РТФ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
Радиотехнический институт УГТУ – УПИ
Инновационная образовательная
программа
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн.
кафедры ТСС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
наук, доцент
2008
2
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
лекция 16
Спутниковые системы связи
Цели лекции:



Знакомство с основными видами спутниковых и космических систем связи,
услугами и службами электросвязи;
Знакомство с основными понятиями и
терминами;
Изучение основных типов спутниковых
линий связи.
4
Основные термины






Сообщение – форма представления информации, удобная для
передачи на расстояние.
Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое
сообщение.
Электрический сигнал – сигнал, носителем которого является
любая электрическая величина.
Электромагнитная совместимость –
способность
технической системы выполнять свои функции, не оказывая
вредного или мешающего воздействия на другие технические
системы.
Ретрансляция – получение и передача сообщения без
внесения в него изменений.
Частотный спектр – совокупность ряда гармонических
составляющих (гармоник) сложного сигнала.
5
Основные термины





Радиолинии (беспроводные линии) - тип линий связи, где в
качестве среды распространения используется открытое
пространство.
Помеха - любое воздействие на полезный сигнал, изменяющее
его информационный параметр и затрудняющее правильный
прием сообщения.
Ионосфера – ионизированная часть атмосферы Земли.
Ионосферные системы передачи на декаметровых волнах
– радиосистемы, в которых используется отражение радиоволн
от ионосферы.
Служба электросвязи – комплекс средств, обеспечивающих
предоставление абонентам (пользователям) услуг связи.
6
Спутниковые системы связи

23.04.1965
г.
в
России был запущен первый в мире
спутник
связи
"Молния – 1" с
приемопередающей
ретрансляционной
станцией на борту.
Появилась спутниковая связь.
7
Спутниковые системы связи

Спутниковой называется радиосвязь между земными радиостанциями, осуществляемая с помощью ретрансляции радиосигналов через один или несколько искусственных спутников
Земли (ИСЗ). Спутниковые системы уже давно используются
для организации связи с подвижными объектами и резервирования наземных линий передачи большой протяженности. С
помощью спутниковых систем передаются программы звуко-вого
и телевизионного вещания, данные, телефонные и телеграфные сообщения. Использование спутниковых систем связи
для организации связи с труднодоступными и удаленными районами является более выгодным, нежели строительство РРЛ
или проводных линий связи. В последнее время наблюдается
заметная активность на и рынке систем спутникового телевидения. Поскольку они служат только для передачи сигнала к пользователю, то это позволяет удешевить пользовательский комплект. В результате стоимость подключения оказывается в несколько раз ниже, чем у системы дуплексной спутниковой связи.
8
Схема спутниковой системы связи
9
Антенна для приема
С-диапазона
Частотные диапазоны, используемые
для спутниковых телекоммуникаций
Диапазон
Источники помех
Нисходящий
Восходящий
канал (downlink)
[ГГц]
канал (uplink)
[ГГц]
С
3,7-4,2
5,925-6,425
Ku
11,7-12,2
14,0-14,5
Дождь
Ka
17,7-21,7
27,5-30,5
Дождь
Наземные помехи
10
Спутниковые системы связи




Различают ведомственные, национальные и международные
системы спутниковой связи (ССС). В зависимости от вида
передаваемых сообщений ССС разделяют на универсальные
многофункциональные и специализированные.
В многофункциональных ССС – земные станции
обмениваются различными видами сообщений,
В специализированных ССС – передают один – два вида
сообщений, например, программы телевизионного и радиовещания, причем в этом случае прием возможен и непосредственно абонентами сети спутникового телевидения с
помощью специальных приемных приставок – транскодеров.
Основные недостатки ССС: уязвимость от помех, особенно
преднамеренных, и возможность вывода из строя космическими средствами поражения.
11
Спутниковые системы связи

