что влияет на качество спутниковой связи
Будь умным!
Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-12-26
«>Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«>Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
«>информационных технологий, механики и оптики.
Факторы, влияющие на качество связи в системах спутниковой связи ;color:#000000″>.
Студент: Колганов А.С.
;background:#ffffff»>Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико. Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие ;background:#ffffff»> ;color:#000000;background:#ffffff»>антенны ;background:#ffffff»>, малошумящие элементы и сложные ;background:#ffffff»> ;color:#000000;background:#ffffff»>помехоустойчивые коды ;background:#ffffff»>. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика. ( ;background:#ffffff»>Для справки ;background:#ffffff»>: «>Возможность помехоустойчивого кодирования осуществляется на основании теоремы, сформулированной Шенноном, согласно ей: если производительность источника (Hи(A)) меньше пропускной способности канала связи (Ск), то существует по крайней мере одна процедура кодирования и декодирования при которой вероятность ошибочного декодирования сколь угодно мала, если же производительность источника больше пропускной способности канала, то такой процедуры не существует.)
;background:#ffffff»>На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в ;background:#ffffff»> ;color:#000000;background:#ffffff»>тропосфере ;background:#ffffff»> ;background:#ffffff»>и ;background:#ffffff»> ;color:#000000;background:#ffffff»>ионосфере «>.
«>А) «>Поглощение в тропосфере: Степень поглощения сигнала атмосферой находится в зависимости от его ч «>астоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц. Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы. (Замирания (фединг) изменения амплитуды и фазы сигнала из-за перемещения передатчика или приёмника в системе радиосвязи и/или распространения сигнала через неоднородную среду, например, ионосферу)
«>Б) Ионосферные эффекты: Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.
;color:#000000″>Проблема задержки распространения сигнала, так или иначе, затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс.
;color:#000000″>Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.
;color:#000000″>В некоторых системах сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.
«>Засветка антенн земных станций Солнцем зашумление радиосигнала, принимаемого со спутника, в результате смешения полезного радиосигнала с излучением от Солнца, при нахождении Солнца вблизи оси антенна спутник связи. В глобальном масштабе солнечная засветка проявляет себя два раза в год в период 3,5 недель, окружающих дни весеннего и осеннего равноденствия (2021 марта и 2122 сентября соответственно), когда Солнце пересекает небесный экватор, рядом с которым находится «пояс Кларка» со спутниками связи, двигающимися по геостационарной орбите.
«>Вред, наносимый солнечной засветкой: «> В первую очередь, засветка ухудшает качество связи и приводит к её срывам, что сказывается на качестве услуг, предоставляемых с её использованием. Единственный способ этого избежать заблаговременно переключиться на другой спутник (с другим периодом засветки) или использовать альтернативный канал связи.
«>Антенны большого диаметра, окрашенные в светлые тона, в солнечную погоду фокусируют свет на конвертере (или облучателе), что может привести к разогреву, расплавлению пластиковых частей и повреждению его электронных компонентов. Во избежание повреждений, в таких антеннах рекомендуется экранировать конвертер листом радиопрозрачного материала (картона, пластика и т. п.) на время засветки.
«>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.
«>Список » xml:lang=»en-US» lang=»en-US»> «>литературы » xml:lang=»en-US» lang=»en-US»>:
Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе
Контакт с космосом: как спутниковая связь обеспечит быстрым интернетом всех жителей Земли
В конце мая произошло историческое событие, оно приблизило жителей планеты к высокоскоростному спутниковому интернету. Компания SpaceX завершила первый этап первой фазы миссии Starlink 28. На низкую околоземную орбиту вывели последние 60 спутников для полного заполнения ближайшего к Земле слоя. Дальше они планируют запустить еще несколько тысяч аппаратов на более дальние расстояния. Все это для того, чтобы обеспечить доступ к спутниковой связи из любой точки планеты. О том, что такое спутниковая связь и как она изменит жизнь каждого жителя планеты, рассказывает директор по информационным технологиям Yota Андрей Жикин.
Читайте «Хайтек» в
Соты против спутника
Сначала разберемся, как устроена сотовая связь. Представьте работу телефонисток: они получали звонок, узнавали номер для соединения, находили нужное гнездо на коммутаторе и, если оно не занято, соединяли проводом два гнезда, соответствующие номерам собеседников. Сотовая связь работает по той же схеме, но вместо приветливых девушек — базовые станции. Они принимают сигнал с устройства, выясняют, куда его нужно направить, находят ближайшую к этому месту станцию. Там контроллер выделяет свободный канал для связи. Если станция перегружена, установить соединение не получится. Многие сталкивались с такой ситуацией в новогоднюю ночь: тысячи пользователей одновременно звонят близким и «занимают» все каналы базовых станций.
У каждой базовой станции есть ограниченная зона покрытия. Чтобы сигнал не прерывался, эти зоны должны пересекаться. Поэтому территории, где обслуживают абонентов, делят на шестиугольные ячейки, похожие на соты. В каждый угол помещают базовую станцию и соединяют с центральной оптико-волоконным кабелем.
Прокладывание кабелей и строительство вышек — главные проблемы сотовой связи. В труднодоступных зонах устанавливать оборудование неудобно и часто невыгодно. Поэтому во многих местах Земли до сих пор нет сотовой связи. В России с ее огромной территорией вопрос цифрового неравенства очень важен: в 2014 году вышло постановление правительства о том, что универсальные услуги связи нужно предоставлять даже малонаселенным пунктам.
Спутниковая связь решает эту проблему. Спутник получает сигнал с наземной станции и транслирует его на другие объекты в зоне покрытия. Радиус действия спутников больше, чем у базовых станций, а в космосе можно расположить устройства в любой точке — даже над океанами или районами вечной мерзлоты. Глобальная спутниковая сеть (чем и занимается Starlink) — лучшая возможность обеспечить связь на всей территории Земли.
Но и здесь есть сложности. Сигнал со спутников пока не очень стабилен, а для высокого качества связи нужно использовать не только большие антенны, но и довольно сложные устройства для подавления шумов и помех. На спутниковую связь сильнее, чем на сотовую, влияет погода и эффекты в атмосфере. Кроме того, сотовую связь удобнее использовать в пути. Спутники требуют установки стационарного оборудования для приема сигнала, и хотя в Starlink обещают разработать мобильную систему передачи и приема сигнала, неизвестно, насколько хорошо она себя покажет при передвижениях пользователя на поезде или в метро.
Рынок спутниковой связи растет во всем мире. Лидирует Starlink
Рынок спутниковой связи в России постоянно растет. 2020 год не стал исключением: по сравнению с 2019 годом рост составил 9%. Главные компании, которые занимаются спутниковым интернетом — это konnect, «Газпром космические системы» и РТКомм. В 2021 году может появиться еще одна серьезная компания. Россия приступит к развертыванию спутниковой группировки в рамках программы глобальной связи «Сфера». Для этого планируют объединить спутниковую навигационную систему ГЛОНАСС, системы дистанционного зондирования Земли, спутниковые системы связи «Экспресс-РВ» и «Гонец». Проект хотят запустить к 2030 году.
Глобальные операторы тоже показывают в России хорошие результаты. Компания Iridium — пока единственный спутниковый оператор со 100% покрытием на Земле — обслуживает больше 6 тыс. пользователей и 79 тыс. IoT-устройств.
Завершение миссии Starlink 28, скорее всего, еще больше простимулирует рост рынка спутниковой связи и изменит распределение сил. Сейчас многие операторы работают только на ограниченной территории — например, только в одной стране — и предоставляют специализированные услуги (обслуживают промышленный IoT). Система Starlink обеспечит спутниковую связь на всей территории Земли для всех потребителей. С компанией Илона Маска может соперничать Iridium, но, учитывая масштабы проектов, скорее всего, Starlink выйдет в лидеры. В группировке Iridium работает всего 82 аппарата, а первый «слой» системы Starlink насчитывает 1 635 спутников. А с увеличением числа ретрансляторов растет качество и стабильность связи.
Области применения: слежка за редкими животными, доставка вакцины и интернет в суровом климате
Плюсы спутниковой связи можно оценить уже сейчас. Ее, например, применяют для освоения труднодоступных зон, таких как Арктика. Это важный для экономики страны регион, где есть месторождения угля, нефти, газа, алмазов и руд. Новая инфраструктура поможет в исследовании региона и работе предприятий. Помимо этого, в арктической зоне есть много удаленных друг от друга и от крупных городов населенных пунктов, жители которых не могут даже вызвать помощь. Из-за суровых климатических условий построить станции и провести кабели там нельзя. Поэтому спутники — единственный доступный вариант.
Спутниковую связь активно применяют в промышленном IoT. Часто передача данных осуществляется из удаленных регионов, где, к примеру, происходит добыча полезных ископаемых. Доставлять и получать информацию из таких зон можно только с помощью спутников. Из-за развития сервисов машинного взаимодействия нужно обмениваться сигналами очень быстро. Иногда информация передается с одного дрона на другой или отправляется на борт корабля в открытом море. В таких случаях использовать физические кабели невозможно.
Примеры использования спутниковой связи можно найти в экологии. В природоохранных заповедниках применяют трекер-ошейники для отслежививания животных, выпущенных в естественную среду. British Petroleum с помощью дронов Flylogix и спутниковой связи собирает данные о загрязнении побережий метаном. Потенциально спутники помогут искать очаги возгорания лесных пожаров и восстанавливать связь после стихийных бедствий.
Спутниковая связь помогает бороться с распространением COVID-19. Не так давно Iridium объединился со Swoop Aero для доставки вакцины в отдаленные уголки мира. Системы Iridium позволяют контролировать местоположение и состояние упаковок с препаратом.
Будущее спутниковой связи: полтора миллиарда человек, подключенных к сети, и интернет в отдаленных регионах Земли
Спутниковая связь только набирает обороты. Добывающие предприятия смогут наладить удаленную коммуникацию между разными площадками и офисами. Специалистам не придется выезжать на точку в случае поломки или при необходимости провести инструктаж для новой бригады специалистов. Все консультации могут проходить по видео.
То же самое касается бизнеса: где бы ни находилось производство или склад, все этапы работы с продукцией отслеживаются с помощью IoT-инструментов в режиме реального времени. Внедрение удаленного видеонаблюдения для контроля за работой предприятий станет гораздо доступнее. Наконец, спутники помогут вести бизнес в труднодоступных регионах. При этом спутниковая система способна передавать данные быстрее, чем сотовая. Сейчас главный вопрос в том, чтобы наладить взаимодействие между аппаратами и обеспечить соединение без помех.
Спутниковая связь — главный инструмент борьбы с цифровым неравенством. Сегодня у 60% населения планеты нет доступа к высокоскоростному интернету, а 1,6 млрд человек не могут воспользоваться мобильной сетью. Благодаря спутникам интернет и мобильная связь на Земли станут безграничными.
Но это не означает, что мы наблюдаем закат сотовой эпохи. Спутниковая связь пока менее стабильна, прогнозируема и доступна. Сотовые операторы тоже постоянно растут, развиваются и предлагают все более выгодные и удобные решения. Поэтому в будущем у пользователей будет в два раза больше возможностей, а тип связи, скорее всего, клиенты будут выбирать под конкретную задачу.
Кроме того, космический сегмент, возможно, интегрируют с другими технологиями для расширения возможностей стандарта 5G. Спутники можно использовать для создания гибридной конфигурации. Они будут состоять из широковещательной и широкополосной инфраструктур, обеспечивающих услуги 5G для пользователей. В результате удастся добиться всеобщей связи «всего, всегда и везде».
Помехи: как трамвай, антирадар и плохо обжатый кабель могут повлиять на спутниковый канал
В любых системах радиосвязи, что сотовых, что спутниковых, помехи — вечная проблема. Для спутниковых линий все помехи можно разделить на два класса: местные и бортовые.
Местные — это любые радиосигналы в рабочей полосе частот системы связи, попадающие на вход приёмника из местного эфира. Спутниковые системы по сравнению с нашими привычными сотовыми куда чувствительнее. Если вы орёте в ухо человеку на расстоянии 1 метра, шум листьев во дворе вас не волнует. А вот если вы стоите на расстоянии километра и шепчете, то даже при наличии у человека нужного приёмника листья будут мешать. Мощность на входе приёмника порядка минус 110 дБм, или 1х10-14Вт. Всё то же самое, только вместо листьев — наземные радиоточки, трамваи, системы зажигания автомобилей, антирадары.
Трамвай и его друзья
Наиболее характерными и типичными источниками местных помех для земных станций спутниковой связи (ЗССС) диапазона С (частоты приёма 3,4–4,2 ГГц) являются радиорелейные линии и системы радиодоступа. Поэтому при выборе места для размещения антенны ЗССС С-диапазона нужно прежде всего обращать внимание на наличие поблизости антенн РРЛ, направленных либо прямо в раскрыв антенны (возможность появления помех от этой антенны), либо точно «в спину» антенны (возможность появления помех от антенны РРЛ, работающей в паре с этой на другой стороне пролёта).
Приём в диапазоне Ku (10,9–12,7 ГГц) подвержен действию помех от электротранспорта (трамваи и троллейбусы), старых (индукционных) систем зажигания автомобилей и автомобильных радаров. Поэтому, если вы размещаете антенну ЗССС Ku-диапазона на крыше здания в центре города и антенна должна смотреть в сторону оживлённой улицы, разумнее расположить антенну так, чтобы антенна пряталась от улицы за срезом крыши. Только не спешите перевешивать свою тарелку, нацеленную на спутник с телеканалами.
