), Hyundai Electronics Industries (Южная Корея), DACOM (Южная Корея) и операторы связи -- France Telecom (Франция), AirTouch Communications (США), Vodafone Group (Великобритания). В работе по реализации проекта активное участие принимает группа Alliance. К изготовлению спутниковых платформ привлечена компания Space Systems/Loral (Пало Альто, шт. Калифорния). Парижская фирма Alcatel Espace изготавливает для каждого ИСЗ полезную нагрузку, в том числе остронаправленные антенны. Корпорация QUALCOMM отвечает за разработку абонентской аппаратуры и оборудования для наземных центров управления, которое обеспечит связь спутников с наземными сетями. Итальянской компанией Alenia в Риме еще в 1997 году было построено и официально введено в строй предприятие по сборке, комплектации и испытаниям космических аппаратов (КА). Компания Air Touch Communications будет предоставлять услуги спутниковой связи на территории США. Также в проекте участвуют фирмы Finmecanica/Elsag Bailey Company (Италия), DASA (Deutshe Aerospace AG/Daimler-Benz AG, Германия), Airospatial (Франция), China Telecom и др. Общая стоимость системы, включая космический и наземный сегменты, оценивается приблизительно в 2,6 млрд. долл. США. Годовые эксплуатационные расходы должны составить 227 млн. долларов.

Система Globalstar включает три основных сегмента: космический (космические аппараты), наземный (земные станции контроля, управления и сопряжения) и сегмент пользователя (терминальные устройства). Рассмотрим их более подробно.

В соответствии с проектом космический сегмент должен состоять из 48 основных ИСЗ и 4 резервных (что гораздо меньше, чем в ССПС Iridium), расположенных на 8 орбитах -- по 6 основных ИСЗ на каждой ( рис. 2). Орбиты -- наклонные, круговые с наклонением к экватору -- 52° (в отличие от полярных орбит с наклонением 86° в ССПС Iridium), что сужает ширину зоны обслуживания системы в целом. Период обращения ИСЗ на орбите равен 113 мин. Высота орбит составляет 1414 км (почти в два раза выше, чем высота орбит ИСЗ Iridium). Большая высота орбиты обусловливает, с одной стороны, большую зону обслуживания каждого ИСЗ и больший срок службы КА (7,5 лет), с другой, -- большее запаздывание и затухание сигнала, более дорогой вывод спутника на орбиту.

Космический сегмент построен так, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание пользователей в средних широтах. Именно в средних широтах доступными являются не менее двух КА. Ширина всей зоны обслуживания ограничена 70 ° северной и южной широты ( рис. 3). Поэтому в Антарктиде, на Северном полюсе, в северных регионах России и Гренландии, в некоторых районах Северного морского пути пользование системой Globalstar невозможно. В ССПС Iridium подобной проблемы не возникает.

Одной из важных характеристик спутниковых систем персональной связи, влияющих на качество соединения и доступность системы, является минимальный угол возвышения ИСЗ над поверхностью Земли. При большом угле возвышения сигналы от спутника к Земле должны пройти через меньший слой земной атмосферы, влияющий на затухание сигнала, а всевозможные препятствия на Земле (горы, растительность, строения) будут оказывать меньшее воздействие. Требования к минимальному углу возвышения определяют число спутников в системе. Для полярных орбит число спутников выбирается исходя из необходимости покрытия экваториальных районов, так как пересечение орбит на полюсах приводит к существенному переполнению емкости системы в этих местах. В ССПС Iridium минимальный угол возвышения у экватора равен 8°, а в системе Globalstar в экваториальных районах минимальный угол возвышения составляет 15-20°, что способствует более качественному обслуживанию пользователей.

ИСЗ Globalstar представляет собой ретранслятор с преобразованием частот, который осуществляет прием сигналов в пределах зоны обслуживания, их преобразование и передачу на земную станцию. Все операции по обработке вызовов, их коммутации, преобразованию сигналов и разделению каналов производятся на Земле, где реализация данных функций обходится дешевле, аппаратура доступна для технического обслуживания и может быть со временем модернизирована. Отсутствие обработки сигнала на борту КА, а также отсутствие в системе Globalstar линий межспутниковой связи (в отличие от ССПС Iridium) делают КА проще и надежнее.

На спутниках Globalstar предусмотрена трехосная система стабилизации. Вес ИСЗ -- около 450 кг. Солнечные батареи имеют мощность 1100 Вт. Мощность передающей системы ИСЗ приблизительно равна одному киловатту. За счет оперативной регулировки потребляемой мощности бортового ретранслятора в каждом канале в соответствии с условиями приема минимизируются энергетические ресурсы ИСЗ. Общий вид ИСЗ изображен на рис. 4 и 5.