Аналогично наземным РРЛ связи, земные оконечные
радиостанции излучают радиосигналы в направлении спутника
связи (восходящее направление), где производится их прием,
обработка и ретрансляция в обратном нисходящем
направлении. Не следует путать наземные РРС с земными
РРС для связи через ИСЗ. Как и в наземных радиосистемах, в
спутниковой
связи
существуют
приемопередающие,
передающие и приемные земные станции. Кроме того, в
системах спутниковой связи используются контрольные
земные станции, которые контролируют режимы работы
ретранслятора на ИСЗ и режимы работы земных станций. В
настоящее время известно несколько разновидностей систем
спутниковой связи, отличающихся построением космического
сегмента.
12
Спутниковые системы связи





Различают системы связи с космическими аппаратами (КА)
находящимися на круговых, эллиптических, геостационарных
орбитах и низкоорбитальные, каждая из которых может иметь
несколько разновидностей. ССС всегда включают в себя три
основных комплекса:
земной – земные станции различного назначения;
космический – спутники связи – космические аппараты (КА);
управления – автоматизированная система управления (АСУ
ССС);
Стартовые комплексы, ракетоносители и наземная система
управления и контроля спутников на орбите, как правило, не
является принадлежностью конкретной системы, а используются в интересах многих систем различного назначения. ССС
регистрируются в МСЭ с целью координации использования
частот и избежания взаимных помех при работе.
13
Системы с КА на геостационарной орбите имеют наибольшую зону
радиовидимости и могут обеспечивать связью огромные территории. В 1975 г. в
СССР был запущен первый в мире геостационарный спутник "Радуга" с
круговой экваториальной орбитой высотой 35768 км и периодом обращения 24
часа. При совпадении направлений вращения Земли и движения спутника по
такой орбите, он находится ("стоит") в одной точке небосвода по отношению к
поверхности планеты и продолжительность сеанса связи не ограничивается
временем его нахождения в зоне радиовидимости. Если зона обслуживания
системы полностью входит в зону радиовидимости КА, то достаточно иметь
один КА для организации круглосуточной связи.
14
Системы с КА на
геостационарной орбите

Типичный геостационарный спутник имеет 12–20 приемопередатчиков – стволов (транспондеров), каждый из которых
работает на своих несущих частотах и имеет полосу пропускания порядка 5–50 МГц. Мощность каждого передатчика составляет от единиц до сотен ватт. Один ствол, в зависимости от
вида используемого радиосигнала, может обеспечить скорость
передачи от 40 до 400 Мбит/с. Два транспондера могут
использовать разную поляризацию при излучении или приеме
сигнала и работать на одной и той же частоте. Каждый
телекоммуникационный спутник обычно снабжен также несколькими антеннами, в том числе многолучевыми. Нисходящий луч,
излучаемый каждой из них, может быть сфокусирован на достаточно ограниченную область на земле (диаметром до несколько
сотен км).
15
Системы с КА на
геостационарной орбите


Применив на КА несколько многолучевых остронаправленных антенн можно точно "очертить" границы зоны обслуживания и достаточно
экономно
использовать
энергетические ресурсы КА.
Поскольку геостационарная орбита проходит над экватором, то невозможно организовать обслуживание приполярных районов из-за
низкого угла места антенн земных
станций. Кроме того, особенно при
использовании в системе связи
двух или более спутников, возникают ограничения из-за большого
времени задержки распространения сигналов, превышающего рекомендации МСЭ для дуплексной
телефонной связи, и большого
количества уже запущенных на эту
орбиту различных КА.
ИСЗ Экспресс-А
16
Схема расположения некоторых телевизионных спутников
на геостационарной орбите для вещания
на Европейский регион
17
Системы с КА на
геостационарной орбите

Мощность передатчиков земных станций может составлять от нескольких
ватт до десяти киловатт. Радиоприемники земных станций имеют очень высокую чувствительность, иногда даже
превышающую мощность тепловых
шумов. Используются высоконаправленные зеркальные антенны или антенные системы с очень узким главным
лепестком (от долей до 1 – 2 градусов)
и низким уровнем боковых лепестков
диаграммы направленности. Это связано с тем, что полоса частот радиопрозрачного окна земной атмосферы
лежит в пределах 1 – 12 ГГц, а к
моменту появления спутниковых систем, именно эта полоса уже широко
использовалась в наземных РЛЛ.
18

Системы с КА на круговых орбитах различаются по числу
используемых в них спутников, высотой и наклонением их
орбит, а также структурой построения. Если нет ограничений на
задержку распространения сообщений, используют системы с
одним КА, который, проходя в зоне радиовидимости передающей земной станции, принимает ее сигналы, запоминает
их, а, при пролете над нужным районом, передает сообщение
адресату.
19
Системы с КА
на круговых орбитах

Для обеспечения возможности связи в любые моменты
времени необходимо иметь несколько КА (группировку), что
может обеспечить и сплошное покрытие обслуживаемой
территории, особенно при наличии каналов связи между КА
группировки (космической системы связи) и некоторой
избыточности числа КА над минимально необходимым.
Наоборот, если возможны перерывы связи, можно уменьшить
число КА в группировке. Изменяя количество КА и наклонения
их орбит, можно создавать широтные зоны в северном и южном
полушариях, внутри которых обеспечивается непрерывная, а
вне этих зон – периодическая связь. Нап-ример, в системе
космической связи "Паллада" при высоте орбиты 1600 км для
обеспечения международной связи на всей территории Земли
требуется 36 спутников, а для обслуживания широтного пояса
36 – 80о с. ш. (территория РФ) – только 24 КА.
20
Системы с КА на эллиптических орбитах во многом схожи с системами с круговой орбитой и применяются для обслуживания локальных районов Земли,
например, как дополняющий сегмент к геостационарной системе для обслуживания приполярных районов. При эллиптической орбите спутник то приближается к
поверхности Земли (перигей орбиты), то удаляется от нее (апогей орбиты). При
малых (500 – 800 км) высотах орбиты снижаются требования к приемопередающим системам как КА, так и земных станций. Это основной фактор в создании
низкоорбитальных систем спутниковой связи с применением так называемых
низколетящих спутников (высота орбиты в рабочей зоне 800 – 1500 км; период
обращения ~ около 1 часа).
21
Низкоорбитальные системы
спутниковой связи

В низкоорбитальных системах спутники движутся по эллиптическим
орбитам, и каждый из них в отдельности не может гарантировать
бесперебойной связи, но вся группировка КА обеспечивает широкую
зону покрытия (каждый из спутников работает в режиме “запомнить и
передать”). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом
случае могут иметь небольшие ненаправленные антенны и малую
стоимость. Использование более низких частот, возможность
многократного повторного использования частотных каналов, высокая
степень резервирования, поскольку отказ даже нескольких КА
приводит лишь к снижению пропускной способности системы (сети)
связи, возможность быстрого развертывания, малая зависимость
качества связи от рельефа местности и относительно низкая
стоимость – вот характерные черты таких систем. Кроме того, в
низкоорбитальных системах появляется возможность простого и
точного определения местоположения земных объектов (системы GPS
– Global Positioning System).
22
ИСЗ
«Молния-2»

В 1965 г. был запущен ИСЗ
связи "Молния" и впервые в
мире осуществлен обмен телевизионными программами между Москвой и Владивостоком.
ИСЗ "Молния" находился на
эллиптической орбите с апогеем 40 000 км над северным
полушарием и периодом обращения 12 часов. При такой орбите положение ретранслятора
повторяется дважды в сутки и в
зону его радиовидимости попадает почти вся территория России. Круглосуточная работа
системы связи обеспечивается
несколькими ИСЗ, запущенными на ту же орбиту со сдвигом
во времени.
23
ИСЗ Ямал-100

Кроме общероссийских спутниковых систем действуют также ведомственные спутниковые системы связи, например, нефтедобывающего
комплекса "Ямал", обеспечивающая трансляцию 24 программ телевидения, телефонную технологическую связь и передачу телеметрической информации, и другие аналогичные системы. В рамках Программы развития спутниковой связи и вещания "Россия" предусматривается создание высокоорбитальной сети спутниковой подвижной
связи общего пользования, в которую войдут системы "Ямал", "Маяк",
"Зеркало" и др.
24
ФГУП "Космическая связь"

В 1967 г. для эксплуатации спутниковых систем связи в СССР
было создано государственное предприятие космической связи
(ГПКС), в дальнейшем преобразованное в Федеральное Государственное Унитарное Предприятие (ФГУП) "Космическая
связь". Оно обладает самой крупной в России группировкой
спутников связи, расположенных на геостационарных орбитах
от 14о западной долготы до 145о восточной долготы. КА работают в С-, Ku- и L- диапазонах, зона их обслуживания охватывает территории России, СНГ, Европы, Ближнего Востока, Африки, Азиатско-Тихоокеанского региона, Северной и Южной
Америки и Австралии. В международной кооперации с компаниями Alcatel Space и NEC/TOSHIBA Space Systems осуществлен запуск современных спутников связи серий "Экспресс-А" и
"Экспресс-АМ", предназначенных для предоставления услуг
цифрового телерадиовещания, телефонии, видеоконференцсвязи, передачи данных, доступа к сети Интернет и создания
сетей спутниковой связи по технологии VSAT.
25
ИСЗ «Радуга»
и «Горизонт»

В состав ФГУП "Космическая связь входят центры космической связи
(ЦКС) "Медвежьи Озера", "Дубна", "Владимир", "Сколково", "Железногорск", "Хабаровск", объединенные общей волоконно-оптической
сетью, а также Технический Центр (ТЦ) "Шаболовка". Для сбалансированного развития космической группировки и повышения надежности ее управления создан современный комплекс управления КА с
автоматизированной системой мониторинга и измерения параметров
спутниковых бортовых ретрансляционных комплексов (АСНИ). Развитая
инфраструктура ЦКС позволяет оказывать услуги по управлению и
мониторингу спутников другим операторам связи на территории России,
СНГ и большинства стран мира.
26
Контрольные вопросы






В чем состоит различие между многофункциональными и
специализированными спутниковыми системами связи?
Поясните общие принципы создания сетей спутниковой связи по
технологии VSAT.
Охарактеризуйте типичный геостационарный спутник.
В чем состоит различие между системами спутниковой связи с
КА на круговых, эллиптических, геостационарных орбитах и
низкоорбитальными системами?
Почему в системами спутниковой связи с КА на геостационарных
орбитах
используются
высоконаправленные
зеркальные антенны или антенные системы с очень узким
главным лепестком (от долей до 1 – 2 градусов) и низким
уровнем боковых лепестков диаграммы направленности?
Какие ведомственные системы спутниковой связи РФ Вы знаете?
27
Информационное обеспечение
лекции
Список литературы






Телекоммуникационные системы и сети. Том 2. Радиосвязь,
радиовещание, телевидение. Учебное пособие. В. П. Шувалов.– М.:
Радио и связь, 2003.
Симонов А.М., Ермилов В. П. Гармонизация нормативного
регулирования земных станций спутниковой связи. – М.: НИИР,
2004. – 643 с.
Бадялик В. П. Основы телевизионного вещания со спутников. – М.:
Горячая линия – Телеком, 2004.
Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети : Пер. с англ. – М.:
Издательский дом "Вильямс", 2003. – 640 с.: ил.
Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб.
пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил.
Додд Аннабел 3. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и
отрасли. Пер. с англ. – М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2002. – 400 с.: ил.
28
Конец фильма
Спасибо за внимание!