Методы многостанционного доступа в спутниковых системах связи

При одновременной работе многих земных станций через один КА-ретранслятор в некоторой общей полосе частот на входе приемной антенны ретранслятора образуется групповой сигнал от излучений земных станций. Этот групповой сигнал усиливается ретранслятором, переносится на другую частоту - частоту передачи, усиливается в передающем тракте ретранслятора и переизлучается в сторону земных станций, где каждая земная станция должна принять нужный ей сигнал от другой земной станции без помех от других работающих станций. Этот процесс уплотнения в эфире сигналов от многих станций и последующее разделение на Земле сигналов от многих станций называется многостанционным доступом. Многостанционный доступ является характеристикой территориально-распределенной радиосистемы.

Как и в многоканальных линиях связи, многостанционный доступ с разделением сигналов отдельных станций в некоторой общей полосе частот может быть организован:

• с разделением сигналов по частоте (МДЧР);

• с разделением сигналов по времени (МДВР);

• с кодовым разделением сигналов (МДКР).

Многостанционный доступ с частотным разделением сигналов земных станций. Далее везде будем рассматривать работу земных станций в одном стволе ретранслятора, в других стволах ретранслятора работа земных станций организуется аналогичным образом.

При МДЧР полоса ствола разбивается на отдельные полосы или частотные каналы (рис. 1.6). За каждой работающей земной станцией закрепляется постоянно или на время сеанса связи своя необходимая ей полоса частот и ЭИИМ (см. пункт 3.1) ретранслятора в этой полосе частот.

Для ретранслятора с прямой ретрансляцией сигналов ЭИИМ сигнала в некоторой полосе частот (или спектральная плотность мощности сигнала S_0i) может регулироваться величиной ЭИИМ земной корреспондирующей станции. Увеличивая (уменьшая) ЭИИМ земной станции в некотором частотном канале системы, мы автоматически увеличиваем (уменьшаем) ЭИИМ ретранслятора для этого частотного канала.

Рис.1.6. Частотные каналы в стволе при МДЧР и спектральная плотность мощности S₀(f) излучаемых ретранслятором сигналов.

Возможность регулировки ЭИИМ ретранслятора при МДЧР для каждого частотного канала позволяет оптимизировать энергетику ствола и систему связи. Эта регулировка ЭИИМ ретранслятора для отдельных станций может использоваться:

• для увеличения ЭИИМ ретранслятора для станций, находящихся на краю зоны обслуживания КА, для компенсации уменьшения коэффициента усиления бортовой передающей антенны ретранслятора на краю зоны обслуживания и ослабления сигнала за счет увеличения дальности связи;

• для увеличения ЭИИМ ретранслятора для отдельных станций, испытывающих дополнительное ослабление сигнала в дожде;

• при использовании в системе земных станций с разными диаметрами антенн, которые требуют разной ЭИИМ ретранслятора.

Указанные выше адаптивные возможности метода МДЧР сделали его самым распространенным методом многостанционного доступа в системах спутниковой связи.

Отметим, что частотные каналы для ЗС при МДЧР организуются путем установки соответствующих фильтров в модемы земных станций.

Метод МДЧР имеет недостаток, связанный с необходимостью обеспечения квазилинейного режима работы усилителя мощности ретранслятора. Дело в том, что для усилителей мощности на лампах бегущей волны и транзисторах потребляемая мощность от первичного источника питания слабо зависит от мощности раскачки усилителя. Поэтому желательно, чтобы усилитель мощности работал в режиме, близком крежиму насыщения. В этом случае КПД усилителя мощности будет максимальным.

При МДЧР входной сигнал усилителя мощности ретранслятора состоит из большого числа несущих, которые в сумме образуют случайный сигнал с гауссовским распределением вероятностей мгновенных значений напряжения.

Рис.1.7. Перекрестная помеха на выходе усилителя мощности ре-транслятора: а - линейно-ломаная амплитудная характеристика усилителя; б - сигнал и перекрестная помеха e(t) на выходе усилителя.

На рис. 1.7 показан процесс ограничения суммарного сигнала в усилителе мощности для линейно-ломаной амплитудной характеристики усилителя. Сигнал на выходе усилителя можно рассматривать как сумму неискаженного сигнала (показан пунктиром как продолжение выходного сигнала) и сигнала ошибки e(t). Этот сигнал ошибки e(t), называемый перекрестной помехой, состоит из коротких импульсов со случайной амплитудой, длительностью и временем появления, имеет широкий спектр и попадает во все частотные каналы ствола ретранслятора. Происходит подавление слабого сигнала сильным.

Многостанционный доступ с временным разделением сигналов земных станций. При МДВР в стволе ретранслятора организуется ретрансляция сигналов ЗС по очереди. За земной станцией закрепляется на все время работы или на некоторый сеанс связи временное окно в некотором общем кадре. Это временное окно повторяется в каждом кадре.

В своем временном окне земная станция передает пакет двоичных символов, состоящий из преамбулы и пакета данных. Преамбула содержит биты синхронизации приемника по несущей частоте (отрезок несущей частоты), по тактовой частоте символов (меандр), адресную информацию и символы сигнализации (рис. 1.8). Одна из станций сети связи является ведущей и излучает кадровый сигнал синхронизации, который принимается всеми станциями сети и служит для синхронизации всех земных станций.

Рис.1.8. Передача сигналов при МДВР.

Достоинством метода МДВР по отношению к МДЧР является отсутствие перекрестных помех в ретрансляторе, поскольку в любой момент времени усилитель мощности ретранслятора КА усиливает сигнал только одной станции и вследствие этого усилитель мощности может работать все время в режиме, близком крежиму насыщения. Вся полоса ствола КА отводится одной станции, т.е. возможна большая скорость передачи данных (см. соотношение Шеннона)

Энергетические возможности системы с МДВР могут быть многократно увеличены, если перейти от широкого луча антенны ретранслятора, покрывающего всю зону обслуживания КА, кпрыгающему узкому или даже сверхузкому приемопередающему лучу ретранслятора КА. Луч антенны направляется на земную станцию в момент прихода пакета информации на ретранслятор от земной станции и переключается на другую земную станцию после окончания пакета. Концепция построения такой системы с МДВР иллюстрируется рис. 1.9. Энергетический выигрыш в радиолиниях в дБ будет равен разнице в коэффициентах усиления антенны ретранслятора с узким лучом и антенны с лучом, покрывающим всю зону обслуживания. Этот выигрыш в энергетике радиолиний может быть достаточно большим и может использоваться для уменьшения излучаемой ретранслятором мощности сигналов, уменьшения диаметров антенн ЗС, уменьшения мощностей излучения ЗС и др.

Рис.1.9. Концентрация узкого индивидуального луча при МДВР

Высокие характеристики спутниковой системы связи по энергетике с адаптацией к условиям распространения радиосигналов может обеспечить комбинированный метод многостанционного доступа МДЧР-МДВР, при котором в каждом стволе организуется одновременная работа, например, восьми-шестнадцати несущих частот (МДЧР) и на каждой несущей частоте организуется режим МДВР со сверхузкими прыгающими лучами.

Многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов земных станций. Допустим, что в зоне обслуживания КА радиосигналы от каждой ЗС в стволе ретранслятора занимают всю полосу частот ствола и отличаются только формой псевдошумового сигнала. В приемнике ЗС сигнал нужной станции выделяется с помощью коррелятора, опорный сигнал которого имеет форму, присвоенную сигналам принимаемого абонента.

В системе с МДКР используются асинхронные сигналы, при которых временные сдвиги между сигналами от разных земных станций являются неуправляемыми и могут быть любыми. При приеме сигнала от одной земной станции сигналы от других земных станций являются помехой, которая называется внутрисистемной помехой.

В спутниковой системе связи с одним лучом антенны ретранслятора, охватывающим всю зону обслуживания, асинхронный МДКР проигрывает МДЧР и МДВР как по энергетике радиолиний (за счет возникновения внутрисистемных помех), так и по пропускной способности (по числу каналов в той же полосе частот).

Достоинством системы с МДКР является возможность создания системы связи с большим числом закрепленных каналов связи, когда каждой земной станции присваивается своя форма псевдошумового сигнала.Это позволяет любой земной станции спутниковой связи выйти в эфир без сложной процедуры предоставления канала связи по требованию, что важно при организации пакетных каналов связи и при пульсирующем трафике с передачей коротких пакетов данных.

Характеристики системы связи с МДКР существенно улучшаются при организации в стволе ретранслятора радиально-узловой сети связи (конфигурация сети типа "звезда"), когда земные терминалы связываются только с узловой (базовой) станцией. В этом случае при передаче информации от базовой станции может использоваться синхронный режим МДКР. В обратном направлении от терминалов в сторону базовой станции должна использоваться асинхронная передача сигналов с МДКР.

Таким образом, МДКР является единственным многостанционным доступом, который позволяет создавать разнообразные эффективные спутниковые пакетные сети связи.