Разработка системы космической связи военного назначения с коммутируемым спутниковым моноканалом

Тема: «Разработка системы космической связи военного назначения с коммутируемым спутниковым моноканалом«

Содержание

Список сокращений Введение

1. Военно-техническое обоснование

1.1 Анализ существующих систем спутниковой связи

1.2 Анализ известных протоколов множественного доступа в сетях спутниковой связи

2. Облик перспективной системы спутниковой связи

2.1 Особенности спутниковых сетей связи

2.2 Структурная схема перспективной системы спутниковой связи

2.3 Анализ использования ФАР

2.4 Передача речевой информации в сетях с коммутацией пакетов

2.5 Разработка структурной схемы спутникового ретранслятора пакетов для перспективной ССС

2.6 Алгоритм работы схемы

2.7 Расчет эффективности перспективной спутниковой системы

2.8 Разработка функциональной схемы ББК

2.9 Разработка принципиальной схемы ББК

3. Анализ затрат на модернизацию системы СС Заключение Список использованной литературы Приложения

Список сокращений

БР — бортовой ретранслятор ББК — блок быстрой коммутации ВСС — взаимоувязанная система связи ВСКС — военная система космической связи ГСР — геостационарный спутник-ретранслятор ДН — диаграмма направленности ЕССС — единая система спутниковой связи ЗО — зона обслуживания ЗС — земная станция ИСЗ — искусственный спутник Земли КА — космический аппарат КС — космическая связь КИПС — коэффициент использования пропускной способности КК — коммутация каналов КП — коммутация пакетов КУ — канал управления МД — множественный доступ МДВР — множественный доступ с временным разделением МДКР — множественный доступ с кодовым разделением МДЧВР — множественный доступ с частотно-временным разделением МДЧР — множественный доступ с частотным разделением МЛА — многолучевая антенна ОАЦСС — объединённая автоматизированная цифровая система связи ОГ — орбитальная группировка ПД — пакет данных ПЗС — периферийная земная станция ПМД — протокол множественного доступа ПУ — пороговое устройство РЭП — радиоэлектронное подавление СМД — случайный множественный доступ СР — спутник-ретранслятор СС — спутниковая связь ССС — система спутниковой связи УМ — усилитель мощности ЧВР — частотно-временное разделение ФАР — фазированная антенная решетка ФЗР — фиксированное закрепление ресурса

Введение

О серьезности проблемы влияния помех — на приемо-передающие каналы спутниковых систем связи говорят следующие факты.

1. Заметное увеличение числа публикаций и сообщений по данной проблеме.

2. Выработка международными и национальными организациями стандартов на условия функционирования спутниковых каналов связи.

1. Военно-техническое обоснование

Существующие системы космической связи ориентированы на жесткое закрепление ресурса пропускной способности ретранслятора за наземными станциями, входящими в состав сети космической связи. Используемые в системах космической связи наземные станции реализуют, как правило, многостационарный доступ с частотным или временным разделением ресурса пропускной способности бортового ретранслятора. В условиях разнотипного пульсирующего трафика в виде обмена данными, организацией телефонных и телеграфных каналов связи, передачей видеоинформации в виде статистических и динамических изображений, включая передачу сигналов телевидения, данный подход характеризуется низкой эффективностью использования пропускной способности ретранслятора.

1.1 Анализ существующих систем спутниковой связи

Спутниковая связь является разновидностью радиорелейной связи, у которой пункты приема (ретрансляции) вынесены в космическое пространство. Это обстоятельство приводит к существенным особенностям спутниковой связи:

— значительные высоты орбит КА связи;

— организация межспутниковых каналов связи;

— возможность глобальной зоны обслуживания;

— большая скорость перемещения центра масс КА связи (линейная и угловая) относительно наземных, воздушных и морских радиостанций;

— двукратное прохождение сигналов связи через толщу атмосферы в прямом и обратном направлении;

— влияние на КА связи и линию спутниковой связи факторов космического пространства;

В настоящее время существует ряд систем спутниковой связи. Рассматривая данные системы можно выделить следующие недостатки:

— значительная задержка при прохождении сигнала через атмосферу;

— высокую стоимость систем комплекса спутниковой связи и его эксплуатации;

— жесткое закрепление ресурса пропускной способности за земными станциями;

— сложность технических систем спутниковой связи и необходимость в информационном обеспечении их работы и высококвалифицированной эксплуатации;

— сравнительно небольшой срок службы и невозможность ремонта в случае возникновения технических неисправностей.

Анализ существующих систем спутниковой связи показывает, что один из основных недостатков связан с низкой эффективностью использования дорогостоящего ресурса пропускной способности бортового ретранслятора.

В этой связи разработка перспективной системы спутниковой связи на основе методов пакетной передачи информации является актуальной задачей.

При применении метода коммутации пакетов для передачи речевой информации коэффициент активности равен 0,44, т. к. речевые пакеты переносят только активные фрагменты речи, а длительность пауз (интервалов молчания) восстанавливается на приемной стороне за счет использования временной отметки в заголовке пакета.

1.2 Анализ известных протоколов множественного доступа в сетях спутниковой связи

Рассмотрим детерминированные методы доступа на примере методов «Переклички» и «Доступа с передачей полномочий». При опросе путем переклички изображенном на рисунке 1.1, как следует из названия, станции находятся в поочередной связи друг с другом, они опрашиваются последовательно одна за другой центральной системой на наличие у них сообщений для передачи. Станция, получившая разрешение, осуществляет передачу по линии связи, заключая эту передачу уведомлением центрального управляющего устройства о том, что передача закончена. Тогда управляющее устройство посылает опрос следующей станции по своему списку, повторяя тот же самый процесс. Станция, не имеющая сообщений для передачи, передает соответствующий ответ центральному управляющему устройству и ретранслирует пакеты, не предназначенные для нее без их открытия. После того, как все станции получат разрешения на передачу, цикл завершится, а затем начинается новый цикл. В течение цикла некоторые станции могут опрашиваться более одного раза, кроме того опрос может быть сделан адаптивным с учетом колебаний нагрузки или соображений приоритетов.

