6. Структурные схемы ЗС, приемных и передающих устройств

Станция VSAT - это земная станция с небольшой антенной. Станции VSAT относятся к категории малых станций, которые должны отвечать специальным требованиям с целью исключения возможности создания помех наземным и спутниковым системам связи.

Отдельный подкласс земных станций составляют ЗС сопряжения системы подвижной спутниковой связи. В состав оборудования таких станций, кроме традиционного приемо-передающего оборудования и другого спутникового оборудования, входят координирующие станции сети, предназначенные для управления сетью, и коммутационное оборудование, задачей которого является установление соединений корреспондентов.

Центральная земная станция (ЦЗС)

Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе 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.

Каналообразующая аппаратура обеспечивает формирование спутниковых радиоканалов и стыковку их с наземными линиями связи. Каждый из поставщиков систем спутниковой связи применяет свои оригинальные решения этой части ЦЗС, что часто исключает возможность использования для построения сети аппаратуру и абонентские станции других фирм. Обычно эта подсистема строится по модульному принципу, что позволяет по мере роста трафика и количества абонентских станций в сети легко добавлять новые блоки для увеличения ее пропускной способности.

Центр управления сетью обеспечивает контроль за работой сети, выявление неисправностей, перераспределение ее ресурсов между абонентами, тарификацию предоставляемых услуг и т.п.

Центральная управляющая станция (ЦУС) VSAT содержит антенну большого диаметра с системой автоматического слежения за спутником, радиочастотное оборудование и оборудование полосы модулирующих частот. Конфигурация ЦУС имеет модульную структуру. Антенна ЦУС имеет диаметр от 6 до 11 м с целью экономии мощности передатчиков периферийных станций VSAT и энергетического ресурса спутникового ретранслятора.

Радиочастотное оборудование (МШУ, УМ, ПрЧ) полностью резервируются для повышения надежности работы ЦУС, поскольку этот показатель фактически определяет надежность работы сети VSAT в целом. Если функции центральной станции ограничиваются только управлением сетью VSAT, то в состав оборудования полосы модулирующих частот входят только служебные подсистемы.

Все ЗС имеют единую функциональную схему (рисунок 7), в состав которой входят:

· антенная система;

· радиотехническое оборудование;

· ствольное оборудование, которое обеспечивает многостанционный доступ к спутнику, модуляцию и демодуляцию сигналов, необходимые функции кодозащиты;

· каналообразующее оборудование, в котором производится формирование канальных потоков;

· оборудование сопряжения с наземной сетью;

· средства контроля и управления;

· система гарантированного электропитания.

Рисунок 7 - Обобщенная структурная схема ЗС

Таблица 7. - Типовые параметры оборудования станций VSAT-ПД

Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем).

Внешний блок представляет собой небольшой приемо-передатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.).

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.

Антенны земных станций.

В наземной приемной установке энергия сигнала, излучаемая спутниковым ретранслятором, принимается антенной. При использовании антенны с параболическим отражателем, как уже говорилось ранее, он концентрирует энергию сигнала на облучателе с поляризатором, и далее она подается к конвертеру либо по волноводу, либо непосредственно, если облучатель, поляризатор и конвертер объединены в единую конструкцию, которую называют высокочастотной головкой.

Спутниковые антенны приемных ЗС подразделяются на два класса: азимутальные (офсетные) и прямофокусные. Офсетные антенны характерны тем, что конвертор расположен не в фокусе антенны (рисунок 8), а смещен, тем самым он не затеняет зеркало антенны, что и дает некоторый прирост коэффициента усиления. Именно из-за смещенного фокуса при настройке необходимо учитывать, что направление на спутник у офсетных антенн выше перпендикуляра к плоскости антенны на некоторый угол. Для большинства конструкций «офсеток» этот угол составляет ~25-27°. Поэтому офсетные антенны крепятся почти вертикально, на них не налипает снег и не скапливается вода, конвертор и элементы крепления не затеняют антенну.

У прямофокусных антенн (рисунок 9) - конвертор соответственно расположен в фокусе (центре) антенны. Прямофокусные (осесимметричная) представляют собой «классическую» круглую «тарелку». Конвертор крепится в центре при помощи нескольких (обычно двух или трех) спиц. При этом конвертор и крепежные спицы затеняют часть отражающей поверхности зеркала, что приводит, естественно, к уменьшению коэффициента использования поверхности антенны. Однако, с ростом диаметра, этот эффект становится все менее значительным. Зимой на зеркало легко намерзают лед и снег, которые очень сильно ухудшают прием.

Прямофокусную антенну можно настроить только на один спутник, офсетную антенну от одного и более (максимум 4 спутника, рядом расположенных) при использовании специального приспособления - мультифита. В комплект спутниковой антенны входит крепление (кронштейн) и система подвески. В зависимости от типа подвесок антенны делятся на азимутальные и полярные. Полярные подвески предназначены для приема одного и более спутников, расположенных на геостационарной орбите. Управляются с помощью специального устройства (актюатор с приводом) и имеют свойство перенастраиваться с одного спутника на другой. Они стоят дороже и требуют для настройки квалифицированного специалиста с профессиональной аппаратурой. Азимутальная подвеска жестко закреплена и настроена только на один спутник без использования мультифида).

