Разработка системы эксплуатационного управления спутниковых каналов связи для ООО «ДИАЛОГ» на базе платформы LabVIEW

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Северо-Кавказский государственный технический университет"

Факультет информационных технологий и телекоммуникаций ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ ДЛЯ ООО «ДИАЛОГ» НА БАЗЕ ПЛАТФОРМЫ LabVIEW

Ставрополь, 2011

РЕФЕРАТ Кузнецов Игорь Владимирович. Разработка системы эксплуатационного управления спутниковых каналов связи для ООО «Диалог» на базе платформы LabVIEW. Место дипломирования — СевКавГТУ, кафедра АСОИУ, руководитель проекта доктор тех. наук Мочалов В. П., 2011 г., ГЭК _102_стр., _9_ табл., _33_ рис. В мире объем информации, передаваемой через информационно-телекоммуникационную инфраструктуру, удваивается каждые 2−3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-технический, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Создание российской информационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассматривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе. Дипломный проект посвящен рассмотрению характеристик первичных электрических сигналов и соответствующих им каналов передачи, принципов организации двусторонних каналов и особенностей передачи электрических сигналов по таким каналам. Изложены основы построения систем передачи с частотным и временным разделением каналов. Особое внимание уделено построению цифровых систем передачи с временным разделением каналов на основе импульсно-кодовой модуляции. Раскрыты принципы иерархического построения систем передачи. Рассмотрены вопросы построения цифровых волоконно-оптических систем передачи и систем радиосвязи: радиорелейных и спутниковых систем передачи, систем подвижной радиосвязи. Освещены основы построения телекоммуникационных сетей различного назначения и принципы их взаимодействия.

• Содержание
• Введение
• 1. Построение радиорелейных и спутниковых линий передачи
• 1.1 Основные понятия и определения. Принципы многоствольной передачи
• 1.2 Виды модуляции, применяемые в радиорелейных и спутниковых системах передачи
• 2. Спутниковые и комбинированные сети
• 2.1 Геостационарные спутники
• 2.2 Низкоорбитальные спутники
• 2.3 Спутники против оптоволоконных кабелей
• Выводы
• 3. Программно-аппаратный комплекс LabVIEW
• 3.1 Программно-аппаратный комплекса LabVIEW
• 3.2 Применение LabView для тестирования сигнализации сети абонентского доступа
• Выводы
• 4. Подсистема контроля и диагностики спутниковых каналов связи
• 4.1 Базовая структура ПКД СКС
• 5. Технико-экономическая эффективность проекта
• 5.1 Определение трудоемкости выполненных работ
• 5.2 Суммарные затраты на разработку
• 5.3 Технико-экономический эффект от разработки подсистемы документооборота
• 5.4 Оценка экономической эффективности внедрения программного продукта
• Выводы
• 6. Безопасность и экологичность проекта
• 6.1 Общая характеристика опасных и вредных факторов на рабочем месте
• 6.2 Общие мероприятия по обеспечению безопасности на рабочем месте
• 6.3 Расчет искусственного освещения в рабочем помещении
• Выводы
• Заключение
• Список литературы

Современные телекоммуникационные системы и сети представляют сложный комплекс разнообразных технических средств, обеспечивающих передачу различных сообщений на любые расстояния с заданными параметрами качества. Основу телекоммуникационных систем составляют многоканальные системы передачи по электрическим, волоконно-оптическим кабелям и радиолиниям, предназначенные для формирования типовых каналов и трактов. На основе систем передачи строится телекоммуникационная сеть страны, реализуемая в виде комплексов технологически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и частных сетей электросвязи на территории России, охваченная общим централизованным управлением и называемая Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации (ВСС РФ). В последнее время чаще используется термин «Единая сеть электросвязи РФ» (ЕСЭ РФ).

Единая сеть связи как информационная транспортная среда, кроме сетей передачи привычных сообщений, позволяет создать:

— цифровую сеть связи с интеграцией служб, обеспечивающих полностью цифровые соединения между оконечными устройствами (терминалами) для предоставления абонентам широкого спектра услуг по передаче телефонных и нетелефонных сообщений, доступ к которым осуществляется через ограниченный набор стандартизированных многофункциональных интерфейсов;

— интеллектуальную сеть, которая может предоставить абонентам расширенный набор услуг в заданное время в заданном месте, например установление телефонного соединения с оплатой за счет вызываемого абонента, вызов по кредитной карте, общение по сокращенному набору номера, телеголосование и др.;

— сотовые мобильные сети связи, предоставляющие абоненту, находящемуся в движении, возможность получить услуги связи в любом месте;

— широкополосные цифровые сети с интеграцией услуг со скоростью обмена информацией до десятков Гбит/с; высокоскоростные сети на основе транспортирования информации с помощью технологии асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer Mode — ATM) и др.

Сами системы управления представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы, поэтому существует граница целесообразности применения системы управления — она зависит от сложности сети, разнообразия применяемого коммуникационного оборудования и степени его распределенности по территории. В небольшой сети можно применять отдельные программы управления наиболее сложными устройствами, например коммутатором, поддерживающим технику VLAN. Обычно каждое устройство, которое требует достаточно сложного конфигурирования, производитель сопровождает автономной программой конфигурирования и управления. Однако при росте сети может возникнуть проблема объединения разрозненных программ управления устройствами в единую систему управления, и для решения этой проблемы придется, возможно, отказаться от этих программ и заменить их интегрированной системой управления.

Сетевое управление состоит из отдельных и независимых задач по управлению разнородными системами. К основным функциям сетевого управления относится:

— Проектирование, установка и обслуживание физической инфраструктуры, соединительных кабелей и коммутационных панелей, тестирование кабелей и проверка их длины.

— Настройка устройств, мостов, маршрутизаторов, коммутаторов и повторителей. Настройка процессов резервирования, архивирования и документирование. Создание и обновление топологических карт, отражение взаимосвязей устройств, определение места хранения конфигурационной информации.

— Мониторинг состояния связей и служб, определение базовых показателей сетевой производительности и ее измерение. Упреждающее и экстренное тестирование неполадок в связях и сетевых службах. Мониторинг безопасности сети.

— Отслеживание сбоев в управляемых компьютерах и устройствах, определение и устранение их причин, исправление их последствий и предотвращение сбоев.

— Управление конфигурированием компьютеров и сетевых устройств (инициализация, переконфигурирование, выключение управляемых сетевых устройств и компьютеров).

— Управление потребление сетевых ресурсов пользователями и группами пользователей (например, регулирование дисковых и иных квот).

— Управление производительностью сетевых устройств и сервисов (с помощью сбора и анализа статистики интенсивности применения и частоты ошибок сетевых устройств и искусственной установки уровня их производительности на основе полученных данных).

— Управление защитой данных с помощью контроля доступа к сетевым ресурсам на основе заранее установленной политики безопасности.

Кроме систем управления сетями существуют и системы управления другими элементами корпоративной сети: системы управления ОС, СУБД, корпоративными приложениями. Применяются также системы управления телекоммуникационными сетями: телефонными, а также первичными сетями технологий PDH и SDH.

Независимо от объекта управления, желательно, чтобы система управления выполняла ряд функций, которые определены международными стандартами, обобщающими опыт применения систем управления в различных областях. Существуют рекомендации ITU-T X.700 и близкий к ним стандарт ISO 7498−4, которые делят задачи системы управления на пять функциональных групп:

— управления конфигурацией сети и именованием;

— обработка ошибок;

— анализ производительности и надежности;

— управление безопасностью;

— учет работы сети.

Рассмотрим задачи этих функциональных областей управления применительно к системам управления сетями.

Управление конфигурацией сети и именованием (Configuration Management). Эти задачи заключаются в конфигурировании параметров как элементов сети (Network Element, NE), так и сети в целом. Для элементов сети, таких как маршрутизаторы, мультиплексоры и т. п., с помощью этой группы задач определяются сетевые адреса, идентификаторы (имена), географическое положение и пр.

Управление конфигурацией (как и другие задачи системы управления) могут выполнятся в автоматическом, ручном или полуавтоматическом режимах. Например, карта сети может составляться автоматически, на основании зондирования реальной сети пакетами-исследователями, а может быть введена оператором системы управления вручную. Чаще всего применяются полуавтоматические методы, когда автоматически полученную карту оператор подправляет вручную. Методы автоматического построения топологической карты, как правило, являются фирменными разработками.

Более сложной задачей является настройка коммутаторов и маршрутизаторов на поддержку маршрутов и виртуальных путей между пользователями сети. Согласованная ручная настройка таблиц маршрутизации при полном или частичном отказе от использования протокола маршрутизации (а в некоторых глобальных сетях, например Х.25, такого протокола просто не существует) представляет собой сложную задачу. Многие системы управления сетью общего назначения ее не выполняют, но существуют специализированные системы конкретных производителей, например система NetSys компании Cisco Systems, которая решает ее для маршрутизаторов этой же компании.

Обработка ошибок (Fault Management). Эта группа задач включает выявление, определение и устранение последствий сбоев и отказов в работе сети. На этом уровне выполняется не только регистрация сообщений об ошибках, но и их фильтрация, маршрутизация и анализ на основе некоторой корреляционной модели. Фильтрация позволяет выделить из весьма интенсивного потока сообщений об ошибках, который обычно наблюдается в большой сети, только важные сообщения, маршрутизация обеспечивает их доставку нужному элементу системы управления, а корреляционный анализ позволяет найти причину, породившую поток взаимосвязанных сообщений (например, обрыв кабеля может быть причиной большого количества сообщений о недоступности сетей и серверов).

Устранение ошибок может быть как автоматическим, так и полуавтоматическим. В первом случае система непосредственно управляет оборудованием или программными комплексами и обходит отказавший элемент за счет резервных каналов и т. п. В полуавтоматическом режиме основные решения и действия по устранению неисправности выполняют люди, а система управления только помогает в организации этого процесса — оформляет квитанции на выполнение работ и отслеживает их поэтапное выполнение (подобно системам групповой работы).

В этой группе задач иногда выделяют подгруппу задач управления проблемами, подразумевая под проблемой сложную ситуацию, требующую для разрешения обязательного привлечения специалистов по обслуживанию сети.

Анализ производительности и надежности (Performance Management). Задачи этой группы связаны с оценкой на основе накопленной статистической информации таких параметров, как время реакции системы, пропускная способность реального или виртуального канала связи между двумя конечными абонентами сети, интенсивность трафика в отдельных сегментах и каналах сети, вероятность искажения данных при их передаче через сеть, а также коэффициент готовности сети или ее определенной транспортной службы. Функции анализа производительности и надежности сети нужны как для оперативного управления сетью, так и для планирования развития сети.

Результаты анализа производительности и надежности позволяют контролировать соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA), заключаемое между пользователем сети и ее администраторами (или компанией, продающей услуги); Обычно в SLA оговариваются такие параметры надежности, как коэффициент готовности службы в течение года и месяца, максимальное время устранения отказа, а также параметры производительности, например, средняя и максимальная пропускная способности при соединении двух точек подключения пользовательского оборудования, время реакции сети (если информационная служба, для которой определяется время реакции, поддерживается внутри сети), максимальная задержка пакетов при передаче через сеть (если сеть используется только как транзитный транспорт). Без средств анализа производительности и надежности поставщик услуг публичной сети пли отдел информационных технологий предприятия не сможет ни проконтролировать, ни тем более обеспечить нужный уровень обслуживания для конечных пользователей сети Управление безопасностью (Security Management). Задачи этой группы включают в себя контроль доступа к ресурсам сети (данным и оборудованию) и сохранение целостности данных при их хранении и передаче через сеть. Базовыми элементами управления безопасностью являются процедуры аутентификации пользователей, назначение и проверка прав доступа к ресурсам сети, распределение и поддержка ключей шифрования, управления полномочиями и т. п. Часто функции этой группы не включаются в системы управления сетями, а реализуются либо в виде специальных продуктов (например, системы аутентификации и авторизации Kerberos, различных защитных экранов, систем шифрования данных), либо входят в состав операционных систем и системных приложений.

Учет работы сети (Accounting Management). Задачи этой группы занимаются регистрацией времени использования различных ресурсов сети — устройств, каналов и транспортных служб. Эти задачи имеют дело с такими понятиями, как время использования службы и плата за ресурсы — billing. Ввиду специфического характера оплаты услуг у различных поставщиков и различными формами соглашения об уровне услуг, эта группа функций обычно не включается в коммерческие системы и платформы управления типа HP Open View, а реализуется в заказных системах, разрабатываемых для конкретного заказчика:

Модель управления OSI не делает различий между управляемыми объектами — каналами, сегментами локальных сетей, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами, модемами и мультиплексорами, аппаратным и программным обеспечением компьютеров, СУБД. Все эти объекты управления входят в общее понятие «система», и управляемая система взаимодействует с управляющей системой по открытым протоколам OSI.

Однако на практике деление систем управления по типам управляемых объектов широко распространено. Ставшими классическими системы управления сетями, такие как StinNet Manager, HP OpenView или Cabletron Spectrum, управляют только коммуникационными объектами корпоративных сетей, то есть концентраторами и коммутаторами локальных сетей, а также маршрутизаторами и удаленными мостами, как устройствами доступа к глобальным сетям. Оборудованием территориальных сетей обычно управляют системы производителей телекоммуникационного оборудования, такие как RADView компаний RAD Data Communications, MainStreetXpress 46 020 компании Newbridge и т. п.

Рассмотрим, как преломляются общие функциональные задачи системы управления, определенные в стандартах X.700/ISO 7498−4, в задачи такого конкретного класса систем управления, как системы управления компьютерами и их системным и прикладным программным обеспечением. Их называют системами управления системой (System Management System). Обычно система управления системой выполняет следующие функции: Учет используемых аппаратных и программных средств (Configuration Management). Система автоматически собирает информацию об установленных в сети компьютерах и создает записи в специальной базе данных об аппаратных и программных ресурсах. После этого администратор может быстро выяснить, какими ресурсами он располагает и где тот или иной ресурс находится, например, узнать о том, на каких компьютерах нужно обновить драйверы принтеров, какие компьютеры обладают достаточным количеством памяти, дискового пространства и.т. п.

— Распределение и установка программного обеспечения (Configuration Management), После завершения обследования администратор может создать пакеты рассылки нового программного обеспечения, которое нужно инсталлировать на всех компьютерах сети или на какой-либо группе компьютеров. В большой сети, где проявляются преимущества системы управления, такой способ инсталляции может существенно уменьшить трудоемкость этой процедуры. Система может также позволять централизованно устанавливать и администрировать приложения, которые запускаются с файловых серверов, а также дать возможность конечным пользователям запускать такие приложения с любой рабочей станции сети.

— Удаленный анализ производительности и возникающих проблем (Fault Management and Performance Management). Эта группа функций позволяет удаленно измерять наиболее важные параметры компьютера, операционной системы, СУБД и т. д. (например, коэффициент использования процессора, интенсивность страничных прерываний, коэффициент использования физической памяти, интенсивность выполнения транзакций). Для разрешения проблем эта группа функций может давать администратору возможность брать на себя удаленное управление компьютером в режиме эмуляции графического интерфейса популярных операционных систем. База данных системы управления обычно хранит детальную информацию о конфигурации всех компьютеров в сети для того, чтобы можно было выполнять удаленный анализ возникающих проблем.

Примерами систем управления системами являются Microsoft System Management Server (SMS), CA Umcenter, HP Operationscenter и многие другие.

Как видно из описания функций системы управления системами, они повторяют функции системы управления сетью, но только для других объектов. Действительно, функция учета используемых аппаратных и программных средств соответствует функции построения карты сети, функция распределения и установки программного обеспечения — функции управления конфигурацией коммутаторов и маршрутизаторов, а функция анализа производительности и возникающих проблем — функции производительности.

Эта близость функций систем управления сетями и систем управления системами позволила разработчикам стандартов OSI не делать различия между ними и разрабатывать общие стандарты управления.

На практике уже несколько лет также заметна отчетливая тенденция интеграции систем управления сетями и системами в единые интегрированные продукты управления корпоративными сетями, например CA Unicenter TNG или ТМЕ-10 IBM/Tivoli. Наблюдается также интеграция систем управления телекоммуникационными сетями с системами управления корпоративными сетями.

1. Построение радиорелейных и спутниковых линий передачи

1.1 Основные понятия и определения. Принципы многоствольной передачи

Радиолиния передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной линией передачи. Радиорелейная линия передачи (РРЛП) представляет собой цепочку приемопередающих радиостанций (оконечных, промежуточных, узловых), которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и передачу) передаваемых сигналов.

Радиорелейная линия передачи, соседние станции которой размещаются одна от другой на расстоянии прямой видимости между антеннами этих станций, называется РРЛП прямой видимости (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 — Радиолинейная линия передачи прямой видимости

Здесь приняты следующие обозначения: ОРС — оконечная радиорелейная станция, обеспечивающая преобразование отдельных подлежащих передаче сигналов в диапазоне частот радиосигнала, объединения их в общий радиосигнал и передачу его в среду распространения, а также прием встречного радиосигнала, разделение его на отдельные принимаемые сигналы, их преобразования и выдачу потребителю; ПРС — промежуточная радиорелейная станция, обеспечивающая прием, преобразование, усиление или регенерацию и последующую передачу радиосигнала; УРС — узловая радиорелейная станция, обеспечивающая разветвление и объединение потоков сообщений, передаваемых по разным РРЛП, на пересечении которых и располагаются УРС.

К УРС относятся также станции РРЛП, где осуществляется ввод и вывод телефонных, телевизионных и других сигналов. На ОРС и УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС.

Участок РРЛП (300 … 500 км) между ОРС (УРС) делится примерно пополам так, что одна часть ПРС входит в зону телеобслуживания одной ОРС (УРС), а другая часть ПРС обслуживается другой УРС (ОРС).

Радиорелейная линия передачи, в которой используется рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении соседних станций, называется тропосферной радиорелейной линией передачи (ТРРЛП) (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 — Тропосферная радиорелейная линия передачи

Радиолиния передачи, в которой используются космические станции, пассивные спутники или иные космические объекты, называется космической линией передачи. Космическая линия передачи, осуществляющая электросвязь между земными станциями этой линии с помощью установленных на искусственных спутниках Земли ретрансляционных станций или пассивных спутников, называется спутниковой линией передачи (СЛП) (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 — Спутниковая линия передачи

Здесь приняты такие обозначения: ЗС — земная станция, т. е. станция спутниковой линии передачи, расположенная на земной, водной поверхностях или в основной части земной атмосферы и предназначенная для космической линии передачи; КС — космическая станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части земной атмосферы; ИСЗ — искусственный спутник Земли.

Под космической линией передачи понимается радиолиния, в которой используются космические станции, пассивные спутники или иные космические объекты. При использовании одного ИСЗ, расположенного на геостационарной или вытянутой орбите, максимальная дальность радиосвязи СЛП около 15 000 км.

Радиорелейные линии прямой видимости, тропосферные радиорелейные линии и спутниковые линии передачи в большинстве своем работают в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн (в диапазонах УВЧ и СВЧ). Однако имеются малоканальные радиорелейные системы передачи (РРСП), работающие в диапазоне метровых волн (на ОВЧ). Использование этих диапазонов обусловлено, главным образом, возможностью передачи широкополосных сигналов (телевидения, первичных, вторичных, третичных широкополосных каналов и трактов, первичных, вторичных, третичных, четверичных потоков и потоков синхронной цифровой иерархии).

Совокупная ширина полосы частот дециметрового и сантиметрового диапазонов в сотни раз превышает ширину полосы частот всех более длинноволновых диапазонов, вместе взятых. Это позволяет организовать совместную работу большого числа широкополосных РРСП, передавать любые виды сообщений, а также строить многоканальные РРСП с высокой пропускной способностью (до нескольких тысяч каналов тональной частоты или основных цифровых каналов с эквивалентной скоростью передачи, соответствующей нескольким сотням мегабит в секунду).

Широкополосность систем позволяет применять эффективные помехоустойчивые методы передачи сигналов такие, как частотная модуляция, импульсно-кодовая модуляция, дельта-модуляция и их разновидности, а также использовать эффективные методы кодирования.

Кроме того, в диапазонах УВЧ и СВЧ довольно просто создать антенны с узконаправленным излучением и приемом радиоволн. Применение таких антенн, имеющих относительно небольшие габариты, позволяет получить энергетический выигрыш по сравнению с ненаправленным излучением (приемом) примерно 30 … 50 дБ. Это недостижимо для антенн более длинноволновых диапазонов и дает возможность упростить приемо-передающую аппаратуру (уменьшить необходимые мощности передатчиков и чувствительность приемников), а также облегчить электромагнитную совместимость различных систем радиосвязи. Наконец, в этих диапазонах мало влияние промышленных и атмосферных помех.

Для повышения пропускной способности, надежности и экономичности при построении РРСП и спутниковых систем передачи (ССП) широко используется принцип многоствольной передачи. При этом на каждой станции устанавливается несколько комплектов оборудования ствола — линейного тракта.

На рис. 1.4 приведена структурная схема четырехствольной радиолинии связи, содержащей три радиосистемы передачи (РСП): аналоговую телефонную, цифровую, аналоговую телевизионную и отдельный резервный ствол. На рис. 1.4 приняты следующие обозначения: АКГпер (пр) — аналоговое каналообразующее оборудование и оборудование формирования типовых групп каналов (обычно оборудование систем передачи с частотным разделением) тракта передачи (приема); ЦКГпер (пр) — цифровое каналообразующее оборудование и оборудование формирования типовых цифровых потоков (обычно оборудование цифровых систем передачи на основе импульсно-кодовой модуляции с временным разделением каналов) трактов передачи (приема); СЛпер (пр) — соединительные линии; ОТФпер (пр), ОЦпер (пр) и ОТВпер (пр) — оконечное оборудование телефонного, цифрового и телевизионного стволов передачи (приема) соответственно; каналы ТЧ, ТВ, ЗС, ЗВ — каналы тональной частоты, телевидения, сигналов звукового сопровождения телевидения и сигналов звукового вещания; R (R'), Т (Т') — точки подключения к соединительным линиям различного оборудования.

Совокупность нескольких однотипных или разнотипных РСП и отдельных стволов, имеющих общие тракты распространения радиоволн, оконечные и ретрансляционные станции, а также устройства их обслуживания, образуют многоствольную радиолинию связи (РЛС), а совокупность стволов, входящих в состав радиолинии связи, образует многоствольную радиолинию передачи (РЛП).

Рисунок 1.4 — Структурная схема четырехствольной радиолинии связи

В многоствольных РЛП с резервированием каждый из стволов включает в себя радиоствол, оконечное оборудование и аппаратуру резервирования, обеспечивающую переключение на резервный ствол при выходе из строя основного радиоствола. В некоторых РЛП предусмотрен отдельный ствол служебной связи, содержащий упрощенное оборудование. Использование общих антенн, фидерных трактов, источников электроснабжения, систем служебной связи и телеобслуживания, сооружений для размещения оборудования значительно повышает экономичность многоствольных РЛП.

Совместная работа нескольких стволов в одной РЛП обеспечивается путем их частотного разделения. При многоствольной работе частоты передачи и приема стволов должны быть выбраны таким образом, чтобы свести к минимуму влияние трактов передачи на тракты приема в отдельных стволах и взаимные помехи между ними.

Для этого в многоствольных РЛП применяется группирование частот передачи и приема, в соответствии с которым частоты передачи всех стволов размещаются в одной половине отведенной полосы частот, а частоты приема — в другой. В стволах РЛП могут использоваться двухи четырехчастотные планы. На рис. 1.5, а и б изображены двухчастотный и четырехчастотный планы для трехствольной РЛП соответственно (см. рис. 1.4). Двухчастотные планы обычно применяются на радиорелейных линиях (РРЛ) и спутниковых линиях передачи (СЛП), работающих в сантиметровом диапазоне. На РРЛ дециметрового диапазона, мобильных РРЛ, а также на тропосферных радиорелейных линиях (ТРРЛ) применяются четырехчастотные планы. При этом ТРЛЛ содержит не более двух стволов. Для сигналов разных стволов используются различные несущие частоты.

Все системы многоствольной РРЛ организуются таким образом, чтобы все стволы работали независимо один от другого, были бы взаимозаменяемы.

Рисунок 1.5 — Двухи четырехчастотные планы для трехствольной РЛП

К уже рассмотренной классификации РРЛ добавим их классификацию еще по ряду наиболее важных признаков и характеристик.

1. По назначению различают: междугородные магистральные, внутризоновые и местные РРЛ. Магистральные РРЛ обычно являются многоствольными.

2. По диапазону рабочих (несущих) частот РРЛ подразделяются на линии дециметрового и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах в соответствии с Регламентом радиосвязи для организации РРЛ выделены полосы частот, расположенные в области 2, 4, 6, 8, 11 и 13 ГГц. В настоящее время осваивается область частот 18 ГГц и выше. Однако использование столь высоких частот затруднено из-за сильного ослабления энергии радиоволн во время атмосферных осадков.

3. По способу разделения каналов и виду модуляции несущей можно выделить:

а) РРЛ с частотным разделением каналов (ЧРК) и частотной модуляцией (ЧМ) гармонической несущей;

б) РРЛ с временным разделением каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией периодической последовательности импульсов, которые затем модулируют несущую ствола;

в) цифровые РРЛ на основе импульсно-кодовой или дельта-модуляций и их разновидностей, цифровые сигналы которых затем модулируют несущую ствола.

4. По принятой в настоящее время классификации РРЛ разделяют на системы большой, средней и малой емкости.

К РРЛ большой емкости принято относить системы, позволяющие организовать в одном стволе 600 и более каналов тональной частоты (КТЧ), что соответствует пропускной способности более 100 Мбит/с. Стационарные РРЛ большой емкости используются для организации магистральных связей. Если РРЛ позволяет организовать 60 … 600 КТЧ, то такие системы относятся к РРЛ средней емкости, а если менее 60 КТЧ — РРЛ малой емкости. Пропускная способность РЛ средней и малой емкости равна соответственно 10 … 100 Мбит/с и менее 10 Мбит/с.

Стационарные РРЛ средней емкости используются для организации зоновой связи. Это линии протяженностью до 500 … 1500 км. Подобные РРЛ в большинстве рассчитаны на передачу телевизионных сигналов и сигналов звукового вещания. Часто эти линии являются многоствольными и ответвляются от магистральных.

РРЛ малой емкости применяются на местных сетях связи и, кроме того, широко используются для организации технологических линий передачи на железнодорожном транспорте, в системе энергоснабжения, в газои нефтепроводах и др.

В настоящее время на телекоммуникационных сетях все большее распространение получают цифровые РРЛ с большой пропускной способностью на основе синхронной цифровой иерархии.

1.2 Виды модуляции, применяемые в радиорелейных и спутниковых системах передачи

Технико-экономические показатели радиорелейных (РРСП) и спутниковых (ССП) систем передачи и особенности построения оконечного оборудования ствола, приемопередающей аппаратуры во многом определяются выбранным видом модуляции высокочастотной несущей многоканальным (групповым) сигналом. Последний может быть сформирован:

— с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования групп каналов и трактов аппаратуры аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) с помощью однополосной амплитудной модуляции;

— с использованием каналообразующего оборудования аналоговых систем передачи с временным разделением каналов (СП с ВРК) с помощью фазоимпульсной модуляции;

— с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования типовых потоков цифровых систем передачи (ЦСП) с использованием импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей.

В системах передачи сигналов телевидения полный телевизионный сигнал формируется с помощью оборудования телевизионного ствола на оконечных радиорелейных или земных спутниковых станциях и затем модулирует высокочастотную несущую.

Высокочастотная несущая или высокочастотный радиосигнал формируется в оконечном оборудовании ствола.

