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.
