Недостатки спутниковой связи кратко

Обновлено: 03.07.2024

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

— большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи;

— обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

— независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого трафика);

— возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

— наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

— возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

— подверженность сигналов на участках Земля-спутник и спутник-Земля влиянию различных атмосферных явлений.

Для разрешения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.

ГЛАВА 1. КОММУНИКАЦИИ

Коммуникационная система (служит для передачи информации) состоит из нескольких компонентов ( рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема коммуникационной системы:

канал– это среда, передающая сигналы от передатчика

Информационный поток может идти:

-в одном направлении – это симплексный метод передачи;

-с применением разделения частот одновременно в обоих направлениях – это дуплексный метод;

-попеременно в одном или в другом направлении – это полудуплексный метод.

Для передачи форма бинарно-кодированногосигналадолжна быть изменена. Возможна передача:

-модулированных сигналов (используется модем). Для передачи сигнала на большие расстояния применяются модуляционные каналы. Сигнал формируется путем модуляции одной или нескольких несущих частот. Применяются несколько каналов. Используется одновременная передача обычных сигналов, речи, звука, изображения;

-немодулированных сигналов. Сигнал формируется путём перекодировки бинарно-кодированного сигнала. Не используется четко установленная ограниченная полоса частот. Способ пригоден для передачи с использованием проводников, проложенных в зданиях и местности (не через телефонную сеть). С кабелем можно работать только в полудуплексном режиме.

В случае связи сигналы приемника и передатчика должны быть в одной фазе. Для соблюдения принципа используются два метода:

В первом случае передача данных происходит байт за байтом; передаются символы. Перед каждой передаваемой единицей данных посылается стартовый и после каждой переданной – стоп-бит; они образуют “рамку”. Синхронизация передатчик – приёмник проводится для короткого промежутка времени (передача символа).

Во втором случае данные передаются блоками по несколько сотен символов. Передаются фреймы (1500 байт в случае Ethernet и 4096 байт в случае Frame Relay). Приемник получает синхронизирующий такт из принимаемого сигнала, при этом различают:

-байт(Oktett)-синхронизацию – перед передачей рамки 2–4 раза передаются символы, резервируемые для синхронизации, например символы . Приемник при этом настраивается на Oktеtt-последовательности. Образование рамки происходит с помощью дальнейших специальных символов (в зависимости от протокола);

-бит-синхронизацию – для формирования рамки используются однозначные последовательности битов на любом месте.

Обратное значение кратчайшего номинального расстояния между следующими друг за другом характерными (временными) точками модулированного сигнала – это скорость распространения(modulationsrate). Если время выражается в секундах, то единицей измерения скорости распространения являетсяBaud; Vs[бод].

Общее число бит, передаваемое в секунду, называется скоростью передачи(bitrate);Vy[бит/с].

Число бит, передаваемых за шаг, зависит от числа (для каждого метода передачи) характерных состояний (цифровой сигнал). Только для бинарной (два характерных состояния), последовательной передачи скорость передачи, измеряемой в бит/с равна скорости, измеряемой в бод.

При передаче данных с использованием модема при скорости равной или более 2400 бит/с должно быть сформировано более двух характерных состояний для того, чтобы не превысить заданную полосу. Скорость распространения меньше или равна скорости передачи. Справедливо выражение:

где b – число бит, переданных за один период;

n – число возможных характерных состояний.

Пример: для передачи 9600 бит/с (квадратная амплитудная модуляция) образуются 16 характерных состояний, при этом за один период передают четыре бита; ln16 = 4 (из четырех бит можно образовать 16 комбинаций). Но скорость распространения составляет только 0,25 скорости передачи и равна 2400 Bd.

Скорость передачи данных (data transfer rate) – это среднее число бит, символов, блоков, передаваемых в единицу времени. Она предполагает определенную скорость передачи (bit rate), предусматривает ошибки элементов передающих устройств и протоколы, используемые для распознавания и коррекции ошибок. При использовании протоколов, корректирующих ошибки, и обычной частоты появления ошибок справедливо следующее выражение:

data transfer rate = 0,5 bit rate.

Скорость передачи знаков (character rate) определяет число знаков, передаваемых в единицу времени (число бит на символ, паритет-бит, число стоп-бит).

Прозрачность определяется, как способность коммуникационной системы транспортировать поток данных независимо от применяемого кода, скорости передачи, соблюдения принципа одновременности или последовательности передаваемых бит.

1. Прозрачной для кода является система, если в ней применение определенного кода не является безусловно необходимым.

2. Прозрачной в смысле скорости передачи является система, в которой скорость передачи может быть любой. Это в определённой мере справедливо для систем с асинхронным методом передачи.

3. Бит-прозрачная система. При синхронном методе передачи используется тактовый сигнал передатчика. Одновременность (приемник – передатчик) гарантируется только тогда, когда в приёмном сигнале содержится достаточно много требуемых состояний, чтобы гарантировать синхронизацию тактового генератора приемника. В противном случае принцип одновременности не соблюдается, и появляются ошибки передачи. В этом случае говорят об отсутствии бит-прозрачности.

Статьи к прочтению:

Преимущества и недостатки офсетных и …

Преимущества спутниковой связи

Большая пропускная способность, по сравнению с радиорелейной линией примерно тоже самое. Можно использовать широкий частотный диапазон.
Существуют спутники связи, которые обладают глобальным действием.
Высокое качество связи.

История развития спутниковой связи

23 апреля 1965 года в СССР был успешно запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник Молния-1. На марке виден Земной шар, Советский Союз, а спутник находится на эллиптической орбите.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

p, blockquote 11,0,0,0,0 -->

В одном из фокусов орбиты стоит Земной шар, спутники вращаются по орбите, спутник выходит, устанавливает связь с антенной и пока он находится в зоне видимости, связь спутник поддерживает, потом спутник уходит из зоны видимости и в это время в зону видимости должен войти второй спутник. На высокой эллиптической орбите должны быть минимум 3 аппарата, чтобы связь была непрерывной.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

В рамках международной программы Intelsat первый коммерческий спутник связи Early Bird (Ранняя Пташка), произведенный корпорацией COMSAT был запущен 6 апреля 1965 года.

p, blockquote 13,0,1,0,0 -->

Основные разновидности ИСЗ

Конфигурация системы спутниковой связи зависит от типа ИСЗ, вида связи и параметров земной станции. Три основных разновидности ИСЗ в зависимости от орбиты спутника:

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)

Спутники типа “Молния” с периодом обращения 12 часов, наклоном орбиты 63 градуса, высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км.

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

У спутника переменная скорость. В области апогея скорость движения ИСЗ замедляется и обеспечивает радиовидимость 6…8 часов. 6…8 часов это то время, когда один спутник находится в рабочей зоне. Для обеспечения непрерывной связи на одной орбите необходимо расположить не менее трех спутников, а лучше 4.

p, blockquote 17,0,0,0,0 -->

Преимущества ИСЗ с ВСО большой размер зоны обслуживания.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

Недостатки: необходимость слежения земных антенн за спутниками и переориентация этих антенн с заходящего спутника на восходящий.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)

ГСО это орбита, на которую если поставить спутник, он будет вращаться вместе с Землей с одинаковой скоростью. Он находится неподвижно относительно земной точки.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

ГСО — круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, расположенная в плоскости экватора на высоте 35 875 км с поверхности Земли. Орбита синхронно вращается с вращением Земли, поэтому спутник находится неподвижно относительно земной поверхности.

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

Зона обслуживания одного спутника достигает треть поверхности Земли, т.е. 3-х спутников достаточно для глобальной сети.
Антенны земных станций не требуют систем слежения. Антенна неподвижна.
Не требуют сложной наземной аппаратуры, могут обеспечивать большое покрытие, но в зонах не сильно приближенных к полюсам Земли.

В северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и совсем не виден в приполярных областях.

Но если в южном полушарии это не так страшно, то в северном Скандинавские страны, Россия, Канада находятся достаточно близко к полюсу и там геостационарные спутники связь не обеспечивают.

Ограничение на количество спутников на ГСО.
Достаточно высокая цена самого аппарата ИСЗ и его запуска.

ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

В настоящее время развиваются спутники связи на низковысотной орбите.Спутники запускаются на круговые орбиты, бывает полярная орбита, которая проходит через нулевой меридиан, плоскость которых наклонена к плоскости экватора. Наличие большого количества спутников на разных орбитах, позволяет добиться высокого покрытия поверхности Земли этими системами связи.

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Высота орбиты 200…2000 км над поверхностью Земли. Спутники относятся к легкому классу и для их запуска можно использовать недорогой носитель, либо дорогой носитель, который сразу забросит на орбиту два десятка аппаратов, которые потом выводятся в нужной точке. Покрытие может быть глобальное.

p, blockquote 26,1,0,0,0 -->

Главный недостаток ИСЗ на НВО, спутники вращаются по круговым низким орбитам на достаточно высокой линейной скорости и от момента, когда спутник выходит в ту зону, где находится абонент, до того момента, когда он из этой зоны выходит, может проходить 20-40 минут. Для того, чтобы обеспечить хорошее покрытие, нужно много спутников.

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Проблема космического мусора

Еще одна проблема, так называемая проблема космического мусора или засорения околоземного пространства остатками различных летательных аппаратов. Когда, какой-либо космический аппарат выводится из эксплуатации, в доброе старое время его просто отключали, на спутниках “Молния” с помощью пиропатронов отстреливали солнечные панели и спутник терял питание, превращался в кусок железа, который вращается на орбите, а потом с этой орбиты сходит. Когда спутников было 1, 2, 3 это было не страшно для человечества, хотя были печальные случаи, когда довольно массивные космические аппараты, не целиком сгорали при сходе с орбиты и падали туда, куда не надо.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

Спутники, как правило имеют систему питания основанную на солнечных батареях. Но в свое время проводили эксперименты над спутниками у которых в качестве источника питания использовался генератор, который работает на основе ядерной реакции, т.е. распад какого-нибудь урана или плутония, при этом выделяется энергия, которая преобразуется в электричество, грубо говоря спутник с ядерным реактором. И такой советский спутник, содержащий радиоактивные материалы, приземлился на территорию Канады и был грандиозный скандал международный.

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

Сейчас в космосе вращается несколько десятков тысяч старых спутников и их остатков. Поэтому построение систем в которых используется большое количество спутников, оно чревато плачевными последствиями.

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

Также, наличие большого количества спутников на орбите приводит к тому, что эти спутники, создают световой экран, который мешает наблюдению ученым, через астрономические телескопы с Земли. Эти спутники создают яркие точки, которые все время находятся перед объективами телескопов.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Диапазоны частот спутниковой связи

Диапазоны частот, которые отведены в соответствии с Международным Союзом Электросвязи ITU, которые регламентировали использование частот. Частоты, как правило высокие СВЧ, потому что более низкие частоты хуже себя ведут, отражаются от ионосферы, а ВЧ хорошо затухают в этой атмосфере.

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

Чем выше подниматься по диапазону частот, тем хуже работает электроника.

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

Спутниковые службы

В зависимости от назначения систем спутниковой связи и типа земной станции различают следующие службы:

Фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах и для распределения телевизионных программ.
Подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями,размещенными на транспортных средствах или у абонентов.
Радиовещательная спутниковая служба для передачи радио и телевизионных программ непосредственно на терминалы абонентов.

Фиксированные спутниковые службы

Начиналось всё с фиксированных спутниковых служб. Это связь с использованием космического ретранслятора между наземными станциями. И основное назначение это обеспечение связи в первую очередь для государственных нужд.

p, blockquote 36,0,0,0,0 -->

Фиксированные спутниковые службы начали использоваться государством для центральных телевизионных программ на удаленную территорию советского союза. Первоначально ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением наземных станций с диаметром антенн порядка 12…30 метров.

p, blockquote 37,0,0,0,0 -->

Фиксированная антенна с приемной станцией “Орбита”, диаметр антенны 12 метров. Система “Орбита” использовала спутники на высокоэллиптической орбите, это были первоначально спутники серии “Молния”. На эллипсе надо иметь 3 аппарата, как правило 4, чтобы обеспечить постоянную связь.

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

p, blockquote 39,0,0,1,0 -->

В настоящее время для фиксированных служб функционирует около 50 систем ФСС. Например, “Молния 3”.

p, blockquote 40,0,0,0,0 -->

p, blockquote 41,0,0,0,0 -->

На высокоэллиптической орбите используются аппараты, которые называются “Меридиан”. Спутники “Радуга” и “Горизонт” это геостационарные аппараты, которые обеспечивают фиксированную спутниковую связь. Intelsat это международная система.

p, blockquote 42,0,0,0,0 -->

Подвижные спутниковые службы

Особенностью большинства систем ПСС является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Востребованы на морском транспорте. Для того, чтобы мощность сигнала достигающего приемника была достаточной, применяют одно из двух решений:

Спутники располагаются на геостационарной орбите поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35 786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat. Подвижная спутниковая связь начала свое существование с международного договора по созданию системы Inmarsat, которая была первоначально ориентирована на обеспечение связи с морскими судами.
Множество спутников располагается на наклонных или полярных НВО. Inmarsat и прочие системы основанные на спутниках, как правило предназначены для оказания коллективных услуг. А когда создается система на низковысотных спутниках, то можно за счет более низкой стоимость аппарата и низкой стоимости запуска, построить глобальную сеть, которая позволит Вам связываться из любой точки земного шара, через спутниковую сеть. Первой такой системой, была система Iridium.

