Comunicațiile prin satelit este unul dintre tipurile de comunicații radio spațiale , bazate pe utilizarea sateliților artificiali Pământului ca repetitoare , de regulă, sateliți de comunicații specializati . Comunicațiile prin satelit se realizează între așa-numitele stații terestre , care pot fi fie fixe, fie mobile.
Comunicarea prin satelit reprezintă dezvoltarea comunicării tradiționale prin releu radio prin plasarea repetorului la o altitudine foarte mare. Deoarece aria maximă a vizibilității sale în acest caz este aproape jumătate din glob, nu este nevoie de un lanț de repetoare - în cele mai multe cazuri unul este suficient.
În 1945, în articolul „Extra-terrestrial Relays”, publicat în numărul din octombrie al revistei Wireless World [1] , savantul, scriitorul și inventatorul englez Arthur C. Clarke a propus ideea creării unui sistem de sateliți de comunicații pe orbite geostaționare , care ar permite organizarea unui sistem global de comunicații. Ulterior, Clarke, întrebat de ce nu a brevetat invenția (ceea ce era destul de posibil), a răspuns că nu crede în posibilitatea implementării unui astfel de sistem în timpul vieții și, de asemenea, a considerat că o astfel de idee ar trebui să beneficieze întreaga umanitate. .
Primele studii în domeniul comunicațiilor civile prin satelit în țările occidentale au început să apară în a doua jumătate a anilor 1950. În SUA, acestea au fost determinate de cererea crescută de telefonie transatlantică.
În 1957, în URSS a fost lansat primul satelit artificial de pe Pământ cu echipamente radio la bord .
Pe 12 august 1960, specialiștii americani au lansat pe orbită un balon gonflabil la o înălțime de 1500 km [2] . Această navă spațială a fost numită „ Echo-1 ”. Carcasa sa metalizată cu un diametru de 30 m a servit drept repetitor pasiv . La 10 iulie 1962, primul satelit activ de comunicații Telstar a fost lansat pe orbită . A furnizat comunicații telefonice bidirecționale pe 60 de canale sau difuzarea unui program de televiziune.
La 20 august 1964, 11 țări ( URSS nu a fost inclusă în numărul lor) au semnat un acord privind crearea organizației internaționale de comunicații prin satelit Intelsat (International Telecommunications Satellite organization) [3] . În acel moment, URSS avea propriul program de comunicații prin satelit dezvoltat, care a culminat la 23 aprilie 1965 cu lansarea cu succes a satelitului de comunicații sovietic Molniya-1 .
Pe 6 aprilie 1965, în cadrul programului Intelsat , a fost lansat primul satelit comercial de comunicații Early Bird („early bird”) [4] , fabricat de COMSAT Corporation , cu o lățime de bandă de 50 MHz, acesta putea oferi până la 240 de canale de comunicare telefonică [5] . În orice moment, comunicarea ar putea fi efectuată între o stație terestră din Statele Unite și doar una dintre cele trei stații terestre din Europa (în Marea Britanie , Franța sau Germania ), care erau interconectate prin linii de comunicație prin cablu [6] .
Satelitul Intelsat IX avea deja o lățime de bandă de 3456 MHz [5] .
Multă vreme în URSS, comunicațiile prin satelit au fost dezvoltate numai în interesul Ministerului Apărării al URSS . Datorită apropierii mai mari a programului spațial, dezvoltarea comunicațiilor prin satelit în țările socialiste a procedat diferit decât în țările occidentale. Dezvoltarea comunicațiilor civile prin satelit a început cu un acord între 9 țări ale blocului socialist privind crearea sistemului de comunicații Intersputnik , care a fost semnat abia în 1971 [7] .
În primii ani de cercetare, s-au folosit transpondere pasive prin satelit (exemple sunt sateliții Echo și Echo-2 ), care erau un simplu reflector de semnal radio (adesea o sferă de metal sau polimer cu un înveliș metalic) care nu transporta niciun echipament transceiver. la bord . Astfel de sateliți nu au primit distribuție. Toți sateliții moderni de comunicații sunt activi. Repetoarele active sunt echipate cu echipamente electronice pentru recepția, procesarea, amplificarea și retransmiterea unui semnal.
Repetoarele de satelit pot fi neregenerative și regenerative [8] . Un satelit neregenerativ, după ce a primit un semnal de la o stație terestră, îl transferă pe o altă frecvență, îl amplifică și îl transmite către o altă stație terestră. Un satelit poate folosi mai multe canale independente care efectuează aceste operații, fiecare dintre ele funcționând cu o anumită parte a spectrului (aceste canale de procesare se numesc transpondere [9] ).
Satelitul regenerativ demodulează în continuare semnalul primit și îl modulează din nou. Din acest motiv, erorile acumulate în timpul procesului de transmisie sunt corectate de două ori: pe satelit și la stația terestră receptoră. Dezavantajul acestei metode este complexitatea (și, prin urmare, costul mult mai mare al satelitului), precum și întârzierea crescută a transmisiei semnalului.
Orbitele care găzduiesc transpondere prin satelit sunt împărțite în trei clase [10] :
O variație importantă a orbitei ecuatoriale este orbita geostaționară , în care satelitul se rotește cu o viteză unghiulară egală cu cea a Pământului într-o direcție care este aceeași cu cea de rotație a Pământului. Avantajul evident al orbitei geostaționare este că receptorul din zona de serviciu „vede” satelitul în mod constant aproape în același punct.
Cu toate acestea, există o singură orbită geostaționară, iar capacitatea sa, determinată de circumferința orbitei împărțită la dimensiunea sateliților, ținând cont de „intervalele de siguranță” dintre aceștia, este finită. Prin urmare, este imposibil să aducem toți sateliții pe care am dori să-i aducem. . Celălalt dezavantaj al său este altitudinea mare (35.786 km) și, prin urmare, costul ridicat al punerii pe orbită a unui satelit. Altitudinea mare a orbitei geostaționare duce, de asemenea, la mari întârzieri în transmiterea informațiilor (timpul necesar unui semnal pentru a călători de la o stație terestră la alta printr-un satelit geostaționar, chiar și teoretic, nu poate fi mai mic de 240 ms (două orbite). înălțimi împărțite la viteza luminii).În plus, densitatea fluxului de putere a suprafeței pământului în punctul de recepție a semnalului scade în direcția de la ecuator la poli datorită unghiului mai mic de înclinare a vectorului de energie electromagnetică față de suprafața pământului, precum și din cauza căii crescânde a semnalului prin atmosferă și a absorbției asociate. Prin urmare, un satelit pe orbită geostaționară practic nu este capabil să deservească stațiile terestre din regiunile circumpolare.
O orbită înclinată rezolvă aceste probleme, totuși, din cauza mișcării satelitului în raport cu observatorul de la sol, este necesar să se lanseze cel puțin trei sateliți pe orbită pentru a oferi acces la comunicații non-stop.
O orbită polară este un caz extrem de orbită înclinată ( înclinare de 90º
Când se folosesc orbite înclinate, stațiile terestre sunt echipate cu sisteme de urmărire care îndreaptă antena către satelit și îl urmăresc [11] .
Sateliții moderni care operează pe orbită geostaționară au o precizie destul de mare de menținere într-un punct dat (de regulă, nu mai puțin de 0,1 grade în longitudine și înclinare [12] ); Urmărirea unui satelit geostaționar de către o antenă de recepție devine necesară numai dacă lățimea modelului antenei este comparabilă cu oscilațiile satelitului în jurul stației. De exemplu, pentru banda Ku , acestea sunt antene cu un diametru mai mare de 5 metri [13] . Pentru o dimensiune mai mică, este suficient să îndreptați antena către poziția satelitului o dată. Totuși, urmărirea este încă necesară în cazul unei stări de pre-urgență a satelitului, atunci când, din diverse motive, proprietarul acestuia nu efectuează (deloc sau mai rar decât ora programată) procedura de menținere a satelitului la punctul de a sta în picioare.
Deoarece banda de frecvențe radio este o resursă limitată, este necesar să se asigure că aceleași frecvențe pot fi utilizate de diferite stații terestre. Acest lucru se poate face în două moduri [14] :
O hartă tipică de acoperire pentru un satelit pe orbită geostaționară include următoarele componente [15] :
În acest caz, toate frecvențele (cu excepția celor rezervate fasciculului global) sunt utilizate în mod repetat: în emisfera vestică și estică și în fiecare dintre zone.
Alegerea frecvenței pentru transmiterea datelor de la o stație terestră la un satelit și de la un satelit la o stație terestră nu este arbitrară. De exemplu, absorbția undelor radio în atmosferă depinde de frecvență , precum și de dimensiunile necesare ale antenelor de emisie și recepție. Frecvențele la care au loc transmisiile de la stație terestra la satelit sunt diferite de cele utilizate pentru transmisiile de la stația terestră la pământ (în general prima este mai mare).
Frecvențele utilizate în comunicațiile prin satelit sunt împărțite în benzi, notate cu litere. Din păcate, în diferite literaturi, limitele exacte ale intervalelor pot să nu coincidă. Valorile de orientare sunt date în ITU -R V.431-6 [16] :
| Numele intervalului | Frecvențe (conform ITU-R V.431-6) | Aplicație |
|---|---|---|
| L | 1,5 GHz | Comunicații mobile prin satelit |
| S | 2,5 GHz | Comunicații mobile prin satelit |
| DIN | 4 GHz, 6 GHz | Comunicații fixe prin satelit |
| X | Pentru comunicațiile prin satelit, recomandările ITU-R nu definesc frecvențele. Pentru aplicațiile radar, este specificat intervalul 8-12 GHz. | Comunicații fixe prin satelit |
| Ku | 11 GHz, 12 GHz, 14 GHz | Comunicații fixe prin satelit, difuzare prin satelit |
| K | 20 GHz | Comunicații fixe prin satelit, difuzare prin satelit |
| Ka | 30 GHz | Comunicații fixe prin satelit, comunicații inter-sateliți |
Se folosesc și frecvențe mai înalte, dar creșterea lor este împiedicată de absorbția mare a undelor radio ale acestor frecvențe de către atmosferă. Banda Ku permite recepția cu antene relativ mici și, prin urmare, este utilizată în televiziunea prin satelit ( DVB ), în ciuda faptului că în această bandă condițiile meteorologice au un impact semnificativ asupra calității transmisiei.
Pentru transmiterea datelor de către utilizatori mari (organizații), banda C este adesea folosită. Acest lucru oferă o calitate mai bună a recepției, dar necesită o antenă destul de mare.
O caracteristică a sistemelor de comunicații prin satelit este necesitatea de a funcționa în condițiile unui raport semnal-zgomot relativ scăzut din cauza mai multor factori:
Ca urmare, comunicațiile prin satelit nu sunt potrivite pentru transmiterea semnalelor analogice . Prin urmare, pentru a transmite vorbirea, aceasta este pre- digitizată folosind, de exemplu, modularea codului de impuls (PCM) [17] .
Pentru a transmite date digitale printr-un canal de comunicație prin satelit, acestea trebuie mai întâi convertite într-un semnal radio care ocupă un anumit interval de frecvență. Pentru a face acest lucru, se folosește modulația (modulația digitală se mai numește și keying ). Cele mai obișnuite tipuri de modulație digitală pentru aplicațiile de comunicații prin satelit sunt modularea cu deplasare de fază și modularea în amplitudine în cuadratura [18] . De exemplu, sistemele DVB-S2 folosesc QPSK, 8-PSK, 16-APSK și 32-APSK [19] .