Для связи с земными станциями (фидерные линии связи) на спутниках устанавливаются по две рупорные антенны (для приема и передачи), работающие в С-диапазоне частот (5091-5250 МГц для линии “вверх” Земля-ИСЗ и 6875-7055 МГц для линии “вниз” ИСЗ-Земля). Этот диапазон за счет применения правой и левой круговой поляризации будет использоваться дважды.

Для линий связи ИСЗ с мобильными пользователями предусмотрена эксплуатация частот L-диапазона (1610-1626,5 МГц) для линии “вверх” абонент-ИСЗ и S-диапазона (2483,5-2500 МГц) для линии “вниз” ИСЗ-абонент. Антенны L- и S-диапазонов представляют собой активные фазированные антенные решетки (ФАР) с 16 лучами. Каждый луч (лепесток) имеет свою зону обслуживания на поверхности Земли площадью приблизительно 2,9 млн. км 2. Совокупность лучей образует зону обслуживания ИСЗ, близкую по форме к кругу диаметром 7600 км. Приемная антенна (L-диапазон) состоит из 61 элемента. Передающая ФАР (S-диапазон) возбуждается 91 печатным усилительным элементом мощностью 4 Вт каждый. Общая мощность ИСЗ в S-диапазоне достигает 400 Вт и может плавно перераспределяться между лучами.

Для уплотнения телефонных каналов в системе Globalstar будет использоваться комбинация методов многостанционного доступа с частотным и кодовым разделением каналов (МДЧР и МДКР). Общая полоса частот шириной 16,5 МГц, отведенная для связи в L- и S-диапазонах, разделена на 13 поддиапазонов шириной 1,25 МГц, в каждом из которых выполняется кодовое уплотнение сигналов от нескольких (порядка 50) абонентов. Для этого сигнал абонента преобразуется в широкополосный сигнал (1,25 МГц).

Широкополосные сигналы в отличие от узкополосных позволяют существенно снизить требования к развязке между соседними лучами многолучевой антенны. Такие сигналы обеспечивают мягкую перегрузку, то есть превышение номинальной загрузки не приводит к отказу, а лишь несколько снижает на короткое время качество передачи каждого сигнала, что обычно считается допустимым. Применение МДКР позволяет изящно решить проблему переключения абонента с заходящего спутника на восходящий. Как только происходит снижение уровня пилот-сигнала во время работы абонента в каком-либо луче, терминал по команде станции сопряжения автоматически переключается на двухканальный режим работы, в котором обеспечивается одновременный прием и когерентное сложение сигналов от двух разных лучей или от разных спутников. Через некоторое время поступает команда на отключение первого луча, и обмен информацией производится только через второй луч. Какое-то время сигнал от абонента принимается и передается одновременно с двух спутников, а земные станции обрабатывают суммарный сигнал, что делает процесс переключения спутников незаметным для пользователя. Такая технология -- возможность когерентного сложения сигналов от нескольких спутников в приемном устройстве пользователя -- позволяет также уменьшить влияние затенения от препятствий на поверхности Земли. К недостаткам МДКР следует отнести тот факт, что использование широкополосных сигналов усложняет оборудование пользовательских терминалов и увеличивает время вхождения в зону связи.

За счет МДКР, учета речевой активности и применения многолучевой антенны обеспечивается повторное использование частот, в результате чего каждый ИСЗ способен к одновременной ретрансляции около двух тысяч телефонных каналов. При этом на 1 миллион кмFONT>2 поверхности Земли ИСЗ Globalstar одновременно обеспечивает всего несколько десятков каналов связи, что еще раз подтверждает тот факт, что спутниковые системы персональной связи в отличие от наземных сотовых систем не ориентированы на использование в густонаселенных районах.

Наземный сегмент ССПС Globalstar включает земные станции сопряжения, а также центры управления и контроля орбитальной группировкой (Satellite Operations Control Center) и наземными средствами (Ground Operations Control Center). Центр управления и контроля орбитальной группировки на основе телеметрической информации контролирует текущее состояние ИСЗ и параметры их орбит, при необходимости выдает соответствующие команды. Центр управления и контроля наземных средств отвечает за планирование и распределение ресурсов системы, контроль за ее функционированием. Центры будут расположены на территории США и связаны между собой и с другими земными станциями системы с помощью специальной сети передачи данных GDN (Globalstar Data Network).

Поскольку система Globalstar в большей степени ориентирована на интеграцию с существующими наземными телекоммуникационными инфраструктурами, станции сопряжения являются в ней основными коммуникационными элементами. Фактически земные станции сопряжения являются шлюзами, на которые возложены функции обеспечения интерфейса с существующими и будущими телекоммуникационными системами, в частности с наземными телефонными сетями общего пользования и сотовыми системами связи в зоне обслуживания каждого ИСЗ. Все вызовы (местные и международные) должны обрабатываться и коммутироваться на станции сопряжения. В этом состоит так называемый региональный принцип построения связи - обязателен выход каждого абонента на ближайшую станцию сопряжения и далее -- на существующую фиксированную сеть или на связь с другим абонентом. Таким образом, в организации любого соединения участвуют земные станции. Поскольку основную часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%), такое решение выглядит весьма рациональным, облегчает связь с абонентами сетей общего пользования, укорачивая трассу для основной массы соединений, а также позволяет сделать систему частью национальной сети каждой страны, что привлекает операторов связи, позволяя им получать дополнительные доходы.

С другой стороны, так как в системе задействовано большое число земных станций сопряжения, соединения становятся зависящими от состояния наземных сетей. Для глобального покрытия земной поверхности (в пределах 700 Roman">северной широты -- 700южной широты) с учетом национальных границ и минимизации наземного трафика, по оценкам разработчиков Globalstar, потребуется 150-210 станций сопряжения, в том числе 9 -- на территории России. Типовая станция сопряжения содержит 4 идентичные следящие параболические антенны с диаметром рефлектора 5,5 м с левой и правой круговой поляризацией ( рис. 6, 7) и стоит около 5,5 млн. долл. На стыке земной станции с наземными сетями общего пользования используется стандартный интерфейс Т-1/Е-1 и системы сигнализации R1, R2 и №7.

Сегмент пользователя системы Globalstar может включать один из трех основных типов терминалов: портативные (аналогичные сотовым -- см. рис. 8, 9), мобильные (устанавливаемые в автомобилях или других транспортных средствах -- см. рис. 10) и стационарные (телефонные аппараты, таксофоны -- см. рис. 11). Последовательный порт ввода/вывода данных позволит подключать к терминалам пользователя компьютер, факсимильный аппарат или другие внешние устройства и обеспечивать передачу данных или факсимильных сообщений. Предусматривается адаптивное управление мощностью передатчика терминала.

Портативные и мобильные аппараты оборудованы ненаправленными антеннами и могут функционировать также в наземной сотовой сети стандарта GSM, AMPS или IS-95. Фирмой QUALCOMM предполагается выпуск портативных и мобильных терминалов трех типов: трехрежимных (Globalstar/AMPS/IS-95), двухрежимных (Globalstar/GSM) и однорежимных (Globalstar). Терминалы Globalstar, работающие более чем в одном режиме, должны сначала проверить возможность работы в наземной сети персональной радиосвязи и, если это невозможно, попытаться установить соединение через спутник. При переходе таких терминалов от режима работы в сотовой сети связи в режим работы в системе Globalstar автоматическое переключение не предусматривается. Если абонент покинул зону действия сотовой сети, связь будет прервана и для ее восстановления необходимо будет вновь запросить соединение, но уже в ССПС Globalstar.

Вес портативного терминала -- около 350 г, размеры 190 х 60 х 30 мм, а его мощность не превышает 0,6 Вт. Заряда аккумулятора при работе в режиме системы Globalstar будет хватать на 8 часов дежурного приема и на 1 час разговора. В режиме наземной сотовой системы связи продолжительность его работы увеличится до 12 час дежурного приема и 2 час разговора (или даже больше); в данном режиме терминалы Globalstar должны в среднем потреблять энергии меньше, чем аналоговые сотовые телефоны, и, соответственно, продолжительность работы их аккумуляторов должна быть больше.

Мобильные терминалы отличаются от портативных дополнительным усилителем мощности и внешней антенной. Мощность мобильного терминала не превышает 3 Вт.

Стационарные аппараты Globalstar предоставят услуги связи в отдаленных районах, где нет ни сотовых систем, ни наземных коммуникаций. Такие терминалы предназначены для работы только в ССПС Globalstar. Они оборудованы усилителем и внешней антенной с усилением +7дБ и имеют эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 3,2 Вт.