Спутниковое ТВ имеет запас по мощности, которого обычно достаточно для компенсации подобных помех. И кратковременное воздействие помех на принятый сигнал не всегда приводит к заметным глазу «подрывам» или «рассыпанию» картинки. Но если картинка постоянно сыплется и после замены конвертера на более чувствительный или после монтажа на то же место антенны большего диаметра — задумайтесь.
Ну и конечно, если после предварительного обследования предполагаемого места для установки антенны возникли сомнения в «чистоте эфира», то лучше и правильнее произвести т. н. радиоразведку: посмотреть, что же на самом деле творится в эфире, присутствуют ли там мощные сигналы в районе предполагаемых рабочих частот, и если присутствуют, то с какого направления они приходят.
И на самом деле не все так печально, как может показаться. Практически с любой местной помехой можно совладать тем или иным способом. По крайней мере на моей памяти ещё не было ни одного случая, когда мы не смогли бы обеспечить приемлемое качество работы каналов и сервисов из-за помех. Хотя иногда действительно приходилось применять очень нетривиальные решения. Например, возведение сетчатого ограждения по одной из сторон антенны (Павлодар, Казахстан) или перевод работы одного из сегментов сети «предоставления каналов по требованию» на крайне неэффективную с точки зрения использования полосы, зато очень устойчивую к воздействию помех модуляцию и кодирование (терминалы на постах ГИБДД в Краснодарском крае).
Помехи от самой аппаратуры спутниковой связи
Бортовые помехи — тема гораздо более сложная и интересная. Любой спутник в этом плане можно сравнить с плавательным бассейном: чистота воды в нём прежде всего зависит от купающихся. Но если доступ в бассейн можно достаточно легко ограничить, то на спутник теоретически может попасть любое радиосредство, находящееся внутри т. н. зоны обслуживания этого спутника и излучающее в сторону спутника на его рабочих частотах и с должной мощностью. Спутник принципиально не может отделить полезные или свои сигналы от мешающих или чужих; он просто переизлучает в сторону Земли всё, что на него так или иначе попало. И если вместе с полезным сигналом, излучаемым одной из «законопослушных» ЗССС, на той же частоте со стороны Земли приходит помеха, то в сторону Земли уйдет уже сумма «сигнал плюс помеха». И выглядеть это будет примерно так:
Пологая трапециевидная линия — огибающая полезного сигнала. Высокие «палки» поверх неё — помеха.
Наличие в полосе сигнала подобных помех приводит как минимум к появлению ошибок на канале, подвергшемуся воздействию помехи. А как максимум — к полной неработоспособности канала и всех сервисов, идущих внутри него.
Главная и наиболее трудная задача при появлении помехи — вычислить, кто и откуда эту помеху может излучать. Но ещё раз: помеха может прилететь на спутник от любой ЗССС, хоть как-то смотрящей на этот спутник и расположенной внутри «зоны обслуживания». И вот, к примеру, картинка «зоны обслуживания» фиксированного луча Ku-диапазона спутника «Экспресс-АМ33»:
Как вычислить, где (или хотя бы на территории какого государства) располагается «проблемная» ЗССС?
Пожалуй, самый простой случай — это подъём на борт некоей ЗССС с ПЧ70/140МГц своего УКВ/ФМ-вещания. В большинстве случаев вычислить такую ЗССС может и сам оператор спутниковой сети, без помощи оператора спутникового сегмента. Ведь такая проблемная ЗССС однозначно работает в том же транспондере спутника, где и наблюдается помеха. А для таких крупных операторов, как «Вымпелком», это, скорее всего, одна из ЗССС собственной сети. Кто конкретно — узнать не так уж и трудно: большинство современных анализаторов спектра имеют режим «демодулятор ФМ». Настраиваемся на помеху, слушаем — и очень скоро можно понять, что это за радиостанция. Ну а дальше совсем просто: вбиваем название радиостанции и её частоту вещания в поиск, находим город, где она вещает на этой частоте, и сравниваем со списком расположения ЗССС с ПЧ.
Несколько сложнее дело обстоит с вычислением источника помех в виде подъёма на борт сигналов сотовой связи. Тут уже не обойтись без помощи оператора спутникового сегмента. У них имеется аппаратура, способная вытащить из сигнала сотовых сетей всю служебную информацию: название сети, ID оператора, номер БС и т. д. Имея эту информацию и имея информацию о всех ЗССС, работающих через данный спутник, оператор может вычислить проблемную ЗССС. Ну и после этого — сообщить оператору, хозяину ЗССС, что эту станцию нужно срочно приводить в порядок.
Самый тяжёлый случай — это помехи непонятного происхождения, возникающие из-за сбоев в работе аппаратуры ЗССС. Причём очень часто такие помехи не присутствуют постоянно, а появляются и пропадают или, что ещё хуже, постоянно изменяют форму, амплитуду и частоту (т. н. нестационарная помеха).
Тривиальный, но очень сложный и долгий путь вычисления источника такой помехи — это поочерёдное отключение всех ЗССС, работающих через данный спутник. Понятно, что это очень непростая задача: таких ЗССС могут быть сотни. А выключать их надо не просто так, а именно в момент наличия помехи. И выключать желательно не «софтово», а путём снятия питания с передатчика. Понятно, что скоординировать и успешно провести такие работы практически невозможно.
Но выход есть. Современные методы обработки сигналов и применение больших вычислительных мощностей позволяют практически творить чудеса. И для вычисления таких помех используются специальные системы спутниковой геолокации. Задача антенны любой ЗССС — сформировать более-менее узкий луч в направлении на спутник. Но ширина этого луча всё равно конечна. К тому же у любой антенны есть т. н. боковые лепестки, куда уходит часть энергии. Очень незначительная, но уходит. Спутники на орбите стоят достаточно плотно, соответственно, любая ЗССС хотя бы малую часть излучаемого сигнала посылает не только на «свой» спутник, но и на соседние.
Спутники и их «зоны обслуживания» изначально конструируются и размещаются так, чтобы два соседних спутника не мешали друг другу. Соответственно, та очень небольшая часть энергии ЗССС, излучаемая на «чужой» спутник, становится ещё меньше. И при нормальной работе сигнал от ЗССС «чужого» спутника находится глубоко под уровнем естественного шума данного спутника. Тем не менее сигнал этот так или иначе присутствует на соседних спутниках, значит, его можно попытаться вытащить. Делается это с помощью использования антенн достаточно большого диаметра (больше диаметр — больше чувствительность и более узкая диаграмма направленности) и достаточно сложной аппаратуры корреляционного приёма системы спутниковой геолокации. Слабые отголоски помехи ищутся среди шумов соседних спутников, а дальше вычисляются параметры этих найденных отголосков: разница по времени, по частоте, по фазе между «образцовым» сигналом помехи и отголосками и изменение этой разницы от времени. Спутники ведь — даже геостационарные — не прибиты гвоздями к небу, они движутся, соответственно, разница времён, амплитуд и частот тоже меняется. Ну а дальше система геолокации по результатам измерений строит на поверхности Земли несколько линий, пересечение которых указывает на район наиболее вероятного положения ЗССС, излучающей помеху на спутник. Таким образом, задача, по сути, схожа с той, что решается любым навигатором или смартфоном при ориентировании по карте, только для её решения нужны заметно более серьёзные инструменты.
Понятно, что успешный поиск таких помех сильно зависит от наличия подходящих «соседних» спутников в нужной точке. Но зачастую подходящий «соседний» спутник принадлежит совсем другому оператору. И поскольку с ростом общего числа ЗССС проблема поиска таких помех стала для каждого оператора достаточно острой и актуальной, в 2009 году была создана «Ассоциация спутниковых данных» (Space Data Association, SDA; www.space-data.org). Ассоциация была создана тремя ведущими мировыми спутниковыми операторами: Inmarsat (www.inmarsat.com), Intelsat (www.intelsat.com) и SES (www.ses.com), чуть позже к ней присоединился ещё и Eutelsat (www.eutelsat.com).
Стандартизация методов, систем, аппаратуры и формата данных систем геолокации, обмен данными и базами данных между членами Ассоциации позволяют достаточно успешно вычислять и устранять помехи на спутниках, мешающие нормальной работе каналов и сервисов. Тем не менее нельзя дать гарантии, что помеха будет однозначно или быстро вычислена и устранена. В особенности если эта помеха относится к самому сложному типу — «нестационарной помехе». К примеру, SES «вычислил» и устранил источник «нестационарной помехи», существенно влиявшей на значительную часть каналов/сервисов спутника NSS-703. Но для этого им потребовалось два года усиленной работы. Мы, в свою очередь, оказываем посильную помощь в поиске помех: по просьбе оператора мы поднимаем несущую с одной из наших ЗССС, наиболее близко расположенной к району возможного нахождения источника помехи. Это позволяет провести оператору более точную калибровку систем геолокации.
Ну и в заключение — про «пиратов»
В предыдущем посте задавался вопрос: «может ли простой смертный своими силами соединить две точки между собой без участия третьих лиц?» Или, перефразируя, «можно ли сделать спутниковый канал, и при этом не платить владельщам спутника за бортовой ресурс?»