Modulația se face la stația de la sol. Semnalul modulat este amplificat, transferat la frecvența dorită și transmis la antena de transmisie . Satelitul primește un semnal, amplifică, uneori se regenerează , se transferă pe o altă frecvență și, folosind o antenă de transmisie specifică, transmite la sol.
Datorită puterii scăzute a semnalului, este nevoie de sisteme de corectare a erorilor. Pentru aceasta se folosesc diverse scheme de codare corectoare de zgomot , cel mai adesea diverse variante de coduri convoluționale (uneori în combinație cu coduri Reed-Solomon ), precum și coduri turbo [20] [21] și coduri LDPC [22] .
Pentru a asigura posibilitatea utilizării simultane a unui transponder satelit de către mai mulți utilizatori, sunt utilizate sisteme de acces multiple [23] :
În plus, mulți utilizatori nu au nevoie de acces constant la comunicațiile prin satelit. Pentru acești utilizatori, un canal de comunicare (interval orar) este alocat la cerere folosind tehnologia DAMA (Demand Assigned Multiple Access).
Inițial, apariția comunicațiilor prin satelit a fost dictată de nevoia de a transmite cantități mari de informații. Primul sistem de comunicații prin satelit a fost sistemul Intelsat , apoi au fost create organizații regionale similare ( Eutelsat , Arabsat și altele). De-a lungul timpului, ponderea transmisiei de voce în volumul total al traficului backbone a fost în continuă scădere, făcând loc transmisiei de date.
Odată cu dezvoltarea rețelelor de fibră optică, acestea din urmă au început să înlocuiască comunicațiile prin satelit de pe piața de comunicații backbone [24] .
Sistemele VSAT (Very Small Aperture Terminal) oferă servicii de comunicații prin satelit clienților (de obicei organizații mici) care nu necesită lățime de bandă mare . Rata de transfer de date pentru un terminal VSAT nu depășește de obicei 2048 kbps [25] .
Cuvintele „foarte mică deschidere” se referă la dimensiunea antenelor terminale în comparație cu antenele de coloană vertebrală mai vechi. Terminalele VSAT care operează în banda C folosesc de obicei antene cu un diametru de 1,8-2,4 m, în banda Ku - 0,75-1,8 m.
Sistemele VSAT folosesc tehnologia de canalizare la cerere.
O caracteristică a majorității sistemelor mobile de comunicații prin satelit este dimensiunea mică a antenei terminalului, ceea ce face dificilă recepția semnalului. Pentru ca puterea semnalului care ajunge la receptor să fie suficientă, se aplică una dintre cele două soluții:
Operatorii de telefonie mobilă concurează cu operatorii de comunicații personale prin satelit . Atât Globalstar, cât și Iridium au avut probleme financiare grave, care l-au adus pe Iridium la faliment de reorganizare în 1999, dar compania și-a revenit acum și se pregătește să-și retragă constelația de sateliți de a doua generație.
În decembrie 2006, a fost lansat un satelit geostaționar experimental Kiku-8 cu o suprafață record de antenă, care ar trebui să fie folosit pentru a testa tehnologia comunicațiilor prin satelit cu dispozitive mobile nu mai mari decât telefoanele mobile.
Comunicarea prin satelit își găsește aplicație în organizarea „ ultimului mile ” (canal de comunicare între furnizorul de internet și client), mai ales în locurile cu infrastructură slab dezvoltată [28] .
Caracteristicile acestui tip de acces sunt:
În funcție de tipul de canal de ieșire, există:
În ambele cazuri, datele sunt transmise de la furnizor către client, de regulă, în conformitate cu standardul de transmisie digitală DVB , care vă permite să utilizați același echipament atât pentru accesarea rețelei, cât și pentru recepția televiziunii prin satelit.
Distanțele uriașe dintre stațiile terestre și satelit fac ca raportul semnal-zgomot la receptor să fie foarte scăzut (mult mai puțin decât pentru majoritatea legăturilor cu microunde). Pentru a oferi o probabilitate de eroare acceptabilă în aceste condiții, este necesar să se utilizeze antene mari , elemente cu zgomot redus și coduri complexe de corectare a erorilor . Această problemă este deosebit de acută în sistemele de comunicații mobile, deoarece acestea au restricții privind dimensiunea antenei, proprietățile sale direcționale și, de regulă, puterea emițătorului.
Calitatea comunicațiilor prin satelit este puternic influențată de efectele din troposferă și ionosferă [29] .
Absorbția în troposferăGradul de absorbție a semnalului de către atmosferă depinde de frecvența acesteia. Maximele de absorbție sunt la 22,3 GHz ( rezonanța vaporilor de apă ) și 60 GHz ( rezonanța oxigenului ) [30] . În general, absorbția afectează în mod semnificativ propagarea semnalelor peste 10 GHz (adică, pornind de la banda Ku). Pe lângă absorbție, atunci când undele radio se propagă în atmosferă, există un efect de estompare , a cărui cauză este diferența de indici de refracție ai diferitelor straturi ale atmosferei.
Efecte ionosfericeEfectele în ionosferă se datorează fluctuațiilor în distribuția electronilor liberi. Efectele ionosferice care afectează propagarea undelor radio includ scintilația , absorbția , întârzierea de propagare , dispersia , schimbarea frecvenței , rotația planului de polarizare [31] . Toate aceste efecte sunt atenuate cu o frecvență crescândă. Pentru semnalele cu frecvențe mai mari de 10 GHz, influența lor este mică [32] .
| Efect | 100 MHz | 300 MHz | 1 GHz | 3 GHz | 10 GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Rotirea planului de polarizare | 30 de ture | 3,3 ture | 108° | 12° | 1,1° |
| Întârziere suplimentară a semnalului | 25 ms | 2,8 ms | 0,25 ms | 28 ns | 2,5 ns |
| Absorbția în ionosferă (la pol) | 5 dB | 1,1 dB | 0,05 dB | 0,006 dB | 0,0005 dB |
| Absorbția în ionosferă (la latitudini medii) | <1 dB | 0,1 dB | <0,01 dB | <0,001 dB | <0,0001 dB |
Semnalele de frecvență relativ joasă (banda L și parțial banda C) suferă de scintilație ionosferică din cauza neregulilor din ionosferă. Rezultatul acestui pâlpâire este o putere a semnalului în continuă schimbare.
Problema întârzierii propagării semnalului într-un fel sau altul afectează toate sistemele de comunicații prin satelit. Sistemele care utilizează un transponder satelit pe orbită geostaționară au cea mai mare latență. În acest caz, întârzierea datorată caracterului finit al vitezei de propagare a undelor radio este de aproximativ 250 ms, iar ținând cont de întârzierile de multiplexare, comutare și procesare a semnalului, întârzierea totală poate fi de până la 400 ms [33] .
Întârzierea de propagare este cea mai nedorită în aplicațiile în timp real, cum ar fi telefonia și comunicațiile video. În acest caz, dacă timpul de propagare a semnalului pe canalul de comunicație prin satelit este de 250 ms, diferența de timp între replicile abonaților nu poate fi mai mică de 500 ms.
În unele sisteme (de exemplu, sistemele VSAT care utilizează o topologie în stea), semnalul este transmis de două ori printr-o legătură prin satelit (de la un terminal la un site central și de la un site central la un alt terminal). În acest caz, întârzierea totală este dublată.
Când Soarele se apropie de axa satelit-stație de sol, semnalul radio primit de la satelit de către stația de la sol, precum și furnizat satelitului, este distorsionat ca urmare a interferenței .
| Conexiune prin satelit | |
|---|---|
| Articole principale | |
| Echipamente | |
| Standarde și protocoale | |
| Operatori de transmisie prin satelit |
|
| Operatori și servicii de comunicații prin satelit | |
| Producția de sateliți de comunicații | |