Рисунок 9 - Прямофокусная спутниковая антенна

Топология

В зависимости от распределения трафика между абонентами архитектура сетей спутниковой связи различаются по следующим признакам:

1) По конфигурации трафика

2) По структуре управления

3) Конфигурация трафика

Рисунок 10. - Топология типа «точка-точка»

Сеть «точка - точка» позволяет обеспечивать прямую дуплексную связь между двумя удаленными абонентскими станциями по выделенным каналам. Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30 - 40%). Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Кроме того, такая сеть не требует системы управления.

Рисунок 11. - Топология типа «звезда»

Сеть типа «звезда» является наиболее распространенной архитектурой построения ССС с абонентскими станциями класса VSAT. Такая сеть обеспечивает многонаправленный радиальный трафик между центральной земной станцией (ЦЗС или HUB в английской литературе) и удаленными периферийными станциями (терминалами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС - большая ЦЗС, оснащенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком.

Недостатком архитектуры «звезда» является наличие двойного скачка при связи между терминалами сети, что приводит к заметным задержкам сигнала. Сети VSAT подобной архитектуры широко используются для организации информационного обмена между большим числом удаленных терминалов, не имеющих существенного взаимного трафика, и центральным офисом фирмы, различными транспортными, производственными и финансовыми учреждениями.

Аналогично строятся сети телефонной связи для обслуживания удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС. Функции контроля и управления в сети типа «звезда» обычно централизованы и сосредоточены в центральной управляющей станции (ЦУС) сети. ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети (как наземными, так и спутниковыми терминалами) и поддержания рабочего состояния всех периферийных устройств.

Обычно функции ЦЗС/ЦУС совмещены в одном комплексе, который выполняет роль коммутатора трафика и интерфейса спутниковой сети с наземными каналами. В сетях типа «звезда», создаваемых крупными операторами, ресурсу одой ЦУС могут предоставляться нескольким автономным подсетям VSAT. Такое решение оказывается экономически выгодным, поскольку одна ЦУС/ЦЗС стоит несколько миллионов долларов и может обслуживать до 10 тысяч и более терминалов, а средняя сеть одного клиента редко превышает 100 терминалов.

Рисунок 12. - Топология типа «каждый-с-каждым»

В сети «каждый с каждым» обеспечиваются прямые соединения между любыми абонентскими станциями (так называемый «односкачковый» режим связи). Количество требуемых дуплексных радиоканалов равно N x (N - 1), где N - число абонентских станций в сети. При этом каждая абонентская станция должна иметь N - 1 каналов приемо - передачи. Такая архитектура оптимальна для телефонных сетей, создаваемых в труднодоступных или удаленных районах, а также для сетей передачи данных с относительно небольшим числом удаленных терминалов.

В связи с тем, что для работы между двумя малыми терминалами от VSAT требуются большие энергетические ресурсы в сравнении с сетью «звезда», в сетях типа «каждый с каждым» на абонентских станциях приходится использовать более мощные передатчики и антенны большего диаметра, что заметно отражается на их цене.

Каждая из этих топологий имеет свои преимущества и недостатки. В реальных ситуациях часто требуется предоставление широкого спектра услуг, каждая из которых лучше реализуется в разных топологиях. Поэтому многие сети строятся по смешанным топологиям.

Тип управления

При централизованном управлении такой сетью центр управления сетью (ЦУС) выполняет служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети, но не участвует в передаче трафика. Обычно ЦУС устанавливается на одной из абонентских станций сети, на которую приходится наибольший трафик.

В децетрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой управления отличаются повышенной «живучестью» и гибкостью за счет усложнения оборудования, расширения его функциональных возможностей и удорожания VSAT терминалов. Эта схема управления целесообразна лишь при создании небольших сетей (до 30 терминалов) с высоким трафиком между абонентами.

Таблица 8. - Технические параметры ЗС VSAT «Стела»

7. Расчет технических параметров земных станций (Ga антенн, диаметр, тип)

Спутниковая связь состоит из двух участков: Земля-ИСЗ и ИСЗ - Земля.

Особенность спутниковых линий - наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой протяжённости. Сигнал в ССС подвержен поглощению в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракции, деполяризации и т.д. На ИСЗ воздействуют как собственные шумы, так и излучение Космоса, Солнца и планет.

Отличием ССС от других систем связи является неоднозначность пролёта.

Т.е отношение сигнал/шум ССС определяется двумя участками: ЗС-БР и БР-ЗС.

В отсутствии обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков; при этом суммарное отношение шум-сигнал на конце линии связи:

Отношение сигнал/шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

,

Где а>1, b>1.

Во многих случаях можно принять а = 5ч11, b = 1.1ч1.3. Связь коэффициентов запаса определяется формулой:

; .

Для передачи используем модуляцию QPSK.

Задавшись превышением отношения сигнал/шум на участке ЗС-ИСЗ, равным a=6, 15 находим, что необходимое превышение на участке ИСЗ-ЗС должно составлять b=1,2.

Из этих выражений можно найти уровень сигнала на входе БР (участок ЗС-ИСЗ) и на входе ЗС (участок ИСЗ-ЗС):

; нормируется, составляет 5Дб.

В тропосфере основные потери в газах вызываются кислородом и водяными парами. К осадкам относятся дождь, снег, туман, гололед и т.п. Эквивалентная толщина атмосферы оценивается для кислорода h₀ = 5,3 км, а для водяного пара - 2,1 км. На рисунке 11 приведена зависимость поглощения радиоволны в спокойной атмосфере (без дождя) при различных углах места в Данная составляющая потерь существует всегда, т.е. в 100% времени. Затухание в гидрометеорах зависит от интенсивности дождя, размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности дождя по зоне и является случайной величиной. Наибольшее ослабление вызывается дождем и зависит от его интенсивности, мокрым снегом, меньшее - градом, сухим снегом.

Рисунок 11. - Зависимость поглощения от частоты в спокойной атмосфере

Усредненные, рекомендованные Международным союзом по связи и радио (МСЭ-Р) значения коэффициента поглощения в дожде при различной интенсивности осадков [мм/ч] приведены на рисунке 12. Длина пути сигнала в дожде lд = (hд - h₃)* cosec в где hд - усредненная эквивалентная толщина дождевой зоны, которую можно принять равной 2 км, h₃ - высота земной станции над уровнем моря, в - угол места.

Рисунок 12 - Усредненные, рекомендованные МСЭ-Р значения коэффициента поглощения радиоволн в дожде при различной интенсивности осадков

Рисунок 13 - Статистические распределения среднеминутных значений интенсивности дождей (Кавказ)

Поглощение в тумане, как правило, на порядок меньше, чем при дожде, и при ориентировочных расчетах может не учитываться. Мокрый снег в виде крупных хлопьев, выпадающих на антенну, может вызвать поглощение на 4…6 дБ большее, чем при дожде, однако вероятность такого явления невелика.

Сигналы, излучаемые со спутников, могут иметь линейную или круговую поляризацию (правого и левого вращения). При приеме сигналов с круговой поляризацией на антенну с линейной поляризацией потери могут достигать 2…2,5 дБ, в то время как при согласовании поляризации антенн эти потери не превышают 0,2…0,3 дБ.

Потери в зеркальных антеннах сравнительно невелики, а Тп не превышает долей градуса, поэтому полагают Тп = 0. Составляющие шума Тк и Т_А зависят от угла места антенны земной станции и от частоты радиосигнала, на частотах выше 6 ГГц составляющей Тк можно пренебречь. Шумы, вносимые спокойной атмосферой для заданной частоты связи, можно определить по кривым, приведенным на рисунке 14.

Рисунок 14 - Зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли от частоты

Участок ЗС-БР

Уравнение радиосвязи.

, дБВт

где - коэффициенты усиления антенн ЗС и БР соответственно;

, дБВт

где - рабочие углы ДН, углы раскрыва антенн (5*5)

;

;

;;

d=38195,81 км.

- коэффициенты полезного действия фидерных трактов ЗС и БР соответственно; Зададимся з_ф.зс=з_ф.БР=0,8.

Следовательно:

;

Минимальный уровень сигнала на входе БР:

;

Определяющими в линии являются тепловые шумы:

;

К - постоянная Больцмана - удельная мощность тепловых шумов. К=;

-шумовая полоса частот;

МГц

- эквивалентная шумовая температура;

T=1584,9K

=0.026 пВт.

Уровень на входе БР:

Вт.

Определим G:

0,4224, отсюда G=33,1Дб;

Найдём диаметр антенны передающей ЗС:

G,

где 18,45 Дб - добавочный коэффициент;

20lgД33,1-20lg14-18,45=-8,27дБ; Д=0,39 м.

Участок БР - ЗС:

Исходные данные: f=11ГГц; d=38134,72 км; (БР-Тамань)

Уравнение радиосвязи.

ЭИИМ=42 дБ=15848,93Вт;

;;

Следовательно:

P;

Минимальный уровень сигнала на входе БР:

;

Определяющими в линии являются тепловые шумы:

;

К - постоянная Больцмана - удельная мощность тепловых шумов. К=;

-шумовая полоса частот (1,2 МГц);

- эквивалентная шумовая температура;

T=300K

=496,8 Вт.

Уровень на входе ЗС:

Вт.

Определим G: приравняем P

1907,712, отсюда G=36,75Дб.

Найдём диаметр антенны приёмной ЗС:

G,

где 18,45 Дб - добавочный коэффициент;

20lgД36,75-20lg11-18,45=7,886дБ; Д=2,48 м

Заключение