44785 (Каналы связи: Спутниковая Связь), страница 2

2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ

2.1. Особенности использования спутниковых каналов

Сеть связи, как правило, строится по иерархическому принципу с несколькими уровнями коммутации. Для передачи различных видов информации вводится типовая номенклатура каналов и трактов. За основу приняты канал тональной частоты с полосой 300...3400 Гц и эквивалентный ему цифровой канал со скоростью 64 Кбит/с. В сети образуются также каналы передачи звукового вещания, ТВ и другие широкополосные каналы.

При использовании в сети спутниковых участков необходимо учитывать их особенность, связанную с физической природой спутникового канала' - достигающее 260 мс время распространения сигнала между двумя ЗС через ИСЗ на ГО. При появлении в телефонном канале двух и более спутниковых участков качество связи ухудшается из-за влияния эхо-сигнала, длительного ответа (до более, чем 1,2 с) и возможного нарушения системы автоматического установления соединении Для предотвращения появления двойных скачков вводят определенные ограничения на использование спутниковых каналов.

К настоящему времени спутниковая связь используется в двух основных областях - передача Циркулярной информации большому числу абонентов или широковещательная передача (ТВ- и звуковое вещание, передача газет) и организация магистральных линий связи большой протяженности. Вес большее распространение находят новые услуги, под которыми подразумевают передачу по спутниковым каналам различной информации для всех потребителей или определенных их групп: конференц-связь с участием двух или большего числа абонентов, телефорумы, ТВ-системы с медленной разверткой, ТВВЧ, телетекст, передачи видеотеатра, учебные, профессиональные услуги по обеспечению местных библиотек, пакетная передача цифровой информации передача массивов .данных для ЭВМ, факсимиле, телекс, электронная почта, финансовая информация, объявления и пр. Рост общей пропускной у способности, расширение услуг ввод в эксплуатацию новых видов и типов каналов связи является характерным для развивающихся спутниковых систем связи.

2.2. Передача сигналов в аналоговой форме

Передача сигналов в аналоговой форме (ТВ, многоканальная телефония) обычно осуществляется с применением частотной модуляции (ЧМ), требующей по сравнению с амплитудной модуляцией существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем. Сигналы, дискретные по природе (телеграфия, данные), передаются по аналоговым каналам методом вторичного уплотнения, неэффективным с точки зрения использования пропускной способности канала. Преимуществом аналоговой передачи является более простое оборудование, особенно при передаче ТВ-сигналов.

2.3. Передача сигналов в цифровой форме

В последние годы преимущественное развитие получило использование в ССС цифровых методов передачи, обладающих следующими преимуществами:

- более высокой пропускной способностью ССС путем использования оптимальных методов модуляции и кодирования;

- возможностью более полного использования статистических характеристик передаваемого сообщения для повышения пропускной способности системы;

- более эффективной передачей дискретных сигналов.

Для передачи по цифровым каналам аналоговые сигналы подвергаются аналого-цифровому преобразованию. К наиболее распространенным видам аналого-цифрового преобразования можно отнести импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), дифференциальную и адаптивную дифференциальную ИКМ, дельта-модуляцию, адаптивную дельта-модуляцию . Исследования показали, что качественные показатели речи в междугородных каналах обеспечиваются при ИКМ со скоростью передачи 64 Кбит/с, методы низкоскоростного кодирования позволяют снизить эту скорость до 32 Кбит/с.

Эффективным средством повышения пропускной способности системы телефонной связи является статистическое уплотнение, основанное на использовании естественных пауз в разговоре двух абонентов. Дальнейшее повышение пропускной способности ствола ретранслятора может быть достигнуто применением помехоустойчивого кодирования, которое позволяет уменьшить требуемое отношение сигнал/шум.

2.4. Передача ТВ-сигналов в цифровой форме

Передача ТВ-сигналов в цифровой форме по спутниковым каналам не нашла еще широкого применения. Оборудование остается пока достаточно сложным и дорогим. Более перспективными на первом этапе оказываются комбинированные цифро-аналоговые методы, когда часть информации передается в аналоговой, часть - в цифровой форме (сигналы синхронизации и звукового сопровождения).

