Системы передвижной радиосвязи

 «Волокно в каждый дом» - термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего: 

-   высокоскоростной доступ в Интернет; 

-   услуги телефонной связи; 

-   услуги телевизионного приёма. 

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной  по сравнению с традиционными  услугами. 

3.3 История 

  

Историю систем передачи данных на большие  расстояния следует начинать с древности, когда люди использовали дымовые  сигналы. С того времени эти системы  кардинально улучшились, появились  сначала телеграф, затем — коаксиальный кабель. В своем развитии эти системы  рано или поздно упирались в фундаментальные  ограничения: для электрических  систем это явление затухания  сигнала на определённом расстоянии, для СВЧ — несущая частота. Поэтому продолжались поиски принципиально  новых систем, и во второй половине XX века решение было найдено —  оказалось, что передача сигнала  с помощью света гораздо эффективнее  как электрического, так и СВЧ-сигнала.

 В 1966 году Као и Хокман из STC Laboratory (STL) представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (в то время как затухание в коаксиальном кабеле составляло всего 5-10 дБ/км) из-за примесей, которые в них содержались и которые в принципе можно было удалить.

 Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: источник света и носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая — с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Glass Works. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время, были разработаны достаточно компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

 После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (AsGa). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км.

 22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

 Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

 Первый трансатлантический телефонный оптический кабель — ТАТ-8 — был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера.

 ТАТ-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой. 

Разработка  систем волнового мультиплексирования  позволило в несколько раз  увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 году лаборатории Белла посредством мультиплексирования 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров 

4. Спутниковая  связь 

  

Спутниковая связь — один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных  спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые  могут быть как стационарными, так  и подвижными.

  Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает - в большинстве случаев достаточно и одного. 

4.1 История 

В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи.

 Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству.

 Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.

 В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту.

 12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1,5 км надувной шар. Этот космический аппарат назывался «Эхо-1». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора.

 20 августа 1964 года 11 стран подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization), но СССР в их число не входил по политическим причинам. 6 апреля 1965 года в рамках этой программы был запущен первый коммерческий спутник связи Early Bird («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT.

 По сегодняшним меркам спутник Early Bird (INTELSAT I) обладал более чем скромными возможностями: обладая полосой пропускания 50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в США и только одной из трёх земных станций в Европе (в Великобритании, Франции или Германии), которые были соединены между собой кабельными линиями связи.

 В дальнейшем технология шагнула вперед, и спутник INTELSAT IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.

 В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны СССР. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник» которое было подписано только в 1971 году. 

4.2 Спутниковые  ретрансляторы 

В первые годы исследований использовались пассивные  спутниковые ретрансляторы (примеры  — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые  представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая  или полимерная сфера с металлическим  напылением), не несущий на борту  какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи  являются активными. Активные ретрансляторы  оборудованны электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами).

 Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала. 

4.3 Орбиты  спутниковых ретрансляторов 

Орбиты, на которых размещаются спутниковые  ретрансляторы, подразделяют на три  класса: 

·  экваториальные, 

·  наклонные, 

·  полярные. 

Важной  разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с  угловой скоростью, равной угловой  скорости Земли, в направлении, совпадающем  с направлением вращения Земли. Очевидным  преимуществом геостационарной  орбиты является то, что приемник в  зоне обслуживания «видит» спутник  постоянно.

 Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является больша́я высота, а значит, и бо́льшая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области.

 Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

 Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90º).

При использовании  наклонных орбит земные станции  оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны  на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются  такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной  орбиты. Исключение составляют небольшие  антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они  не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки. 

4.4 Многократное  использование частот. Зоны покрытия 

Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность  использования одних и тех  же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами: 

·  пространственное разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного  района, при этом разные районы могут  использовать одни и те же частоты, 

·  поляризационное  разделение — различные антенны  принимают и передают сигнал во взаимно  перпендикулярных плоскостяхполяризации, при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей). 

Типичная  карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты: 

·  глобальный луч — производит связь с земными  станциями по всей зоне покрытия, ему  выделены частоты, не пересекающиеся с  другими лучами этого спутника. 

·  лучи западной и восточной полусфер —  эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной  полусферах используется один и тот  же диапазон частот. 

·  зонные лучи — поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи полусфер. Таким образом, земная станция, расположенная  в одной из зон, может использовать также лучи полусфер и глобальный луч.

 При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной полусферах и в каждой из зон. 

4.5 Модуляция  и помехоустойчивое кодирование 

Особенностью  спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения  сигнал/шум, вызванного несколькими  факторами: 

·  значительной удаленностью приемника от передатчика, 

·  ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности). 

В связи  с этим спутниковая связь плохо  подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую  модуляцию (ИКМ).

 Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон. Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK.