Globalstar: спутниковая система персональной связи

Рефераты по науке и технике » Globalstar: спутниковая система персональной связи

Одной из наиболее заметных тенденций в развитии телефонии в последнее десятилетие является быстрый рост числа абонентов сотовой связи. За 26 лет прошедших от момента зарождения идеи до настоящего времени число абонентов пользующихся услугами сотовых систем достигло 200 млн а к 2001-2002 годам оно увеличится до 500-600 миллионов. Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует далеко не везде и альтернативным вариантом — особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных и малонаселенных районах — является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно увеличивается и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем персональной связи и их интеграция обеспечат возможность приема и передачи речи данных и факсимильных сообщений в любом регионе Земли с приемлемым уровнем цен на предоставляемые услуги.

КомпьютерПресс уже знакомил своих читателей (см. № 10’ 1998 ) с первой и пока единственной спутниковой системой персональной связи Iridium которая обеспечивает пользователя где бы он ни находился высоконадежной качественной телефонной связью с помощью аппарата имеющего размеры и вес сегодняшних телефонов сотовых систем. Но технический прогресс не стоит на месте и у уникальной ССПС в настоящее время зарождается серьезный конкурент. Речь идет о спутниковой системе связи Globalstar рассмотрению основных характеристик которой и посвящена данная статья.

Globalstar — это глобальная цифровая система персональной связи основанная на использовании низкоорбитальных спутников. При разработке системы Globalstar был использован опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов фирмы QUALCOMM/FONT> Inc. Набор услуг системы Globalstar в целом аналогичен услугам ССПС Iridium и включает передачу речи данных факсимильных сообщений сигналов персонального радиовызова (пейджинговых сообщений) и кроме того — определение координат подвижных объектов. Следует отметить что система предназначена для абонентов не только мобильной но и обычной связи.

Так же как в ССПС Iridium прежде чем установить связь мобильный терминал Globalstar должен будет сначала проверить возможность работы в наземной сотовой сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение через спутник. В этом случае сигнал с абонентского терминала (телефонного аппарата пользователя) будет передаваться через спутник на ближайшую земную станцию сопряжения которая соединит его с требуемым абонентом обычной телефонной сети сотовой сети или с абонентом системы Globalstar. Принцип действия системы иллюстрируется на рис. 1. При этом максимальная задержка сигнала не должна превышать 150 мс а время установления соединения — 5 с. Мировой роуминг позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру вне зависимости от его географического местоположения.

При передаче речи исходный сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью адаптивного вокодера c линейным предсказанием (CELP) создающего трафик от 1 2 до 9 6 Кбит/с (средняя скорость для данного алгоритма приблизительно равна 2 4 Кбит/с). Вокодеры установленные на земных станциях включают в свой состав эхоподавители. Качество передачи речи при этом по средней оценке мнений (MOS) эквивалентно цифровым сотовым системам. Цифровые данные передаются со скоростью до 9600 бит/с что заметно выше чем в ССПС Iridium (до 2400 бит/с). Вероятность ошибки при этом не превышает 10-6.

Предполагаемыми абонентами Globalstar станут люди совершающие частые поездки и нуждающиеся в глобальной беспроводной коммуникационной системе.

Для реализации ССПС Globalstar в 1991 году компаниями Loral Aerospace Corporation (Нью-Йорк) и QUALCOMM Incorporated (Сан-Диего шт. Калифорния) был создан консорциум Globalstar Limited Partnership. В него вошли также ведущие международные фирмы — производители спутниковых систем и телекоммуникационного оборудования — Elsag Baily (Италия) Alenia (Италия) Alcatel (Франция) Hyundai Electronics Industries (Южная Корея) DACOM (Южная Корея) и операторы связи — France Telecom (Франция) AirTouch Communications (США) Vodafone Group (Великобритания). В работе по реализации проекта активное участие принимает группа Alliance. К изготовлению спутниковых платформ привлечена компания Space Systems/Loral (Пало Альто шт. Калифорния). Парижская фирма Alcatel Espace изготавливает для каждого ИСЗ полезную нагрузку в том числе остронаправленные антенны. Корпорация QUALCOMM отвечает за разработку абонентской аппаратуры и оборудования для наземных центров управления которое обеспечит связь спутников с наземными сетями. Итальянской компанией Alenia в Риме еще в 1997 году было построено и официально введено в строй предприятие по сборке комплектации и испытаниям космических аппаратов (КА). Компания Air Touch Communications будет предоставлять услуги спутниковой связи на территории США. Также в проекте участвуют фирмы Finmecanica/Elsag Bailey Company (Италия) DASA (Deutshe Aerospace AG/Daimler-Benz AG Германия) Airospatial (Франция) China Telecom и др. Общая стоимость системы включая космический и наземный сегменты оценивается приблизительно в 2 6 млрд. долл. США. Годовые эксплуатационные расходы должны составить 227 млн. долларов.

Система Globalstar включает три основных сегмента: космический (космические аппараты) наземный (земные станции контроля управления и сопряжения) и сегмент пользователя (терминальные устройства). Рассмотрим их более подробно.

В соответствии с проектом космический сегмент должен состоять из 48 основных ИСЗ и 4 резервных (что гораздо меньше чем в ССПС Iridium) расположенных на 8 орбитах — по 6 основных ИСЗ на каждой ( рис. 2). Орбиты — наклонные круговые с наклонением к экватору — 52° (в отличие от полярных орбит с наклонением 86° в ССПС Iridium) что сужает ширину зоны обслуживания системы в целом. Период обращения ИСЗ на орбите равен 113 мин. Высота орбит составляет 1414 км (почти в два раза выше чем высота орбит ИСЗ Iridium). Большая высота орбиты обусловливает с одной стороны большую зону обслуживания каждого ИСЗ и больший срок службы КА (7 5 лет) с другой — большее запаздывание и затухание сигнала более дорогой вывод спутника на орбиту.

Космический сегмент построен так чтобы обеспечить наилучшее обслуживание пользователей в средних широтах. Именно в средних широтах доступными являются не менее двух КА. Ширина всей зоны обслуживания ограничена 70 ° северной и южной широты ( рис. 3). Поэтому в Антарктиде на Северном полюсе в северных регионах России и Гренландии в некоторых районах Северного морского пути пользование системой Globalstar невозможно. В ССПС Iridium подобной проблемы не возникает.

Одной из важных характеристик спутниковых систем персональной связи влияющих на качество соединения и доступность системы является минимальный угол возвышения ИСЗ над поверхностью Земли. При большом угле возвышения сигналы от спутника к Земле должны пройти через меньший слой земной атмосферы влияющий на затухание сигнала а всевозможные препятствия на Земле (горы растительность строения) будут оказывать меньшее воздействие. Требования к минимальному углу возвышения определяют число спутников в системе. Для полярных орбит число спутников выбирается исходя из необходимости покрытия экваториальных районов так как пересечение орбит на полюсах приводит к существенному переполнению емкости системы в этих местах. В ССПС Iridium минимальный угол возвышения у экватора равен 8° а в системе Globalstar в экваториальных районах минимальный угол возвышения составляет 15-20° что способствует более качественному обслуживанию пользователей.

ИСЗ Globalstar представляет собой ретранслятор с преобразованием частот который осуществляет прием сигналов в пределах зоны обслуживания их преобразование и передачу на земную станцию. Все операции по обработке вызовов их коммутации преобразованию сигналов и разделению каналов производятся на Земле где реализация данных функций обходится дешевле аппаратура доступна для технического обслуживания и может быть со временем модернизирована. Отсутствие обработки сигнала на борту КА а также отсутствие в системе Globalstar линий межспутниковой связи (в отличие от ССПС Iridium) делают КА проще и надежнее.

На спутниках Globalstar предусмотрена трехосная система стабилизации. Вес ИСЗ — около 450 кг. Солнечные батареи имеют мощность 1100 Вт. Мощность передающей системы ИСЗ приблизительно равна одному киловатту. За счет оперативной регулировки потребляемой мощности бортового ретранслятора в каждом канале в соответствии с условиями приема минимизируются энергетические ресурсы ИСЗ. Общий вид ИСЗ изображен на рис. 4 и 5.

Для связи с земными станциями (фидерные линии связи) на спутниках устанавливаются по две рупорные антенны (для приема и передачи) работающие в С-диапазоне частот (5091-5250 МГц для линии “вверх” Земля-ИСЗ и 6875-7055 МГц для линии “вниз” ИСЗ-Земля). Этот диапазон за счет применения правой и левой круговой поляризации будет использоваться дважды.

Для линий связи ИСЗ с мобильными пользователями предусмотрена эксплуатация частот L-диапазона (1610-1626 5 МГц) для линии “вверх” абонент-ИСЗ и S-диапазона (2483 5-2500 МГц) для линии “вниз” ИСЗ-абонент. Антенны L- и S-диапазонов представляют собой активные фазированные антенные решетки (ФАР) с 16 лучами. Каждый луч (лепесток) имеет свою зону обслуживания на поверхности Земли площадью приблизительно 2 9 млн. км 2. Совокупность лучей образует зону обслуживания ИСЗ близкую по форме к кругу диаметром 7600 км. Приемная антенна (L-диапазон) состоит из 61 элемента. Передающая ФАР (S-диапазон) возбуждается 91 печатным усилительным элементом мощностью 4 Вт каждый. Общая мощность ИСЗ в S-диапазоне достигает 400 Вт и может плавно перераспределяться между лучами.

Для уплотнения телефонных каналов в системе Globalstar будет использоваться комбинация методов многостанционного доступа с частотным и кодовым разделением каналов (МДЧР и МДКР). Общая полоса частот шириной 16 5 МГц отведенная для связи в L- и S-диапазонах разделена на 13 поддиапазонов шириной 1 25 МГц в каждом из которых выполняется кодовое уплотнение сигналов от нескольких (порядка 50) абонентов. Для этого сигнал абонента преобразуется в широкополосный сигнал (1 25 МГц).

Широкополосные сигналы в отличие от узкополосных позволяют существенно снизить требования к развязке между соседними лучами многолучевой антенны. Такие сигналы обеспечивают мягкую перегрузку то есть превышение номинальной загрузки не приводит к отказу а лишь несколько снижает на короткое время качество передачи каждого сигнала что обычно считается допустимым. Применение МДКР позволяет изящно решить проблему переключения абонента с заходящего спутника на восходящий. Как только происходит снижение уровня пилот-сигнала во время работы абонента в каком-либо луче терминал по команде станции сопряжения автоматически переключается на двухканальный режим работы в котором обеспечивается одновременный прием и когерентное сложение сигналов от двух разных лучей или от разных спутников. Через некоторое время поступает команда на отключение первого луча и обмен информацией производится только через второй луч. Какое-то время сигнал от абонента принимается и передается одновременно с двух спутников а земные станции обрабатывают суммарный сигнал что делает процесс переключения спутников незаметным для пользователя. Такая технология — возможность когерентного сложения сигналов от нескольких спутников в приемном устройстве пользователя — позволяет также уменьшить влияние затенения от препятствий на поверхности Земли. К недостаткам МДКР следует отнести тот факт что использование широкополосных сигналов усложняет оборудование пользовательских терминалов и увеличивает время вхождения в зону связи.

За счет МДКР учета речевой активности и применения многолучевой антенны обеспечивается повторное использование частот в результате чего каждый ИСЗ способен к одновременной ретрансляции около двух тысяч телефонных каналов. При этом на 1 миллион кмFONT>2 поверхности Земли ИСЗ Globalstar одновременно обеспечивает всего несколько десятков каналов связи что еще раз подтверждает тот факт что спутниковые системы персональной связи в отличие от наземных сотовых систем не ориентированы на использование в густонаселенных районах.

Наземный сегмент ССПС Globalstar включает земные станции сопряжения а также центры управления и контроля орбитальной группировкой (Satellite Operations Control Center) и наземными средствами (Ground Operations Control Center). Центр управления и контроля орбитальной группировки на основе телеметрической информации контролирует текущее состояние ИСЗ и параметры их орбит при необходимости выдает соответствующие команды. Центр управления и контроля наземных средств отвечает за планирование и распределение ресурсов системы контроль за ее функционированием. Центры будут расположены на территории США и связаны между собой и с другими земными станциями системы с помощью специальной сети передачи данных GDN (Globalstar Data Network).

Поскольку система Globalstar в большей степени ориентирована на интеграцию с существующими наземными телекоммуникационными инфраструктурами станции сопряжения являются в ней основными коммуникационными элементами. Фактически земные станции сопряжения являются шлюзами на которые возложены функции обеспечения интерфейса с существующими и будущими телекоммуникационными системами в частности с наземными телефонными сетями общего пользования и сотовыми системами связи в зоне обслуживания каждого ИСЗ. Все вызовы (местные и международные) должны обрабатываться и коммутироваться на станции сопряжения. В этом состоит так называемый региональный принцип построения связи – обязателен выход каждого абонента на ближайшую станцию сопряжения и далее — на существующую фиксированную сеть или на связь с другим абонентом. Таким образом в организации любого соединения участвуют земные станции. Поскольку основную часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%) такое решение выглядит весьма рациональным облегчает связь с абонентами сетей общего пользования укорачивая трассу для основной массы соединений а также позволяет сделать систему частью национальной сети каждой страны что привлекает операторов связи позволяя им получать дополнительные доходы.

С другой стороны так как в системе задействовано большое число земных станций сопряжения соединения становятся зависящими от состояния наземных сетей. Для глобального покрытия земной поверхности (в пределах 700 Roman">северной широты — 700южной широты) с учетом национальных границ и минимизации наземного трафика по оценкам разработчиков Globalstar потребуется 150-210 станций сопряжения в том числе 9 — на территории России. Типовая станция сопряжения содержит 4 идентичные следящие параболические антенны с диаметром рефлектора 5 5 м с левой и правой круговой поляризацией ( рис. 6 7) и стоит около 5 5 млн. долл. На стыке земной станции с наземными сетями общего пользования используется стандартный интерфейс Т-1/Е-1 и системы сигнализации R1 R2 и №7.

Сегмент пользователя системы Globalstar может включать один из трех основных типов терминалов: портативные (аналогичные сотовым — см. рис. 8 9) мобильные (устанавливаемые в автомобилях или других транспортных средствах — см. рис. 10) и стационарные (телефонные аппараты таксофоны — см. рис. 11). Последовательный порт ввода/вывода данных позволит подключать к терминалам пользователя компьютер факсимильный аппарат или другие внешние устройства и обеспечивать передачу данных или факсимильных сообщений. Предусматривается адаптивное управление мощностью передатчика терминала.

Портативные и мобильные аппараты оборудованы ненаправленными антеннами и могут функционировать также в наземной сотовой сети стандарта GSM AMPS или IS-95. Фирмой QUALCOMM предполагается выпуск портативных и мобильных терминалов трех типов: трехрежимных (Globalstar/AMPS/IS-95) двухрежимных (Globalstar/GSM) и однорежимных (Globalstar). Терминалы Globalstar работающие более чем в одном режиме должны сначала проверить возможность работы в наземной сети персональной радиосвязи и если это невозможно попытаться установить соединение через спутник. При переходе таких терминалов от режима работы в сотовой сети связи в режим работы в системе Globalstar автоматическое переключение не предусматривается. Если абонент покинул зону действия сотовой сети связь будет прервана и для ее восстановления необходимо будет вновь запросить соединение но уже в ССПС Globalstar.

Вес портативного терминала — около 350 г размеры 190 х 60 х 30 мм а его мощность не превышает 0 6 Вт. Заряда аккумулятора при работе в режиме системы Globalstar будет хватать на 8 часов дежурного приема и на 1 час разговора. В режиме наземной сотовой системы связи продолжительность его работы увеличится до 12 час дежурного приема и 2 час разговора (или даже больше); в данном режиме терминалы Globalstar должны в среднем потреблять энергии меньше чем аналоговые сотовые телефоны и соответственно продолжительность работы их аккумуляторов должна быть больше.

Мобильные терминалы отличаются от портативных дополнительным усилителем мощности и внешней антенной. Мощность мобильного терминала не превышает 3 Вт.

Стационарные аппараты Globalstar предоставят услуги связи в отдаленных районах где нет ни сотовых систем ни наземных коммуникаций. Такие терминалы предназначены для работы только в ССПС Globalstar. Они оборудованы усилителем и внешней антенной с усилением +7дБ и имеют эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 3 2 Вт.

Компания Globalstar намерена предлагать услуги связи по более низким тарифам чем те что используются в настоящее время в системе Iridium. Предусматривается дифференцирование цен в зависимости от географического района и уровня сервисных услуг: 0 35; 0 53; 1; 3 долл. за 1 мин разговора. В среднем стоимость одноминутного соединения должна находиться в пределах 0 35-0 65 долл. США плюс плата за услуги местных (наземных) линий связи. Ожидаемая цена портативного терминального устройства производства фирмы QUALCOMM также гораздо меньше чем спутникового телефона системы Iridium и составляет около 700 долл..

Страницы: 1 2