Journal influence
Bookmark
Next issue
The possibility implementing mobile DVB-RCS standard satellite communication network with the spatial frequency resource time division in the Х-band
The article was published in issue no. № 4, 2013 [ pp. 23-28 ]Abstract:Nowadays satellite networks for mobile earth stations are implementing in the spacecrafts on geostationary orbit in direct relay mode with frequency-division multiplexing. The DVB-RCS standard with a spatial frequency TDMA involves placing on board a spacecraft multipath receiving-transmitting antenna and multi-board DVB-RCS standard digital platforms, providing multi-channel demodulation of earth stations sygnals. Using the DVB-RCS standard with MSF-TDMA can significantly extend the functional characteristics of mobile networks with satellites in a geostationary orbit. To use higher data transmition rate that as in DVB-RCS standard satellite communication networks, there is a need to increase the energy potential of satellite radio links "Statsionar" spacecraft. It can be achieved only whem establish multibeam receiver-transmit antennas on-board the "Statsionar" spacecraft. The "Statsionar" spacecraft modernisation is possible with the implementation of Multiservice onboard digital platforms and LAM in the spacecraft. It will allow using DVB-RCS (MSF-TDMA) mobile satellite communications standard in the X-band based on the AP-type "Belozer", which can help to organize high-speed direct connection between AP subscribers.
Аннотация:Спутниковые сети носимых земных станций в настоящее время реализуются через космические аппараты на геостационарной орбите, как правило, в режиме прямой ретрансляции с частотным разделением каналов (FDMA). Переход к стандарту DVB-RCS с пространственно-частотно-временным разделением каналов (MSF-TDMA) предполагает реализацию на борту космического аппарата многолучевых приемно-передающих антенн (гибридных многолучевых антенн или активных фазированных антенных решеток) и мультисервисных бортовых цифровых платформ стандарта DVB-RCS, обеспечивающих многоканальную демодуляцию сигналов земных станций. Использование стандарта DVB-RCS с MSF-TDMA позволяет существенно расширить функциональные характеристики сетей мобильной связи через космические аппараты на геостационарной орбите. Для перехода к более высоким скоростям передачи информации, принятым в сетях спутниковой связи стандарта DVB-RCS, необходимо более чем на порядок увеличить энергетический потенциал спутниковых радиолиний космического аппарата «Стационар», что может быть обеспечено только путем создания на борту космического аппарата «Стационар» многолучевых приемно-передающих антенн. Модернизация «Стационар» путем введения его в состав мультисервисных бортовых цифровых платформ и многолучевых 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.
Authors: A.A. Genov (vlad_osipovv@mail.ru) - Center of Visualization and Satellite Information Technologies SRISA (Professor, Leading Researcher), Moscow, Russia, Ph.D, V.V. Osipov (vlad_osipovv@mail.ru) - Center of Visualization and Satellite Information Technologies SRISA (Associate Professor, Senior Researcher), Moscow, Russia, Ph.D, S.B. Savilkin (savilkin@mail.ru) - Moscow Aviation Institute (National Research University) (Associate Professor), Moscow, Russia, Ph.D | |
Keywords: dvb-rcs, distributed resources, mobile communication |
|
Page views: 11122 |
Print version Full issue in PDF (7.95Mb) Download the cover in PDF (1.45Мб) |
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. |
Permanent link: http://swsys.ru/index.php?page=article&id=3653&lang=en |
Print version Full issue in PDF (7.95Mb) Download the cover in PDF (1.45Мб) |
The article was published in issue no. № 4, 2013 [ pp. 23-28 ] |
Perhaps, you might be interested in the following articles of similar topics: