Software & Systems

При создании мобильной сети спутниковой связи стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA в качестве прототипа используется развернутая в настоящее время в Х-диапазоне и реализованная на космических аппаратах (КА) сеть носимых земных станций типа «Стационар» и земных станций типа «Белозер» [1, 2], работающих в режиме прямой ретрансляции с частотным разделением каналов FDMA. Станции «Белозер» в данной сети, несмотря на достаточно высокие функциональные и энергетические характеристики, для обеспечения прямой телефонной связи друг с другом вынужденно работают на минимально возможных (вокодерных) скоростях передачи информации.

Для перехода к более высоким скоростям передачи информации, принятым в сетях спутниковой связи стандарта DVB-RCS [3–6], необходимо более чем на порядок увеличить энергетический потенциал спутниковых радиолиний КА «Стационар», что может быть обеспечено только путем создания на его борту многолучевых приемно-пе­редающих антенн и мультисервисных бортовых цифровых платформ (МБЦП), реализующих функции центральных земных станций (HUB) спутниковой сети стандарта DVB-RCS [7–10].

Модернизация КА «Стационар» путем введения в его состав МБЦП и многолучевых приемно-передающих антенн позволит реализовывать в Х-диапазоне на базе земных станций типа «Белозер» сети мобильной спутниковой связи стандарта DVB-RCS (MSF-TDMA), в которых будет обеспечиваться возможность организации высокоскоростной прямой связи абонентских земных станций друг с другом.

Вариант модернизации КА «Стационар»

Зона обслуживания КА «Стационар», обеспечивающая работу сети носимых земных станций типа «Белозер» в режиме FDMA, представляет собой эллипс, вытянутый с запада на восток и покрывающий практически всю европейскую часть России.

При использовании в качестве многолучевой приемно-передающей антенны на борту КА «Стационар» многолучевой приемно-передающей активной фазированной антенной решетки (АФАР) в Х-диапазоне с размерами порядка 1,4×0,7 м и шириной луча порядка 3,5×1,75° можно обеспечить мобильную сеть спутниковой связи стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA восемью фиксированными в пространстве приемными лучами и одним перенацеливаемым по зоне обслуживания передающим лучом АФАР практически на всей населенной территории России.

Предлагаемая АФАР должна иметь 8 фиксированных по зоне обслуживания лучей в диапазоне 8 ГГц и один перенацеливаемый луч в диапазоне 7 ГГц. Время перенацеливания передающего луча – порядка 1 мс, период перенацеливания – порядка 15 мс, время полного обзора зоны обслуживания – порядка 0,125 с. Число приемно-переда­ющих модулей (излучателей) АФАР – поряд- ка 512.

В качестве прототипа при разработке предлагаемой АФАР может быть использован опыт ее создания для КА «Метеор».

Общая структура приемно-передающего тракта КА «Стационар» с многолучевой приемно-пе­редающей АФАР и МБЦП показана на рисунке 1.

Сигналы MSF-TDMA от каждого из 512 приемных модулей поступают на канальные приемники, где после предварительного усиления на несущей частоте переносятся на первую промежуточную частоту и дополнительно усиливаются на ней. Далее сигналы с выходов приемных модулей поступают на делители на 8 (по числу приемных лучей), а затем еще на 8 (по количеству диаграммообразующих схем (ДОС) приемного тракта), где переносятся на вторую промежуточную частоту и дополнительно усиливаются на ней.

В этих ДОС во взаимодействии с МБЦП осуществляются также следующие операции:

–      обмен с МБЦП по межмашинным каналам обмена телеметрической информацией и командами управления;

–      расчет по командам МБЦП амплитудно-фазового распределения в раскрыве АФАР, формирующего заданный приемный луч этой антенной решетки;

–      выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из 512 каналов приема, команд для реализации заданного амплитудно-фазового распределения;

–      выдача в МБЦП телеметрической информации о состоянии каналов приема и о фактически реализованном амплитудно-фазовом распределении в раскрыве АФАР;

–      передача в МБЦП сигналов MSF-TDMA, поступивших от земных станций в заданном приемном луче АФАР.

В передающем тракте групповой видеосигнал TDMA, сформированный МБЦП, поступает на ДОС передатчика, где преобразуется в радиосигнал на несущей частоте передачи АФАР, усиливается до заданного уровня и синфазно распределяется на все 512 канальных передатчиков.

В ДОС передатчика во взаимодействии с МБЦП осуществляются также

–      обмен с МБЦП по межмашинным каналам обмена телеметрической информацией и командами управления;

–      расчет по командам МБЦП амплитудно-фазового распределения в раскрыве АФАР, обеспечивающего перенацеливание передающего луча в заданный район зоны обслуживания;

–      выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из канальных передатчиков, команд для реализации заданного амплитудно-фазового распределения;

–      выдача в МБЦП телеметрической информации о состоянии каналов передачи и о фактически реализованном амплитудно-фазовом распределении в раскрыве АФАР;

–      периодичная по командам МБЦП нормировка амплитудно-фазового распределения относительно эталонного, заданного для формирования передающего луча по нормали к плоскости раскрыва АФАР;

–      последовательное перенацеливание по командам МБЦП передающего луча АФАР на 1–8 зон обслуживания.

Энергетический потенциал спутниковых радиолиний КА «Стационар» с приемно-передаю­щей АФАР при мощности канальных передатчиков порядка 0,25 Вт и при температуре шума (Тш) канальных приемников порядка 200 °С будет следующим: эквивалентная изотропно излучаемая мощность (Рпер´Gпер) – 58 дБ/Вт; добротность (Gпр/Тш) – 14 дБ, что на порядок выше соответствующих характеристик действующих КА «Стационар».

Структура МБЦП стандарта DVB-RCS с пространственно-частотно-временным распределением ресурса MSF-TDMA

На вход МБЦП от ДОС приемного тракта по 8 каналам на второй промежуточной частоте поступают групповые сигналы с MSF-TDMA от сети земных станций по каждой из 8 зон обслуживания.

В МБЦП сигналы, поступившие по каждому из 8 каналов, селектируются по частоте, декодируются, демодулируются канальными цифровыми приемными линейками и передаются для логической обработки в центральный бортовой процессор МБЦП.

Центральный бортовой процессор осуществляет селекцию служебных и информационных сигналов, поступивших от земных станций по всем 8 приемным лучам, и формирует групповой видеосигнал TDMA для передачи на земные станции. Состав группового видеосигнала TDMA:

–      пилот-сигнал для синхронизации работы земных станций по зоне обслуживания;

–      информация управления для идентификации частотно-временного положения информационных пакетов для каждой из земных станций сети, выделенных ей в составе группового сигнала MSF-TDMA на линии Земля–борт и в составе группового сигнала борта с TDMA на линии борт–Земля;

–      собственно информационные пакеты для земных станций сети.

Общая структура МБЦП стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA представлена на рисунке 2.

Каждая цифровая приемная линейка выделяет на фиксированной частоте в полосе приема данного луча одну несущую на второй ПЧ со скоростью передачи информации 512 кбит/с, в которой уплотнены по времени 32 канала по 16 кбит/с.

Всего в одном луче от земной станции данной зоны обслуживания может быть одновременно принято до 8 каналов по 512 кбит/с (64 канала по 64 кбит/с, 128 каналов по 32 кбит/с или 256 каналов по 16 кбит/с).

Общая пропускная способность приемного тракта составляет 32,768 Мбит/с.

Служебная информация (запросы на регистрацию в сети, на выделение ресурса и т.д.) от всех земных станций, работающих в сети, может передаваться в первых каналах 16 кбит/с в составе каждого из групповых сигналов 512 кбит/с, поступающих в МБЦП. Занятость служебных каналов определяется центральным бортовым процессором на соответствующих служебных временных позициях группового сигнала TDMA, передаваемого по линии борт–Земля в каждую зону обслуживания сети.

В составе группового видеосигнала с TDMA, формируемого центральным бортовым процессором, уплотняются пилот-сигнал, информация управления и информационные пакеты данных, которые сбрасываются по линии борт–Земля на каждую зону обслуживания в течение 14 мс с периодом обзора всей зоны обслуживания 0,125 с.

Скорость передачи информации передающего тракта на линии борт–Земля выше общей пропускной способности приемного тракта на 4,096 Мбит/с и составляет 36,864 Мбит/с, что позволяет компенсировать потери, связанные с циклическим обзором зоны облуживания и со временем, необходимым для перенацеливания передающего луча АФАР.

Вариант модернизации земной станции «Белозер» для обеспечения работы в мобильных сетях спутниковой связи стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA

Приемно-передающая антенна земной станции «Белозер» представляет собой однолучевую приемно-передающую АФАР в Х-диапазоне с эквивалентной изотропно излучаемой мощностью и добротностью, достаточной для обеспечения работы земной станции «Белозер» в мультисервисной сети связи стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA. Недостатком данной АФАР является только то, что она не обеспечивает электронное управление лучом, а наведение его на КА осуществляется вручную.

Модернизации должна быть подвергнута также аппаратура передающего тракта для обеспечения непрерывной работы в режиме MSF-TDMA и приемного тракта для обеспечения дискретной (с периодом обзора зоны обслуживания 0,125 с) работы в режиме TDMA.

Учитывая, что в каждый конкретный момент земная станция работает в каком-то одном из фиксированных приемных лучей АФАР КА, фактически в передающем тракте земных станций может быть реализован стандартный режим их работы в сетях стандарта DVB-RCS с MF-TDMA. Аналогично в приемном тракте может быть реализован стандартный режим работы земных станций с TDMA на интервалах засветки заданного района обслуживания (14 мс) с периодом повторения интервалов засветки 125 мс.

Общая структура модернизированной земной станции «Белозер» представлена на рисунке 3.

В модернизированной земной станции «Белозер» предполагается использовать фрагмент бортовой АФАР с размерами порядка 22×22 см и шириной луча порядка 10°.

Сигналы TDMA от каждого из 25 приемных модулей поступают на канальные приемники, оттуда после предварительного усиления на несущей частоте переносятся на первую промежуточную частоту и поступают на ДОС приемного тракта, а затем переносятся на вторую промежуточную частоту и дополнительно усиливаются на ней.

В ДОС приемного тракта во взаимодействии с модулем цифровой обработки осуществляются также следующие функции:

–      обмен с модулем цифровой обработки по межмашинным каналам обмена телеметрической информацией и командами управления;

–      расчет по командам модуля цифровой обработки амплитудно-фазового распределения в раскрыве АФАР, формирующего заданный приемный луч АФАР;

–      выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из 25 каналов приема, команд для реализации заданного амплитудно-фазового распределения;

–      выдача в модуль цифровой обработки телеметрической информации о состоянии каналов приема и о фактически реализованном амплитудно-фазовом распределении в раскрыве АФАР;

–      передача в модуль цифровой обработки сигналов с TDMA, поступивших от КА.

В передающем тракте групповой видеосигнал с MF-TDMA, сформированный модулем цифровой обработки, поступает на ДОС передатчика, где преобразуется в радиосигнал на несущей частоте передачи АФАР, усиливается до заданного уровня и синфазно распределяется на все 25 канальных передатчиков.

В ДОС передатчика во взаимодействии с модулем цифровой обработки выполняются такие операции:

–      обмен с модулем цифровой обработки по межмашинным каналам обмена телеметрической информацией и командами управления;

–      расчет по командам модуля цифровой обработки амплитудно-фазового распределения в раскрыве АФАР, обеспечивающего наведение передающего луча на КА;

–      выдача на фазовращатели и аттенюаторы, установленные в каждом из канальных передатчиков, команд для реализации заданного амплитудно-фазового распределения;

–      выдача в модуле цифровой обработки телеметрической информации о состоянии каналов передачи и о фактически реализованном амплитудно-фазовом распределении в раскрыве АФАР.

Энергетический потенциал модернизированной земной станции «Белозер» при мощности канальных передатчиков порядка 0,25 Вт и температуре шума (Тш) канальных приемников порядка 60 °С будет следующим: эквивалентная изотропно излучаемая мощность (Рпер´Gпер) – 33 дБ/Вт, добротность (Gпр/Тш) – 6 дБ.

Энергетические запасы в радиолиниях борт–Земля и Земля–борт

По входу приемно-передающей АФАР КА на линии Земля–борт в каждом из 8 парциальных лучей реализуется принятый в стандарте DVB-RCS метод многостанционного доступа MF-TDMA. Доступ абонентских земных станций к КА на каждой из 8 несущих парциального луча в режиме TDMA обеспечивается со скоростью 512 кбит/с. Для сигналов земных станций на линии Земля–борт примем

–      кодирование/декодирование по «Витерби», FEC=3/4;

–      кодирование/декодирование Рида–Соломо­на, РС=47/51;

–      метод модуляции/демодуляции – QPSC.

Энергетический запас в радиолинии Земля–борт составляет порядка 6 дБ.

По входу приемно-передающей АФАР земных станций на линии борт–Земля в передающем луче АФАР КА реализуется принятый в стандарте DVB-RCS метод многостанционного доступа TDMA со скоростью 36,864 Мбит/с. Для группового сигнала КА на линии борт–Земля примем

–      кодирование/декодирование по «Витерби», FEC=3/4;

–      кодирование/декодирование Рида–Соломо­на, РС=47/51;

–      метод модуляции/демодуляции – QPSC.

Энергетический запас в радиолинии Земля–борт составляет порядка 6 дБ.

В заключение отметим, что предложенный в настоящей работе вариант модернизации КА «Стационар» путем установки на борту КА приемно-передающей многолучевой антенны и МБЦП, реализующих стандарт DVB-RCS с пространственно-частотно-временным разделением ресурса, позволяет обеспечить создание мобильных сетей спутниковой связи стандарта DVB-RCS через КА на геостационарной орбите.

К сожалению, пока неясно, как можно на практике реализовать полученные результаты для отечественных КА, хотя создание перспективных КА с МБЦП стандарта DVB-RCS уже неоднократно обсуждалось и нашло воплощение в ряде зарубежных проектов.

Для практической реализации указанных выше предложений наиболее сложно создать быстродействующие цифровые коммутаторы, являющиеся ключевым элементом МБЦП и многолучевых антенн для КА на геостационарной орбите, реализующих зональное обслуживание.

Литература

1.     Степанов А. НПЦ «Вигстар» для Вооруженных сил РФ / Связь в Вооруженных силах РФ-2008. М., 2008. С. 45–47.

2.     Степанов А. НПЦ «Вигстар» – 15 лет / Связь в Вооруженных силах РФ-2012. М., 2012. С. 47–50.

3.     DVB-RCS – Product Description, ЕМС TECHNOLO­GIES, Канада, 2004.

4.     Sky Edge – Product Description. GILAT, Израиль, 2004.

5.     Euro Sky Way. URL: http://www.euroskyway.it (дата обращения: 04.06.2013).

6.     Astro Link. URL: http://www.Astrolink.com (дата обращения: 04.06.2013).

7.     Генов А.А., Решетников В.Н. Некоторые результаты имитационного моделирования мультисервисных бортовых платформ стандарта DVB-RCS // Программные продукты и системы. 2008. № 3. С. 38-41.

8.     Генов A.А. Бортовые цифровые платформы – технологический прорыв в повышении эффективности спутников связи и вещания // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. 2002. №. 3.

9.     Генов A., Горошков A., Перескоков В. Мультисервисные БЦП – технологический прорыв в повышении эффективности ССС // К 75-летию академика В.А. Мельникова: тр. науч.-технич. конф. М., 2003.

10.  Макаров Е., Сапрыкин M.В., Георгадзе M.A., По- пов И.В. Аппаратная платформа цифровой антенной решетки для работы в диапазонах 2,4–2,5 и 4,9–5,9 ГГц // Антенны. 2012. Вып. 3. С. 37–45.

11.  Genov A. The conception of constructing FDMA tele­communication system. Proc.Forum of the IT, Spain, 1988.

12.  Genov A., Ivanchuk N. The conception of constructing global spread-spectrum CDMA mobile telecommunication «Glo­bal-SS» system. Proc. Forum of the ITA, Moscow, 1997.

References

1.     Stepanov A. Svyaz v vooruzhennykh silakh RF [Connec­tion in Armed Forces of the Russian Federation]. Moscow, 2008, pp. 45–47.

2.     Stepanov A. Svyaz v vooruzhennykh silakh RF [Connec­tion in Armed Forces of the Russian Federation]. Moscow, 2012, pp. 47–50.

3.     DVB-RCS – Product Description. EMS TECHNOLO­GIES, Kanada, 2004.

4.     Sky Edge  – Product Description. GILAT, Izrail, 2004.

5.     Euro Sky Way. 2003. Available at: http://www.euro­skyway.it (accessed 4 June 2013).

6.     Astro Link. 2003. Available at: http://www.Astro­link.com (accessed 4 June 2013).

7.     Genov A., Reshetnikov V.N. Nekotorye rezultaty imita­tsionnogo modelirovaniya multiservisnykh bortovykh platform standarta DVB-RCS [Some results of the simulation of multi-platform on-board DVB-RCS standard]. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2008, no. 3, pp. 38–41.

8.     Genov A. Onboard digital platforms – technological breakthrough in satellite service efficiency upgrading. Broad­casting. Radio and TV. 2002, no. 3.

9.     Genov A. Goroshkow A., Pereskokov V. Multiservice onboard digital platforms – technological breakthrough in satellite service efficiency upgrading. K 75-letiyu akademika V.A. Mel­nikova: trudy nauch.-tekhnich. konf. [Proc. of scientific and technical conf. for 75 y.o. academician V.A. Melnikov]. Moscow, 2003 (in Russ.).

10.  Makarov E., Saprykin M.V., Giorgadze M.A., Po- pov I.V. Antenny [Antennes]. Moscow, 2012, iss. 3, pp. 37–45.

11.  Genov A. The conception of constructing FDMA teleco­mmunication system. Proc.Forum of the IT. Spain, 1988.

12.    Genov A., Ivanchuk N. The conception of constructing global spread-spectrum CDMA mobile telecommunication «Global-SS» system. Proc. Forum of the ITA. Moscow, 1997.