Спутниковая система Iridium

Система базируется на 66 лёгких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 НВО. Орбиты через 60 градусов охватывают всю Землю. И на каждой орбите находится по 11 спутников, которые по очереди выходят в зону в которой находится абонент. Высота основной орбиты 780 км.

p, blockquote 44,0,0,0,0 -->

p, blockquote 45,0,0,0,0 -->

Орбиты разнесены на 30 или 60 градусов и каждый спутник поддерживает связь с тем спутником, который идет впереди и с тем, который идет сзади по его орбите. И с двумя спутниками, которые находятся на двух соседних орбитах. Такая связь позволяет передать сигнал с любого спутника на любой. Одновременно обеспечивается до 11 000 телефонных соединений.

p, blockquote 46,0,0,0,0 -->

p, blockquote 47,0,0,0,0 -->

Если у Вас есть терминал Iridium, где бы вы не находились, вы можете установить связь. Если вы находитесь в обычной зоне, где мобильная связь работает, то ваш терминал перейдет в режим работы мобильной связи и не нужно будет нагружать спутник. Кроме основных спутников, есть 4 резервных, которые находятся на резервной орбите.

p, blockquote 48,0,0,0,0 -->

Радиовещательная спутниковая служба

РСС реализует персонализацию, передачу радио и телепрограмм непосредственно на индивидуальные приемники абонентам.

p, blockquote 49,0,0,0,0 -->

Прохождение радиосигналов в спутниковых линиях связи имеют особенности. Запаздывание сигнала в спутниковой связи с искусственных определена временем прохождения сигнала Земля — спутник — Земля. tз=2Н/С₀

где Н — расстояние от спутника до поверхности Земли;
С₀ — скорость распространения электромагнитной энергии.

Для геостационарной орбиты tз =238 мс.

p, blockquote 51,0,0,0,0 --> p, blockquote 52,0,0,0,1 -->

Также имеется эффект Доплера это изменение частоты сигнала, который мы принимаем от движущегося источника или изменение частоты при движении. Для скоростей много меньше скорости света Vr/с˂˂1 изменение частоты составляет Δf=±f₀(Vr/с) для спутников “Молния” не более 6 кГц. Это нужно учитывать при настройке. В принципе для широкополосной системы 6 кГц может ничего не значит, а для стандартного телефонного канала в декаметровом диапазоне, если будет смещение 6 кГц, то вы вывалились бы из него, потому что там вся полоса пропускания может быть 3 кГц.

Начиная со второй половины прошлого века способность государства участвовать в различных космических программах является некой интегрированной оценкой его экономической мощи и уровня научно-технического развития. Это объясняется тем, что все космические программы довольно дорогостоящие и наукоемкие и только развитые государства могут себе их позволить. По структуре космических программ одно из важнейших мест занимает связь, на которую задействовано около половины всех космических аппаратов [1].

Для успешного выполнения космических программ разработчикам необходимо найти решение многих проблем.

Рис. 1. Соотношение космических аппаратов различного назначения (где ссылка на рис. 1?)

Доступность и востребованность спутниковой связи

В последнее время системы спутниковой связи активно развиваются, что обусловлено в первую очередь снижением габаритно-массовых (рис. 2) [2], ценовых характеристик самих космических аппаратов и, как следствие, стоимости развертывания и эксплуатации наиболее дорогостоящей составляющей систем спутниковой связи, их орбитальной группировки. Перечисленные факторы делают современные системы спутниковой связи все более доступными, а увеличивающийся объем передаваемой информации определяет их возрастающую востребованность.

По характеру решаемых задач системы связи и вещания можно разделить на три основных сегмента, отличающихся как по объемам передаваемой информации, так и по способам ее передачи [3].

Рис. 2. Эволюция развития системы Inmarsat

Информационно-телекоммуникационные и телерадиовещательные системы общего пользования

В рамках этого сегмента информационно-телекоммуникационной системы решаются главным образом социальные задачи информационного обеспечения населения.

В первую очередь это спутниковое телерадиовещание, которое на сегодняшний день представлено достаточно большим количеством операторов. Эту задачу можно считать практически решенной [4].

Профессиональные информационно-телекоммуникационные системы

В этом случае решаются задачи информационного обеспечения технологических процессов, безопасности жизнедеятельности, а также вопросы охраны окружающей среды.

Наибольшую сложность представляет организация технологической связи на достаточно большие расстояния с мобильными объектами, для чего сегодня широко используются спутниковые системы связи, в частности Inmarsat и Iridium, а также менее распространенные Globalstar и Thuraya.

Рис. 3. Орбитальная группировка космических аппаратов связи и вещания

Информационно-телекоммуникационные системы специального назначения

Рис. 4. Российская орбитальная группировка специального назначения

Однако российская орбитальная группировка специального назначения отстает от аналогичной группировки США (рис. 5) [6].

Рис. 5. Орбитальная группировка вооруженных сил США

Особенности геостационарной орбиты

В зависимости от решаемых задач в системах спутниковой связи используют различные орбиты КА [7], например для организации телерадиовещания, как правило, – геостационарные (Geosynchronous Orbit – GSO). Они же применяются и для связи. Наиболее известная сегодня и активно развивающаяся система связи – Inmarsat (см. рис. 2). Несомненное преимущество таких систем – большой охват поверхности Земли космическим аппаратом, в частности, для работы системы связи Inmarsat достаточно всего четырех спутников.

