Теоретический анализ топологий сетей спутниковой связи

Размещено на http://allbest.ru

10

Теоретический анализ топологий сетей спутниковой связи

С.В. Зинкин, Р.М. Каркаев, В.С. Перетрухин

Аннотация

В зависимости от назначения и вида передаваемых сообщений различают три основных класса сетей спутниковой связи: однонаправленные (радиовещательные) сети, в которых одна центральная станция (ЦС) передает через ретранслятор (РТР) сигналы, принимаемые множеством периферийных земных станций (ПЗС), при этом ПЗС служат только для приема сигналов с борта спутника-ретранслятора (СР) и сами не могут служить источником сигналов; сети с топологией типа «звезда», в которых сигналы ПЗС принимаются только центральной земной станцией (ЗС), а ПЗС могут принимать сигналы, передаваемые только ЦС (в этом случае при необходимости связи между двумя ПЗС потребуется трехкратная ретрансляция сигнала: ПЗС1^РТР^ЦС^РТР^ПЗС2, т.е. дважды через РТР и один раз через ЦС); полносвязные сети, в которых ЗС, входящие в состав сети, могут организовать между собой связь по принципу «каждый с каждым». Проведен теоретический анализ для сетей спутниковой связи второго и третьего классов, в которых собственно и происходит разделение радиоресурса РТР. Рассмотрены важные вопросы эффективной организации многостанционного доступа. Указаны особенности функционирования каждой из рассмотренных сетей спутниковой связи.

Ключевые слова: сеть спутниковой связи, однонаправленная сеть, сеть с топологией типа «звезда», полносвязная сеть, многостанционный доступ

В зависимости от назначения и вида передаваемых сообщений различают три основных класса сетей спутниковой связи:

Однонаправленные (радиовещательные) сети (рис. 1), в которых одна центральная станция (ЦС) передает через ретранслятор (РТР) сигналы, принимаемые множеством периферийных земных станций (ПЗС). При этом ПЗС служат только для приема сигналов с борта спутника-ретранслятора (СР) и сами не могут служить источником сигналов. Примером таких сетей могут служить сети непосредственного телевизионного вещания.

Рис. 1. Однонаправленные (радиовещательные) сети спутниковой связи

Сети с топологией типа «звезда» (рис. 2), в которых сигналы ПЗС принимаются только центральной земной станцией (ЗС), а ПЗС могут принимать сигналы, передаваемые только ЦС. В этом случае при необходимости связи между двумя ПЗС потребуется трехкратная ретрансляция сигнала: ПЗСі^РТР^ЦС^РТР^ПЗС2, т.е. дважды через РТР и один раз через ЦС.

Рис. 2. Сети спутниковой связи с топологией типа «звезда»

Полносвязные сети спутниковой связи. Полносвязные сети (рис. 3), в которых ЗС, входящие в состав сети, могут организовать между собой связь по принципу «каждый с каждым» [1].

Рис. 3. Полносвязные сети спутниковой связи

Очевидно, что вопросы эффективной организации многостанционного доступа (МД) актуальны лишь для сетей второго и третьего классов, в которых собственно и происходит разделение радиоресурса РТР. В полносвязной сети каждая ЗС должна иметь возможность организовать радиолинию связи через РТР с любой другой ЗС, входящей в состав сети. При многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР) это означает, что каждой ЗС необходимо выделить столько несущих частот, сколько ЗС могут вести радиообмен с данной ЗС в составе сети (рис. 4).

Рис. 4. Полносвязная сеть в режиме МДЧР ОКН, включающая N земных станций

Если в состав сети входит N станций, то для организации полносвязной сети потребуется N(N--1) несущих и, соответственно, полоса частот РТР будет разбита на такое же число диапазонов. Такой режим организации радиообмена в сети спутниковой связи получил название режима ОКН («один канал на несущую»), например, при N = 100 требуемое число диапазонов составит N(N - 1) = 9900. Такое дробление полосы частот ретранслятора с учетом того, что между соседними полосами необходим защитный промежуток, часто оказывается невыгодным. Каждая ЗС в этом случае должна быть укомплектована (N - 1) передатчиком и (N - 1) приемником [2]. Другой режим организации радиообмена при МДЧР изображен на рис. 5.

Рис. 5. Полносвязная сеть из N ЗС в режиме МДЧР МКН

В этом режиме сигнал каждой ЗС может уплотняться по времени или частоте сигналами, предназначенными для различных ЗС-адресатов, т.е. каждая ЗС формирует групповой сигнал и передает его на своей несущей частоте. Такой режим радиообмена получил название МКН («много каналов на одну несущую»). На приеме ЗС демодулируют весь групповой сигнал и выделяют из него лишь те фрагменты, которые для них предназначены. В этом случае каждой ЗС по-прежнему требуется (N - 1) приемник и только один, но более мощный передатчик [3]. Дополнительно для каждой ЗС требуется устройство формирования группового сигнала (мультиплексор).

Проблема необходимости наличия множества передатчиков и/или приемников на каждой ЗС упрощается в том случае, если ЗС может вести радиообмен одновременно лишь с одной ЗС. В этом случае на каждой ЗС достаточно иметь лишь по одному приемнику и передатчику с перестраиваемыми диапазонами частот.

Поскольку для дуплексной связи через СР для каждой пары ЗС нужна пара несущих частот, эти частоты могут выделяться станциям по запросу на период сеанса связи некоторой центральной ЗС, выполняющей роль диспетчера.

Схема организации полносвязной сети при использовании многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР) подобна изображенной на рис. 5. Только в этом случае каждая ЗС передает и принимает на одной несущей частоте. Такой способ организации полносвязных сетей на основе МДВР выглядит более перспективным вследствие явной экономии в оборудовании ЗС, однако сложность и, соответственно, стоимость оборудования МДВР заметно выше.

Схема организации полносвязной сети при многостанционном доступе с кодовым разделением сигналов (МДКР) подобна изображенной на рис. 4, с той лишь разницей, что каждой станции для связи с другой выделяется не отдельная полоса частот, а уникальный код (сигнал сложной формы), обеспечивающий выделение его из множества других.

Наибольшее распространение на начальном этапе развития систем спутниковой связи получили сети на основе МДЧР вследствие простоты реализации. В последнее время все более широкое распространение получают сети на основе комбинированного частотно-временного разделения (ЧВР) и временного разделения сигналов вследствие более высокой гибкости и более эффективного использования мощности бортового ретранслятора. Сети на основе МДКР особенно перспективны для использования вследствие более высокой помехозащищенности сигналов.

Сети с топологией «звезда». Звездообразные сети включают N периферийных земных станций и одну центральную станцию. Основная особенность таких сетей состоит в том, что сигналы, излучаемые всеми ПЗС, после ретрансляции через спутник связи принимаются ЦС, которая играет роль центрального устройства распределения информации. С центральной станции принятые сигналы далее могут доставляться адресату либо через наземные сети связи, либо по обратному спутниковому каналу на ПЗС, к которой подключен вызываемый абонент. Таким образом, связь между двумя ПЗС возможна только через ЦС, что приводит к необходимости двухкратной ретрансляции сигналов через РТР и, как следствие, большим задержкам в доставке сообщений [4]. Однако такая топология за счет создания мощной ЦС (с большой антенной, высокочувствительным приемником, мощным передатчиком), позволяет значительно упростить ПЗС. Такие ПЗС имеют небольшую антенну (до 3,5 м в диаметре) и несложное приемо-передающее устройство. Звездообразные сети спутниковой связи нашли широкое распространение для передачи данных в территориально распределенных вычислительных системах, преимущественно для организации доступа удаленных терминалов к центральной ЭВМ. Кроме того, топология «звезда» широко используется в тех случаях, когда требуется обеспечить дешевизну и низкие массогабаритные характеристики ПЗС, например, в сетях мобильной спутниковой связи. сеть сигнал звезда спутниковый топология