Рисунок 1.1 — Опрос путем переклички Рассмотрим метод «Доступа с передачей полномочий». В данной системе используется иерархическая схема, изображенной на рисунке 1.2, построения сети, при этом головной станцией становится станция, получившая полномочия, то есть право использовать моноканал, направляет через передающую среду разрешенное ей число пакетов информации, а затем передает полномочия другой системе в соответствии с заложенным алгоритмом. В такой системе легко обеспечиваются приоритеты в передаче информации, упрощается конструкция процессоров доступа. Недостатком метода является возможность потери полномочий одной из абонентских систем либо раздвоение полномочий в результате их ошибочного получения сразу несколькими абонентскими станциями, что ведет «столкновению» пакетов в моноканале (или иначе «конфликту»). Чтобы этого не произошло, принимаются специальные меры: двухсторонняя передача полномочий, использование предопределения ошибки, введение дополнительных станций, наделенных функцией инициализации и восстановления.

Рисунок 1.2 — Иерархическая схема Также применяются случайные методы доступа, к ним относятся: «Метод бесконтрольного доступа», «Бесконтрольный доступ с тактированием времени (S-Aloha — Aloha с сегментированием)», «Доступ с обнаружение передачи (CSMA/МДКН — множественный доступ с контролем несущей)», «Доступ с контролем столкновений», «Доступ с обнаружением передачи и контролем столкновений» и «Доступ с тактированием времени и резервированием временных окон (R-Aloha)». Метод P-Aloha был реализован через спутник INTELSAT-IV для связи множества земных станций, расположенных на гавайских островах, с континентальной частью США. Временные диаграммы, поясняющие принцип этого метода, приводятся на рисунке 1.3.

В любой момент времени — по готовности, когда станция сети, имеет готовый пакет информации, ей разрешено осуществлять передачу этого кадра в моноканал. Поскольку работа станций в сети не синхронизирована, то возможно «столкновение» пакетов в моноканале (или иначе «конфликт»). Наложение сигналов двух станций приводит к их взаимному искажению — в точках приема одновременно присутствуют «неразборчивая» смесь двух сигналов. Потерянное время передачи при конфликте может достигать длительности двух пакетов.

Рисунок. 1.3 — Бесконтрольный доступ В КСС конфликт происходит на входе приемной части ретранслятора и искаженный сигнал ретранслируется в нисходящей радиолинии. При этом земная станция, передавшая пакет, благодаря широковещательным свойствам антенны ретранслятора принимает собственный сигнал, т. е. имеет место пассивное квитирование в виде эхо-сигнала. Если кадр принят без ошибок, то он считается успешно переданным. В противном случае искаженный кадр передается повторно со случайным временным сдвигом. Случайная задержка повторной передачи необходима для выхода станции из состояния конфликта. Так, если бы повторная передача проконфликтовавших кадров осуществлялась сразу после их приема, то столкновение кадров этих же земных станций повторилось с вероятностью равной 1.

Искажение кадров в ПРС возможно также из-за действия помех. В космических ПРС существует возможность идентификации причины искажения (в результате конфликта или действия помех). Дублирование кадров исключается за счет использования их циклической нумерации.

Метод P-Aloha прост, но малоэффективен. Так, частота возникновения конфликтов при сохранении общей поступающей нагрузки увеличивается с ростом числа обслуживаемых станций и общим объемом передаваемой информации. Для большого числа станций (N>10) суммарный поток кадров с достаточной для практики точностью может считаться простейшим. При этом допущении коэффициент использования моноканала для P-Aloha:

где е — основание натурального логарифма;

В — максимальная пропускная способность моноканала;

V — скорость бесконфликтной передачи сигналов.

Попытка увеличить эффективность использования моноканала за счет увеличения интенсивности потока кадров на передачу приводит к лавинообразному увеличению конфликтов, а значит увеличению очередей кадров на станциях сети. При этом эффективная скорость передачи информации в моноканале падает, т. е. снижается производительность ПРС.

Для повышения эффективности использования моноканала, и производительности ПРС необходимо сократить суммарное потерянное время передачи Tпвп изображенное на рисунке 1.1, при котором ресурс моноканала используется бесполезно. В этих целях предложены три способа улучшения метода P-Aloha, которые могут использоваться все вместе или в любых комбинациях:

тактирования времени работы моноканала;

прослушивание моноканала перед началом передачи кадра, с целью определения его состояния (свободен/занят);

контроль моноканала во время передачи кадра с целью прерывания передачи в случае обнаружения конфликта.

При использовании метода бесконтрольного доступа с тактированием времени (S-Aloha — Aloha с сегментированием), станции ПРС имеют устройства синхронизации, обеспечивающие деление временной шкалы на равные периоды или временные окна, длительность которых без учета защитных интервалов равна времени передачи кадра Тк изображенное на рисунке 1.4. По готовности, станции «размещают» передаваемые кадры в начале очередного временного окна. Благодаря этому в случае столкновения кадров происходит их полное наложение, что ведет к уменьшению Тпвп по сравнению с методом P-Aloha. Это позволяет увеличить коэффициент использования моноканала в 2 раза, т. е. получить его увеличение до уровня 0,36. Факт конфликта фиксируется на основе искажения кадра, принимаемого из моноканала. Для выхода из конфликта повторная передача искаженных кадров осуществляется с некоторой вероятностью Р в очередном окне. Вероятность Р при этом называется настойчивостью, а алгоритмы, реализующие такой способ передачи в очередном окне Р-настойчивыми алгоритмами.

Рисунок. 1.4 — Бесконтрольный доступ с тактированием времени Другой способ выхода из конфликта состоит в передаче кадра через случайное или детерминированное число окон. В последнем случае может учитываться порядковый номер станции. Не исключается то, что кадр, передаваемый повторно, вновь будет конфликтовать, но уже с кадром другой станции. В этом случае происходит та же процедура, но время ожидания момента повторной попытки передачи кадра возрастает.

Механизм квитирования, как и в случае метода P-Aloha для космических ПРС может быть как пассивным, так и активным.

Одним из путей повышения эффективности использования моноканала обоих рассмотренных методов является отказ от передачи кадра, если какая-то другая станция уже передает свой кадр в моноканале.

Рассмотрим метод доступа с обнаружение передачи (CSMA/МДКН — множественный доступ с контролем несущей). Чаще всего МДКН применяется без тактирования по времени, то есть без деления временной шкалы на окна. Следует отметить, что его практическое применение целесообразно в случае малой задержки распространения сигнала Тр в моноканале, для которой выполняется неравенство Тр<�Тк, где Тк — время занятия моноканала передачей кадра. Это условие выполняется для наземных ПРС и космических ПРС, использующих низкоорбитальные ретрансляторы.

Ограничение Тр<�Тк обусловлено тем, что при прослушивании моноканала информация о его не занятости с увеличением Тр устаревает, то есть теряет свою достоверность. Прослушивание моноканала иногда называют «контролем несущей» .

Реализуется МДКН следующим образом. Каждая станция через случайные (достаточно короткие) интервалы времени прослушивает моноканал. Если моноканал свободен, то станция осуществляет передачу кадра, если занят, то откладывает его передачу на случайное время, после чего снова прослушивает моноканал.

За счет малого значения Тр информация о не занятости моноканала к моменту начала передачи кадра резко снижает вероятность возникновения конфликта, что приводит к уменьшению суммарного Тпвп. При малых значениях Тр, характерных для наземных ПРС эффективность использования моноканала составляет величину 0,6−0,8. Отметим, что за счет конечного времени распространения сигнала с увеличением Тр вероятность конфликта возрастает.

Для космических ПРС механизм квитирования может быть как пассивным, так и активным.

Повторная передача проконфликтовавших кадров осуществляется на основе результатов прослушивания моноканала.

Для систем спутниковой связи с ретрансляторами, размещаемыми на высоковытянутых эллиптических орбитах и геостационарных орбитах величина Тз составляет 240−270 мс, что не позволяет рекомендовать данный метод для практической реализации в предлагаемой перспективной системе спутниковой связи.

Также используется доступ с контролем столкновений. В этом случае станция начинает передачу кадра в любое необходимое для неё время и прекращает её, если в моноканале произошло столкновение кадров, одновременно передаваемых несколькими станциями. Повторная передача конфликтовавших кадров осуществляется вновь через различные случайные или детерминированные интервалы времени. Этот метод также повышает скорость передачи информации, т.к. отпадает необходимость передавать до конца кадр, если уже известно, что в нем будут ошибки.

Область применения данного метода ограничена наземными ПРС и космическими ПРС с низколетящими ретрансляторами. Однако в чистом виде метод используется редко. Доступ с контролем столкновений ориентирован так же на моноканал с малой величиной Тз.

Рассмотрим доступ с обнаружением передачи и контролем столкновений. В литературе этот метод встречается также под названием множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК, CSMA/CD). Временные диаграммы МДКН/ОК представлены на рисунке 1.5. Этот метод является развитием МДКН и отличается от него только тем, что при обнаружении конфликта кадров в моноканале станции, участвующие в конфликте, немедленно прерывают передачу. Это обеспечивает сокращение Тпвп, а следовательно повышает коэффициент использования моноканала, и он достигает уровня 0,7−0,9.

Рисунок 1.5 — Доступ с обнаружением передачи и контролем столкновений Область применения данного метода ограничена наземными ПРС и космическими ПРС с низколетящими ретрансляторами, для которых выполняется неравенство Тк<�Тр.

Чаще всего передаваемые сообщения имеют достаточный объем и требуют для своей передачи несколько пакетов, т. е. являются многопакетными. При передаче многопакетных сообщений в случае метода S-Aloha, каждый передаваемый кадр такого сообщения получает доступ в моноканал на конфликтной основе (с состязанием). В тоже время для передачи многопакетных сообщений представляется целесообразным производить закрепление (резервирование) временных окон за станцией, которая успешно передала первый кадр такого сообщения. Резервирование такого окна за станцией позволит передать ей на бесконфликтной основе остальные кадры многопакетного сообщения, а также кадры других сообщений, что снижает Тпвп за счет исключения конфликтов, если они поступят до момента завершения передачи последнего кадра этого сообщения. Эта идея — идея резервирования и легла в основу метода Aloha с резервированием (R-Aloha), который по существу является модернизацией метода S-Aloha представленном на рисунке 1.6. Отличие метода R-Aloha состоит в том, что временные окна объединяются во временные циклы равной длительности Тц. Число временных окон N, входящих в цикл, должно удовлетворять условию Тц=N*Тк>Тр, где Тк — длительность временного окна, обеспечивающего размещение одного кадра данных;

Тр — задержка распространения сигнала в моноканале. Временные окна циклически нумеруются в каждом цикле от 1 до N.

Выполнение неравенства Тц> Тр позволяет станциям, осуществлять передачу кадров, до момента начала временного окна с тем же порядковым номером в следующем цикле системы, определять (принимая собственный ретранслируемый сигнал) наличие успешной передачи кадра или наличие конфликта. В случае успешной передачи временное окно резервируется за данной станцией в очередном цикле системы. При этом все станции, контролируя моноканал, ведут списки успешно использованных (зарезервированных) окон. Освободившиеся окна идентифицируются всеми станциями сети и поступают в очередном цикле в общий пул свободных окон, которые «разыгрываются» между станциями на случайной основе, т. е. с использованием метода S-Aloha. Для исключения ситуации монопольного использования всего ресурса системы одной станцией сети вводится ограничение на максимальное число окон в цикле, которые могут быть зарезервированы за одной станцией.

Поскольку для реализации метода R-Aloha необходим прием каждой станцией сети собственного сигнала, то его практическое применение ограничено областью космических ПРС и наземных ПРС, использующих ретрансляцию сигнала со сдвигом частотного диапазона. Коэффициент использования моноканала для метода R-Aloha в существенной степени зависит от характера потока поступающих сообщений (степени группирования заявок) и объема сообщений (степени их «многопакетности»).

Рисунок 1.6 — Доступ с тактированием времени и резервированием временных окон

2. Облик перспективной системы спутниковой связи

2.1 Особенности спутниковых сетей связи

Рисунок 2.1 — Геостационарная орбита Прогресс в развитии систем традиционной подвижной спутниковой связи за последние 10 лет впечатляет. Так, масса земных станций изменилась с 300 до 3−5 кг, уменьшались размеры антенн, и, наконец, что самое главное, был полностью пересмотрен подход к профессиональной подготовке операторов.

Качественно новый уровень эффективности использовании дорогостоящих систем космической связи, может быть достигнут путем реализации систем пакетной передачи различных видов информации на основе реализации протоколов множественного доступа, характеризующихся высокой эффективностью в условиях быстрого изменения информационной нагрузки, создаваемой различными абонентами систем спутниковой связи. Однако известным алгоритмам множественного доступа присущ недостаток, связанный с наличием конфликтов пакетов, который приводит к ограничению информационных нагрузок, обслуживаемых системой спутниковой связи. С учетом последнего замечания задача разработки алгоритма множественного доступа, исключающего взаимное искажение пакетов при возникновении конфликтов представляется, актуальной и практически важной. Анализ существующих многолучевых антенных систем на базе фазированных антенных решеток позволяет утверждать целесообразность их применения при реализации бортовых ретрансляторов. Применение пространственной селекции сигналов, поступающих по различным лучам приемной многолучевой антенны позволит, исключить взаимное искажение пакетов передаваемых от наземных станций.

Можно ожидать, что разработка структуры ретранслятора сигналов, обеспечивающего реализацию известных и предлагаемых в работе алгоритмов множественного доступа позволит существенно повысить предельный уровень информационной нагрузки, обслуживаемой системой связи.

При проектировке указанных сетей планируется использовать РТР на геостационарной орбите. Они занимают практически постоянное положение на небосклоне, благодаря чему пользователи могут получить доступ, используя антенны с малой апертурой. При этом не обязательно использовать параболические антенны, и не требуется точно наводить их на спутник, хотя прямая видимость остается необходимым условием. Последнее требование ограничивает применение РТР на высоких широтах по нескольким причинам. Во-первых, это ослабление радиоволны при преодолении большого слоя атмосферы, и в этом случае требуется применение больших параболических антенн. Во-вторых, если спутник расположен низко над горизонтом, в зону прямой видимости могут попасть дома и деревья, что создаст дополнительные помехи.

Основной недостаток использования геостационарной орбиты лежит в её концепции: высота спутника над Землей достигает 40 000 километров. Большое расстояние означает, что сигналу требуется значительное время, чтобы достичь спутника и вернуться на Землю, оно достигает порядка 270 мс. Из-за задержки эффект от коллизий, которые неизбежны при реализации случайного доступа, более неприятен чем в земных сетях. Конфликты передачи приводят к сбою механизмов квитирования и нарушению работы надежных протоколов.

В самом деле, ожидание успешной передачи в сочетании с большой задержкой снижает скорость передачи информации, по этому она составляет лишь малую часть пропускной способности канала. Более того, работа сети может оказаться заблокированной, если время ожидания квитанции меньше задержки распространения. Именно это делает недоступной применение широко распространенных протоколов локальных сетей типа CSMA-CD в космическом сегменте перспективной системы спутниковой связи КВ.

Особенностью системы спутниковой связи КВ как военной системы является необходимость ее устойчивого функционирования в условиях РЭБ противника. Анализ показал, что наиболее уязвимым местом в системе является восходящая радиолиния (земля-борт). Это обусловлено использованием в существующих ретрансляторах приемных антенн имеющих широкую диаграмму направленности, широкая диаграмма направленности позволяет вероятному противнику с сопредельных территорий обеспечить постановку эффективных помех по боковым лепесткам. В целях повышения устойчивости функционирования системы в условиях РЭБ представляется целесообразным использовать многолучевые антенные системы в виде ФАР на борту ретранслятора. Применение ФАР обеспечит высокую пространственную селекцию принимаемых сигналов из зоны обслуживания и существенным образом затруднит постановку эффективных помех противником с сопредельных территорий.

2.2 Структурная схема перспективной системы спутниковой связи

Структурная схема перспективной системы спутниковой связи показана на рисунке 2.2. Она включает наземный и космический сегменты.

В состав космического сегмента входит спутниковый ретранслятор радиосигналов (РТР), не осуществляющий обработку сигналов на борту. Ширина диаграммы направленности антенны ретранслятора определяется высотой орбиты и желаемой зоной обслуживания земных станций (ЗС), находящихся в зоне радиовидимости ретранслятора радиосигналов. Благодаря широковещательным свойствам передающей антенны ретранслятора земные станции совместно используют ресурс пропускной способности ретранслятора радиосигналов. Способ разделения пропускной способности широковещательного моноканала определяется используемым протоколом обмена, программная реализация которых обеспечивается процессорами доступа (ПД). ПД организуют очереди пакетов (на передачу), поступающих от источников информации (ИИ) через блок сопряжения (БС), (который служит для сопряжения аппаратуры ЗАС, РТС ППТМ с ПД), а также обеспечивают приём и сборку сообщений из пакетов, поступающих от ретранслятора в нисходящей радиолинии. Обычно приёмопередающее оборудование земных станций и процессоры доступа размещаются в непосредственной близости, т. е. в одном техническом здании. Сопряжение различных протоколов передачи информации между линиями связи ОКИК, вторичной сетью каналов и ПД осуществляется с помощью «шлюза», реализованного на базе ПЭВМ. Привязка к вторичной сети каналов, арендуемых у МС РФ, осуществляется с помощью штатной каналообразующей аппаратуры УС ОКИК. В перспективной системе спутниковой связи КВ, предполагается обеспечить следующие виды информационного обмена:

— передача данных (передача полных и сокращенных ПТМ);

— организация интерактивного обмена между АРМ должностных лиц ОКИК с вышестоящими начальниками;

— организация ТЛФ ЗАС связи;

— организация ТЛГ ЗАС связи;

— организация громкоговорящей ЗАС связи;

— организация защищенной конференци видеоконференцсвязи;

— передача сжатого телевизионного сигнала и другие современные виды услуг связи.

Рисунок 2.2

Fв — частота работы передатчика на восходящей радиолинии.

Fн — частота работы передатчика на нисходящей радиолинии.

Рассмотрим структура информационного кадра. На рисунке 2.3 приводится предлагаемая структура информационного кадра для перспективной ССС.

Рисунок 2.3

Назначение полей ИК:

— преамбула синхронизации (предназначена для выделения тактовой частоты следования бит информации в процессе ее приема);

— флаг (начала и конца) (определяют границы тела кадра);

— адрес отправителя (условный кодовый номер, закрепленный за станцией СС осуществляющей передачу);

— адрес получателя (условный кодовый номер, закрепленный за станцией СС осуществляющей прием);

— номер абонента отправителя;

— номер абонента получателя;

— тип кадра (речь, данные, факсимильные сообщения, видео информация и т. д.);

— тип аналого-цифрового преобразования (АЦП);

— производительность АЦП;

— циклический номер кадра (для обеспечения правильной сборки сообщения из пакетов информации);

— временная метка (для восстановления длительности пауз содержащихся в процессе диалога);

— блок информации;

— концевик кадра (содержит проверочную информацию для реализации функций РОС в случае искажения бит тела цикла в канале связи).

2.3 Анализ использования ФАР

Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории и техники антенн.

Основные области использования радиоэлектроники — связь, передача данных, телевидение, радиоастрономия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны: апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решётки (ФАР), активные ФАР (АФАР), с обработкой сигнала и другие. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Кроме излучения и приёма электромагнитных волн для передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции. Определение угловых координат источников излучения (с возможно большей точностью и разрешающей способностью), усиление сигналов, пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищённости и электромагнитной совместимости. В ряде случаев антенна должна решать задачи получения внекоординатной информации об отражающем объекте, распознавания образа или осуществления радиовидения путём поляризационной обработки и голографических методов преобразования приходящих электромагнитных полей радиодиапазона. Прорабатывается ряд новых областей использования антенной техники, например, для решения энергетических проблем предлагаются антенные СВЧ системы передачи мощности на сверхдальние расстояния и солнечные орбитальные станции с активными антенными решётками для канализации энергии на землю. ФАР: непосредственно в антеннах широко используются интегральные полосковые узлы, полосковые и микрополосковые линии передачи и выполненные на их основе различные устройства СВЧ (фазовращатели, коммутаторы, смесители, усилители и т. д.)

Обычно при проектировании антенных устройств геометрические размеры определяются характеристиками направленности и усиления. Размещение антенны на носителе диктуется требуемыми её характеристиками, а защита от внешних воздействий приводит к необходимости применения укрытий, обтекателей, защитных покрытий и т. д.

Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, т.к. всё шире используется различная радиоэлектронная аппаратура.

Для обеспечения требуемых характеристик систем, сохранения их работоспособности в сложной непреднамеренной помеховой обстановке и при мощных импульсных воздействиях значительный вклад вносит поляризационная пространственная временная фильтрация антенной системы.

Анализ существующих многолучевых антенных систем на базе ФАР позволяет утверждать о целесообразности их применения при реализации бортового ретранслятора в ССС. Применение пространственной селекции сигналов поступающих по различным лучам приемной многолучевой системы, позволяет исключить взаимное искажение пакетов передаваемых от наземных станций СС.

ФАР и построенные на их основе антенные системы с пространственно-временной обработкой сигнала обладают большими функциональными возможностями и находят широкое применение. Одним из существенных недостатков ФАР являются значительные потери. В бортовых ФАР применение полосковой техники позволяет снизить стоимость, повысить надежность и уменьшить массу и габариты.

Полосковые и микрополосковые устройства применяются для канализирующих систем, делителей мощности, направленных ответвителей, излучателей, фазовращателей и т. д. Существенным недостатком полосковой техники являются значительные потери в сантиметровом диапазоне и, особенно в коротковолновой его части, которые еще более увеличивают общие потери в ФАР. Включение активного элемента (генератора, усилителя, преобразователя частот) в тракт СВЧ-излучателей ФАР позволяет не только устранить потери, но и существенно изменить систему возбуждения, формирования луча и его управления. Активный элемент (или прибор) в тракте возбуждения превращает антенную решетку из пассивного взаимного устройства в активную фазированную решетку, в которой при приеме и передаче используют различные активные элементы. Последнее объясняется невзаимностью активных элементов. Нашли практическое применение приемные, передающие и приемопередающие АФАР, имеющие одну антенную решетку с антенными переключателями или циркуляторами для каждого излучателя.

Наличие активного элемента в передающих АФАР позволяет поднять КПД и достичь очень больших мощностей излучения, упростить требования к фазовращателям, поднять надежность и получить ряд других преимуществ.

Активный элемент в приемных АФАР позволяет не только понизить шумовую температуру антенны (поднять чувствительность), но и провести обработку сигнала или на частотах принимаемого сигнала, или на более низкой промежуточной либо более высокой частоте при голографических методах обработки. При этом можно в приемной АФАР проводить пространственно-временную обработку сигнала, используя аналоговые, цифровые, корреляционные, радиооптические и другие известные методы обработки сигнала. Становится также возможным существенное улучшение некоторых требуемых антенных характеристик. Однако следует особо подчеркнуть, что это будет связано с ухудшением других характеристик.

Основываясь на выше изложенном для предлагаемой системы связи рекомендуется использование АФАР, т.к. существует техника, применяемая к ним, которая позволяет снизить стоимость, повысить надежность и уменьшить массу и габариты, а так же данные ФАР работают в требуемом диапазоне рабочих частот.

2.4 Передача речевой информации в сетях с коммутацией пакетов

Рассмотрим особенности передачи речевой информации. Речь представляет собой дискретный по времени процесс, который характеризуется превышением звуковым давлением определённого порога.

Хотя для некоторых задач передачи данных имеется совпадение требований по отдельным параметрам с аналогичными параметрами для речи, в совокупности речевой обмен имеет следующие особенности, выдвигающие специфические требования к сетям КП:

Речь, по сравнению с данными, предъявляет более жёсткие требования по времени доставки.

Различные методы устранения избыточности в процессе преобразования речевого сигнала представляют широкий диапазон возможных скоростей цифровой последовательности, находящийся в пределах от 1,2 до 64 Кбит/с.

Речь, в отличие от данных, обладает смысловой и сигнальной избыточностью и допускает определённый уровень потерь и искажений при транспортировке её по сети в виде пакетов Особенностью речевого обмена является высокая доля пауз, составляющая в среднем при телефонных переговорах 56% от длительности всего обмена. Кроме этого, речь содержит множество кратких перерывов длительностью от 5 до 200 мс, существующих как внутри слов, так и между словами в слитной речи. Суммарная продолжительность перерывов в среднем занимает около 15% от продолжительности слитной речи, с учётом кратких перерывов среднее значение коэффициента активности абонента не превышает 0,37.

Качество восприятия речи в процессе диалога существенно не снижается при удлинении пауз между отдельными словами (группами слов) до 300 мс, а для 10% случаев вплоть до 1 с.

Слуховой аппарат человека обладает определённой разрешающей способностью по времени: девиация длительности кратких перерывов до 50% от их исходного значения практически неощутима. Однако, сращивание отдельных частей слов, разделённых перерывом, или увеличение продолжительности перерыва в 2 раза является недопустимым.

С учетом анализа особенностей речевого обмена представляется целесообразным осуществлять передачу речевых пакетов содержащих только активные фрагменты диалога. На рисунке 2.4. показана основная идея предлагаемого подхода.

Рисунок 2.4

Т_ИБ =20−60 мс.

а) исходная активность информации.

б) пакеты, передаваемые в канал связи.

Таким образом, использование пакетной передачи обеспечит сброс «пустых» ИБ относящихся к паузам речи.

Для оценки качества передачи пакетной речи требуются критерии, отличные от тех, которые используются для оценки аналоговых и цифровых каналов. Сегодня единственный универсальный критерий для сравнения качества передачи речи различными технологиями — метод оценки по рекомендациям и методикам МСЭ-Т. Как основная, обычно, принимается рекомендация МСЭ-Т G.109 для телефонной сети общего пользования. Оценка производится в единицах рейтинга R по сто бальной шкале. При этом для соединений хорошего качества необходимо обеспечить R>70.

Таблица 2.1

Применительно к спутниковым сетям передачи речевой информации можно выделить следующие важнейшие причины искажения сигнала:

· задержка пакетов

· потери пакетов При этом задержка пакетов складывается в основном из времени распространения сигнала в моноканале, а кроме того из задержек обработки речи в аппаратуре, что включает накопление фрагмента речи, его пакетизация на передающем конце и депакетизация на приёмном.

На результат воздействия этих факторов значительное влияние оказывает используемый в аппаратуре тип кодека. В силу субъективности самого метода исследований в оценках существует разброс. Поэтому приведённые ниже данные являются усредненными. Тем не менее, они явно демонстрируют тенденции и зависимости, определяющие качество речи в ПРС.

а) задержка пакетов Рисунок 2.5

На рисунке 2.5. показана зависимость оценки качества речи от задержки сигнала. Верхняя кривая соответствует задержке с использованием стандартного кодека со скоростью 64 кбит/с (по G.711), нижняя — кодеку 6.3 кбит/с (G.723.1). Кривые для остальных кодеков (G.729, FR GSM, EFR GSM) располагались бы между двумя приведенными. Как следует из построенных графиков качество с рейтингом R>70 достижимо в том случае, если задержка передачи по каналу и задержки в аппаратуре не будут превышать 200−350 мс.

б) потери пакетов Рисунок 2.6

Искажения от потери пакетов так же зависят от применяемых кодеков. Как ясно из физических принципов качество речи при использовании низкоскоростных кодеков в большей степени зависит от потери пакетов, по сравнению с высокоскоростными кодеками. Кроме того, на качество речи при использовании всех типов кодеков оказывает влияние длина пакета в секундах. Как показывают испытания, с точки зрения искажений, оптимальной является длина пакетов в 20−60 мс.

На рисунке 2.6. приведены кривые, показывающие, при каких потерях качество обслуживания понизится до высокой (R>80) и средней (R>70) категории. Эти оценки так же предполагают «нулевые прочие условия» и не учитывают другие факторы, понижающие качество обслуживания. Графики показывают, что допустимый уровень потерь находится в пределах 1−3%. Причем верхняя граница относится к высокоскоростным кодекам, а нижняя — к низкоскоростным.

в) суммарное воздействие задержки и потери пакетов Более сложными являются факторы одновременного воздействия и задержки распространения и потери пакетов. На рис. 2.7. показана зависимость качества речи от одновременного действия обоих факторов при использовании кодеков по 6.3 кбит/с (G.723.1) и 8 кбит/с (G.729). Кривые приведены для кодеков с использованием устройств обнаружения речи, которые понижают скорость кодека и лишь незначительно понижают качество речи.

Кривые для кодека G.729 с 2% потерь пакетов и для кодека G.723.1 с 1% потери пакетов практически совпадают. Кривые практически параллельны, что свидетельствует об аддитивном воздействии на качество речи задержки и потери пакетов.

Отмеченные особенности передачи речи и их отсутствие при передаче данных (ПД) обуславливает сложность непосредственного переноса технических решений, полученных для сетей ПД с КП, на ИЦСС. Поэтому требуется модификация значительной части алгоритмического обеспечения сети КП для удовлетворения различных (даже противоречивых) требований по передаче речи и данных по ИЦСС с КП.

Рисунок 2.7

2.5 Разработка структурной схемы спутникового ретранслятора пакетов для перспективной ССС

спутниковый связь космический военный Структурная схема спутникового ретранслятора пакетов представлена на рисунке 2.8., где:

— ФАР — фазированная антенная решетка;

— У1 — Уn — входные УВЧ, где (здесь и далее) n — число лучей ФАР;

— Д1 — Дn — детекторы;

— ПУ1 и ПУ 2. — пороговые устройства;

— СУ1 — СУn — согласующие устройства;

— БАА — блок анализа активности;

— К — коммутатор;

— ДУ — дополнительный усилитель ВЧ сигнала;

— П — преобразователь;

— УМ — усилитель мощности;

— Ген. — генератор тактовых импульсов.

Рисунок 2.8 — Структурная схема спутникового ретранслятора пакетов

Работа ретранслятора по структурной схеме осуществляется следующим образом.

Сформированные пакеты информации от земных станций принимаются многолучевой антенной (ФАР). С выхода каждого луча приемной антенны сигнал поступает на n входных усилителей (У_1, У_2, У_n) которые усиливают уровни соответствующих сигналов от n лучей ФАР. (Далее будем рассматривать только один луч). Далее через согласующее устройство (СУ) на БАА. С усилителя сигнал поступает на детектор (Д) и коммутатор (К). После детектирования он проходит через 2 пороговых устройства (ПУ) триггер Шмита. ПУ1 реагирует при определенном значении напряжения сигнала поступившего с Д и служит для отслеживания наличия помехи в луче. Так как уровень помехи, при использовании ФАР, значительно меньше чем уровень сигнала, а (ПУ1 настроено на определенный уровень), то ПУ1 ее не пропускает. ПУ2 служит для того что бы отслеживать наличие конфликта луче. В случае конфликта пакетов в луче, энергия сигнала по данному лучу резко возрастает что приводит к срабатыванию ПУ2 и сигнал дальше не проходит. Информация с ПУ1 и с ПУ2 поступает на блок анализа активности (БАА). БАА принимает решение о запрете ретрансляции сигнала данного луча в случае срабатывания ПУ1 с ПУ2. В случае если же на выходе присутствует сигнал только с ПУ1 -луч считается активным. Так же БАА какой из сигналов поступил на вход первым и подает управляющее напряжение на коммутатор (К). Коммутатор, по управляющему воздействию с БАА коммутирует первый поступивший сигнал и блокирует все остальные лучи на время передачи сигнала (окончание в момент ПУ1=0). С выхода коммутатора сигнал поступает через дополнительный усилитель (ДУ.) на схему преобразования частоты (преобразователь (П)). Далее через усилитель высокой частоты (УВЧ), на передающую антенну.

Т.О. блок быстрой коммутации (ББК) который состоит из БАА, СУ и К не допускает передачи 2-х и более пакетов информации. По этому исключается взаимоискажающие конфликты.

Рисунок 2.9

Диаграммы, поясняющие принцип работы структурной схемы ретранслятора. Рассмотрим несколько возможных случаев прохождения пакетов в восходящих радиолиниях на примере трех станций а, b и c:

1. Взаимоискажающий конфликт в одном луче.

Рисунок 2.10

В момент времени t₁ по восходящему лучу поступает пакет, время передачи данного пакета T_п (ось а). В момент времени t₂> t₁ в этом же луче поступает пакет (ось b), но так как пакеты накладываются по времени, это приводит к их взаимному искажению (конфликт в луче). Взаимно искаженные пакеты передавать в нисходящем луче не целесообразно, так как это приведет к бесполезной затрате временного ресурса моноканала ретранслятора. Заблокированные пакеты будут переданы повторно соответствующими ЗС (с учетом реализации механизма автоматического квитирования — безискаженный прием собственного пакета соответствует положительной автоматической квитанции, а прием искаженного пакета или его отсутствие соответствует отрицательной автоматической квитанции).

2. Конфликт, при котором один из конфликтующих пакетов, блокируется (передача пакетов в различных лучах) (рис. 2.11).

В момент времени t₁ поступает пакет по i-му лучу, время передачи пакета T_п (ось а). В виду того, что он не имеет конфликтов в своем луче данный пакет принимается как первый поступивший, i-ый луч и захватывает моноканал на время равное T_п. В момент времени t₂ > t₁ по k-му лучу поступает пакет (ось b), однако моноканал уже захвачен под передачу пакета из i-го луча. Устранение конфликта между пакетами достигается блокировкой пакета поступившего в момент t₂ по k-му лучу. Пакет же пришедший первым проходит на нисходящую радиолинию без искажений (нисход. луч). Заблокированный же пакет с учетом реализации механизма автоматического квитирования повторно передается в k-ом луче.

Рисунок 2.11

3. Бесконфликтная передача пакетов.

Рис. 2.12

Пришедшие в моменты времени t₁— t₄ пакеты, не встретили конфликтов ни между лучами, ни в луче, по этому свободно проходят на нисходящую радиолинию. Т.О. получаем, что на нисходящую радиолинию прошли все пакеты, без искажений (нисход. луч).

2.6 Алгоритм работы схемы

Рисунок 2.13

2.7 Расчет эффективности перспективной спутниковой системы

₀k= a==k₀

₀ — интенсивность

— интенсивность в k лучах с — загрузка

'₀k=' с'='=k'₀

'₀-интенсивность с учетом повторной передачи

'-интенсивность с учетом повторной передачи в К лучах с'-загрузка с учетом повторной передачи

P=(1-e^-2'⁰)

P-вероятность передачи в одном луче

P_(k-1)=(1-e^-(k-1)'⁰)

P_(k-1)— вероятность передачи в (к-1) луче

R₀=(1-e^-2'⁰)+(1-e^-(k-1)'⁰)-(1-e^-2'⁰)(1-e^-(k-1)'⁰)=1-e^-'^0(k+1)

R₀-вероятность повторной передачи в луче

N₀=1/(1-R₀)=e'^(k+1)/k

N₀-среднее число повторов передач в одном луче

'=N₀=e'^(k+1)/k

='e^-'^(k+1)/k

с=='e^-'^(k+1)/k=с'e^-(k+1)/k

dс/dс'=e^-с'^(k+1)/k-с'(k+1)/ke^-с'^(k+1)/k

e^-с'^(k+1)/k-с'(k+1)/ke^-с'^(k+1)/k=0

с'(k+1)/k=1, с'=k/(k+1)

с=k/(k+1)e^-(k+1)/k=k/(k+1)e^-с'^(k+1)/k=k/(k+1)e^-1=k/(k+1)e

Данная формула позволяет рассчитать загрузку с моноканала для любого k числа лучей. Расчет осуществлен с использованием программы на языке программирования Delphi, (листинг программы представлен в Приложении 1.). Результаты расчетов представлены в виде графика зависимости загрузки с от количества лучей k, показанного на рисунке 2.14. Анализ зависимости показывает, что загрузка с с увеличением числа лучей k асимптотически стремится к величине:

и при k=8, с=0.329, что соответствует 90% предельного значения 0.36.

Проведенный анализ зависимости позволяет рекомендовать выбор числа лучей k=8 для ФАР спутника-ретранслятора.

Рисунок 2.14

2.8 Разработка функциональной схемы ББК

Функциональная схема ББК представлена на рисунке.

1. Исходное состояние схемы.

Исходное состояние схемы соответствует отсутствием сигналов во всех лучах, то есть с выхода ПУ1 имеем «0» и с ПУ2 имеем «0». На вход «R», D-триггеров (D9-D17) поступает «0», поэтому эти Dтриггеры, пока ни на одну из станций не поступил сигнал, находятся в открытом состоянии. С выхода «Q» D-триггера, сигнал поступает на вход «S» RS-триггера.

2. Бесконфликтная передача пакетов.

Сигнал с пороговых устройств ПУ1 и ПУ2 поступает на «И» (D3), причем сигнал с ПУ2 проходит через инвертор (D1). С выхода ПУ1 имеем «1» с ПУ2 имеем «0» (т.к. порог не превышен), а после инвертора (D1) имеем «1», следовательно на выходе «И» (D3) имеем «1». Далее сигнал поступает на вход «С», D-триггера (D6). В D-триггере сменой состояния управляют сигналы на информационном входе «D», но переключение происходит не сразу, а с приходом тактового импульса на вход «С».

С выхода «Q» D-триггера (D9), сигнал поступает на вход «S» RS-триггера (D18). Триггер типа RS запоминает, на какой из 2-х входов (R или S) поступил последний сигнал. Если на вход «R» триггер находится в нулевом состоянии (Q=0 Q=1), а если на вход «S», то в единичном состоянии (Q=1 Q=0). При поступлении сигнала D-триггера передающей станции, сигнал с выхода «Q» RS-триггера (D18) проходит на коммутатор, а с «Q» RS-триггера (D18) поступает на «ИЛИ-НЕ» всех станций (кроме своего), (при поступлении на «ИЛИ-НЕ» хотя бы одной «1» приводит к тому, что на его выходе имеем «0», а после инвертора имеем «1»). Таким образом. D-триггеры этих станций закрываются и дальнейшая передача сигналов через них невозможна. Этим исключается возникновение взаимоискажающих конфликтов между лучами.

3. Передача пакетов с конфликтной ситуацией.

а). В случае конфликта пакетов, поступающих в одном луче: с выхода ПУ1 имеем «1», но теперь и с выхода ПУ2 имеем «1» (порог превышен), а после инвертора (D1) имеем «0»), следовательно на выходе «И» (D3) имеем «0», то есть сигнал дальше не прошел, а следовательно не будет прокоммутирован.

б). Также сигнал с «И» (D3) и поступает через инвертор (D4) и «И» (D5) на D-триггер (D6). Эта часть схемы отвечает за исключение конфликта в одном луче, в случае, если передача пакета одной из станций уже началась и в этот момент, началась передача пакета другой станции.

И осуществляется следующим образом: В случае конфликта срабатывает ПУ2 с выхода «И» (D3) имеем «0», после инвертора (D4) имеем «1», которая поступает на «И» (D5) с входа «Q» D-триггера (D9) имеем также «1» (это говорит о том, что уже происходит передача пакета 1-ой станции), который поступает на «И» (D5), на выходе «И» (D5) имеем «1».