Компания Globalstar намерена предлагать услуги связи по более низким тарифам, чем те, что используются в настоящее время в системе Iridium. Предусматривается дифференцирование цен в зависимости от географического района и уровня сервисных услуг: 0,35; 0,53; 1; 3 долл. за 1 мин разговора. В среднем стоимость одноминутного соединения должна находиться в пределах 0,35-0,65 долл. США плюс плата за услуги местных (наземных) линий связи. Ожидаемая цена портативного терминального устройства производства фирмы QUALCOMM также гораздо меньше, чем спутникового телефона системы Iridium, и составляет около 700 долл.. Компания Globalstar L.P. считает, что принятая ею структура ценообразования будет способствовать более быстрому распространению услуг и позволит ей создать широкий круг постоянных клиентов. Ожидается, что к 2002 году число абонентов ССПС Globalstar превысит 2,7 млн., а к 2012 году, по мнению разработчиков проекта, система сможет обслужить до 14 млн. пользователей.

Есть основания предполагать, что после ввода в строй системы Globalstar и устранения монопольного положения на рынке услуг спутниковой персональной связи ССПС Iridium цены на услуги и оборудование последней будут в значительной степени снижены.

В настоящее время консорциум Globalstar имеет соглашения с провайдерами услуг более чем в 100 странах. Коммерческую деятельность по предоставлению услуг связи планировалось начать с 1 квартала 1999 года. Первые 8 космических аппаратов были выведены на орбиту Земли еще в начале 1998 года с использованием ракет-носителей (РН) Delta II, но 9 сентября 1998 года попытка запуска 12 космических аппаратов Globalstar с помощью РН “Зенит” потерпела неудачу. В связи с этим начало коммерческой эксплуатации ССПС Globalstar было перенесено на III квартал 1999 года. В конце 1998-начале 1999 года предполагается провести 3 запуска спутников Globalstar с использованием РН “Союз” (по 4 ИСЗ в каждом запуске), а к маю 1999 года -- создать орбитальную группировку из 32 ИСЗ, достаточную для начала функционирования ССПС. Полную группировку ИСЗ из 48 основных и 4 резервных планируется создать к концу 1999 года. Всего предполагается осуществить 5 запусков РН “Союз” (по 4 КА), 6 запусков РН Delta II (по 4 КА) и 2 запуска РН “Зенит”.

После 2004 года, когда система выработает свой ресурс, компания Globalstar планирует замену существующей аппаратуры первого поколения на усовершенствованную аппаратуру системы Globalstar-II, которая обеспечит более высокую скорость передачи информации, улучшенное качество работы и большее число каналов.

5. СИСТЕМА IRIDIUM

Пионером в области низкоорбитальной спутниковой связи стала система Iridium, начавшая свою работу в 1998 году. Основным достоинством системы является не имеющее белых пятен, 100%-е покрытие Земли, в результате чего абонент, имеющий спутниковый телефон Iridium может разговаривать в любой точке планеты, включая Северный и Южный полюса.

Спутники системы расположены на высоте 780 километров от поверхности нашей планеты: Иридиум - это низкоорбитальная спутниковая группировка. Обычные геостационарные спутники летают на гораздо большем расстоянии.

Именно благодаря низколетящим сателлитам, системе Iridium удалось значительно уменьшить габариты своих телефонных трубок - к моменту своего появления на рынке они обладали самыми небольшими размерами по сравнению с громоздкими аппаратами конкурентов.

В 1987 году перед инженерами компании Motorola была поставлена задача: создать проект беспроводной телефонной сети, которая бы использовала низколетящие космические аппараты. Сеть должна была обеспечить персональную мобильную связь и поддерживать голосовые сообщения, передачу факсов и компьютерных файлов.

Свое название - Iridium, система получила в честь 77-го элемента периодической системы Д. Менделеева. На орбиту планировалось вывести 77 спутников - но, в конце концов, создатели решили ограничиться меньшим количеством аппаратов.

Для того времени это была революционная идея - теперь бизнесмены, жители труднодоступных районов, путешественники, спасательные команды и все те, кому нужна была мобильная связь в любое время суток, могли приобрести небольшую трубку, имеющую единый телефонный номер независимо от страны пребывания. Человеку, имеющему при себе телефонный аппарат системы Иридиум, где бы он не находился, можно позвонить, в любое время - система постоянно отслеживает перемещение своих абонентов. Сегодня, когда сотовая связь стала привычной, такое удобство не представляется чем-то необычным. Но в конце восьмидесятых годов подобные технологии считались почти чудом. Но и в наше время, даже на среднем расстоянии от базовых станций, сотовый телефон может перестать принимать сигнал, в то время как для спутникового оборудования это не является проблемой - базовые станции Iridium летают у нас над головами на пятисоткилометровой высоте и позволяют абонентам сети все время оставаться на связи.