Основными показателями, характеризующими виды модуляции в РРСП и ССП (далее радиосистемы передачи РСП), являются помехоустойчивость в отношении тепловых шумов, эффективность использования занимаемой полосы частот, степень подверженности передаваемых сигналов влиянию неидеальности характеристик ствола линейного тракта, сложность построения приемопередающей аппаратуры и соответствующих модуляторов и демодуляторов (модемов).

Частотная модуляция в аналоговых РСП.

В аналоговых СП с ЧРК и телевидения в основном применяется частотная модуляция (ЧМ). При ЧМ основной причиной нелинейных искажений сигналов в радиоканале, приводящих к взаимным влияниям между каналами в СП с ЧРК, является нелинейность ФЧХ, в то время как при обычной AM и AM с передачей одной боковой полосы (АМ-ОБП) частот основной причиной нелинейных искажений является нелинейность АХ. Так как компенсация нелинейности ФЧХ выполняется более простыми методами, чем компенсация нелинейности АХ, то приемопередающая аппаратура при использовании ЧМ в РСП оказывается более простой, чем при AM и АМ-ОБП. Кроме того, ЧМ обладает большей помехоустойчивостью в отношении теплового шума и внешних помех по сравнению с AM и АМ-ОБП, если индекс ЧМ не слишком мал (в малоканальных РСП с числом каналов ТЧ не более 120).

При ЧМ мгновенная частота модулированного радиосигнала изменяется в соответствии с модулирующим сигналом :

где частота несущей; отклонение частоты под воздействием модулирующего сигнала (девиация частоты): крутизна модуляционной характеристики частотного модулятора, Гц/В.

Общее выражение для ЧМ радиосигнала имеет вид

где постоянная амплитуда радиосигнала.

Основными характеристиками ЧМ радиосигнала являются: девиация частоты, индекс частотной модуляции и ширина спектра, необходимая для неискаженной передачи. Поскольку основной загрузкой радиостволов являются групповые телефонные сигналы СП с ЧРК, то и рассмотрим характеристики ЧМ радиосигнала для этого вида загрузки.

Эффективная девиация частоты соответствует средней мощности группового сигнала и эффективной девиации частоты на канал (соответствующей измерительному уровню сигнала в одном канале ТЧ) и определяется по формуле

где N число каналов соответствующей СП с ЧРК. Величина обычно нормируется и в зависимости от N может изменяться в пределах 35 … 200 кГц.

Эффективное значение индекса ЧМ определяется отношением эффективной девиации частоты к верхней частоте спектра группового телефонного сигнала, т. е,

.

Для характеристики ЧМ радиосигнала используются также понятия квазипиковых девиации частоты и индекса модуляции, соответствующие квазипиковой мощности группового сигнала, превышаемой с вероятностью не более и соответственно равным:

и .

Важной характеристикой ЧМ радиосигнала является ширина его спектра, определяющая необходимую полосу пропускания радиоканала. При передаче сигналов многоканальной телефонии минимальная необходимая полоса частот должна определяться исходя из минимально допустимого уровня переходных помех, возникающих из-за ограничения спектра,

где параметр, зависящий от уровня переходных помех.

На рис. 1.6 приведены значения в зависимости от для двух значений мощности переходных помех в верхнем (по спектру) телефонном канале: и 10 пВт.

Рисунок 1.6 Зависимость параметров от эффективного значения индекса ЧМ

На практике для приближенной оценки необходимой полосы частот часто пользуются следующей эмпирической формулой Карсона:

.

радиорелейный спутниковый оптический программный

Значения основных параметров ЧМ радиосигнала РСП при передаче сигналов многоканальной телефонии для различной емкости группового сигнала приведены в табл. 1.1. Как видно из таблицы, в большинстве случаев применяется частотная модуляция с не более 1.

Таблица 1.1 Параметры ЧМ радиосигнала при многоканальной телефонии

При передаче сигналов телевидения характеристики ЧМ радиосигала зависят от соответствующих параметров сигналов изображения и звукового сопровождения. Для сигнала изображения верхняя частота спектра, размах сигнала, а следовательно, максимальная девиация частоты известны: МГц, МГц.

Индекс ЧМ равен, а необходимая полоса частот, определенная по формуле Карсона,

МГц

МГц.

Если в одном стволе передаются сигналы изображения, звукового сопровождения и звукового вещания с использованием частотного разделения, то верхняя частота модулирующего сигнала, эффективная девиация частоты и необходимая полоса частот возрастут.

Манипуляция в цифровых РСП.

Модуляцию в цифровых РСП принято называть манипуляцией. В зависимости от числа уровней модулирующего (манипулирующего) сигнала различают двухуровневую (двоичную) и многоуровневую манипуляцию.

Для многих видов манипуляций, применяемых в цифровых радиорелейных системах передачи, предполагается использование манипулирующих сигналов, отличающихся по структуре от исходного передаваемого двоичного сигнала. Указанные манипулирующие сигналы формируются специальным кодирующим устройством — кодером модулятора. При демодуляции радиосигнала на приемном конце с помощью декодера демодулятора производится обратное преобразование, в результате чего формируется исходный двоичный сигнал. Декодированию, естественно, предшествует регенерация сигнала. Совокупность кодера модулятора и декодера демодулятора образует модем для цифровой РСП, обобщенная схема которого приведена на рис. 1.7.

В современных цифровых радиорелейных и спутниковых системах передачи применяются амплитудная, фазовая, частотная и комбинированная амплитудно-фазовая манипуляции.

Рисунок 1.7 Функциональная схема модема цифровой РСП

Амплитудная манипуляция (AM).

Хотя этот вид манипуляции в современной цифровой радиосвязи встречается весьма редко, он еще служит удобной основой для введения некоторых основных понятий. В настоящее время находит применение лишь двоичная AM. Манипулирующим (модулирующим) сигналом в цифровых системах радиосвязи является случайная последовательность «1» (токовая посылка) и «0» (пауза бестоковая посылка).

Радиосигнал с AM может быть представлен в следующей несколько упрощенной форме:

где модулирующая случайная двоичная последовательность видеоимпульсов (часто, не обязательно, прямоугольной формы),

частота несущего радиочастотного колебания.

Пример радиосигнала для случайной двоичной последовательности прямоугольных видеоимпульсов показан на рис. 1.8, где Т длительность элемента исходного двоичного сигнала.

Для сигналов AM самым распространенным является некогерентный прием, включающий в себя измерение амплитуды огибающей на выходе узкополосного фильтра. Модуляция и демодуляция сигналов в системах с двоичной AM не требует специального кодирования и декодирования.

Рисунок 1.8 Форма сигналов при амплитудной модуляции

Минимальная полоса частот необходимая для передачи AM радиосигнала, численно равна скорости передачи цифровой информации В (частоте следования передаваемых элементов исходного двоичного сигнала)

.

Эффективность использования полосы частот характеризуется максимальной удельной скоростью передачи при двоичной AM и равна .

Фазовая манипуляция (ФМ).

При ФМ манипулируемым параметром высокочастотной несущей радиоимпульса является ее фаза. В современных РСП применяются двоичная, четырехуровневая и восьмиуровневая ФМ.

При демодуляции фаза ФМ радиосигнала сравнивается с фазой восстановленного на приемном конце опорного колебания (несущей). Из-за случайных искажений радиосигнала имеет место неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной, так называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются «в негативе». Для устранения влияния неопределенности фазы применяется разностное кодирование фазы передаваемых радиоимпульсов.

Фазовую манипуляцию с разностным кодированием фазы называют фазоразностной или относительной фазовой манипуляцией (ОФМ). В цифровых радиорелейных системах передачи с ОФМ при передаче информации кодируется не сама фаза радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов.

Структура ОФМ радиосигнала для двухуровневой ФМ представлена на рис. 1.9. Из рисунка следует, что фаза несущего колебания изменяется относительно ее предыдущего состояния на при передаче «1» и остается неизменной при передаче «0» .

Рисунок 1.9 Структура двухуровневого ОФМ радиосигнала

Применяются два способа демодуляции ОФМ радиосигналов. В первом случае вначале восстанавливается несущая и когерентно детектируется ОФМ радиосигнала, затем разностно (дифференциально) декодируются принимаемые сигналы. При таком способе демодуляции операции детектирования и декодирования разделены и выполняются последовательно. Второй способ предполагает дифференциально-когерентное (автокорреляционное) детектирование ОФМ радиосигнала, при котором в качестве опорного колебания используется предшествующий радиоимпульс. При этом операции детектирования и декодирования совмещены.

Ширина спектра ОФМ радиосигнала зависит от скорости передачи информации В и числа уровней манипуляции М. Необходимая для ОФМ радиосигнала минимальная полоса пропускания

.

Обычно полосу пропускания выбирают несколько большей, т. е.. Следовательно, при увеличении числа уровней манипуляции полоса частот, необходимая для передачи ОФМ радиосигнала, уменьшается. Так, при ОФМ-4 () полоса частот вдвое меньше, чем при ОФМ при одинаковой скорости передачи информации. Максимальная эффективность использования полосы частот при ОФМ равна

.

Частотная манипуляция (ЧМ).

При ЧМ модулируемым (манипулируемым) параметром является частота высокочастотного заполнения радиоимпульса. В РСП применяются двоичная, трехуровневая (при использовании квазитроичных кодов), четырехуровневая и восьмиуровневая ЧМ. Пример простейшей двухуровневой ЧМ показан на рис. 1.10.

Рисунок 1.10 Форма сигнала при частотной манипуляции:

а манипулирующий сигнал; б частотно-манипулирующий сигнал радиосигнал ЧМ

В большинстве РСП с частотной манипуляцией используются модулирующие колебания прямоугольной формы, причем амплитуды несущих остаются постоянными. Для этого случая радиосигнал имеет вид

Полоса частот, необходимая для передачи ЧМ радиосигнала, и эффективность ее использования зависят от скорости передачи информации В, числа уровней М и максимальной девиации частоты и равны соответственно

;

где максимальная девиация частоты, зависящая от М, максимальный индекс ЧМ.

При демодуляции ЧМ радиосигналов применяется некогерентное детектирование, причем обычно используются те же частотные детекторы, что и в аналоговых РСП с ЧМ.

Большой интерес представляет применение частотной манипуляции с минимальным сдвигом (ЧММС), являющейся частным случаем манипуляции с непрерывной фазой, при которой фаза манипулированнрго радиосигнала изменяется непрерывно и не имеет скачков на границах радиоимпульсов. При ЧММС для передачи «1» и «1», как при обычной двоичной ЧМ, используются две частоты, однако разнос между ними выбирается так, чтобы за время длительности элемента Т фаза манипулированного радиосигнала изменялась ровно на. При этом если передается «1», то частота радиосигнала, так что в момент окончания радиоимпульса его фаза получает сдвиг. При передаче «1» частота радиоимпульса, в результате чего фаза радиоимпульса в момент его окончания приобретает сдвиг. Таким образом, ЧММС весьма похожа на ОФМ, при которой фаза манипулированного радиосигнала также изменяется на в течение каждого интервала Т. Отличие состоит лишь в том, что при ЧММС фаза изменяется не скачкообразно, а непрерывно.

При демодуляции ЧММС радиосигналов используется когерентное детектирование. Помехоустойчивость ЧММС близка к помехоустойчивости двоичной ОФМ, а эффективность использования полосы частот примерно такая же, как при четырехуровневой ОФМ.

