4.3.4. Спутниковая связь

В зависимости от высоты орбиты, спутники делятся на геостационарные и низкоорбитальные.

Cпутники, находящиеся на высоте около 36 тыс. км над экватором, со-

гласно третьему закону Кеплера, имеют период обращения равный 24 часам, и называются геостационарными (неподвижными относительно Земли). Приме-

нение геостационарных спутников позволяет значительно упростить антенные системы (нет необходимости в приводе, меняющем ориентацию антенны). Че-

тыре геостационарных спутника (расположенные на угловом расстоянии в 90 градусов друг от друга) покрывают всю поверхность Земли. К недостаткам гео- стационарных спутников относится довольно большая задержка прохождения

сигнала (250-300 мс). Кроме того, слишком близко расположенные спутники, работающие в в одном диапазоне частот, будут создавать помехи друг для дру- га. Приемлемое угловое расстояние между такими спутниками составляет 2

градуса, то есть одновременно на геостационарной орбите может находиться не более 180 спутников (работающих в общем диапазоне частот). За счет исполь- зования нескольких диапазонов это ограничение несколько смягчается. Тради-

ционно используются частоты (приблизительно) от 3 ГГц до 30 ГГц, что при-

водит к зависимости качества передачи от погодных условий (дождь, снег).

Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков (транспондеров),

работающих в разных частотных диапазонах. Количество транспондеров обыч-

но лежит в интервале 12..20, типичная пропускная способность одного транс-

пондера – 50 Мбит/с.

Примеры геостационарных систем – Инмарсат, Runnet. Один из спутни-

ков системы Runnet охватывает почти всю территорию России. Диапазоны час-

тот 6.18..6.22 ГГц и 3.855..3.895 ГГц. Диаметр антенны 4,8м.

Низкоорбитальные (высота орбиты – от сотен до единиц тысяч километ-

ров) спутники постоянно перемещаются относительно любой точки поверхно- сти Земли. Основной принцип низкоорбитальных систем – большое количество (несколько десятков) спутников, совместно охватывающих весь земной шар. Тогда любая наземная станция может переключаться между спутниками по ме- ре их прохождения.

Самый известный проект низкоорбитальной системы – Иридиум – вклю-

чает 66 (первоначально планировалось 77) спутников на высоте 750 км. Каж-

дый спутник имеет по 48 лучей по 174 дуплексных канала каждый. Диапазон частот 1610-1626.5 МГц (позволяет использовать питание от аккумуляторов).

Другой проект – Глобалстар – включает 48 спутников на высоте 1400 км,

у каждого спутника по шесть сфокусированных лучей по 2800 каналов каждый. Наземная станция в каждый момент времени поддерживает связь с тремя бли- жайшими спутниками.

4.3.5. Сотовая связь

Сотовая связь основана на применении кабельных и беспроводных кана- лов на тех участках, где они могут проявить свои сильные стороны. Базовая структура сети создается на основе высокоскоростных кабельных каналов свя- зи, а подключение абонентов производится по радиоканалам, что позволяет обеспечить их мобильность. Хотя основное применение сотовых систем до сих пор лежит в области телефонии, современные сотовые технологии позволяют передавать и произвольные цифровые данные.

Различают три поколения систем сотовой связи:

- аналоговые системы (1-е поколение): AMPS, TACS, NMT 450 и др.;

- цифровые системы (2-е поколение): D-AMPS, GSM, CDMA и др.;

- универсальные цифровые системы (3-е поколение) – пока массово не приме-

няются.

Во всех аналоговых системах для передачи речи применяется частотная модуляция и частотное разделение каналов (полоса, отводимая для одного або-

нента – от 12.5 до 30 кГц). Недостатки аналоговых систем – малая емкость (не-

достаточно рациональное использование полосы частот), слабая защита от про-

слушивания, большие габариты абонентского оборудования. Тем не менее, ана- логовый стандарт NMT 450 (“скандинавский стандарт”) является одним из двух Российских федеральных стандартов сотовой связи.

Цифровые системы используют одну из двух разновидностей метода множественного доступа: временное разделение каналов (D-AMPS, GSM) или кодовое разделение каналов (CDMA). Например, в стандарте D-AMPS исполь- зуется две полосы по 25 МГц, каждая из которых разбита на 832 частотных ка-

нала по 30 кГц. Стандарт GSM 900 отводит под один канал полосу в 200 кГц, и в полном диапазоне умещается 124 канала. По каждому каналу передаются кадры, принадлежащие разным абонентам – за счет этого достигается времен-

ное разделение. При кодовом разделении используется метод расширения спек- тра (см. 4.3.3): все абоненты используют общую полосу (около 1 МГц), но дан- ные разных абонентов кодируются разными псевдослучайными последователь-

ностями по методу DSSS.

Системы сотовой связи строятся в виде совокупностей ячеек (cell), по-

крывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно изображают в виде правильных шестиугольников, соприкасающихся ребрами. Схема сети в этом

случае напоминает пчелиные соты, что и послужило причиной возникновения термина “сотовая сеть” (cellular network). В центре каждой ячейки располагает- ся базовая станция (БС), с которой (по радиоканалам) связываются все абонен-

ты, находящиеся в пределах данной ячейки. На базовой станции расположены приемная и передающая антенны (часто используется пара приемных антенн), несколько приемников и передатчиков (работающих на разных поддиапазонах

частот из выделенной данной БС полосы частот), контроллер и блок сопряже- ния с линией связи. Если абонент перемещается в другую ячейку, его начинает обслуживать другая БС. Все БС связаны с центром коммутации, у которого

имеется подключение, например, к обычной городской телефонной сети. Если

сеть достаточно крупная, то в ней может присутствовать несколько связанных между собой центров коммутации.

Основным принципом сотовой связи, отличающим ее от других систем связи с мобильными абонентами, является принцип повторного использова- ния частот (frequency reuse), позволяющий теоретически неограниченно нара-

щивать емкость системы (реальное ограничение – мощность центра коммута- ции). Суть его в следующем. В рядом расположенных ячейках используются разные полосы частот, что позволяет соседним БС не конкурировать за общую полосу, а абонентскому оборудованию легко выбирать ближайшую к нему БС

(по сигналу максимальной мощности). В то же время, одну и ту же полосу можно использовать в несмежных ячейках. Группу ячеек, в которой каждый частотный диапазон используется только одной ячейкой, называют кластером.

В результате, для сети произвольного размера, оказывается достаточным нали- чие трех непересекающихся частотных диапазонов, то есть сеть может быть разбита на 3-элементные кластеры. Такое разбиение оказывается не очень

удобным: хотя ячейки, использующие общую полосу частот, и не соприкасают- ся, но находятся достаточно близко, чтобы создавать друг другу помехи. По- этому чаще используют кластеры с большим количеством элементов.