|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли Connect: поляризация, применение поляризационного уплотненияС самого начала создания систем спутниковой связи и вещания (СССВ) все связные спутники (точнее, ретрансляторы) строились по стандартной схеме – прямая ретрансляция сигналов без обработки на борту с линейной или круговой поляризацией радиосигнала. Для разделения сигналов использовалось только частотное и временное разделение. Однако в сложных современных условиях размещения новых космических аппаратов (КА) на геостационарной орбите (ГСО) в некоторых СССВ практикуется повторное использование имеющейся полосы частот [1]. Оно обеспечивается следующими взаимно совместимыми процедурами: • пространственный разнос лучей КА: работа ведется в одних и тех же полосах частот при использовании спутниковых антенн, имеющих направленные и разнесенные в пространстве лучи; • развязка по поляризации: передача осуществляется в одних и тех же полосах частот через спутниковые антенны с ортогональными поляризациями; • применение кодового разделения сигналов. Наиболее распространен смешанный способ, включающий пространственное и поляризационное разделение, который позволяет реализовать четырехкратное использование частот. Например, достаточно давно, еще с КА Intelsat-V, применяется поляризационная развязка в С-диапазоне в радиолиниях с круговой поляризацией [2]. Однако из-за ряда научно-технических трудностей такие системы не нашли широкого применения. Прежде всего это относится к сетям типа VSAT – в мире нет ни одной системы VSAT, совмещающей работу в С-диапазоне, круговую поляризацию и повторное использование частот только за счет поляризационной развязки. Как известно, определяющим фактором при повторном использовании частот КА с поляризационной развязкой в одной зоне обслуживания на поверхности Земли является уровень поляризационной развязки сигналов в «смежных» стволах ретранслятора, т. е. в стволах с одинаковым частотным диапазоном. Требуемый уровень развязки уже обсуждался в печати [4], напомним лишь, что он составляет не менее 30 дБ. Основные трудности при реализации в спутниковой радиолинии поляризационной развязки следующие: • многократное использование частот при поляризационном разделении сигналов выдвигает соответствующие требования к кросс-поляризационным характеристикам антенн, образующих радиолинии Земля – КА (линия «вверх») и КА – Земля (линия «вниз»). При принятой для большинства систем спутниковой связи и вещания (СССВ) России в С-диапазоне (6/4 ГГц) круговой поляризации на радиолиниях кросс-поляризационные характеристики определяются в основном коэффициентом эллиптичности КЭ передающей и приемной антенн, образующих эти радиолинии, т. е. КЭ антенн КА и земных станций (ЗС). Существующие антенны ЗС, особенно диаметром до 5 м, имеют довольно широкий разброс значений КЭ (от 0,7 до 0,85), однако это намного ниже значений, требуемых для нормальной работы; • в процессе работы возникают сложности из-за ухудшения качества сигнала ими факторами. Поэтому станции приходится оснащать устройствами поляризационной компенсации [1], однако их использование сдерживается сложностью и дороговизной реализации. Первая попытка развертывания подобной системы была предпринята ОАО «Газком» после запуска в 1999 г. КА «Ямал-100» [3]. В рамках действующей СССВ «Ямал» разворачиваются различные сети с поляризационным разделением, в том числе по технологии VSAT. Таким образом, прецедент создания сетей VSAT только с поляризационным уплотнением уже есть. Космический аппарат следующего поколения «Ямал-200» также выполнен с поляризационным разделением с целью двойного использования одного и того же частотного диапазона. Оценим некоторые аспекты эксплуатации СССВ с поляризационным разделением, прежде всего коэффициент реального использования частотного ресурса Кичр. Эксплуатация СССВ с поляризационным разделением Как уже отмечалось, систем, имеющих всю совокупность качеств СССВ «Ямал», а именно сетей типа VSAT в С-диапазоне с круговой поляризацией и уплотнением только за счет поляризационной развязки пока не существует. Однако опыт эксплуатации сетей связи и ТВ в СССВ «Ямал-100» показал принципиальную возможность реализации данного подхода и достижения определенных результатов, которые мы попытаемся оценить в данной работе. Прежде всего отметим несколько факторов: • наличие большого парка действующих и выпускаемых «старых» (точнее, стандартных) антенн, которые нельзя исключить из системы, но которые не обеспечивают требуемой развязки; • отсутствие в мире VSAT-антенн с требуемыми поляризационными характеристиками [4] (КЭ ≥ 0,94 во всем диапазоне частот с возможностью независимой подстройки КЭ и положения эллипса поляризации на прием и передачу); • высокая стоимость антенн с КЭ ≥ 0,94 и отсутствие у них указанной подстройки. Антенны для ЗС В настоящее время перечень имеющихся антенн отечественных производителей, в той или иной мере удовлетворяющих требованиям поляризационного разделения (например, для СССВ «Ямал»), достаточно короток: 2,4, 3,7, 7,2 м ФГУП «НПО ПМ Развитие» для связи, 2,5 м «АвиаМАГ», 1,65, 2,0 м «АПЕКС» для приема ТВ и несимметричного Интернета. При этом даже самые массовые в производстве антенны 2,4 м и 3,7 м ФГУП «НПО ПМ Развитие», наиболее полно удовлетворяющие перечисленным требованиям как по полосе частот, так и по КЭ, имеют существенный недостаток – более высокую цену относительно стандартного оборудования. Необходимых для построения масштабных сетей типа VSAT приемопередающих связных антенн класса 1,2, 1,5, 1,8, 2,0 м в настоящее время нет вообще. Действующие производители пока даже не берутся за изготовление АС с требованиями поляризационного разделения. Оценка окупаемости применения антенн с высокими значениями поляризационных характеристик Расчет произведен для АС 2,4 м и типичного режима работы радиоканала со сверточным кодированием и коэдачи информации от 32 до 2048 Кбит/с (рис. 1). Даже за счет 100%-го использования частотного ресурса для канала со скоростью 32 Кбит/с увеличение стоимости антенны окупается примерно за 10 месяцев, а для канала 512 Кбит/с – за месяц. Представленный график (см. рис. 1) также позволяет определить срок окупаемости применения антенн при неполном использовании частотного ресурса (если антенны имеют высокие технические характеристики по КЭ, но не соответствуют требованиям [4] для работы в СССВ с поляризационной развязкой). На рис. 2 приведены графики сроков окупаемости антенн различного качества по КЭ, обеспечивающих Кисп = 1 и Кисп = = 0,65 (1 – применение антенн позволяет использовать двойной частотный ресурс на 100%; 0,65 – на 65% соответственно). Экономический аспект проблемы в целом Причины возникновения проблемы следующие: • на КА устанавливается двойной комплект дорогостоящей приемопередающей бортовой аппаратуры, эквивалентный обычным двум стволам РТР (например, КА «Экспресс») и включающий МШУ, преобразователи частоты, выходные усилители, резервные комплекты, матрицы переключения, волноводные мультиплексоры, делители, сумматоры, приемные и передающие антенны на две поляризации и т. д.; • земные станции, работающие в такой системе, как минимум должны оснащаться антенной с хорошими поляризационными характеристиками. Такая антенна дороже типовой на 10 –: 40% в зависимости от диаметра и полосы рабочих частот, что практически незаметно при стоимости ЗС более 200 тыс. долл., но при стоимости ЗС около 50–70 тыс. долл. становится существенным фактором, а для ЗС типа VSAT (5–25 тыс. долл.) – неприемлемым для потребителя. Если первый вопрос разработчик системы решает самостоятельно, то второй непосредственно касается пользователя системы (арендатора частотного ресурса). В этих условиях попытка привлечь заказчика использовать КА с поляризационным уплотнением (арендовать частотно-энергетический ресурс) вынуждает последнего: • использовать в своей сети более дорогие антенные системы и, следовательно, ЗС в целом; • ликвидировать старый парк своих антенн на всей сети из-за отсутствия преемственности. Однако у заказчиков обычно формируются собственная «кооперация» и свои ЗС, поэтому добиться этого удается далеко не всегда. Соответствующие оценки (приводятся ниже) показывают, что вместо двухкратного увеличения частот максимально может быть достигнуто около 1,3, т. е. налицо противоречивая ситуация, когда имеющийся частотно-энергетический ресурс РТР используется не полностью. Отметим, что в действующих традиционных системах (без поляризационного уплотнения) исключаются все перечисленные дополнительные затраты и проблемы, хотя сдаваемый в аренду частотный ресурс в 2 раза меньше. Оценка рентабельности конкретных СССВ с поляризационным уплотнением сигналов, несмотря на объективную необходимость этого разделения, требует тщательного учета всех технических, экономических и вреи (замены антенн) всех ЗС существующих спутниковых сетей (что, в отличие от запуска соответствующего КА, не может быть выполнено как разовая операция), обеспечение преемственности и непрерывности работы указанных сетей требует разработки стратегии подобного внедрения, учитывающей все три указанных фактора. Возможные пути реализации поляризационного разделения Создание СССВ – это не только (и не столько) разработка и запуск КА, сколько техническая политика, представляющая собой комплексное решение целого ряда технических, экономических и организационных задач, включающих в себя и космический (разработка и запуск КА, обеспечение его функционирования на орбите, контроль использования ресурса и т. д.), и наземный (разработка структуры и оборудования ЗС, обеспечение преемственности, рентабельности и т. д.) сегменты; – основным направлением технической политики является минимизация затрат, т. е. обеспечение преемственности оборудования (соблюдение принципа последовательной постепенной модернизации [5]). Один из самых весомых факторов преемственности – предложение потребителю рациональных технических решений. Реализация такой технической политики невозможна без соответствующей программы создания и развития СССВ. Авторам неизвестна ни одна отечественная организация, которая бы имела такую программу. Более того, результаты ежегодных конференций, выставок и т. п. показывают, что процесс создания и развития СССВ протекает стихийно, под влиянием сиюминутных факторов, что, естественно, сопровождается дополнительными финансовыми издержками. Однако, несмотря на все трудности, разработка такой программы является весьма актуальной задачей. Особенно там, где вводятся новые факторы разделения сигналов и требуется замена оборудования (антенн), составляющего существенную часть стоимости ЗС и СССВ в целом. Выводы Проведенная оценка систем с поляризационным уплотнением показывает, что при использовании существующего оборудования частотно-энергетический ресурс КА может быть потенциально реализован в настоящее время не полностью, т.е. часть ресурса будет недоиспользоваться. Использование потенциальных преимуществ СССВ с поляризационным разделением требует формирования целенаправленной политики, разработки и систематической коррекции комплексной программы создания и развития СССВ. Компания «АРД Сатком Сервис» осуществит комплексную поставку оборудования спутниковой связи, необходимого в том числе для работы в системах с поляризационным уплотнением. ЛИТЕРАТУРА 1. Satellite Communications Fixed – satellite service // International Radio Consultative Commite, International Telecommunication Union. – Geneva, 1988. 2. Freeman, Roger L. Reference manual for telecommunications engineering / Roger L. Freeman. – 2nd ed. p. cm. 3. www.gascom.ru 4. Бобков В. Ю., Ефимов М. В., Киселев А. М., Нагорнов В. И. Оценка требований по кросс-поляри№ 2. С. 50–54. 5. Уоллер Л. Проблемы военного ведомства США в области систем боевого управления, контроля, связи и разведки (C3I) и пути их решения // Электроника. 1983. № 25/26. С.50–66. 6. «Города Солнца» информационной эпохи: Заметки с CSTB-2004 // Информ. курьер связь. 2004. № 3. С. 4–5. Главная страница / Архитектура отрасли |