Рис. 10. Звездообразная сеть в режиме МДВР/ВРК

В каждом цикле все ПЗС поочередно передают свои сигналы на одной несущей в одной и той же полосе с одинаковой скоростью -Кмдвр. С учетом того, что интервал между последовательными кадрами передачи составляет Тц, реальная скорость передачи ПЗС при ВРК составит

Если сравнить две ПЗС, работающие: первая - в режиме МДВР, а вторая - МДЧР, и обеспечивающие передачу информации, то окажется, что требуемая мгновенная скорость передачи R в пределах кадра первой ПЗС (МДВР) составит в Тц/Тк раз больше, чем для второй ПЗС (МДЧР):

Так как полоса частот и, соответственно, мощность излучения передатчика прямо пропорциональны скорости передачи, то при МДВР каждая ПЗС должна обладать более мощным широкополосным передатчиком и приемником по сравнению с ПЗС МДЧР (рис. 11).

Рис. 11. Мощность сигнала

При большом числе станций в сети, например, порядка 100, такая разница в мощности может достигать 20 дБ, что является неприемлемым для малогабаритных ПЗС. Поэтому число станций в сети при МДВР, как правило, невелико. Учитывая, что МДВР обладает целым рядом преимуществ, на практике все чаще используют гибридные схемы множественного доступа, сочетающие преимущества частотного и временного разделения сигналов, в частности, многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов (МДЧВР). Сети класса «МДЧВР/МДЧР-МКН». С целью ограничения требований к мгновенной скорости передачи и, соответственно, мощности передатчика при МДВР используется следующий подход [7]. Все ПЗС делятся на группы, по L станций в каждой. Каждая группа работает на своей несущей частоте. Внутри группы ПЗС для доступа к РТР используется МДВР (рис. 12). ЦС передает сигналы для каждой группы ПЗС также на своей несущей частоте (МДЧР) с временным разделением каналов в режиме МКН.

Рис. 12. Звездообразная сеть с частотно-временным уплотнением в режиме МДЧВР/МДЧР-МКН

Сети с использованием МДКР. Успехи в разработке новых классов сложных сигналов приводят ко все более широкому распространению комбинированных схем доступа с использование кодового разделения сигналов. На рис. 13 приведены различные варианты построения сети спутниковой связи с использованием МДКР. Групповой сигнал ЦС при этом может формироваться различными способами.

Рис. 13. Варианты построения сети спутниковой связи: а - на основе КРК; б - ЧРК-ОКН; в - ЧРК-МКН; г - ВРК

Таким образом, в статье проведен теоретический анализ топологий сетей спутниковой связи (в частности, однонаправленная сеть, сеть с топологией типа «звезда», полносвязная сеть), указаны особенности функционирования каждой из рассмотренных сетей.

Список литературы

1. Бабышева Е. Е. Перспективы развития спутниковой связи // Экономика и качество систем связи. 2017. № 3. С. 38-45.

2. Чипига А. Ф. Анализ возможностей практической реализации системы спутниковой связи на участке «космический аппарат - земля» при работе на пониженных частотах // Наука. Инновации. Технологии. 2013. № 1. С. 63-70.

3. Спутниковые системы связи : учеб. пособие для вузов / под ред. А. М. Сомова. М. : Горячая линия - Телеком, 2012. 244 с.

4. Назаров С. Н. Влияние основных характеристик приемников и передатчиков земных станций и геостационарных ретрансляторов на пропускную способность спутниковых каналов связи // Вестник УлГТУ. 2010. № 3. С. 41-44.

5. Немировский М. С., Локшин Б. А., Аронов Д. А. Основы построения систем спутниковой связи : учебник / под ред. М. С. Немировского. М. : Горячая линия - Телеком, 2017. 432 с.

6. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учеб. пособие. 2-е изд., доп. М. : ВП, 2010. 603 с.

7. Huang J., Cao J. Recent Development of Commercial Satellite Communications Systems // Artificial Intelligence in China. Lecture Notes in Electrical Engineering / Liang Q., Wang W., Mu J., Liu X., Na Z., Chen B. (eds). Singapore : Springer, 2020. Vol. 572. 678 р.

Размещено на Allbest.ru