ВСЕ КАРТИНКЕ К РАССКАЗУ ПРИВЕДЕНЫ
ВНИЗУ СТРАНИЦЫ.
Одной из наиболее заметных тенденций в
развитии телефонии в последнее десятилетие является быстрый рост числа
абонентов сотовой связи. За 26 лет, прошедших от момента зарождения идеи до
настоящего времени, число абонентов, пользующихся услугами сотовых систем,
достигло 200 млн, а к 2001-2002 годам оно увеличится до 500-600 миллионов.
Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует
далеко не везде, и альтернативным вариантом — особенно для предоставления
телекоммуникационных услуг в труднодоступных и малонаселенных районах —
является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея
построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи, но с размещением
ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона
обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность
создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы,
обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и
спутниковых систем персональной связи и их интеграция обеспечат возможность
приема и передачи речи, данных и факсимильных сообщений в любом регионе Земли с
приемлемым уровнем цен на предоставляемые услуги.
КомпьютерПресс уже знакомил своих
читателей (см. № 10’ 1998 )
с первой и пока единственной спутниковой системой персональной связи Iridium,
которая обеспечивает пользователя, где бы он ни находился, высоконадежной
качественной телефонной связью с помощью аппарата, имеющего размеры и вес
сегодняшних телефонов сотовых систем. Но технический прогресс не стоит на
месте, и у уникальной ССПС в настоящее время зарождается серьезный конкурент.
Речь идет о спутниковой системе связи Globalstar, рассмотрению основных
характеристик которой и посвящена данная статья.
Globalstar — это глобальная цифровая система
персональной связи, основанная на использовании низкоорбитальных спутников. При
разработке системы Globalstar был использован опыт создания сотовых систем
связи с кодовым разделением каналов фирмы QUALCOMM, Inc. Набор услуг системы Globalstar в
целом аналогичен услугам ССПС Iridium и включает передачу речи, данных,
факсимильных сообщений, сигналов персонального радиовызова (пейджинговых
сообщений) и, кроме того, — определение координат подвижных объектов. Следует
отметить, что система предназначена для абонентов не только мобильной, но и
обычной связи.
Так же, как в ССПС Iridium, прежде чем установить связь, мобильный терминал Globalstar должен будет сначала проверить возможность работы в наземной сотовой сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение через спутник. В этом случае сигнал с абонентского терминала (телефонного аппарата пользователя) будет передаваться через спутник на ближайшую земную станцию сопряжения, которая соединит его с требуемым абонентом обычной телефонной сети, сотовой сети или с абонентом системы Globalstar. Принцип действия системы иллюстрируется на рис. 1. При этом максимальная задержка сигнала не должна превышать 150 мс, а время установления соединения — 5 с. Мировой роуминг позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру, вне зависимости от его географического местоположения.
|
|
При передаче речи исходный сигнал
преобразуется в цифровую форму с помощью адаптивного вокодера c линейным
предсказанием (CELP), создающего трафик от 1,2 до 9,6 Кбит/с (средняя скорость
для данного алгоритма приблизительно равна 2,4 Кбит/с). Вокодеры, установленные
на земных станциях, включают в свой состав эхоподавители. Качество передачи
речи при этом, по средней оценке мнений (MOS), эквивалентно цифровым сотовым системам. Цифровые данные
передаются со скоростью до 9600 бит/с, что заметно выше, чем в ССПС Iridium (до
2400 бит/с). Вероятность ошибки при этом не превышает 10-6.
Предполагаемыми абонентами Globalstar
станут люди, совершающие частые поездки и нуждающиеся в глобальной беспроводной
коммуникационной системе.
Для реализации ССПС Globalstar в 1991
году компаниями Loral Aerospace Corporation (Нью-Йорк) и QUALCOMM Incorporated
(Сан-Диего, шт. Калифорния) был создан консорциум Globalstar Limited Partnership. В него вошли также ведущие международные фирмы — производители спутниковых систем и телекоммуникационного оборудования — Elsag Baily (Италия), Alenia (Италия), Alcatel (Франция), Hyundai
Electronics Industries (Южная Корея), DACOM (Южная Корея) и операторы связи — France Telecom (Франция), AirTouch Communications (США), Vodafone Group
(Великобритания). В работе по реализации проекта активное
участие принимает группа Alliance. К изготовлению спутниковых платформ
привлечена компания Space Systems/Loral (Пало Альто, шт. Калифорния). Парижская
фирма Alcatel Espace изготавливает для каждого ИСЗ полезную нагрузку, в том
числе остронаправленные антенны. Корпорация QUALCOMM отвечает за разработку
абонентской аппаратуры и оборудования для
наземных центров управления, которое обеспечит связь спутников с наземными
сетями. Итальянской компанией Alenia в Риме еще в 1997 году было построено и
официально введено в строй предприятие по сборке, комплектации и испытаниям
космических аппаратов (КА). Компания Air Touch Communications будет предоставлять
услуги спутниковой связи на территории США. Также в проекте участвуют фирмы
Finmecanica/Elsag Bailey Company (Италия), DASA (Deutshe Aerospace
AG/Daimler-Benz AG, Германия), Airospatial (Франция), China Telecom и др. Общая стоимость
системы, включая космический и наземный сегменты, оценивается приблизительно в
2,6 млрд. долл. США. Годовые эксплуатационные расходы должны составить 227 млн.
долларов.
Система Globalstar включает три основных
сегмента: космический (космические аппараты), наземный (земные станции
контроля, управления и сопряжения) и сегмент пользователя (терминальные
устройства). Рассмотрим их более подробно.
В соответствии с проектом космический
сегмент должен состоять из 48 основных ИСЗ и 4 резервных (что гораздо меньше,
чем в ССПС Iridium), расположенных на 8 орбитах — по 6 основных ИСЗ на каждой (
рис. 2). Орбиты — наклонные, круговые с наклонением к экватору — 52° (в отличие
от полярных орбит с наклонением 86° в ССПС Iridium), что сужает ширину зоны
обслуживания системы в целом. Период обращения ИСЗ на орбите равен 113 мин.
Высота орбит составляет 1414 км (почти в два раза выше, чем высота орбит ИСЗ
Iridium). Большая высота орбиты обусловливает, с одной стороны, большую зону
обслуживания каждого ИСЗ и больший срок службы КА (7,5 лет), с другой, —
большее запаздывание и затухание сигнала, более дорогой вывод спутника на
орбиту.
|
|
Космический сегмент построен так, чтобы
обеспечить наилучшее обслуживание пользователей в средних широтах. Именно в
средних широтах доступными являются не менее двух КА. Ширина всей зоны
обслуживания ограничена 70 ° северной и южной широты ( рис. 3). Поэтому в
Антарктиде, на Северном полюсе, в северных регионах России и Гренландии, в
некоторых районах Северного морского пути пользование системой Globalstar
невозможно. В ССПС Iridium подобной проблемы не возникает.
|
|
Одной из важных характеристик спутниковых
систем персональной связи, влияющих на качество соединения и доступность
системы, является минимальный угол возвышения ИСЗ над поверхностью Земли. При
большом угле возвышения сигналы от спутника к Земле должны пройти через меньший
слой земной атмосферы, влияющий на затухание сигнала, а всевозможные
препятствия на Земле (горы, растительность, строения) будут оказывать меньшее
воздействие. Требования к минимальному углу возвышения определяют число
спутников в системе. Для полярных орбит число спутников выбирается исходя из
необходимости покрытия экваториальных районов, так как пересечение орбит на
полюсах приводит к существенному переполнению емкости системы в этих местах. В
ССПС Iridium минимальный угол возвышения у экватора равен 8°, а в системе
Globalstar в экваториальных районах минимальный угол возвышения составляет
15-20°, что способствует более качественному обслуживанию пользователей.
ИСЗ Globalstar представляет собой
ретранслятор с преобразованием частот, который осуществляет прием сигналов в
пределах зоны обслуживания, их преобразование и передачу на земную станцию. Все
операции по обработке вызовов, их коммутации, преобразованию сигналов и
разделению каналов производятся на Земле, где реализация данных функций
обходится дешевле, аппаратура доступна для технического обслуживания и может
быть со временем модернизирована. Отсутствие обработки сигнала на борту КА, а также отсутствие в системе Globalstar
линий межспутниковой связи (в отличие от ССПС Iridium) делают КА проще и
надежнее.
На спутниках Globalstar предусмотрена
трехосная система стабилизации. Вес ИСЗ — около 450 кг. Солнечные батареи имеют
мощность 1100 Вт. Мощность передающей системы ИСЗ приблизительно равна одному
киловатту. За счет оперативной регулировки потребляемой мощности бортового
ретранслятора в каждом канале в соответствии с условиями приема минимизируются
энергетические ресурсы ИСЗ. Общий вид ИСЗ изображен на рис. 4 и 5.
|
|
|
|
Для связи с земными станциями (фидерные
линии связи) на спутниках устанавливаются по две рупорные антенны (для приема и
передачи), работающие в С-диапазоне частот (5091-5250 МГц для линии “вверх”
Земля-ИСЗ и 6875-7055 МГц для линии “вниз” ИСЗ-Земля). Этот диапазон за счет
применения правой и левой круговой поляризации будет использоваться дважды.
Для линий связи ИСЗ с мобильными
пользователями предусмотрена эксплуатация частот L-диапазона (1610-1626,5 МГц)
для линии “вверх” абонент-ИСЗ и S-диапазона (2483,5-2500 МГц) для линии “вниз”
ИСЗ-абонент. Антенны L- и S-диапазонов представляют собой активные фазированные
антенные решетки (ФАР) с 16 лучами. Каждый луч (лепесток) имеет свою зону
обслуживания на поверхности Земли площадью приблизительно 2,9 млн. км2. Совокупность лучей образует зону
обслуживания ИСЗ, близкую по форме к кругу диаметром 7600 км. Приемная антенна
(L-диапазон) состоит из 61 элемента. Передающая ФАР (S-диапазон) возбуждается
91 печатным усилительным элементом мощностью 4 Вт каждый. Общая мощность ИСЗ в
S-диапазоне достигает 400 Вт и может плавно перераспределяться между лучами.
Для уплотнения телефонных каналов в
системе Globalstar будет использоваться комбинация методов многостанционного
доступа с частотным и кодовым разделением каналов (МДЧР и МДКР). Общая полоса
частот шириной 16,5 МГц, отведенная для связи в L- и S-диапазонах, разделена на
13 поддиапазонов шириной 1,25 МГц, в каждом из которых выполняется кодовое
уплотнение сигналов от нескольких (порядка 50) абонентов. Для этого сигнал абонента преобразуется в
широкополосный сигнал (1,25 МГц).
Широкополосные сигналы в отличие от
узкополосных позволяют существенно снизить требования к развязке между
соседними лучами многолучевой антенны. Такие сигналы обеспечивают мягкую
перегрузку, то есть превышение номинальной загрузки не приводит к отказу, а
лишь несколько снижает на короткое время качество передачи каждого сигнала, что
обычно считается допустимым. Применение МДКР позволяет изящно решить проблему
переключения абонента с заходящего спутника на восходящий. Как только
происходит снижение уровня пилот-сигнала во время работы абонента в каком-либо
луче, терминал по команде станции сопряжения автоматически переключается на
двухканальный режим работы, в котором обеспечивается одновременный прием и
когерентное сложение сигналов от двух разных лучей или от разных спутников.
Через некоторое время поступает команда на отключение первого луча, и обмен
информацией производится только через второй луч. Какое-то время сигнал от
абонента принимается и передается одновременно с двух спутников, а земные
станции обрабатывают суммарный сигнал, что делает процесс переключения
спутников незаметным для пользователя. Такая технология — возможность
когерентного сложения сигналов от нескольких спутников в приемном устройстве
пользователя — позволяет также уменьшить влияние затенения от препятствий на
поверхности Земли. К недостаткам МДКР следует отнести тот факт, что
использование широкополосных сигналов усложняет оборудование пользовательских
терминалов и увеличивает время вхождения в зону связи.
За счет МДКР, учета речевой активности и применения
многолучевой антенны обеспечивается повторное использование частот, в
результате чего каждый ИСЗ способен к одновременной ретрансляции около двух
тысяч телефонных каналов. При этом на 1 миллион км2 поверхности Земли ИСЗ Globalstar
одновременно обеспечивает всего несколько десятков каналов связи, что еще раз
подтверждает тот факт, что спутниковые системы персональной связи в отличие от
наземных сотовых систем не ориентированы на использование в густонаселенных
районах.
Наземный сегмент ССПС Globalstar включает
земные станции сопряжения, а также центры управления и контроля орбитальной
группировкой (Satellite Operations Control Center) и наземными средствами
(Ground Operations Control Center). Центр управления и контроля орбитальной
группировки на основе телеметрической информации контролирует текущее состояние
ИСЗ и параметры их орбит, при необходимости выдает соответствующие команды.
Центр управления и контроля наземных средств отвечает за планирование и
распределение ресурсов системы, контроль за ее функционированием. Центры будут
расположены на территории США и связаны между собой и с другими земными
станциями системы с помощью специальной сети передачи данных GDN (Globalstar
Data Network).
Поскольку система Globalstar в большей
степени ориентирована на интеграцию с существующими наземными
телекоммуникационными инфраструктурами, станции сопряжения являются в ней
основными коммуникационными элементами. Фактически земные станции сопряжения
являются шлюзами, на которые возложены функции обеспечения интерфейса с
существующими и будущими телекоммуникационными системами, в частности с
наземными телефонными сетями общего пользования и сотовыми системами связи в
зоне обслуживания каждого ИСЗ. Все вызовы (местные и международные) должны
обрабатываться и коммутироваться на станции сопряжения. В этом состоит так
называемый региональный принцип построения связи – обязателен выход каждого
абонента на ближайшую станцию сопряжения и далее — на существующую
фиксированную сеть или на связь с другим абонентом. Таким образом, в
организации любого соединения участвуют земные станции. Поскольку основную
часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%),
такое решение выглядит весьма рациональным, облегчает связь с абонентами сетей
общего пользования, укорачивая трассу для основной массы соединений, а также
позволяет сделать систему частью национальной сети каждой страны, что
привлекает операторов связи, позволяя им получать дополнительные доходы.
С другой стороны, так как в системе задействовано большое число земных станций сопряжения, соединения становятся зависящими от состояния наземных сетей. Для глобального покрытия земной поверхности (в пределах 700северной широты — 700южной широты) с учетом национальных границ и минимизации наземного трафика, по оценкам разработчиков Globalstar, потребуется 150-210 станций сопряжения, в том числе 9 — на территории России. Типовая станция сопряжения содержит 4 идентичные следящие параболические антенны с диаметром рефлектора 5,5 м с левой и правой круговой поляризацией ( рис. 6, 7) и стоит около 5,5 млн. долл. На стыке земной станции с наземными сетями общего пользования используется стандартный интерфейс Т-1/Е-1 и системы сигнализации R1, R2 и №7.
|
|
|
|
Сегмент пользователя системы Globalstar
может включать один из трех основных типов терминалов: портативные (аналогичные
сотовым — см. рис. 8, 9), мобильные (устанавливаемые в автомобилях или других
транспортных средствах — см. рис. 10) и стационарные (телефонные аппараты,
таксофоны — см. рис. 11). Последовательный порт ввода/вывода данных позволит
подключать к терминалам пользователя компьютер, факсимильный аппарат или другие
внешние устройства и обеспечивать передачу данных или факсимильных сообщений.
Предусматривается адаптивное управление мощностью передатчика терминала.
|
|
|
|
Портативные и мобильные аппараты оборудованы
ненаправленными антеннами и могут функционировать также в наземной сотовой сети
стандарта GSM, AMPS или IS-95. Фирмой QUALCOMM предполагается выпуск
портативных и мобильных терминалов трех типов: трехрежимных
(Globalstar/AMPS/IS-95), двухрежимных (Globalstar/GSM) и однорежимных
(Globalstar). Терминалы Globalstar, работающие более чем в одном режиме, должны
сначала проверить возможность работы в наземной сети персональной радиосвязи и,
если это невозможно, попытаться установить соединение через спутник. При
переходе таких терминалов от режима работы в сотовой сети связи в режим работы
в системе Globalstar автоматическое переключение не предусматривается. Если
абонент покинул зону действия сотовой сети, связь будет прервана и для ее
восстановления необходимо будет вновь запросить соединение, но уже в ССПС
Globalstar.
|
|
|
|
Вес портативного терминала — около 350 г,
размеры 190 х 60 х 30 мм, а его мощность не превышает 0,6 Вт. Заряда
аккумулятора при работе в режиме системы Globalstar будет хватать на 8 часов
дежурного приема и на 1 час разговора. В режиме наземной сотовой системы связи
продолжительность его работы увеличится до 12 час дежурного приема и 2 час
разговора (или даже больше); в
данном режиме терминалы Globalstar должны в среднем потреблять энергии меньше,
чем аналоговые сотовые телефоны, и, соответственно, продолжительность работы их
аккумуляторов должна быть больше.
Мобильные терминалы отличаются от
портативных дополнительным усилителем мощности и внешней антенной. Мощность
мобильного терминала не превышает 3 Вт.
Стационарные аппараты Globalstar
предоставят услуги связи в отдаленных районах, где нет ни сотовых систем, ни
наземных коммуникаций. Такие терминалы предназначены для работы только в ССПС
Globalstar. Они оборудованы усилителем и внешней антенной с усилением +7дБ и
имеют эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 3,2 Вт.
Компания Globalstar намерена предлагать
услуги связи по более низким тарифам, чем те, что используются в настоящее
время в системе Iridium. Предусматривается дифференцирование цен в зависимости от
географического района и уровня сервисных услуг: 0,35; 0,53; 1; 3 долл. за 1
мин разговора. В среднем стоимость одноминутного соединения должна находиться в
пределах 0,35-0,65 долл. США плюс плата за услуги местных (наземных) линий
связи. Ожидаемая цена портативного терминального устройства производства фирмы
QUALCOMM также гораздо меньше, чем спутникового телефона системы Iridium,
и составляет около 700 долл..
Компания Globalstar L.P. считает, что принятая ею структура ценообразования
будет способствовать более быстрому распространению услуг и позволит ей создать
широкий круг постоянных клиентов. Ожидается, что к 2002 году число абонентов
ССПС Globalstar превысит 2,7 млн., а к 2012 году, по мнению разработчиков
проекта, система сможет обслужить до 14 млн. пользователей.
Есть основания предполагать, что после
ввода в строй системы Globalstar и устранения монопольного положения на рынке
услуг спутниковой персональной связи ССПС Iridium цены на услуги и оборудование
последней будут в значительной степени снижены.
Предполагается использование системы
Globalstar и на российском рынке, так как он становится все более открытым для
зарубежных поставщиков услуг. Кроме того, в России требования пользователей к
уровню услуг в последнее время возросли, и появились потребители, способные
оплачивать услуги ССПС. Планируемый рынок Globalstar в России составляет
примерно 7,5 % от мирового. Проект российского сегмента ССПС Globalstar
разработан институтом “Гипросвязь” по заказу “АО Ростелеком”. В соответствии с
данным проектом в настоящее время на территории России уже строятся 3 станции
сопряжения (в Москве, Новосибирске и Хабаровске), а к 2005 году предполагается
соорудить 9 станций сопряжения, способных обслуживать 260 тыс. пользователей.
Национальным оператором и эксклюзивным поставщиком услуг системы Globalstar в
России является ЗАО “ГлобалТел”, которое учреждено компанией Globalstar Ltd. и
“АО Ростелеком” в 1996 году.
В настоящее время консорциум Globalstar
имеет соглашения с провайдерами услуг более чем в 100 странах. Коммерческую
деятельность по предоставлению услуг связи планировалось начать с 1 квартала
1999 года. Первые 8 космических аппаратов были выведены на орбиту Земли еще в
начале 1998 года с использованием ракет-носителей (РН) Delta II, но 9 сентября
1998 года попытка запуска 12 космических аппаратов Globalstar с помощью РН
“Зенит” потерпела неудачу. В связи с этим начало коммерческой эксплуатации ССПС
Globalstar было перенесено на III квартал 1999 года. В конце 1998-начале 1999
года предполагается провести 3 запуска спутников Globalstar с использованием РН
“Союз” (по 4 ИСЗ в каждом запуске), а к маю 1999 года — создать орбитальную
группировку из 32 ИСЗ, достаточную для начала функционирования ССПС. Полную
группировку ИСЗ из 48 основных и 4 резервных планируется создать к концу 1999
года. Всего предполагается осуществить 5 запусков РН “Союз” (по 4 КА), 6
запусков РН Delta II (по 4 КА) и 2 запуска РН “Зенит”.
После 2004 года, когда система выработает
свой ресурс, компания Globalstar планирует замену существующей аппаратуры
первого поколения на усовершенствованную аппаратуру системы Globalstar-II,
которая обеспечит более высокую скорость передачи информации, улучшенное
качество работы и большее число каналов.(1)
Список
используемой литературы:
1. Cd-диск «500 русских учебников»
Хакерские термины.
