Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Кларк (Arthur S. Clarke) подсчитал, что спутник, расположенный на высоте 35 800 км на круговой экваториальной орбите, будетоставаться неподвижным относительно Земли. А значит, следить за ним будет гораздопроще (Clarke, 1945). Он развил свою мысль и описал целую коммуникационную систему, использующую такие (пилотируемые) геостационарные спутники. Он описалорбиты, солнечные батареи, радиочастоты и даже процедуры связи. К сожалению,в конце концов он пришел к неутешительному выводу, что такие спутники вряд либудут иметь практическое значение, потому что на их борту невозможно разместитьэнергоемкие, хрупкие ламповые усилители.
В связи с этим, Кларк не стал больше развивать свою идею, хотя и написал несколько фантастических рассказов о подобныхискусственных спутниках.Положение вещей изменило изобретение транзистора, и вот в июле 1962 года производится запуск первого в мире спутника связи Telstar.С тех пор спутники связи стали многомиллиардным бизнесом и единственнымприбыльным делом, связанным с космическими технологиями. Про спутники, вращающиеся на большой высоте, говорят, что они расположены на геостационарнойорбите (GEO, Geostationary Earth Orbit).Современные технологии таковы, что расположение спутников чаще, чем черезкаждые два градуса в 360-градусной экваториальной плоскости, является нерациональным. В противном случае возможна интерференция сигналов.
Итак, если накаждые два градуса приходится один спутник, то всего их в экваториальной плоскости можно разместить 360/2 = 180. Сто восемьдесят спутников могут одновременнонаходиться в небе и вращаться в одной и той же плоскости на одной и той же высоте.Тем не менее у каждого транспондера есть возможность работы на разных частотахи с разной поляризацией, что позволяет увеличить максимальную пропускную способность всей системы.2.4. Спутники связи 137Со временем возникла необходимость предотвращения беспорядочного использования околоземных орбит. Навести порядок в небе было поручено организации ITU.Процесс выделения орбит очень сильно связан с политикой, причем многие страныв борьбе за свой «кусок» неба напоминают далеких предков человека из каменноговека.
Это объясняется очень высокими потенциальными доходами, которые государство может извлечь, сдавая в аренду кусочки космоса. В то же время некоторыестраны заявляют, что их государственные границы в высоту простираются до самойЛуны и что использование орбит, проходящих над их территорией, иностранными государствами является нелегальным. Жаркие споры на эту тему подогревает еще и тотфакт, что коммерческая связь — это далеко не единственное применение спутниковсвязи, а значит, и их орбит.
Ими пользуются операторы спутникового телевидения,правительственные структуры и военные.Современные спутники могут быть довольно большими, весят более 5000 кг и потребляют до нескольких киловатт электроэнергии, вырабатываемой солнечнымибатареями. Эффекты гравитации, вызванные Солнцем, Луной и другими планетами,постепенно вызывают смещение с орбит и изменение ориентации. Приходится компенсировать это с помощью бортовых двигателей. Действия по сохранению параметров орбит спутников называются позиционированием. И все же приходит момент,когда топливо у бортовых двигателей заканчивается (обычно такое случается после десяти лет использования).
Тогда спутник начинает беспомощно дрейфовать, постепенносходя с орбиты. Понятно, что он перестает быть дееспособным и его нужно отключать.Обычно спутники связи заканчивают свою жизнь, постепенно входя в плотные слоиатмосферы и сгорая там либо (крайне редко) падая на землю.Участки орбит — это не единственный предмет, за который борются страны и отдельные компании.
Разумеется, распределению между всеми желающими подлежати рабочие диапазоны частот, поскольку нисходящие сигналы спутников могут вызывать помехи в работе микроволновых устройств. Поэтому ITU были выделенычастотные диапазоны, предназначенные исключительно для спутников связи. Самыеважные из них показаны в табл. 2.3.Таблица 2.3.
Основные частотные диапазоны спутников связиДиапазонНисходящиесигналы, ГГцВосходящиесигналы, ГГцL1,51,6S1,9C4,0Ширинаполосы, МГцПроблемы15Узкая полоса; переполнен2,270Узкая полоса; переполнен6,0500Наземная интерференцияДождьKu1114500Ka20303500Дождь, стоимость оборудованияДиапазон С был первой полосой частот, предназначенной для трафика коммерческих спутников.
Он разбивается на два поддиапазона. Один из них предназначен длясигналов с Земли (восходящих), другой — для сигналов со спутника (нисходящих).Таким образом, для двусторонней передачи требуется сразу два канала. Они уже пере-138 Глава 2. Физический уровеньполнены пользователями, поскольку на тех же частотах работают наземные микроволновые устройства связи. В 2000 году, в соответствии с международным соглашением,было добавлено два дополнительных диапазона: S и L. Тем не менее они тоже весьмаузки и уже заполнены.Следующий высокочастотный диапазон коммерческой связи называется Ku(K under, то есть «под К»).
Полоса пока еще не переполнена, и работающие на ее самыхвысоких частотах спутники могут располагаться на угловом расстоянии один градус друг от друга. У диапазона Ku имеется еще одна проблема: волны этих частотглушатся дождем. Вода очень плохо пропускает микроволновый сигнал. К счастью,очень сильные ливни обычно бывают весьма узко локализованы, поэтому проблемуудается решить с помощью нескольких наземных установок, расположенных довольнодалеко друг от друга. Цена, которую приходится платить за «проблему дождя», весьмавысока: это дополнительные антенны, кабели и электронные устройства для быстропереключения станций.
Наконец, самым высокочастотным диапазоном является Ka(K above, то есть, «над К»). Основной проблемой является очень высокая стоимостьоборудования для работы на этих частотах. Помимо коммерческих диапазонов, существует также множество военных и правительственных.На современном спутнике имеется порядка 40 транспондеров, чаще всего с полосами в 36 МГц.
Обычно каждый транспондер работает по принципу «узкой трубы»,однако недавно появились спутники, оснащенные бортовыми процессорами для обработки сигналов. В первых спутниках разделение транспондеров по каналам былостатическим: весь доступный рабочий диапазон просто разделялся на несколькофиксированных полос. Теперь же сигнал транспондера разделяется на временныеслоты, то есть каждому пользователю выделяется на передачу определенный промежуток времени. Ниже в этой главе мы изучим оба принципа (частотное и временноемультиплексирование) более подробно.Первые геостационарные спутники связи имели один луч, который охватывал примерно 1/3 земной поверхности и назывался точечным лучом. Однако по мере удешевления, уменьшения размеров и энергоемкости микроэлектронных элементов, сталипоявляться более сложные стратегии.
Стало возможно оборудовать каждый спутникнесколькими антеннами и несколькими транспондерами. Каждый нисходящий лучсфокусировали на небольшой территории; таким образом, смогли осуществить одновременную передачу нескольких сигналов. Обычно эти так называемые пятна имеютформу овала и могут иметь относительно малые размеры — порядка нескольких сотенкилометров. Американский спутник связи охватывает широким лучом 48 штатов,а также имеет два узких луча для Аляски и Гавайских островов.Новым витком развития спутников связи стало создание недорогих терминаловсо сверхмалой апертурой — VSAT (Very Small Aperture Terminal) (Abramson, 2000).У этих небольших станций имеется антенна диаметром всего один метр (сравнитес 10-метровой антенной GEO), их выходная мощность составляет примерно 1 Вт.Скорость работы в направлении Земля — спутник обычно составляет до 1 Мбит/с,зато связь спутник — Земля можно поддерживать до нескольких мегабит в секунду.Спутниковое широковещательное телевидение использует эту технологию для односторонней передачи сигнала.Многим микростанциям VSAT не хватает мощности для того, чтобы связыватьсядруг с другом (через спутник, разумеется).
Для решения этой проблемы устанавли-2.4. Спутники связи 139ваются специальные наземные концентраторы с большой мощной антенной. Концентратор (хаб, ретранслятор) распределяет трафик между несколькими VSAT, какпоказано на рис. 2.14. В таком режиме либо приемник, либо передатчик обязательноимеет большую антенну и мощный усилитель.
Недостатком такой системы являетсяналичие задержек. Достоинством — низкая цена за полноценную систему для конечного пользователя.Рис. 2.14. Микростанция VSAT и наземный концентраторСистемы VSAT имеют большие перспективы использования в сельской местности. Об этом как-то не очень часто вспоминают, но половина населения земногошара живет минимум в часе ходьбы от ближайшего телефона. Протянуть телефонныелинии ко всем селам и деревням не по карману большинству стран так называемого«третьего мира».
Однако средств на установку тарелки VSAT, питающейся от солнечной батареи, может хватить не только у администрации региона, но и у частных лиц.Таким образом, VSAT — это технология, которая может позволить организовать связьв любой точке планеты.Спутники связи обладают рядом свойств, которые радикально отличают их отлюбых наземных систем связи между абонентами. Во-первых, несмотря на предельно высокую скорость распространения сигнала (собственно, она практически равнаскорости света — 300 000 км/с), расстояния между наземными приемо-передающимиустройствами и спутниками таковы, что в технологии GEO задержки оказываютсявесьма значительными.
В зависимости от взаимного расположения пользователя,наземной станции и спутника, время передачи может составлять 250–300 мс. Обычнооно составляет 270 мс (соответственно, в два раза больше — 540 мс — в системах VSAT,работающих через концентратор).Для сравнения, сигнал в наземных микроволновых системах связи имеет задержкураспространения примерно 3 мкс/км, а коаксиальный кабель и оптоволокно имеют140 Глава 2. Физический уровеньзадержку порядка 5 мкс/км.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
