Satelliittiviestintä on yksi avaruusradioviestinnän tyypeistä , joka perustuu keinotekoisten maasatelliittien käyttöön toistimina , yleensä erikoistuneisiin viestintäsatelliitteihin . Satelliittiviestintä tapahtuu niin sanottujen maa-asemien välillä , jotka voivat olla joko kiinteitä tai liikkuvia.
Satelliittiviestintä on perinteisen radioreleviestinnän kehitystä sijoittamalla toistin erittäin korkealle. Koska sen suurin näkyvyysalue tässä tapauksessa on lähes puolet maapallosta, toistinketjua ei tarvita - useimmissa tapauksissa yksi riittää.
Vuonna 1945 artikkelissa "Extra-Terrestrial Relays", joka julkaistiin Wireless World -lehden [1] lokakuun numerossa , englantilainen tiedemies, kirjailija ja keksijä Arthur C. Clarke ehdotti ajatusta järjestelmän luomisesta viestintäsatelliitit geostationaarisilla kiertoradoilla , mikä mahdollistaisi globaalin viestintäjärjestelmän järjestämisen. Myöhemmin Clarke, kun häneltä kysyttiin, miksi hän ei patentoinut keksintöä (mikä oli täysin mahdollista), vastasi, ettei hän uskonut mahdollisuuteen ottaa tällainen järjestelmä käyttöön hänen elinaikanaan, ja uskoi myös, että tällaisen idean pitäisi hyödyttää koko ihmiskuntaa. .
Ensimmäiset tutkimukset siviilisatelliittiviestinnän alalla länsimaissa alkoivat ilmestyä 1950-luvun jälkipuoliskolla. Yhdysvalloissa niitä johti transatlanttisen puhelinliikenteen lisääntynyt kysyntä.
Vuonna 1957 Neuvostoliitossa laukaistiin ensimmäinen keinotekoinen maasatelliitti , jossa oli radiolaitteita .
12. elokuuta 1960 yhdysvaltalaiset asiantuntijat lähettivät puhallettavan ilmapallon kiertoradalle 1500 km:n korkeudelle [2] . Tämän avaruusaluksen nimi oli " Echo-1 ". Sen metalloitu kuori, jonka halkaisija oli 30 m, toimi passiivisena toistimena . 10. heinäkuuta 1962 maailman ensimmäinen aktiivinen viestintäsatelliitti Telstar laukaistiin kiertoradalle . Se tarjosi kaksisuuntaista puhelinviestintää yli 60 kanavalla tai yhden televisio-ohjelman lähetyksen.
20. elokuuta 1964 11 maata ( Neuvostoliittoa ei sisällytetty niiden joukkoon) allekirjoittivat sopimuksen kansainvälisen satelliittiviestintäorganisaation Intelsatin (International Telecommunications Satellite Organisation) perustamisesta [3] . Siihen mennessä Neuvostoliitolla oli oma kehitetty satelliittiviestintäohjelma, joka huipentui 23. huhtikuuta 1965 Neuvostoliiton viestintäsatelliitin Molnija-1 onnistuneeseen laukaisuun .
Osana Intelsat -ohjelmaa 6. huhtikuuta 1965 laukaistiin COMSAT Corporationin valmistama ensimmäinen kaupallinen viestintäsatelliitti Early Bird ("Early Bird" [4] ) , jonka kaistanleveys oli 50 MHz. jopa 240 puhelinviestintäkanavaa [5] . Tiettynä ajanhetkenä viestintä voitiin harjoittaa yhdysvaltalaisen maa-aseman ja vain yhden kolmesta eurooppalaisesta maa-asemasta (Iso- Britanniassa , Ranskassa tai Saksassa ), jotka oli yhdistetty kaapeliviestintälinjoilla [6] .
Intelsat IX -satelliitin kaistanleveys oli jo 3456 MHz [5] .
Pitkän aikaa Neuvostoliitossa satelliittiviestintää kehitettiin vain Neuvostoliiton puolustusministeriön etujen mukaisesti . Avaruusohjelman läheisyyden vuoksi satelliittiviestinnän kehitys eteni sosialistisissa maissa eri tavalla kuin länsimaissa. Siviilisatelliittiviestinnän kehittäminen alkoi 9 sosialistisen blokin maan välisellä sopimuksella Intersputnik- viestintäjärjestelmän perustamisesta , joka allekirjoitettiin vasta vuonna 1971 [7] .
Tutkimuksen alkuvuosina käytettiin passiivisia satelliittitranspondereita (esimerkkejä ovat Echo- ja Echo-2- satelliitit ), jotka olivat yksinkertainen radiosignaalin heijastin (usein metalli- tai polymeeripallo metallipinnoitteella), jossa ei ollut lähetin-vastaanotinlaitteita. laivalla. Tällaisia satelliitteja ei ole levitetty. Kaikki nykyaikaiset viestintäsatelliitit ovat aktiivisia. Aktiiviset toistimet on varustettu elektronisilla laitteilla signaalin vastaanottamista, käsittelyä, vahvistamista ja uudelleenlähetystä varten.
Satelliittitoistimet voivat olla ei -regeneratiivisia ja regeneratiivisia [8] . Ei-regeneratiivinen satelliitti, joka on vastaanottanut signaalin yhdeltä maa-asemalta, siirtää sen toiselle taajuudelle, vahvistaa ja lähettää sen toiselle maa-asemalle. Satelliitti voi käyttää useita itsenäisiä kanavia, jotka suorittavat nämä toiminnot, joista jokainen toimii tietyllä spektrin osalla (näitä käsittelykanavia kutsutaan transpondereiksi [9] ).
Regeneratiivinen satelliitti demoduloi edelleen vastaanotetun signaalin ja moduloi sen uudelleen. Tästä johtuen lähetysprosessin aikana kertyneet virheet korjataan kahdesti: satelliitissa ja vastaanottavalla maa-asemalla. Tämän menetelmän haittana on monimutkaisuus (ja siten satelliitin paljon korkeampi hinta) sekä lisääntynyt signaalin lähetysviive.
Satelliittitranspondereita isännöivät kiertoradat jaetaan kolmeen luokkaan [10] :
Tärkeä ekvatoriaalisen kiertoradan muunnelma on geostationaarinen kiertorata , jossa satelliitti pyörii kulmanopeudella , joka on yhtä suuri kuin maan kiertonopeus, samaan suuntaan kuin Maan pyörimissuunta. Gestationaarisen kiertoradan ilmeinen etu on, että palvelualueella oleva vastaanotin "näkee" satelliitin jatkuvasti lähes samassa pisteessä.
Gestationaarinen kiertorata on kuitenkin vain yksi, ja sen kapasiteetti, joka määräytyy kiertoradan ympärysmitan jakamalla satelliittien koolla niiden väliset ”turvavälit” huomioon ottaen, on rajallinen. Siksi on mahdotonta tuoda sinne kaikkia satelliitteja, jotka haluaisimme tuoda. . Sen toinen haittapuoli on sen korkea korkeus (35 786 km) ja tästä syystä satelliitin kiertoradalle saattamisen korkeat kustannukset. Gestationaarisen kiertoradan suuri korkeus johtaa myös suuriin viiveisiin tiedonsiirrossa (aika, joka kuluu signaalin siirtymiseen maa-asemalta toiselle geostationaarisen satelliitin kautta, ei voi teoreettisestikaan olla alle 240 ms (kaksi kiertorataa) korkeudet jaettuna valon nopeudella). Lisäksi maanpinnan tehovuon tiheys signaalin vastaanottopisteessä putoaa päiväntasaajalta napojen suuntaan johtuen sähkömagneettisen energiavektorin pienemmästä kaltevuuskulmasta. maapallon pintaan, samoin kuin signaalin lisääntyvä reitti ilmakehän läpi ja siihen liittyvä absorptio. Siksi geostationaarisella kiertoradalla oleva satelliitti ei käytännössä pysty palvelemaan maa-asemia ympyränapaisilla alueilla.
Kalteva kiertorata ratkaisee nämä ongelmat, mutta satelliitin liikkeestä johtuen maahavainnointiasemaan nähden on välttämätöntä laukaista vähintään kolme satelliittia kiertoradalla ympärivuorokautisen tiedonsiirron mahdollistamiseksi.
Napainen kiertorata on kaltevan kiertoradan ääritapaus (90º kaltevuus ).
Käytettäessä kaltevaa rataa maa-asemat on varustettu seurantajärjestelmillä, jotka osoittavat antennin satelliittiin ja seuraavat sitä [11] .
Nykyaikaisilla geostationaarisella kiertoradalla toimivilla satelliiteilla on melko korkea tarkkuus pysyä tietyssä pisteessä (yleensä ei huonompi kuin 0,1 astetta pituusasteen ja kaltevuuden suhteen [12] ); Gestationaarisen satelliitin seuranta vastaanottoantennilla tulee tarpeelliseksi vain, jos antennikuvion leveys on verrattavissa satelliitin värähtelyihin aseman ympärillä. Esimerkiksi Ku-kaistan osalta nämä ovat antenneja, joiden halkaisija on yli 5 metriä [13] . Pienemmässä koossa riittää, että antenni kohdistaa satelliittipaikkaan kerran. Seuranta on kuitenkin edelleen tarpeen satelliitin hätätilanteessa, kun sen omistaja ei eri syistä suorita (ei ollenkaan tai harvemmin kuin aikataulussa) satelliitin pitämiseksi paikallaan. seisomapiste.
Koska radiotaajuuskaista on rajallinen resurssi, on varmistettava, että eri maa-asemat voivat käyttää samoja taajuuksia. Tämä voidaan tehdä kahdella tavalla [14] :
Tyypillinen geostationaarisella kiertoradalla olevan satelliitin peittokartta sisältää seuraavat komponentit [15] :
Tässä tapauksessa kaikkia taajuuksia (lukuun ottamatta niitä, jotka on varattu globaalille säteelle) käytetään toistuvasti: läntisellä ja itäisellä pallonpuoliskolla ja jokaisella vyöhykkeellä.
Taajuuden valinta datan lähettämiseksi maa-asemalta satelliitille ja satelliitista maa-asemalle ei ole mielivaltainen. Esimerkiksi radioaaltojen absorptio ilmakehässä riippuu taajuudesta sekä lähetys- ja vastaanottoantennien vaadituista mitoista. Taajuudet, joilla maa-asemalta satelliittiin lähetyksiä tapahtuu, poikkeavat satelliitin ja maan välisissä lähetyksissä käytetyistä (yleensä edellinen on korkeampi).
Satelliittiviestinnässä käytettävät taajuudet on jaettu kaistoiksi, jotka on merkitty kirjaimilla. Valitettavasti eri kirjallisuudessa vaihteluvälien tarkat rajat eivät välttämättä täsmää. Ohjearvot on annettu ITU -R V.431-6 [16] :
Alueen nimi | Taajuudet (ITU-R V.431-6 mukaan) | Sovellus |
---|---|---|
L | 1,5 GHz | Mobiili satelliittiviestintä |
S | 2,5 GHz | Mobiili satelliittiviestintä |
FROM | 4 GHz, 6 GHz | Kiinteä satelliittiviestintä |
X | Satelliittiviestinnässä ITU-R:n suositukset eivät määrittele taajuuksia. Tutkasovelluksiin on määritetty 8-12 GHz:n alue. | Kiinteä satelliittiviestintä |
Ku | 11 GHz, 12 GHz, 14 GHz | Kiinteä satelliittiviestintä, satelliittilähetykset |
K | 20 GHz | Kiinteä satelliittiviestintä, satelliittilähetykset |
Ka | 30 GHz | Kiinteä satelliittiviestintä, satelliittien välinen viestintä |
Myös korkeampia taajuuksia käytetään, mutta niiden nousua haittaa näiden taajuuksien radioaaltojen suuri absorptio ilmakehässä. Ku-kaista mahdollistaa vastaanoton suhteellisen pienillä antenneilla ja siksi sitä käytetään satelliittitelevisiossa ( DVB ), vaikka sääolosuhteet vaikuttavat tällä kaistalla merkittävästi lähetyksen laatuun.
Suurten käyttäjien (organisaatioiden) tiedonsiirtoon käytetään usein C-kaistaa. Tämä tarjoaa paremman vastaanoton laadun, mutta vaatii melko suuren antennin.
Satelliittiviestintäjärjestelmien ominaisuus on tarve työskennellä olosuhteissa, joissa signaali-kohinasuhde on suhteellisen alhainen useista tekijöistä johtuen:
Tämän seurauksena satelliittiviestintä ei sovellu hyvin analogisten signaalien lähettämiseen . Siksi puheen välittämiseksi se esidigitoidaan esim. pulssikoodimodulaatiolla (PCM) [17] .
Digitaalisen tiedon siirtämiseksi satelliittiviestintäkanavalla ne on ensin muutettava tietyllä taajuusalueella olevaksi radiosignaaliksi. Tätä varten käytetään modulaatiota (digitaalista modulaatiota kutsutaan myös avaimeksi ). Yleisimmät satelliittiviestintäsovellusten digitaaliset modulaatiotyypit ovat vaihesiirtoavainnus ja kvadratuuriamplitudimodulaatio [18] . Esimerkiksi DVB-S2- järjestelmät käyttävät QPSK, 8-PSK, 16-APSK ja 32-APSK [19] .
Modulaatio tehdään maa-asemalla. Moduloitu signaali vahvistetaan, siirretään halutulle taajuudelle ja syötetään lähetysantenniin . Satelliitti vastaanottaa signaalin, vahvistaa, joskus regeneroituu , siirtää toiselle taajuudelle ja lähettää maahan lähetysantennin avulla.
Alhaisen signaalin voimakkuuden vuoksi tarvitaan virheenkorjausjärjestelmiä. Tätä varten käytetään erilaisia kohinaa korjaavia koodausmenetelmiä , useimmiten erilaisia konvoluutiokoodien muunnelmia (joskus yhdessä Reed-Solomon-koodien kanssa ), sekä turbokoodeja [20] [21] ja LDPC-koodeja [22] .
Sen varmistamiseksi, että useat käyttäjät voivat käyttää satelliittitransponderia samanaikaisesti, käytetään monipääsyjärjestelmiä [23] :
Lisäksi monet käyttäjät eivät tarvitse jatkuvaa pääsyä satelliittiviestintään. Näille käyttäjille kommunikaatiokanava (aikaväli) varataan pyynnöstä DAMA - teknologian (Demand Assigned Multiple Access) avulla.
Aluksi satelliittiviestinnän syntyminen johtui tarpeesta siirtää suuria tietomääriä. Ensimmäinen satelliittiviestintäjärjestelmä oli Intelsat -järjestelmä , sitten luotiin samanlaisia alueellisia organisaatioita ( Eutelsat , Arabsat ja muut). Ajan myötä puheensiirron osuus runkoliikenteen kokonaisvolyymista on jatkuvasti pienentynyt ja väistynyt tiedonsiirrolle.
Kuituoptisten verkkojen kehittyessä viimeksi mainittu alkoi syrjäyttää satelliittiviestintää runkoviestintämarkkinoilta [24] .
VSAT (Very Small Aperture Terminal) -järjestelmät tarjoavat satelliittiviestintäpalveluita asiakkaille (yleensä pienille organisaatioille), jotka eivät vaadi suurta kaistanleveyttä . VSAT-päätelaitteen tiedonsiirtonopeus ei yleensä ylitä 2048 kbps [25] .
Sanat "erittäin pieni aukko" viittaavat pääteantennien kokoon verrattuna vanhempiin runkoantenneihin. C-kaistalla toimivat VSAT-päätteet käyttävät yleensä antenneja, joiden halkaisija on 1,8-2,4 m, Ku-kaistalla - 0,75-1,8 m.
VSAT-järjestelmät käyttävät on-demand-kanavointitekniikkaa.
Useimpien mobiilisatelliittiviestintäjärjestelmien ominaisuus on pääteantennin pieni koko, mikä vaikeuttaa signaalin vastaanottoa. Jotta vastaanottimen saavuttava signaalinvoimakkuus olisi riittävä, käytetään toista kahdesta ratkaisusta:
Matkapuhelinoperaattorit kilpailevat henkilökohtaisen satelliittiviestinnän operaattoreiden kanssa . Sekä Globalstar että Iridium olivat vakavissa taloudellisissa vaikeuksissa, jotka joutuivat Iridiumin uudelleenorganisointiin konkurssiin vuonna 1999, mutta yritys on nyt toipunut ja valmistautuu luopumaan toisen sukupolven satelliittikonstellaatiosta.
Joulukuussa 2006 laukaistiin kokeellinen geostationaarinen satelliitti Kiku-8 ennätyssuurella antennialueella, jolla on tarkoitus testata satelliittiviestinnän teknologiaa enintään matkapuhelimia suurempien mobiililaitteiden kanssa.
Satelliittiviestintä löytää sovelluksen " viimeisen mailin " ( Internet-palveluntarjoajan ja asiakkaan välinen viestintäkanava ) järjestämisessä, erityisesti paikoissa, joissa infrastruktuuri on huonosti kehittynyt [28] .
Tämän tyyppisen pääsyn ominaisuuksia ovat:
Lähtevän kanavan tyypin mukaan on:
Molemmissa tapauksissa tiedot välitetään palveluntarjoajalta asiakkaalle pääsääntöisesti DVB -digitaalilähetysstandardin mukaisesti , jonka avulla voit käyttää samoja laitteita sekä verkkoon pääsyyn että satelliittitelevision vastaanottamiseen.
Maa-asemien ja satelliitin väliset valtavat etäisyydet aiheuttavat signaali-kohinasuhteen vastaanottimessa erittäin alhaiseksi (paljon pienemmäksi kuin useimmissa mikroaaltolinkeissä). Hyväksyttävän virhetodennäköisyyden aikaansaamiseksi näissä olosuhteissa on käytettävä suuria antenneja , vähäkohinaisia elementtejä ja monimutkaisia virheenkorjauskoodeja . Tämä ongelma on erityisen akuutti matkaviestinjärjestelmissä, koska niissä on rajoituksia antennin kokoon, sen suuntaominaisuuksiin ja pääsääntöisesti lähettimen tehoon.
Satelliittiviestinnän laatuun vaikuttavat voimakkaasti troposfäärin ja ionosfäärin vaikutukset [29] .
Absorptio troposfäärissäIlmakehän signaalin absorptioaste riippuu sen taajuudesta. Absorptiomaksimit ovat 22,3 GHz ( vesihöyryn resonanssi ) ja 60 GHz ( happiresonanssi ) [30] . Yleensä absorptio vaikuttaa merkittävästi yli 10 GHz:n signaalien etenemiseen (eli Ku-kaistalta alkaen). Absorption lisäksi radioaaltojen leviäessä ilmakehässä tapahtuu häipymisilmiö , jonka syynä on ilmakehän eri kerrosten taitekertoimien ero.
IonosfääriefektitVaikutukset ionosfäärissä johtuvat vapaiden elektronien jakautumisen vaihteluista . Radioaaltojen etenemiseen vaikuttavia ionosfäärivaikutuksia ovat tuike , absorptio , etenemisviive , dispersio , taajuuden muutos , polarisaatiotason kierto [31] . Kaikki nämä vaikutukset vaimentuvat yhä useammin. Signaaleille, joiden taajuudet ovat yli 10 GHz, niiden vaikutus on pieni [32] .
Vaikutus | 100 MHz | 300 MHz | 1 GHz | 3 GHz | 10 GHz |
---|---|---|---|---|---|
Polarisaatiotason kierto | 30 kierrosta | 3,3 kierrosta | 108° | 12° | 1,1° |
Signaalin lisäviive | 25 ms | 2,8 ms | 0,25 ms | 28 ns | 2,5 ns |
Absorptio ionosfäärissä (navalla) | 5 dB | 1,1 dB | 0,05 dB | 0,006 dB | 0,0005 dB |
Absorptio ionosfäärissä (keskivälisillä leveysasteilla) | <1 dB | 0,1 dB | <0,01 dB | <0,001 dB | <0,0001 dB |
Suhteellisen matalataajuiset signaalit (L-kaista ja osittain C-kaista) kärsivät ionosfäärin epätasaisuuksista johtuvasta ionosfäärin tuikesta. Tämän välkkymisen seurauksena signaalin voimakkuus muuttuu jatkuvasti.
Signaalin etenemisviiveen ongelma tavalla tai toisella vaikuttaa kaikkiin satelliittiviestintäjärjestelmiin. Gestationaarisella kiertoradalla satelliittitransponderia käyttävillä järjestelmillä on korkein latenssi. Tässä tapauksessa radioaallon etenemisnopeuden äärellisyydestä johtuva viive on noin 250 ms, ja kun otetaan huomioon multipleksointi-, kytkentä- ja signaalinkäsittelyviiveet, kokonaisviive voi olla jopa 400 ms [33] .
Etenemisviive on ei-toivotuin reaaliaikaisissa sovelluksissa, kuten puhelin- ja videoviestinnässä. Tässä tapauksessa, jos signaalin etenemisaika satelliittiviestintäkanavalla on 250 ms, tilaajien replikoiden välinen aikaero ei voi olla pienempi kuin 500 ms.
Joissakin järjestelmissä (esim. tähtitopologiaa käyttävät VSAT-järjestelmät) signaali lähetetään kahdesti satelliittilinkin kautta (päätteestä keskuspaikkaan ja keskuspaikasta toiseen päätelaitteeseen). Tässä tapauksessa kokonaisviive kaksinkertaistuu.
Kun aurinko lähestyy satelliitti-maa-asema-akselia, maa-aseman satelliitista vastaanottama ja satelliitille toimitettu radiosignaali vääristyy häiriön seurauksena .
Satelliittiyhteys | |
---|---|
Tärkeimmät artikkelit | |
Laitteet | |
Standardit ja protokollat | |
Satelliittilähetystoiminnan harjoittajat |
|
Viestintäsatelliittioperaattorit ja -palvelut | |
Viestintäsatelliittien tuotanto |