Спутниковые каналы передачи данных

 

Спутники в системах связи могут находиться на геостаци­онарных (высота 36 тысяч км) или низких орбитах. При гео­стационарных орбитах заметны задержки на прохождение сиг­налов (туда и обратно около 500 мс). Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырех спутни­ков. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следова­тельно, нужно увеличивать число или наземных станций, или спутников (обычно требуется несколько десятков спутников).

Структура спутниковых каналов передачи данных может быть проиллюстрирована на примере широкоизвестной систе­мы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть сис­темы представлена совокупностью комплексов, в состав каж­дого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радио­каналу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направлен­ную антенну диаметром 1...3 м и приемопередающую аппара­туру. АП подключаются к ЦС по схеме “звезда” с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя час­тота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение “точка-точка” через VSAT со скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долл. в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной на­земной линии.

Примерами российских систем спутниковой связи с геоста­ционарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в Runnet применяются геостационарные спутники “Радуга”. Один из них с точкой стояния 85 градусов в.д. охваты­вает почти всю территорию России. В качестве приемопередаю­щей аппаратуры (ППА) используются станции “Кедр-М” или “Калинка”, работающие в сантиметровом диапазоне волн (6,18...6,22 ГГц и 3,855...3,895 ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8 м. Структура ЦС представлена на рис. 2.5.

 

 

Рис. 2.5. Схема спутниковой связи

 

Примеры сетей с низкоорбитальными спутниками – сис­тема глобальной спутниковой телефонной связи “Глобалстар”. 48 низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников охватывают весь земной шар. Каждая станция (наземная) имеет одновре­менно связь с тремя спутниками. У спутника шесть сфокуси­рованных лучей по 2800 дуплексных каналов каждый. Обеспе­чиваются телефонная связь для труднодоступных районов, на­вигационные услуги, определение местонахождения подвиж­ных объектов. Терминал обойдется в 750 долл., минута разговора в 30—50 центов. Другая глобальная спутниковая сеть Irid­ium, имеющая и российский сегмент, включает 66 низкоорбитальных спутников, диапазон частот 1610—1626,5 МГц. В российской системе Глоснасс – 24 спутника.

 

Кодирование данных и методы повышения помехоустойчивости передачи и приема

 

Кодирование информации

 

Кодирование – представление сообщения последовательнос­тью элементарных символов.

Рассмотрим кодирование дискретных сообщений. Символы в сообщениях могут относиться к алфавиту, включающему n букв (буква – символ сообщения). Однако число элементов кода k существенно ограничено сверху энергетическими сооб­ражениями, т.е. часто n > k. Так, если отношение сигнал/по­меха для надежного различения уровня сигнала должно быть не менее q, то наименьшая амплитуда для представления одного из k символов должна быть qg, где g – амплитуда помехи, а наибольшая амплитуда соответственно qgk. Мощность передат­чика пропорциональна квадрату амплитуды сигнала (тока или напряжения), т.е. должна превышать величину, пропорцио­нальную (qgk)2. В связи с этим распространено двоичное ко­дирование с k =2. При двоичном кодировании сообщений с n типами букв, каждая из n букв кодируется определенной комбинацией 1 и 0 (например, код ASCII).

Кодирование аналоговых сообщений после их предвари­тельной дискретизации должно выполняться в соответствии с теоремой Котельникова. Для передачи аналогового сигнала производится его дискретизация с частотой отсчетов 2Fв(где Fв– максимальная частота в спектре сигнала) и выполняется импульсно-кодовая модуляция последовательности отсчетов.

Количество информации в сообщении (элементе сообщения) определяется по формуле:

 

где Р – вероятность появления сообщения (элемента сообще­ния). Из этой формулы следует, что единица измерения коли­чества информации есть количество информации, содержащее­ся в одном бите двоичного кода при условии равной вероят­ности появления в нем 1 и 0. В то же время один разряд десятичного кода содержит I = –log2 P = 3,32 единицы инфор­мации (при том же условии равновероятности появления де­сятичных символов, т.е. при Р = 0,1).

Напомним, что энтропия источника информации с независимыми сооб­щениями есть среднее арифметическое количества информации сообщений:

 

где Рk – вероятность появления k -го сообщения. Другими словами, энтропия есть мера неопределенности ожидаемой информации.

Пример. Пусть имеем два источника информации, один передает двоичный код с равновероятным появлением в нем 1 и 0, другой имеет вероятность 1, равную 2–10, и вероят­ность 0, равную 1-2–10. Очевидно, что неопределенность в получении в очередном такте символа 1 или 0 от первого источника выше, чем от второго. Это подтверждается количе­ственной оценкой энтропии: у первого источника Н = 1, у второго Н  –2–101og22–10, т.е. значительно меньше.

Коэффициент избыточности сообщения А определяется по формуле:

 

где I – количество информации в сообщении А; I max– мак­симально возможное количество информации в сообщении той же длины, что и А.

Пример избыточности дают сообщения на естественных языках. Так, у русского языка r находится в пределах 0,3...0,5.

Наличие избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии информации без ее потери в передаваемых сообщениях.

Для кодирования информации широко используются двоичные коды:

 EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) – символы кодируются восемью битами; популярен бла­годаря его использованию в IBM;

 ASCII (American Standards Committee for Information Inter­change) – семибитовый двоичный код.

Оба этих кода включают битовые комбинации для печата­емых символов и некоторых распространенных командных слов типа NUL, CR, АСК, NAK и др.

Для кодировки русского текста нужно вводить дополни­тельные битовые комбинации. Семибитовая кодировка здесь уже недостаточна. В восьмибитовой кодировке нужно под русские символы отводить двоичные комбинации, не занятые в общепринятом коде, чтобы сохранять неизменной коди­ровку латинских букв и других символов. Так возникли ко­дировка КОИ-8, затем при появлении персональных ЭВМ – альтернативная кодировка и при переходе к Windows – ко­дировка 1251. Множество используемых кодировок сущест­венно усложняет проблему согласования почтовых программ в глобальных сетях.