К недостаткам использования космических аппаратов на геостационарной орбите относятся следующие факторы [8].

Рабочая зона геостационарных космических аппаратов ограничена широтами примерно 70–75º град (рис. 6). Очевидно, что это болезненно для стран северного полушария, в частности, для России, на всей территории которой углы места геостационарных космических аппаратов невелики.

Рис. 6. Рабочие зоны спутников Inmarsat

Геостационарная орбита перегружена космическими аппаратами (рис. 7) во всем спектре радиочастот, включая Ka-диапазон. Осуществлять координацию новых спутниковых сетей – очень большая проблема.

Рис.7. Перегрузка геостационарной орбиты действующими системами

Находящийся на круговой геостационарной орбите спутник должен обращаться в направлении вращения Земли на высоте 35 786 км над уровнем моря, что приводит к существенной задержке сигналов, которая находится на границе допустимых требований, предъявляемых к наземным линиям связи, имеющим спутниковые участки. В перспективных сотовых сетях 4G/5G такая задержка не допускается. Кроме того, для ГСО требуется сравнительно большая мощность передатчиков как космических аппаратов, так и абонентских терминалов. Некоторое снижение мощности передатчиков возможно при использовании направленных антенн, однако это приводит к уменьшению зоны охвата, примером чего служит система спутниковой связи Thuraya (рис. 8), использующая направленные антенны на борту космического аппарата. Применение направленных антенн также значительно усложняет абонентские терминалы, особенно устанавливаемые на подвижные объекты.

Рис. 8. Зона покрытия спутниковой системы Thuraya

Возможности низкой орбиты

Устранение указанных выше недостатков возможно при использовании негеостационарных орбит для размещения космических аппаратов связи. Примером использования низколетящих космических аппаратов является система спутниковой связи Iridium (рис. 9). Космическая группировка спутниковой связи Iridium включает 66 основных и 6 запасных низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit – LEO) с высотой орбиты 780 км [9].

Проект Iridium NEXT призван обновить эту группировку спутников. Компания Iridium заключила соглашение с Thales Alenia Space для производства, сборки и тестирования 81 спутника Iridium NEXT, причем 75 из них будут запущены с помощью компании Илона Маска – SpaceX. Новые спутники включают в себя такую функцию, как передача данных, которая не была предусмотрена в оригинальном дизайне.

Существующая группировка Iridium продолжит свою работу до того момента, пока новая система не будет доведена до стадии операционной готовности в полном объеме. Как ожидается, прежние спутники останутся на вооружении до 2020-х гг. Система Iridium NEXT, располагающая повышенной пропускной способностью, будет обладать обратной совместимостью с существующей.

Однако чем ниже орбита спутника, тем меньше его зона охвата, тем большее количество космических аппаратов входит в космическую группировку, что усложняет и удорожает ее развертывание и обслуживание, а следовательно, делает дороже трафик.

В целях упрощения системы необходимо увеличивать высоту орбиты. Примером такого подхода является система Globalstar [10], содержащая 48 рабочих и 8 запасных низкоорбитальных спутников, находящихся на высоте 1410 км от поверхности Земли. Платой за упрощение является глобальность: система обеспечивает покрытие около 80% поверхности Земного шара, не охватывая полярные области и некоторые зоны центральной части океанов (рис. 10).

Рис. 9. Система спутниковой связи Iridium

Рис. 10. Зона покрытия системы спутниковой связи Globalstar

Спутники навигации

Промежуточное положение между рассмотренными системами занимают среднеорбитальные (Medium Earth Orbit – MEO) космические группировки. В этой нише находятся в основном спутники навигации (NavStar системы GPS – высота орбиты 20 200 км, система ГЛОНАСС – высота 19 100 км). В данном случае для обеспечения полной работы системы достаточно 24 космических аппаратов.

Решение проблемы связи в полярных областях

Максимально нивелировать недостатки отдельных систем и максимально использовать их преимущества позволяют комбинированные системы, применяющие космические аппараты, находящиеся на разных орбитах. Одним из наиболее успешных проектов можно считать Международную спутниковую систему поиска аварийных судов и самолетов КОСПАС-SARSAT, в создании которой принимали участие Россия, Канада, Франция и США. Ее основу составляет космическая группировка, состоящая из низкоорбитальных и геостационарных спутников (рис. 11).

Рис. 11. Космический сегмент системы КОСПАС-SARSAT

Сверхвысокоинформативные спутники

Другим направлением развития спутниковых систем является увеличение объемов и, как следствие, скорости передачи информации. Это направление начиналось с создания спутников с высокой пропускной способностью (High Throughput Satellites – HTS), а затем и систем данного класса, после чего аббревиатуру HTS стали расшифровывать как High Throughput System – системы с высокой пропускной способностью [11]. Это привело к значительному увеличению предложения спутникового ресурса: за последние три года предложение услуг традиционных систем спутниковой связи (Fixed Satellite Services – FSS) возросло на 14%, а спутников с высокой пропускной способностью (HTS) – на 100% [1].

Технологии HTS используются в системах спутниковой связи и вещания на основе многолучевых геостационарных сверхвысокоинформативных спутников [12], также разрабатываются системы LEO/MEO-HTS [12, 13]. Подобные системы сочетают в себе черты технологии HTS и достоинства низких орбит, кроме того, по заявлениям их создателей, себестоимость передачи единицы информации в них будет в разы ниже, чем при использовании геостационарных спутников.

Такие системы по своей природе являются глобальными. Актуальность использования многолучевых спутников типа HTS и на высоких эллиптических орбитах HEO-HTS в настоящее время неочевидна [12].

Основные тенденции на ближайшие годы

Всемирная (глобальная) экономика в постиндустриальной экономической системе породила глобальное информационное общество, одной из черт которого является запредельно высокая занятость радиочастотного спектра радиосигналами, что приводит к острейшему дефициту, фактически к экологической радиокатастрофе, в распределении полос радиоспектра и стимулирует поиск мер повышения эффективности его использования [14].

Цифровые методы управления, первоначально определенные в концепции сетецентрической войны (Network Warfare), сегодня принимают глобальный характер и перерастают в концепцию цифровой экономики. Все это вынуждает системы связи развиваться не только в рамках физических ограничений, но и в условиях искусственных ограничений на использование радиочастотного спектра со стороны государств и различных международных структур.

Между тем в ближайшие годы основные тенденции развития технологий спутниковой связи будут стимулироваться конкуренцией между геостационарными и негеостационарными мультиспутниковыми системами, а также с технологиями наземной радиосвязи. Это обусловлено тем, что создателям систем трудно преодолеть барьеры, определенные их исторически сложившимися технологическими возможностями.

С другой стороны, внедрение в связную аппаратуру новых цифровых технологий, таких как SDR-технологии – программируемого радио (Software-defined Radio) [15], стерли эти барьеры. Если раньше производители диктовали свои условия потребителю, исходя из своих технологических возможностей и соответствующих им технических характеристик систем связи, то сегодня технические ограничения на возможности аппаратуры связи практически сняты. По сути, единственным ограничением остается среда распространения сигналов, которая вводится в состав радиоинтерфейсной части системы связи при переходе к парадигме системы когнитивного радио (Cognitive Radio System – CRS) [14, 15, 16].

Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ) готов взяться за проведение научных исследований в области формирования облика такой системы связи в соответствии с концепцией цифровой экономики.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Спутниковая сеть. Достоинства и недостатки. Учитель физики МБОУ Бутурлиновская СОШ Тырнова М.В.

Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными. Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путём вынесения ретранслятора на очень большую высоту. Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного. Спу́тниковая свя́зь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов.

В 1945 году английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи. Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству. Артур Чарльз Кларк

Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определённой частью спектра. Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными.

Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса: Экваториальные Наклонные Полярный Орбиты спутниковых ретрансляторов

Другим её недостатком является большая высота (35 786 км), а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Большая высота геостационарной орбиты приводит также к большим задержкам передачи информации. Кроме того, плотность потока мощности у земной поверхности в точке приема сигнала падает по направлению от экватора к полюсам из-за меньшего угла наклона вектора электромагнитной энергии к земной поверхности, а также из-за увеличивающегося пути прохождения сигнала через атмосферу и связанного с этим поглощением. Поэтому спутник на геостационарной орбите практически не способен обслуживать земные станции в приполярных областях.

При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник и его сопровождение. Современные спутники, работающие на геостационарной орбите, имеют достаточно высокую точность удержания в заданной точке, сопровождение антенной геостационого спутника становится необходимым, только если ширина диаграммы направленности антенны сравнима с колебаниями спутника вокруг точки стояния. Наклонная Орбита

пространственное разделение поляризационное разделение Многократное использование частот. Зоны покрытия

Пространственное разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определённого района земной поверхности, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты. Поляризационное разделение — различные антенны принимают и передают сигнал с ортогональными поляризациями (для линейной поляризации во взаимно перпендикулярных плоскостях, для круговой соответственно с правосторонним и левосторонним вращением), при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из поляризаций).

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приёмной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции. Частотные диапазоны

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами: значительной удалённостью приёмника от передатчика, ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности). Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приёмника, была достаточной, применяют одно из двух решений: Спутники располагаются на геостационарной орбите. Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. Системы подвижной спутниковой связи

Слабая помехозащищённость Влияние атмосферы Поглощение в тропосфере Ионосферные эффекты Задержка распространения сигнала Влияние солнечной интерференции Основные недостатки спутниковой связи

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

- большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи;

- обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

- независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого трафика);

- возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

- наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

- возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

- подверженность сигналов на участках Земля-спутник и спутник-Земля влиянию различных атмосферных явлений.

151 Характеристика и области применения сетей Frame Relay.Сети и технологии Frame Relay

Кадр FR-сети имеет минимальную избыточность, т.е. доля служебной информации в кадре по отношению к передаваемым данным пользователя минимальна. Это способствует сокращению времени на передачу фиксированного объема информации. Кроме того, в сети FR может производиться маршрутизация своими средствами (беззадействования механизмов маршрутизации по Х.25 или по протоколу IP), что значительно увеличивает скорость маршрутизации. Однако такой эффект достигается только при использовании каналов, качество которых соответствует требованиям технологии FR. В противном случае сравнительно много кадров будут передаваться с ошибкой, и потребуется повторная передача кадров, обеспечиваемая дополнительными средствами. Это снизит информационную скорость передачи информации и более эффективной в этом случае станет сеть Х.25.

Эффективность технологии FR достигается также использованием специфических механизмов, управляющих загрузкой сети. Эти механизмы обеспечивают практически гарантированное время доставки кадров через сеть и одновременно дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерным во времени типам трафика (например, к трафику ЛКС).

Стремительному развитию технологии FR и повышению ее эффективности способствует ряд факторов, в частности улучшение качества каналов связи, использование современного многофункционального каналообразующего оборудования. К новому классу такого оборудования относятся мультимедийные пакетные коммутаторы (МПК).

Коммутаторы МПК, использующие технологию FR для транспортировки информации, совмещают несколько функций:

- статистическое уплотнение каналов передачи данных, при котором фиксированные промежутки времени в уплотняемом канале не предоставляются отдельно каждому каналу, как это имеет место при использовании метода временного уплотнения; информация каждого канала разбивается на отдельные блоки, к блоку прибавляются заголовок, содержащий идентификатор соответствующего канала, и хвост, что образует единицу передачи информации – кадр, с помощью которого могут передаваться все виды трафика. Основные преимущества такого уплотнения: динамическое распределение пропускной способности уплотненного канала связи в зависимости от активности в каналах передачи данных, возможность предоставления пропускной способности по требованию, возможность установки приоритетов для различных видов трафика;

- коммутациию и передачу различных видов трафика;

- управление потоком информации и установка приоритетов;

В настоящее время за рубежом, особенно в США, наблюдается стремительное развитие сетей FR. За один 1996 год число пользователей этих сетей выросло более чем в три раза. В начале 1997 г. около 1800 фирм США строили свои корпоративные сети на базе магистральных сетей FR. Наиболее распространенные способы доступа к сетям FR: использование выделенных линий; через сети Х.25 по обычным коммутируемым телефонным линиям; через ISDN для передачи данных и голоса.

В России большинство сетей передачи данных общего пользования также предоставляют пользователям FR-сервис. Основная проблема с реализацией магистральной сети FR заключается в том, что те магистральные междугородние каналы, которые построены на базе телефонных линий (линий тональной частоты), не обеспечивают необходимое для сети FR качество передачи. Для построения сетей FR самые широкие возможности имеют те предприятия, решения которых основаны на базе оптоволоконных или спутниковых каналов связи.

Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМ-сети по низкоскоростным каналам связи. Эта технология в настоящее время является наиболее эффективной для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей, и чувствительной к задержке голосовой информации.

154Основные характеристики и особенности локальных компьютерных сетей (ЛКС).

К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:-. длина общего канала связи;

-вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);

-топология сети;-максимальное число АС в сети;- максимально возможное расстояние между РС в сети;

- максимальное число каналов передачи данных;-максимальная скорость передачи данных;

- тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);

-способ синхронизации сигналов;

-метод доступа абонентов в сеть;

- структура программного обеспечения сети;

- возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;

- возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;

-возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;

-условия надежной работы сети.

К числу наиболее типичных областей применения ЛКСотносятся следующие.

Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС.

Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные..

Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций..

Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть.

Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, необходимую для оценки ситуации и принятия правильных решений.

Организация электронной почты - один из видов услуг ЛКС, позволяющих руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.

Коллективное использование дорогостоящих ресурсов - необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обработки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний.

Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей.

1. Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений. В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС они прокладываются заново.

2. Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС - индивидуально.

3. Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т.е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией пакетов используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.

4. Масштабируемость ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи. ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.

5. Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствует обязательное подтверждение получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т.д.

6. Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости, передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.

7. Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).

8. Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где, в основном, предоставляются почтовые услуги и передача файлов.

Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки.

По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), информационно-расчетные и другие.

По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини -, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств.