Амплитудно-фазовая манипуляция (АФМ).

При АФМ манипулируемым (представляющим) параметром является комплексная амплитуда радиосигнала. Формирование М-уровневого АФМ сигнала может быть реализовано путем М-уровневой балансной амплитудной манипуляции синфазной и квадратурной составляющих сигнала одной частоты и сложения полученных AM радиосигналов. По этой причине АФМ часто называют квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ).

Минимальная необходимая полоса частот и максимальная эффективность использования полосы определяются так же, как в случае многоуровневой ФМ (ОФМ).

Сравнительная оценка качественных показателей различных видов манипуляции, применяемых в цифровых РСП, приведена в табл. 1.2.

Интересно ориентировочно сравнить эффективность использования полосы частот цифровых и аналоговых РСП. Если в цифровых системах используется ИКМ со скоростью передачи основного цифрового канала 64 кбит/с, то в системах с AM и ОФМ-2 (двухуровневая) максимальная емкость ствола с полосой 40 МГц составляет 625 каналов тональной частоты (КТЧ), с ОФМ-4 (четырехуровневая) и ЧММС 1250 КТЧ, с ОФМ-8 1875 КТЧ, наконец, при использовании АФМ-16 2500 КТЧ.

Таблица 1.2 Показатели различных видов манипуляции в цифровых РСП

Максимальная достигнутая в настоящее время емкость аналоговых систем с ЧМ при той же полосе составляет 3600 КТЧ. Таким образом, можно считать, что эффективность использования полосы частот в наиболее совершенных цифровых РСП приближается к эффективности аналоговых систем с ЧМ. В РСП с малой и средней пропускной способностью эффективность использования полосы частот в цифровых системах не ниже, чем в аналоговых системах с ЧМ.

Среди рассмотренных видов манипуляций наибольшей простотой реализации отличаются двоичные AM и ЧМ, а также трехуровневая и четырехуровневая ЧМ при использовании частотного дискриминатора для демодуляции сигналов. Сравнительно просто реализуются ОФМ-2 и ОФМ-4 при дифференциально-когерентном детектировании сигналов, основные сложности связаны с необходимостью восстановления опорного колебания на приемном конце.

Наибольшие трудности возникают при использовании ОФМ-8 и

АФМ-16, причем в последнем случае возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения высокой линейности амплитудной характеристики всего линейного тракта.

Двоичные некогерентные AM и ЧМ применяются в РСП с малой пропускной способностью, а также в перевозимых РРСП, двоичная ОФМ в РСП с малой и средней пропускной способностью. Широкое применение в РСП с различной пропускной способностью нашли ОФМ-4. Наряду с ОФМ-4 АФМ-16 становится основным видом манипуляции для цифровых РСП с высокой пропускной способностью. Для передачи цифровых сигналов в аналоговых РСП применяются двоичная и многоуровневая ЧМ с числом уровней при использовании аналогового частотного детектора для демодуляции.

2. Спутниковые и комбинированные сети

Применение космических спутников связи привело к возможности создания глобальных радиосетей. Средства коммуникаций включают спутники связи (СС), наземные радиостанции (PC) и проводные каналы связи между ЭВМ и PC (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Структура спутниковой радиосети

Достоинства сети:

— используя разные частоты, можно организовать несколько сетей, работающих параллельно и не мешающих друг другу;

— достаточно просто реализовать связь с движущимися абонентами;

Недостаток: высокая стоимость реализации спутниковой связи.

В настоящее время среди глобальных сетей все большее распространение получают комбинированные сети, в которых передача данных через наземные УК дополняется радиосвязью абонентов с УК, а при необходимости — и спутниковой связью.

2.1 Геостационарные спутники

Согласно закону Кеплера, орбитальный период спутника пропорционален радиусу его орбиты в степени 3/2. Около поверхности Земли период обращения составляет около 90 мин. Спутники связи, летящие на таких низких орбитах, довольно неудобны, поскольку они находятся в зоне видимости расположенной на земле станции лишь на очень короткий интервал времени.

Однако на высоте около 36 000 км над экватором период обращения спутника составляет 24 часа, то есть спутник обращается вокруг Земли за тот же период времени, что и сама планета. Для земного наблюдателя двигающийся по подобной орбите спутник кажется неподвижным. Спутники на геостационарных орбитах чрезвычайно полезны для средств связи, поскольку навести антенну на неподвижный спутник гораздо легче (и дешевле), чем на двигающийся. При современной технологии следует располагать спутники не ближе, чем на расстоянии в 2 градуса друг от друга на 360-градусной дуге экватора, во избежание интерференции. Таким образом, одновременно в небе могут находиться только 360/2 — 180 геостационарных спутников. Некоторые из данных участков орбиты уже зарезервированы за различными классами пользователей, такими как телевизионное вещание, правительственная и военная связь и т. д. К счастью, спутники используют различные частотные диапазоны, поэтому каждый из 180 спутников может одновременно принимать и передавать в различных частотных диапазонах несколько потоков данных. Либо два или более спутников, работающих в различных частотных диапазонах, могут занимать один сектор орбиты. Чтобы не допустить хаоса в небе, был принят ряд международных соглашений по вопросу использования участков орбит и частотных диапазонов. Основные коммерческие диапазоны перечислены в табл. 2.5. Первым диапазоном, разработанным для коммерческой спутниковой связи, был диапазон С. Он состоит из двух полос частот, нижняя из которых предназначена для передачи со спутника, а верхняя — для передачи с Земли на спутник. Для дуплексной связи требуется пара каналов. Эти полосы частот уже переполнены, так как они также применяются в системах наземной микроволновой связи.