Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы Теории и практики радиосвязи» Специальность 080502 Экономика и управление на предприятии
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «организация производства на предприятиях, 1298.86kb.
- Учебно-методический комплекс Для специальности 080502 Экономика и управление на предприятии, 1031.78kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 851.37kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 425.13kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 507.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 970.84kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 437.92kb.
- Планирование на предприятии учебно-методический комплекс, 871.22kb.
- Учебно-методический комплекс Специальность: 080502 Экономика и управление на предприятии, 324.86kb.
- Карпенко Елена Зугумовна к э. н., доцент должность профессор учебно-методический комплекс, 548.9kb.
Геостационарные ретрансляторы.
Конфигурация типовой спутниковой сети связи, базирующейся на
геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), представлена на рис.38.
Рис.38
Уникальной особенностью геостационарных орбит является неподвижность геостационарных ретрансляторов (ГСР) относительно земной поверхности. Это позволяет:
• во многих практических приложениях использовать на земных станциях антенны с фиксированным наведением, что существенно удешевляет оборудование и позволяет отказаться от услуг высококвалифицированного обслуживающего персонала;
• минимизировать негативное влияние допплеровского сдвига частоты;
• обеспечить непрерывность связи с использованием единственного ГСР;
• обеспечить почти непрерывное питание бортовой аппаратуры от
первичного источника энергии («ночь» на ГО длится не более 72 минут).
В состав ГССС обычно входят:
1. Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.
2. Совокупность земных станций (ЗС), оборудованных приемо-передающей аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и потребителями информации.
3. Одна или несколько центральных земных станций (ЦЗС), обеспечивающих управление процессами информационного обмена и функционирования сети.
4. Командно-измерительная станция (КИС), обеспечивающая управление
функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.
Земные станции выполняют также функции узлов сопряжения (шлюзов)
между наземными сетями (пользователями) и ССС. С этой целью в ЗС
осуществляется преобразование форматов и протоколов передачи данных, используемых в наземных сетях, в форматы и протоколы, позволяющие эффективно использовать связные ресурсы спутниковых каналов. В зависимости от назначения и пропускной способности основные параметры и конструктивные особенности земных станций современных ГССС колеблются в широких пределах, начиная от портативных персональных терминалов типа «трубка в руке» с выходной мощностью в доли ватт и фиксированных малогабаритных станций с диаметром антенн 0,5-2 метра с выходной мощностью 1-20 Вт, до весьма громоздких конструкций с большими антеннами диаметром 25-30 метров и передатчиками мощностью до десятков кВт, оформленных в виде специально построенных зданий в специально выбранных местах.
ЦЗС центры управления сетью (NOC — Network Operation Center)
координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети, обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между ЗС связные ресурсы сети, архивируются данные об использовании этих ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация.
При помощи контрольно-измерительной станции (КИС) сети центр управления полетом (FCC — Flight Control Center) получает и обрабатывает данные траекторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный режим работы бортовых систем ретранслятора, которые в виде цифровых команд передаются на ГСР.
Геостационарный ретранслятор (ГСР), как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:
1. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), являющийся полезной
нагрузкой ГСР, выполняющий все необходимые сетевые функции космического сегмента.
2. Систему коррекции орбиты.
3. Систему ориентации.
4. Систему энергообеспечения.
5. Систему терморегулирования, поддерживающую температурный режим
аппаратуры ГСР в пределах, обеспечивающих её нормальное функционирование.
6. Информационно-управляющую систему, обеспечивающую взаимодействие с командно-измерительной станцией, сбор и обработку измерительной информации, формирование, распределение и исполнение различных команд, обеспечивающих необходимые режимы работы систем ГСР.
Первичными источниками электроэнергии для питания ГСР являются
солнечные батареи (СБ), составленные из кремниевых полупроводниковых элементов. Коэффициент полезного действия преобразователей солнечной энергии в электрическую достигает 30%, что позволяет обеспечить энергоотдачу более 150 Вт на квадратный метр СБ. В результате бомбардировки космическими частицами и микрометеоритами энергоотдача СБ падает в 1,2—1,4 раза после семилетней эксплуатации и в 1,3-1,6 раз после 10 лет.
Рассмотрим характерные особенности радиоканалов связи через ГСР.
1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности 35875-
41000 км задерживают сигналы на сравнительно большое время.
Задержка распространения — 120-136 мс в одном направлении. При направленной передаче информации такая задержка несущественна, но при интерактивной связи (телефония, видеоконференцсвязь, мультимедийные приложения и т.д.) она может приводить к ощутимым неудобствам. Наличие задержки усложняет и снижает эффективность управления процессом информационного обмена в сети, которое применяется с целью более экономного использования связных ресурсов.
2. Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены
воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного происхождения.
3. Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов в свободном пространстве (рассеянию энергии и поглощению мощности в различных слоях атмосферы), что в сочетании с большим уровнем внешних шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи информации весьма значительных затрат энергии. Стремление снизить эти затраты и повысить пропускную способность ГССС обуславливает необходимость использования оптимальных или близких к ним структур передаваемых радиосигналов и способов их обработки.
4. Спутниковые каналы связи являются каналами с переменными
параметрами, что обусловлено неопределенностью положения ГСР в
пространстве, его ориентации и, главным образом, разбросом параметров атмосферы Земли на трассе распространения радиосигналов. Коэффициент передачи по мощности канала изменяется во времени, причем характер этого изменения содержит регулярную и случайную составляющие.
Тема 18. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов.
В настоящее время наряду с ГССС, много лет успешно функционирующими в режиме коммерческой эксплуатации, на начальном этапе предоставления услуг связи и в процессе проектирования находятся множество систем спутниковой связи нового типа, которые потенциально могут обеспечить своим пользователям более широкий спектр услуг с более высоким качеством.
Это сети спутниковой связи на негеостационарных орбитах ( НССС), включая низкоорбитальные сети — LEO. В состав орбитальных группировок LEO входят от десятков до сотен ИСЗ. Последние успехи в области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить массовое производство космических аппаратов данного типа.
Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным
абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных районах, в районах Крайнего Севера и приполярных областей, значительно повысили интерес к этим сетям связи. Совершенствование конструкции и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в совокупности с применением новых информационных технологий позволяет удовлетворить этот интерес. Даже в странах с развитой инфраструктурой связи около 35% потребностей в услугах связи могут обеспечить только НССС.
Современные условия характеризуются непрерывным расширением рынка и качества новых услуг связи. Одним из решений этой задачи является использование НССС.
Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:
• меньшая высота орбит ИСЗ от 700-1500 км - у LEO, до 10000-20000 км -
у МЕО, и существенно меньшая задержка распространения сигналов;
• небольшие энергетические и массогабаритные характеристики спутниковых ретрансляторов. Например, масса низкоорбитальных спутниковых ретрансляторов, как правило, не превышает 250-750 кг;
• высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность
времени радиовидимости , например, в LEO средняя продолжительность
времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи составляет только 6-7 минут. Вследствие этого в конце 80-х годов точное
предварительное позиционирование антенн абонентов было сложно
реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью фазированных
антенных решеток;
• высокие допплеровские сдвиги частот (около +/- 40 кГц в L-диапазоне);
• использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн
терминалов, например 20°- 40°, что обеспечивает надежность связи около
99,9%, и др.
Параметры орбиты СР в НССС во многом определяют потребительские
свойства сети связи, размеры и вес персональных спутниковых терминалов. Одним из параметров орбиты низкоорбитального СР является угол наклонения орбиты — угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли. Чем меньше этот угол, тем уже зона обслуживания НССС.
Зона видимости (зона, из любой точки земной поверхности которой виден спутник) в каждый момент времени имеет форму круга с центром в подспутниковой точке, а её размер зависит от высоты орбиты.
Другие отличия LEO НССС от ГССС приведены в таблице 4. В таблице
условно LEO разбиты на два класса: небольшие (весом до 125 кг) и большие (весом до 500-700 кг).
Таблица 4.
Кроме особенностей, указанных в таблицах, НССС имеет и ряд других
особенностей.
Для низкоорбитальных СР радиус зоны видимости составляет несколько тысяч километров, например для высоты 1000 км радиус равен около 3000 км. С увеличением угла наклона орбиты зона видимости расширяется в направлении севера и юга от экватора. Для обеспечения глобальной связи целесообразно использовать полярные (с наклонением 90 градусов) и околополярные орбиты — это орбиты, проходящие через условную ось вращения Земли. Для обеспечения региональной связи или связи в большинстве густонаселенных районов мира достаточно использовать орбитальные группировки с наклонением орбиты менее 90 градусов — такие орбиты используются в системах Globalstar (наклонение 52 градуса), «Гонец» (наклонение 83 градуса) и др.
Время, в течение которого можно наблюдать низкоорбитальный космический аппарат, для большинства НССС не превышает 15 минут. Поэтому для обеспечения непрерывной связи между абонентами необходимо создание такой орбитальной группировки, при которой достигается непрерывность зоны видимости для сети спутников. Чтобы обеспечить связь между абонентами не только внутри зоны видимости одного спутника, но и на всей зоне обслуживания НССС, необходимо обеспечить связь между различными космическими аппаратами в орбитальной группировке НССС. Для этого применяют либо межспутниковые линии связи, либо наземные шлюзовые (базовые) станции. Очевидно, что для обслуживания абонентов на всей поверхности Земли необходимо большое число спутников. Например, при использовании орбит с высотой от 700 до 1500 км необходимо иметь от 70 до 40 спутников соответственно, так как с увеличением высоты орбиты требуемое количество спутников в орбитальной группировке уменьшается.
На Рис.39 показаны виды орбитальных группировок ИСЗ.
Рис. 39
Эллиптические орбиты ЕЕО {Elliptical Earth Orbit} привлекательны для
избирательного покрытия одного из земных полушарий. Высота точки перигея орбиты выбирается минимально возможной с учетом дестабилизирующего влияния остаточной атмосферы Земли и составляет примерно 500 км. Поскольку скорость движения спутника по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он быстро пересекает на низких высотах южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 90 градусов в течение длительного времени «зависает» над северным. Высота точки апогея 12-часовой эллиптической орбиты сравнима с высотой
геостационарной орбиты и составляет примерно 40000 км. Для непрерывного покрытия полушария во времени достаточно трех спутников, длительность сеанса связи с каждым из которых равна 8 часов.
Орбиты с аналогичными параметрами впервые были использованы для советских радиовещательных спутников раннего поколения «Молния», поэтому их часто называют орбиты типа Молния (Molniya Orbit).
Большие низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС,
обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к реальному времени.
Ниже в таблице 5 сведены указанные преимущества и недостатки каждого типа спутниковых сетей связи.
Таблица 5.
Раздел 7. Организация сотовой связи.
Тема 19. Функциональная схема сотовой связи.
Сотовые системы связи предназначены для передачи информации между подвижными абонентами. Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек или сот. Общее представление системы сотовой связи имеет вид (Рис.40).
Рис.40
В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (радиотелефоны) в пределах своей ячейки (Рис.41).
Рис.41
При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой.
Данная функциональная схема значительно упрощена. В действительности ячейки никогда не бывают правильной геометрической формы. Их границы зависят от рельефа местности, наличия или отсутствия
больших зданий, плотности растительности и т.д. Дальность и конфигурация ячеек соты определяется условиями распространения радиоволн. Положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки. Если на базовых станциях используются направленные антенны, то базовые станции могут стоять по краям ячеек.
Все базовые станции системы замыкаются на стационарный центр коммутации, который имеет выход на общую сеть телефонной связи (Рис.42)
Рис.42
центром ячейки.
Система сотовой связи может содержать более одного центра коммутации, особенно в сильно разветвленных сетях. В этом случае один из них выполняет функции ведущего центра коммутации (Рис.43).
Рис.43
На рисунке один или несколько ведомых центров коммутации соединены с ведущим центром.
Тема 20. Организация подвижной станции.
Рассмотрим функциональную схему и принцип действия подвижной станции (радиотелефона) сотовой сети GSM (Рис.44).
Рис.44
Функциональная схема содержит:
- блок управления;
- передатчик;
- приемник;
- синтезатор частот;
- гетеродин;
- антенный блок;
- логический блок.
Радиосигнал поступает на антенный блок. Он состоит из антенны, представляющей собой простой несимметричный четвертьволновый вибратор.
Коммутатор прием – передача – это электронный коммутатор, который подключает к антенне вход приемника, либо выход передатчика.
Блок управления включает в себя микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона абонента, а также команд, определяющих режим работы радиотелефона. Дисплей служит для отображения различной информации, предусмотренной устройством режимом работы станции.
В состав передатчика входят:
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона. Вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме.
- кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи и сжатие данных.
- кодер канала добавляет в цифровой сигнал избыточную информацию для контроля и коррекции ошибок, а также служебную информацию.
- модулятор осуществляет частотную модуляцию несущей частоты.
Приемник состоит из следующих функциональных узлов:
- демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;
- декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок, который обнаруживает и по возможности исправляет ошибки, принятая информация распаковывается в исходный вид;
- декодер речи восстанавливает поступающий на него сигнал речи, переводя его естественный вид, но в цифровом виде;
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровой сигнал речи в аналоговый вид и подает его на вход динамика.
В состав радиотелефона входят логический блок и синтезатор частот.
Логический блок – это специализированный микрокомпьютер, управляющий работой радиотелефона.
Синтезатор является источником колебаний несущей частоты. Приемник радиотелефона выполнен по схеме супергетеродина, поэтому в состав синтезатора входят гетеродин и смеситель частот.
Функциональная схема сотового телефона (Рис.36) значительно упрощена. На ней не показаны некоторые узлы, улучшающие характеристики радиотелефона. Например, радиотелефон системы GSM имеет детектор речевой активности, который с целью экономии энергии аккумулятора, включает работу передатчика на излучение тогда, когда абонент говорит. В сотовом телефоне GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module) SIM – карта.
Тема 21. Организация базовой станции и центра коммутации.
Базовая станция является стационарным объектом и структурно сложнее сотового телефона (Рис.45).
Рис.45
Базовая станция имеет раздельные антенны для передачи и для приема сигналов. Вторая особенность базовой станции – наличие нескольких приемников и передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различной частотой. Одноименные передатчики и приемники имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Конкретное количество приемников и передатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции.
В приемниках и передатчиках базовых станций отсутствуют АЦП и ЦАП, так как сигналы на входах приемников и на выходах передатчиков имеют цифровой вид.
Существуют базовые станции, в которых отсутствует кодер речи и кодер канала, поскольку в этом случае они входят в состав центра коммутации. Блок сопряжения линий связи (интерфейс) осуществляет упаковку и распаковку информации, передаваемой к центру коммутации или принимаемой из него. В качестве линии связи обычно используется либо радиорелейная, либо волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации располагаются в разных местах.
Контроллер базовой станции представляет собой достаточно мощный компьютер, управляющий всей работой базовой станции.
Центр коммутации – это основная память и диспетчерский пункт системы сотовой связи (Рис.46).
Рис.46
Через центр коммутации проходят все потоки информации с базовых станций, и осуществляется выход на другие сети связи – стационарную телефонную сеть, сети междугородней связи, спутниковой связи, другие сотовые сети, Интернет.
Контроллеры связи – это мощные компьютеры, принимающие и передающие потоки информации, осуществляющие буферное хранение, упаковку и распаковку данных. Коммутатор переключает потоки информации между базовыми станциями или между другими сетями и базовыми станциями в режиме разделения времени в нужном направлении.
Общее управление центра коммутации и сотовой сети в целом производится от центрального контроллера. Центр коммутации обслуживается группой операторов и группами поддержки работоспособности сети. Для этого в состав центра коммутации входит диспетчерский пункт, содержащий средства отображения и регистрации информации.
Важными элементами центра коммутации являются базы данных: домашний регистр, гостевой регистр, регистр аутентификации, регистр аппаратуры.
Домашний регистр (Home Location Register) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной сотовой сети, и о видах оказываемых услуг. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги.
Гостевой регистр (Visitor Location Register) содержит те же сведения об абонентах – гостях (ромерах), то есть об абонентах, зарегистрированных в другой сети, но пользующихся услугами в данной сети.
Регистр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений.
Регистр аппаратуры содержит сведения о достоверности исправности и санкционирования использования сотовых телефонов в данной сети.