По скорости передачи данных в общем канале различают:

- ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды мспользуется используется витая пара или коаксиальный кабель;

- ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;

- ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).

По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС бывают с шинной топологией, кольцевой, звездообразной, смешанной (звездно-кольцевой, сегментированной).

161 Характеристика протоколов семейства ТСР/IP.

По мере развития Internet и особенно с появлением гипертекстовой системы WWW (World Wide Web) она значительно увеличилась, превратилась в коммерческую сеть. Теперь Internet имеет типичную для глобальных сетей узловую структуру. Она представляет собой совокупность взаимосвязанных коммуникационных центров, к которым подключаются региональные поставщики сетевых услуг и через которые осуществляется их взаимодействие. с точки зрения пользователя, в сети Internet выделяются поставщики услуг, поддерживающие необходимую информацию на серверах, и потребители этих услуг - клиенты.

Протоколы семейства TCP/IP были выбраны за основу сети Internet по ряду причин: возможность работы с этими протоколами как в локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях; способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей; удобство для использования пользователями; обеспечение высокого уровня взаимодействия между различными операционными системами; предоставление средств для разработки на их основе приложений и т.д.

Протокол IP(Internet Protocol - межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение информации в IP-сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ВОС. Протокол IP обеспечивает дейтаграммную доставку пакетов, его основная задача - маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохранение порядка потока пакетов.

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично на сеансовом уровне модели ВОС. Это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов. Протокол ТСР делит поток байт на сегменты и передает их сетевому уровню. На приемной стороне этот протокол снова собирает сегменты в непрерывный поток байт.

Семейство протоколов (или стек протоколов) ТCP/IP имеет четыре ярко выраженных уровня:

I - прикладной уровень;

II - транспортный (основной) уровень;

III - сетевой уровень (уровень межсетевого взаимодействия);

IV - канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов).

Каждый уровень выполняет свои функции по решению основной задачи - организации надежной и эффективной работы составной сети, т.е. совокупности нескольких сетей, построенных на основе разных сетевых технологий и соединенных между собой маршрутизаторами. Протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, предоставляемые протоколами более низкого уровня.

В семействе протоколов TCP/IP используются три типа адресов: локальные (физические, аппаратные), IP-адреса и символьные доменные имена (доменная адресация).

Локальные адреса уникальны для каждого сетевого соединения, они используются для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. Вопросы физической адресации решаются на канальном уровне стека TCP/IP.

IP-адресация в сети Internet базируется на концепции составной сети, состоящей из хостов и других сетей, причем под хостом понимается узел сети (компьютер рабочей станции, сервер, маршрутизатор), который может принимать и передавать IP-пакеты. Хосты соединяются через одну или несколько сетей (подсетей сети Internet), и адрес любого из них состоит из адреса сети и адреса хоста в этой сети. IP-адреса являются основным типом адресов, используемых сетевым уровнем для передачи пакетов между сетями.

Доменная адресация. Символьные имена в IP-сетях называются доменами и строятся по иерархическому признаку, т.е. различаются домены нижнего уровня, домены верхнего уровня и домены средних (промежуточных уровней). Адресация с помощью доменов получила название "доменная адресация". Система доменной адресации DNS (Domain Name System) в сети Internet рассматривается как метод иерархической организации адресов в этой сети, а также как механизм, используемый для получения по имени компьютера его IP-адреса. В своей работе этот механизм использует таблицы соответствия имен и IP-адресов, создаваемые администраторами.

Типы сервисов Internet. Все прикладные сервисы сети Internet можно разделить на три группы: интерактивные, прямого обращения и отложенного чтения.

К группе интерактивных сервисов относятся такие, где требуется немедленная реакция от получателя информации, т.е. получаемая информация, в сущности, является запросом.

Сервисы прямого обращения характеризуются тем, что информация по запросу возвращается немедленно.

Наиболее распространенными являются сервисы отложенного чтения, например электронная почта. Для них основным признаком служит та особенность, что запрос и получение информации могут быть достаточно заметно разделены во времени. Сервисы отложенного чтения наиболее универсальны и наименее требовательны к ресурсам ЭВМ и линиям связи.

Система новостей UseNet (телеконференции) - второй по распространенности сервис Internet, представляющий собой распределенную систему ведения дискуссий, механизм распространения сетевых новостей. Эта система обеспечивает ведение дискуссий (телеконференций) по выбранной теме, осуществляет фильтрацию статей по ключевым словам, тиражирование и рассылку подписчикам статей. В отличие от электронной почты в системе новостей необходимо централизованное хранение статей на UseNet-серверах, так как к банку статей должны иметь доступ все пользователи сети, подсоединенные к этому серверу.

168 Сетевое оборудование ККС: состав и назначение.

Читайте также: