Satellitkommunikation är en av typerna av rymdradiokommunikation , baserad på användningen av konstgjorda jordsatelliter som repeatrar , i regel specialiserade kommunikationssatelliter . Satellitkommunikation sker mellan så kallade jordstationer , som kan vara antingen fasta eller mobila.
Satellitkommunikation är utvecklingen av traditionell radioreläkommunikation genom att placera repeatern på mycket hög höjd. Eftersom det maximala området för dess synlighet i det här fallet är nästan hälften av jordklotet, finns det inget behov av en kedja av repeaters - i de flesta fall räcker det med en.
År 1945, i artikeln "Extra-terrestrial Relays", publicerad i oktobernumret av Wireless World magazine [1] , föreslog den engelske vetenskapsmannen, författaren och uppfinnaren Arthur C. Clarke idén att skapa ett system med kommunikationssatelliter i geostationära banor , vilket skulle göra det möjligt att organisera ett globalt kommunikationssystem. Därefter svarade Clarke, på frågan varför han inte patenterade uppfinningen (vilket var fullt möjligt), att han inte trodde på möjligheten att implementera ett sådant system under sin livstid, och trodde också att en sådan idé skulle gynna hela mänskligheten .
De första studierna inom området civil satellitkommunikation i västländer började dyka upp under andra hälften av 1950-talet. I USA drevs de av en ökad efterfrågan på transatlantisk telefoni.
1957 lanserades den första konstgjorda jordsatelliten med radioutrustning ombord i Sovjetunionen .
Den 12 augusti 1960 lanserade amerikanska specialister en uppblåsbar ballong i omloppsbana på en höjd av 1500 km [2] . Denna rymdfarkost kallades " Echo-1 ". Dess metalliserade skal med en diameter på 30 m fungerade som en passiv repeater . Den 10 juli 1962 lanserades världens första aktiva kommunikationssatellit, Telstar , i omloppsbana . Det gav tvåvägs telefonkommunikation över 60 kanaler eller sändning av ett tv-program.
Den 20 augusti 1964 undertecknade 11 länder ( Sovjetunionen ingick inte i deras antal) ett avtal om skapandet av den internationella satellitkommunikationsorganisationen Intelsat (International Telecommunications Satellite organisation) [3] . Vid den tiden hade Sovjetunionen sitt eget utvecklade satellitkommunikationsprogram, som kulminerade den 23 april 1965 med den framgångsrika uppskjutningen av den sovjetiska kommunikationssatelliten Molniya-1 .
Den 6 april 1965, som en del av Intelsat- programmet , lanserades den första kommersiella kommunikationssatelliten Early Bird ("early bird") [4] , tillverkad av COMSAT Corporation , med en bandbredd på 50 MHz, den kunde tillhandahålla upp till 240 telefonkommunikationskanaler [5] . När som helst kunde kommunikation utföras mellan en jordstation i USA och endast en av tre jordstationer i Europa (i Storbritannien , Frankrike eller Tyskland ), som var sammankopplade med kabelkommunikationslinjer [6] .
Intelsat IX-satelliten hade redan en bandbredd på 3456 MHz [5] .
Under lång tid i Sovjetunionen utvecklades satellitkommunikation endast i USSR:s försvarsministeriums intresse . På grund av rymdprogrammets större närhet fortskred utvecklingen av satellitkommunikation i de socialistiska länderna annorlunda än i västländer. Utvecklingen av civil satellitkommunikation började med en överenskommelse mellan 9 länder i det socialistiska blocket om skapandet av Intersputniks kommunikationssystem , som undertecknades först 1971 [7] .
Under de första åren av forskning användes passiva satellittranspondrar (exempel är Echo- och Echo-2- satelliterna ), som var en enkel radiosignalreflektor (ofta en metall- eller polymersfär med en metallbeläggning) som inte bar någon transceiverutrustning ombord. Sådana satelliter har inte fått någon distribution. Alla moderna kommunikationssatelliter är aktiva. Aktiva repeatrar är utrustade med elektronisk utrustning för att ta emot, bearbeta, förstärka och återsända en signal.
Satellitrepeaters kan vara icke- regenerativa och regenerativa [8] . En icke-regenerativ satellit, som har tagit emot en signal från en jordstation, överför den till en annan frekvens, förstärker och sänder den till en annan jordstation. En satellit kan använda flera oberoende kanaler som utför dessa operationer, som var och en arbetar med en viss del av spektrumet (dessa behandlingskanaler kallas transpondrar [9] ).
Den regenerativa satelliten demodulerar ytterligare den mottagna signalen och modulerar den igen. På grund av detta korrigeras de fel som ackumulerats under överföringsprocessen två gånger: på satelliten och på den mottagande jordstationen. Nackdelen med denna metod är komplexiteten (och därmed den mycket högre kostnaden för satelliten), såväl som den ökade signalöverföringsfördröjningen.
Banorna som är värd för satellittranspondrar är indelade i tre klasser [10] :
En viktig variation av ekvatorialbanan är den geostationära omloppsbanan , där satelliten roterar med en vinkelhastighet som är lika med jordens i en riktning som är densamma som jordens rotation. Den uppenbara fördelen med den geostationära omloppsbanan är att mottagaren i serviceområdet "ser" satelliten konstant på nästan samma punkt.
Det finns dock bara en geostationär omloppsbana, och dess kapacitet, som bestäms av omkretsen av omloppet dividerat med storleken på satelliterna, med hänsyn till "säkerhetsintervallen" mellan dem, är ändlig. Därför är det omöjligt att ta med alla satelliter som vi skulle vilja ta med till den. . Dess andra nackdel är dess höga höjd (35 786 km), och därav den höga kostnaden för att sätta en satellit i omloppsbana. Den geostationära banans höga höjd leder också till stora förseningar i överföringen av information (tiden det tar för en signal att färdas från en markstation till en annan genom en geostationär satellit, även teoretiskt, kan inte vara mindre än 240 ms (två omloppsbanor) höjder dividerat med ljusets hastighet). Dessutom faller kraftflödestätheten på jordytan vid signalmottagningspunkten i riktningen från ekvatorn till polerna på grund av den mindre lutningsvinkeln för den elektromagnetiska energivektorn mot jordytan, samt på grund av signalens ökande väg genom atmosfären och den tillhörande absorptionen. Därför kan en satellit i geostationär bana praktiskt taget inte betjäna jordstationer i de cirkumpolära områdena.
En lutande omloppsbana löser dessa problem, men på grund av satellitens rörelse i förhållande till markobservatören är det nödvändigt att skjuta upp minst tre satelliter per omloppsbana för att ge kommunikationsåtkomst dygnet runt.
En polär bana är ett extremfall av en lutande bana (90º lutning ).
Vid användning av lutande banor är jordstationer utrustade med spårningssystem som riktar antennen mot satelliten och spårar den [11] .
Moderna satelliter som arbetar i geostationär omloppsbana har en ganska hög noggrannhet att hålla vid en given punkt (som regel inte sämre än 0,1 grader i longitud och lutning [12] ); Spårning av en geostationär satellit av en mottagande antenn blir nödvändig endast om bredden på antennmönstret är jämförbar med satellitens svängningar runt stationen. Till exempel för Ku-bandet är dessa antenner med en diameter på mer än 5 meter [13] . För en mindre storlek räcker det att rikta antennen mot satellitpositionen en gång. Spårning är dock fortfarande nödvändig i händelse av ett nödläge för satelliten, när dess ägare av olika skäl inte utför (alls eller mindre ofta än den schemalagda tiden) proceduren för att hålla satelliten vid ståplats.
Eftersom radiofrekvensbandet är en begränsad resurs är det nödvändigt att säkerställa att samma frekvenser kan användas av olika jordstationer. Detta kan göras på två sätt [14] :
En typisk täckningskarta för en satellit i geostationär omloppsbana inkluderar följande komponenter [15] :
I det här fallet används alla frekvenser (med undantag för de som är reserverade för den globala strålen) upprepade gånger: på västra och östra halvklotet och i var och en av zonerna.
Valet av frekvens för att överföra data från en jordstation till en satellit och från en satellit till en jordstation är inte godtyckligt. Till exempel beror absorptionen av radiovågor i atmosfären på frekvensen , såväl som de erforderliga dimensionerna för de sändande och mottagande antennerna. Frekvenserna vid vilka jordstation-till-satellit-sändningar sker skiljer sig från de som används för satellit-till-jord-stationssändningar (i allmänhet är den förra högre).
Frekvenserna som används i satellitkommunikation är indelade i band, betecknade med bokstäver. Tyvärr, i olika litteratur, kanske de exakta gränserna för intervallen inte sammanfaller. Vägledande värden ges i ITU -R V.431-6 [16] :
| Områdesnamn | Frekvenser (enligt ITU-R V.431-6) | Ansökan |
|---|---|---|
| L | 1,5 GHz | Mobil satellitkommunikation |
| S | 2,5 GHz | Mobil satellitkommunikation |
| FRÅN | 4 GHz, 6 GHz | Fast satellitkommunikation |
| X | För satellitkommunikation definierar ITU-R rekommendationer inte frekvenser. För radartillämpningar är intervallet 8-12 GHz specificerat. | Fast satellitkommunikation |
| Ku | 11 GHz, 12 GHz, 14 GHz | Fast satellitkommunikation, satellitsändning |
| K | 20 GHz | Fast satellitkommunikation, satellitsändning |
| Ka | 30 GHz | Fast satellitkommunikation, inter-satellitkommunikation |
Högre frekvenser används också, men deras ökning hämmas av den höga absorptionen av radiovågor av dessa frekvenser av atmosfären. Ku-band tillåter mottagning med relativt små antenner och används därför i satellit-tv ( DVB ), trots att väderförhållandena i detta band har en betydande inverkan på överföringskvaliteten.
För dataöverföring av stora användare (organisationer) används ofta C-bandet. Detta ger bättre mottagningskvalitet, men kräver en ganska stor antenn.
En egenskap hos satellitkommunikationssystem är behovet av att arbeta under förhållanden med ett relativt lågt signal-brusförhållande på grund av flera faktorer:
Som ett resultat är satellitkommunikation inte väl lämpad för att överföra analoga signaler . För att överföra tal är det därför fördigitaliserat med till exempel pulskodmodulering (PCM) [17] .
För att överföra digitala data över en satellitkommunikationskanal måste de först omvandlas till en radiosignal som upptar ett visst frekvensområde. För att göra detta används modulering (digital modulering kallas också för nyckling ). De vanligaste typerna av digital modulering för satellitkommunikationstillämpningar är fasskiftnyckel och kvadraturamplitudmodulering [18] . Till exempel använder DVB-S2- system QPSK, 8-PSK, 16-APSK och 32-APSK [19] .
Moduleringen görs vid markstationen. Den modulerade signalen förstärks, överförs till önskad frekvens och matas till sändningsantennen . Satelliten tar emot en signal, förstärker, regenererar ibland , överför till en annan frekvens och, med hjälp av en specifik sändarantenn, sänder den till marken.
På grund av den låga signalstyrkan finns det ett behov av felkorrigeringssystem. För detta används olika bruskorrigerande kodningsscheman , oftast olika varianter av faltningskoder (ibland i kombination med Reed-Solomon-koder ), såväl som turbokoder [20] [21] och LDPC-koder [22] .
För att säkerställa möjligheten till samtidig användning av en satellittransponder av flera användare, används flera åtkomstsystem [23] :
Dessutom behöver många användare inte konstant tillgång till satellitkommunikation. För dessa användare tilldelas en kommunikationskanal (tidslucka) på begäran med hjälp av DAMA -teknik (Demand Assigned Multiple Access).
Till en början dikterades uppkomsten av satellitkommunikation av behovet av att överföra stora mängder information. Det första satellitkommunikationssystemet var Intelsat- systemet , sedan skapades liknande regionala organisationer ( Eutelsat , Arabsat och andra). Över tid har röstöverföringens andel av den totala volymen av stamtrafiken ständigt minskat, vilket ger plats för dataöverföring.
I och med utvecklingen av fiberoptiska nätverk började de senare förskjuta satellitkommunikation från marknaden för stamnätskommunikation [24] .
VSAT -system (Very Small Aperture Terminal) tillhandahåller satellitkommunikationstjänster till kunder (vanligtvis små organisationer) som inte kräver hög bandbredd . Dataöverföringshastigheten för en VSAT-terminal överstiger vanligtvis inte 2048 kbps [25] .
Orden "mycket liten bländare" hänvisar till storleken på terminalantennerna jämfört med äldre stamnätsantenner. VSAT-terminaler som arbetar i C-bandet använder vanligtvis antenner med en diameter på 1,8-2,4 m, i Ku-band - 0,75-1,8 m.
VSAT-system använder on-demand-kanaliseringsteknik.
En egenskap hos de flesta mobila satellitkommunikationssystem är den lilla storleken på terminalantennen, vilket gör signalmottagning svår. För att signalstyrkan som når mottagaren ska vara tillräcklig tillämpas en av två lösningar:
Mobiloperatörer konkurrerar med operatörer av personlig satellitkommunikation . Både Globalstar och Iridium var i allvarliga ekonomiska problem som ledde till att Iridium gick i konkurs 1999 , men företaget har nu återhämtat sig och förbereder sig för att dra tillbaka sin andra generationens satellitkonstellation.
I december 2006 lanserades en experimentell geostationär satellit Kiku-8 med ett rekordstort antennområde, som är tänkt att användas för att testa tekniken för satellitkommunikation med mobila enheter som inte är större än mobiltelefoner.
Satellitkommunikation finner tillämpning i organisationen av "den sista milen " (kommunikationskanalen mellan internetleverantören och klienten), särskilt på platser med dåligt utvecklad infrastruktur [28] .
Funktioner för denna typ av åtkomst är:
Beroende på typen av utgående kanal finns det:
I båda fallen överförs data från leverantören till klienten, som regel, i enlighet med DVB -standarden för digital sändning , vilket gör att du kan använda samma utrustning både för att komma åt nätverket och för att ta emot satellit-tv.
De enorma avstånden mellan jordstationer och satelliten gör att signal-brusförhållandet vid mottagaren är mycket lågt (mycket mindre än för de flesta mikrovågslänkar). För att ge en acceptabel felsannolikhet under dessa förhållanden är det nödvändigt att använda stora antenner , lågbruselement och komplexa felkorrigerande koder . Detta problem är särskilt akut i mobila kommunikationssystem, eftersom de har begränsningar på antennens storlek, dess riktningsegenskaper och, som regel, på sändareffekten.
Kvaliteten på satellitkommunikation påverkas starkt av effekter i troposfären och jonosfären [29] .
Absorption i troposfärenGraden av signalabsorption av atmosfären beror på dess frekvens. Absorptionsmaxima är vid 22,3 GHz ( vattenångresonans ) och 60 GHz ( syreresonans ) [ 30] . I allmänhet påverkar absorption avsevärt utbredningen av signaler över 10 GHz (d.v.s. utgående från Ku-bandet). Förutom absorption, när radiovågor utbreder sig i atmosfären, finns det en blekningseffekt , vars orsak är skillnaden i brytningsindexen för olika skikt av atmosfären.
Jonosfäriska effekterEffekter i jonosfären beror på fluktuationer i fördelningen av fria elektroner. De jonosfäriska effekterna som påverkar utbredningen av radiovågor inkluderar scintillation , absorption , utbredningsfördröjning , spridning , frekvensförändring , rotation av polarisationsplanet [31] . Alla dessa effekter dämpas med ökande frekvens. För signaler med frekvenser större än 10 GHz är deras inverkan liten [32] .
| Effekt | 100 MHz | 300 MHz | 1 GHz | 3 GHz | 10 GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Rotation av polarisationsplanet | 30 varv | 3,3 varv | 108° | 12° | 1,1° |
| Ytterligare signalfördröjning | 25 ms | 2,8 ms | 0,25 ms | 28 ns | 2,5 ns |
| Absorption i jonosfären (vid polen) | 5 dB | 1,1 dB | 0,05 dB | 0,006 dB | 0,0005 dB |
| Absorption i jonosfären (vid medelbreddgrader) | <1 dB | 0,1 dB | <0,01 dB | <0,001 dB | <0,0001 dB |
Relativt lågfrekventa signaler (L-band och delvis C-band) lider av jonosfärisk scintillation på grund av oregelbundenheter i jonosfären. Resultatet av detta flimmer är en ständigt föränderlig signalstyrka.
Problemet med signalutbredningsfördröjning på ett eller annat sätt påverkar alla satellitkommunikationssystem. System som använder en satellittransponder i geostationär bana har den högsta latensen. I det här fallet är fördröjningen på grund av ändligheten av radiovågsutbredningshastigheten cirka 250 ms, och med hänsyn tagen till multiplexering, omkoppling och signalbehandlingsfördröjningar kan den totala fördröjningen vara upp till 400 ms [33] .
Utbredningsfördröjning är mest oönskad i realtidsapplikationer som telefoni och videokommunikation. I detta fall, om signalutbredningstiden över satellitkommunikationskanalen är 250 ms, får tidsskillnaden mellan abonnenternas repliker inte vara mindre än 500 ms.
I vissa system (t.ex. VSAT-system som använder en stjärntopologi) sänds signalen två gånger via en satellitlänk (från en terminal till en central plats och från en central plats till en annan terminal). I detta fall fördubblas den totala fördröjningen.
När solen närmar sig satellit-markstationens axel, förvrängs radiosignalen som tas emot från satelliten av markstationen, såväl som tillförs satelliten, till följd av störningar .
| Satellitanslutning | |
|---|---|
| Huvudartiklar | |
| Utrustning | |
| Standarder och protokoll | |
| Operatörer för satellitsändningar |
|
| Kommunikationssatellitoperatörer och tjänster |
|
| Produktion av kommunikationssatelliter | |