Одной из новых форм использования ССС является организация конференц-связи, призванной повысить производительность труда управленческого персонала. В США более 110 компаний имеют системы конференц-связи со своими отделениями и филиалами, действуют такие системы в Японии и создаются в других странах. Изображение, как правило, передается с пониженным качеством и требует существенно меньшей (1,2 Мбит/с) пропускной способности канала, чем при вещательном ТВ (34 Мбит/с).

2.5. Передача циркулярных сигналов (широковещательная передача)

Сигналы звукового сопровождения ТВ и звукового вещания в традиционных системах с ЧМ передаются обычно совместно с сигналом изображения на поднесущих частотах, расположенных выше его спектра. Лля достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом ЧМ поднесущей. Таким способом удается организавать не более трех звуковых каналов. В отечественных системах "Орбита" и "Москва" передаются сигналы изображения газетных полос, занимающих полосу частот 240 кГц. Приемная станция может устанавливаться непосредственно в типографии.

Сигналы звукового вещания и другие виды циркулярной информации передаются не только совместно с ТВ. Широкое применение нашел способ одновременной передачи в спутниковом стволе большого числа (до 25) высококачественных звуковых программ, передаваемых в цифровой форме с временным разделением.

2.6. Методы коммутации и передачи данных в ССС

Распределение ресурсов ИСЗ (мощности и полосы) по требованиям различных ЗС (для линий ЗС - ИСЗ) осуществляется на трех этапах: формирование на ИСЗ нескольких стволов за счет использования нескольких ретрансляторов, работающих в различных частотных диапазонах, разделением каналов для обеспечения многостанционного доступа в стволе и динамическим распределением каналов или групп каналов для их коллективного использования на основе методов распределения запросов.

В ИСЗ, как правило, устанавливается несколько независимых ретрансляторов. Каждый ретранслятор имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов желаемой полосой частот. Распределение ресурсов каждого ретранслятора, то есть формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов, а для обеспечения многостанционного доступа (МД) используются: частотное уплотнение (МДЧУ), временное уплотнение (МДВУ) и кодовое уплотнение (МДКУ) .

При МДЧУ формирование каналов достигается путем разделения полной полосы ретранслятора между различными группами несущих и ограничения частотной полосы передачи на каждой несущей выделенным поддиапазоном. Ретранслятор работает в режиме близком к линейному, поэтому мощность, выделенная для каждой несущей приблизительно пропорциональна ее мощности на линии ЗС - ИСЗ. МДЧУ не нуждается в координации запросов в реальном времени и может использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Экономически целесообразно использовать МДЧУ для группообразования на линиях дальней телефонной связи, которые обслуживают запросы, поступающие с большой скважностью, но требующие высоких скоростей передачи данных, что требуется при уплотнении трафика большого числа пользователей одной ЗС, а также в тех случаях, когда полный трафих, исходящий от ЗС, невелик и имеет небольшую интенсивность.

В случае МДВУ формирование каналов осуществляется путем временного разделения всей выделенной полосы рабочих частот и мощности между различными запросами. Для успешной передачи сообщений передачу через ИСЗ в любое заданное время должна вести только одна ЗС, поэтому требования к управлению мощностью здесь минимальны. При временном разделении каналов используется кадровая структура, что в отличие от методов непрерывной передачи подразумевает необходимость общесетевой синхронизации всех ЗС и использование пакетов с Цифровыми сигналами. Время, предоставляемое ЗС для синхронной передачи, зависит от общей синхронизации, устанавливаемой или непосредственно лидером - ведущей станцией, или косвенным путем, с учетом задержки распространения сигнала на трассе ЗС - ИСЗ, которая обычно измеряется ЗС, принимающей свою собственную передачу.

С помощью методов кодирования с изменяемой избыточностью, или простых изменений вида модуляции системы МДЧУ и МДВУ можно приспособить к различным условиям распространения и к ЗС, приемные характеристики которых могут различаться на 10 - 15 дБ. В случае МДВУ один пакет может содержать сообщения, предназначенные для станций с различными скоростями приема.

Для ССС разработаны различные методы распределения пропускной способности ИСЗ по запросам. Эти методы разделяют на две группы: методы коммутации каналов, предназначенные для обработки телефонных сообщений, и методы коммутации пакетов предназначенные для обработки данных. Во второй группе выделяют три способа: случайный доступ, неявное резервирование и явное резервирование.

2.6.1. Системы с коммутацией каналов с временным уплотнением

В подобных системах пропускная способность ретранслятора распределяется по каналам путем организации многостанционного доступа с частотным уплотнением (МДЧУ). Все каналы системы, кроме одного служебного, динамически перераспределяются по запросам станций. Служебный канал используется по способу МДВУ. Таким образом, каждой станции в кадре служебного канала постоянно выделяется один временной сегмент. Когда на интерфейс ЗС по линии наземной связи поступает новый запрос на соединение (вызов), эта станция посылает в собственном сегменте служебного канала требование на выделение двухстороннего канала, т.е. пары каналов из совокупности перераспределяемых каналов МДЧУ. При наличии хотя бы одного свободного канала между вызывающей и вызываемой станциями устанавливается полная дуплексная связь. По окончании соединения любая из пары станций освобождает канал путем посылки сигналов в собственном сегменте служебного канала.

В системе с МДВУ каждому каналу в пределах кадра, длительностью 125 мкс при скорости передачи данных 64 кбит/с выделяется временной сегмент, вмещающий 8 бит цифрового сигнала речи, полученного путем импульсно кодовой модуляции (ИКМ). В каждом кадре каналы распределены на группы, причем каждой абонентской станции выделена своя группа. Количество каналов в каждой группе периодически перераспределяется, так что ЗС с большой нагрузкой могут использовать большое количество каналов.

Обе системы эффективны при телефонной связи, для обслуживания которой они и были предназначены, поскольку длительность телефонного разговора, как правило, значительно превышает время, необходимое для выделения нового канала. Однако при пульсирующем трафике, требующем кратковременного занятия каналов, эти системы не позволяют значительно повысить эффективность использования каналов .

2.6.2. Коммутация пакетов

Для нужд пакетной связи потребовались разработки новых методов распределения пропускной способности ИСЗ с коммутацией пакетов и множественным или многостанционным доступом абонентских станций к спутниковой системе. Метод организации связи, получивший название метода "коммутации пакетов" (КП), предполагает разделение входного информационного потока на небольшие сегменты или пакеты данных, которые перемещаются по сети связи или сети передачи данных аналогично письмам в почтовой системе, но с гораздо большей скоростью. Использование этого метода обеспечивает значительное повышение эффективности системы, по сравнению с системами коммутации каналов, но имеют более сложную систему управления. Последнее обстоятельство стало и технически и экономически преодолимо за последнее десятилетие , благодаря бурному развитию высокоинтегральных микроэлектронных схем и микропроцессорной техники.

Первыми разработками в области систем связи с множественным доступом и пакетной коммутацией (эти же разработки получают развитие и до сего времени) стали: случайный метод, неявного резервирования и явного резервирования. Описание организации множественного или многостанционного доступа рассматривается подробнее, так как эти методы управления в наибольшей степени согласуются с принципом организации взаимосвязи компьютерных информационных систем и сетей ЭВМ.

2.7. Многостанционный доступ в ССС.

Особенностью спутниковой связи, обусловленной самим принципом этого вида связи, является возможность одновременного доступа к ретранслятору космической станции сигналов нескольких ЗС. Пропускная способность ретранслятора оказывается при этом несколько ниже, чем в односигнальном режиме работы. В зависимости от метода разделения сигналов на приеме различают три основных способа многостанционного доступа: с частотным разделением каналов (МДЧР), с временным разделением (МДВР) и с кодовым разделением (МДКР) .

2.7.1. Описание основных методов многостанционного доступа

В данном разделе не преследуется цель подробного описания всех существующих в спутниковых системах связи методов управления доступом к среде. Рассматриваются те, которые в большей степени совместимы с принципами организации взаимодействия ССС с компьютерными абонентскими станциями, автономными или подключаемых к сети ЭВМ.