ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СПУТНИКОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ НЕГЕОСТАЦИОНАРНЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ ГРУППИРОВКИ РЕТРАНСЛЯТОРОВ
Высота круговых орбитальных группировок (ОГ) на низких орбитах (LEO-Low Earth Orbit) лежит в пределах от 700 до 1500 км. Простые и дешевые малые ретрансляторы используются для низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений, в том числе и речевых в цифровой форме. Интерактивный режим информационного обмена не предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного сегментов сети и, соответственно, представляемых информационных услуг. В процессе функционирования вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов параметры орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных сетях передача
сообщений обычно осуществляется в режиме электронной почты с использованием протоколов множественного доступа Р- или S-ALOHA.
При передаче более объемных сообщений могут быть использованы протоколы с предоставлением канала по требованию. Для обеспечения нормального функционирования сети каждый ретранслятор должен непрерывно обновлять и пополнять текущий список адресов пользователей, находящихся в данный момент времени в зоне его обслуживания (такой подход часто называют сетью со "скользящими" зонами обслуживания). Время ожидания сеанса связи tож>= 0 может колебаться от нескольких миллисекунд до нескольких минут. Время переноса tп>= 0 лежит в пределах от миллисекунд (если отправитель и получатель находятся в зоне обслуживания одного и того же ретранслятора) до нескольких часов.
С целью привлечения пользователей подобных систем необходимо повышать их оперативность и расширять круг информационных услуг. Оперативность может быть резко увеличена путем использования межспутниковых каналов (линий) связи (ISL InterSatellite Links). В пределах зоны обслуживания возможна организация телефонных каналов. Однако, наличие в подобных системах "скользящей" зоны обслуживания не гарантирует представления телефонного канала даже паре близкорасположенных пользователей и необходимую длительность установления соединения.
Примерами сетей, использующих малые ретрансляторы, являются системы "Гонец", "Orbcomm", "Starsys".
Большие низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС, обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к реальному. При этом во избежание возникновения "брешей" в области обслуживания, необходимо с весьма высокой точностью поддерживать расчетные баллистические параметры орбитальной группировки, что возможно лишь при периодической коррекции этих параметров в процессе эксплуатации сети. Для этого каждый ретранслятор снабжается системой коррекции орбиты (двигательная установка + соответствующий запас топлива + подсистема приема, распределения и исполнения команд), а наземный сегмент дополняется командно-измерительными станциями.
В основе построения ССС на базе больших низкоорбитальных ретрансляторов лежит принцип, аналогичный используемому в наземных сотовых сетях связи. Область обслуживания сети разбивается на ряд фиксированных зон обслуживания. Геометрические размеры и размещения зон обслуживания на поверхности Земли определяется концепцией построения сети, в частности, параметрами орбитальной группировки ретрансляторов. Каждый из пользователей сети "приписывается" к конкретной зоне обслуживания. В любой момент времени каждая зона обслуживается одним из ретрансляторов группировки. Динамика движения спутников по орбитам и вращение Земли приводят к тому, что одна и та же зона обслуживается в различные интервалы времени разными ретрансляторами. В результате возникает необходимость в реконфигурации каналов связи сети, поскольку часть каналов "разрывается" и заменяется вновь организуемыми каналами. Реконфигурация каналов отрицательно сказывается на качестве информационного обмена и следует стремиться к минимизации частоты этих событий. Количественной оценкой частоты реконфигурации каналов связи является средняя (или, что менее объективно, максимальная) продолжительность сеанса связи ретранслятора с зоной обслуживания.
Первые проекты глобальных НССС появились в конце 70-х-начале 80-х годов. Предлагались достаточно сложные группировки с ретрансляторами на орбитах разной высоты и наклонения (в пределах одной сети). Позднее общепризнанными стали ОГ с ретрансляторами, размещенными на орбитах одинаковой высоты и наклонения, с равномерным распределением плоскостей орбит в пространстве, а ретрансляторов - в пределах каждой плоскости. Основными параметрами подобных группировок являются:
высота орбиты - h,
угол наклонения орбитальных плоскостей - i,
количество орбитальных плоскостей - nn,
число спутников в каждой орбитальной плоскости - nс ,
общее число спутников в группировке п = nc *nn
Одной из ключевых проблем при разработке НССС является организация межзонового информационного обмена, необходимого для поддержания связи между пользователями, находящимися в разных зонах обслуживания. Для этого необходима межзоновая сеть связи (МСС). Вне зависимости от способа организации каналов связи между зонами к МСС предъявляются следующие основные требования:
топология сети должны быть разветвленной настолько, чтобы обеспечивать приемлемо малые задержки при передаче;
топология сети должна быть максимально устойчивой во времени, иначе возникает необходимость реконфигурации каналов связи МСС, что существенно ухудшает качество связи.
Рассмотрим основные преимущества и недостатки возможных вариантов организации межзоновой сети связи.
Использование наземных (кабельных, волоконно-оптических, радиорелейных) каналов связи. В этом случае в каждой зоне обслуживания размещается наземная базовая станция (БС), соединенная с обслуживающим контролируемую ей зону спутником внутризоновой фидерной линией. Основным достоинством рассматриваемого варианта является возможность использования простых и относительно дешевых спутников с непосредственной ретрансляцией.
Для организации фидерной линии БС и СР должны быть оборудованы следящими антенными системами с узкими сканирующими лучами. Пространственное разделение узконаправленных фидерных линий позволяет использовать в них одинаковые диапазоны частот. Концептуально рассматриваемый вариант наиболее близок к наземным сотовым сетям связи: ретрансляторы, соединенные с соответствующими БС фидерными линиями, выполняют функции "высоких антенн" сотовой сети.
Информационный обмен между пользователями, например, при коммутации сообщений осуществляется следующим образом. Отправитель передает по абонентской линии сообщение на обслуживающий его зону ретранслятор, который по фидерной линии пересылает его без обработки в БС зоны, БС демодулирует и декодирует сообщение, выявляет адрес получателя и принадлежность его к одной из зон обслуживания сети. Если получатель находится в пределах зоны обслуживания данной БС, то БС по фидерной линии возвращает его тому же ретранслятору, который и доводит его до получателя. В противном случае БС определяет другую станцию, контролирующую зону обслуживания получателя, выбирает оптимальный маршрут и пересылает к ней сообщение по наземной сети.
Аналогичные процессы происходят при коммутации пакетов и каналов с той разницей, что при коммутации каналов подобным образом обрабатываются запросы (вызовы) на установление канала связи. Топология МСС в рассматриваемом случае не зависит от времени, поэтому установленные соединения "разрываются" только при реконфигурации абонентских и фидерных линий. Сложность и стоимость космического сегмента сети среди возможных вариантов минимальные, а сложность наземного сегмента максимальная.
Использование для связи между базовыми станциями ретрансляторов группировки. В этом случае, как и в предыдущем, возможно использование спутников с непосредственной ретрансляцией, но поскольку они передают не только внутри-, но и межзоновый трафик их пропускная способность должна быть выше. Дополнительно ретранслятор оборудуется для замыкания межзоновых линий тремя-четырьмя приемными узкими, сканирующими лучами. БС также усложняются, поскольку они поддерживают фидерную линию и 3-4, межзоновых (БС должны быть оборудованы 4-5 узкими, сканирующими лучами). Наземные каналы исключаются. Маршрутизация информационных потоков осуществляется в базовых станциях. Канал связи между парой пользователей, расположенных в разных зонах обслуживания, образуется цепочкой абонентских, внутризоновых и межзоновых фидерных линий. В рассматриваемом случае требуется частая реконфигурация всех линий, поэтому вероятность "разрыва" установленного соединения, если не приняты специальные меры, достаточно велика (особенной для "длинных" каналов).
Использование для связи между зонами обслуживания межспутниковых каналов (линий) связи (МЛС). В этом случае необходимость в использовании БС отпадает, поскольку все их функции возлагаются на ретрансляторы. Очевидно, что для этого необходима ретрансляторы с полной бортовой обработкой (демодуляция -модуляция, коммутация на видеочастоте). Связность между зонами обслуживания обеспечивается тремя-четырьмя межспутниковыми каналами на каждый ретранслятор.
Динамика взаимного перемещения ретрансляторов группировки небольшая и реконфигурация межспутниковых каналов требуется только вблизи точки пересечения орбитальных плоскостей. Поэтому вероятность "разрыва" установленного соединения существенно ниже, чем в предыдущем рассмотренном случае.
Качественные характеристики возможных способов организации в межзоновой связи приведены в табл. 3.
В пользу круговых ОГ на низких и средних орбитах по сравнению с геостационарными обычно приводятся следующие аргументы:
поскольку затухание сигналов в свободном пространстве прямо пропорционально квадрату расстояния относительно небольшая дальность связи при пробных условиях позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов. Это дает возможность, в частности, поставить на рынок новые привлекательные информационные услуги - высокоскоростную персональную фиксированную спутниковую и глобальную персональную подвижную связь по ценам, приемлемым для широкого круга пользователей.
Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что по-зволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании ГСР задержка распространения составляет (250-270) мс).
Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10 градусов простирается по широте в пределах +/- 70°, а при увеличении минимально допустимого угла возвышения до 30°сокращается до +/- 50о .