С благодарностью нашим семьям,
друзьям, партнерам и коллегам по работе,
лично Виктору Абрамовичу Полищуку

В.Е. Камнев
В.В. Черкасов
Г.В. Чечин
СПУТНИКОВЫЕ
СЕТИ СВЯЗИ
а л ь п и н a /nlia 6 л и ш е р
Москва
2004

УДК 621.396.946
ББК 32.884.1
К18
Рекомендовано Пленумом Совета У МО по образованию
в области коммуникации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений по специальности 201100
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение»
Под общей редакцией проф., д.т.н. Камнева Е.Ф.
Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В.
К18 Спутниковые сети связи: Учеб. пособие / В.Е. Камнев, В.В.
Черкасов, Г.В. Чечин. — М.: «Альпина Паблишер», 2004. - 536 с: ил.
ISBN 5-94599-099-Х
В книге рассмотрены вопросы анализа и проектирования спутниковых сетей
связи различного назначения и принципа действия.
В первой части книги представлены основные принципы построения спутниковых
радиосетей, базирующихся на геостационарных и негеостационарных орбитальных
группировках спутников-ретрансляторов. Рассмотрены эффективные методы
модуляции-демодуляции сигналов, помехоустойчивого кодирования сообщений,
радиотехнические и вероятностно-временные характеристики протоколов множественного доступа
к связным ресурсам ретрансляторов, способы маршрутизации сообщений в
низкоорбитальных сетях связи, анализируются и сравниваются спутниковые сети связи,
построенные на основе гео-, низко- и среднеорбитальных группировок ретрансляторов.
Вторая часть посвящена особенностям спутниковых сетей различного назначения:
сетей персональной подвижной связи, телевизионного и радиовещания,
мультимедийных сетей и др. Проанализированы основные характеристики современных и
перспективных спутниковых сетей связи. Оценена эффективность использования
современной сетевой ATM-технологии в спутниковых сетях.
Книга может быть полезна специалистам, занимающимся разработкой и
эксплуатацией спутниковых сетей связи, операторам связи, а также студентам различных
специальностей в области радиотехники и связи.
УДК 621.396.946
ББК 32.884.1
Технический редактор А. Бохенек
Художник обложки Л. Антипин
Корректор Е. Малыгина
Компьютерная верстка С. Соколов
Подписано в печать 19.11.03. Формат 70Х100У16.
Бумага офсетная № 1. Печать офсетная.
Объем 33,5 печ. л. Тираж 1000 экз. Заказ № 4862.
Альпина Паблишер
Изд. лицензия ИД 04715 от 08.05.01.
113035 Москва, Космодамианская наб.,
д. 40-42, стр. 3. _ _ .
Тел. @95) 105-77-16, www.alpina.ru, Все пРат защищены. Любая часть этой
e-mail: inro@alpina.ru книги не может быть воспроизведена в какой
~ бы то ни было форме и какими бы то ни было
Отпечатано в полном соответствии средствами без письменного разрешения ела-
с качеством предоставленных диапозитивов э авторских прав.
в издательско-полиграфическом комплексе «Звезда».
614990, г. Пермь, ГСП-131, ул. Дружбы, 34.
© В.Е. Камнев, В.В. Черкасов, Г.В. Чечин, 2003
ISBN 5-94599-099-Х © «Альпина Паблишер», оформление, 2004

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 8
Обращение к читателям 9
Введение 11
Часть 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
СПУТНИКОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных
ретрансляторов 23
1.1.1. Общая характеристика спутниковых сетей,
использующих ГСР 23
1.1.2. Организация работы через ГСР 34
1.1.3. Основные характеристики приемо-передающей
аппаратуры земных станций и геостационарных
ретрансляторов и их влияние на пропускную способность
спутниковых каналов связи 41
1.1.4. Диапазоны частот для спутниковой связи 54
1.1.5. Модуляция-демодуляция сигналов в спутниковых
каналах связи 71
1.1.6. Экономное использование полосы частот каналов связи 79
1.1.7. Помехоустойчивое кодирование 85
1.1.8. Энергетический бюджет спутниковых радиолиний связи 118
1.1.9. Многостанционная передача через ГСР 127
1.1.9.1. Энергетические соотношения в каналах связи
через ГСР при ЧРК 128
1.1.9.2. Многостанционная работа через ГСР при ВРК 131
1.1.9.3. Многостанционная работа при РКФ 135
1.1.10. Протоколы множественного доступа в спутниковых
каналах связи 138
1.1.10.1. Характеристики информационных потоков
пользователей 138
1.1.10.2. Методы исследования характеристик ПМД 141
1.1.10.3. Основные разновидности протоколов
множественного доступа и их характеристики 144

Содержание
1.1.10.4. Протоколы фиксированного доступа 148
1.1.10.5. Протоколы случайного многостанционного доступа . 165
1.1.10.6. Протоколы предоставления каналов
по требованию 171
1.1.11. Проблемы и пути создания ГССС высокой
пропускной способности 181
1.1.11.1. Использование многолучевых приемных
и передающих бортовых антенн 182
1.1.11.2. Бортовая обработка сигналов 189
1.1.11.3. Бортовая коммутация пакетов 197
1.1.11.4. Способы борьбы с информационными
перегрузками в ГССС 208
1.2, Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 220
1.2.1. Основные особенности построения и проблемы
проектирования негеостационарных спутниковых сетей связи .... 224
1.2.2. Преимущества и недостатки ССС, использующих
негеостационарные орбитальные группировки ретрансляторов ... 229
1.2.3. Параметры орбитальных группировок 248
1.2.4. Маршрутизация информационных потоков
в НССС и её особенности 256
1.2.4.1. Основные принципы маршрутизации 256
1.2.4.2. Волновые алгоритмы маршрутизации 265
1.2.4.3. Адаптивная маршрутизация 274
1.2.5. Исследование вероятностно-временных характеристик
сети с различными алгоритмами построения системы
информационного обмена 285
1.2.6. Варианты организации адресно-маршрутной
базы данных в НССС и выбор её параметров 295
1.2.7. Обеспечение устойчивости протоколов случайного
многостанционного доступа в НССС 307
1.2.8. Оптимизация параметров алгоритмов резервирования
при обеспечении непрерывности соединений
и переназначения каналов связи 315
Часть 2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ССС
В НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
И ИНФРАСТРУКТУРАХ
2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных
структурах современного общества 321
2.1.1. Области применения ССС 321
2.1.2. Техническая основа для создания БРТК современных
и перспективных спутников-ретрансляторов 338
2.1.2.1. Система энергообеспечения 339
2.1.2.2. Бортовые радиопередающие устройства 342

Содержание
2.1.2.3. Антенны 343
2.1.2.4. Оптические системы и линии связи в ССС 347
2.1.3. Спутниковые сети телевизионного и радиовещания 350
2.1.4. Сети подвижной и персональной подвижной
спутниковой службы 366
2.1.4.1. ССС подвижной службы 366
2.1.4.2. Сети персональной подвижной спутниковой
службы 373
2.1.4.3. СППСС, использующие негеостационарные
группировки ретрансляторов 382
2.1.4.4. СППСС, базирующиеся на геостационарных
ретрансляторах 392
2.1.5. Особенности технологии сетей VSAT 403
2.1.6. Спутниковые сети связи и Интернет 415
2.1.7. Мультимедийные спутниковые сети связи 425
2.1.8. Интеграция наземных и спутниковых сетей связи 450
2.2. Использование технологии ATM в ССС 467
2.2.1. Базовые принципы ATM-технологии 467
2.2.2. Архитектура сетей ATM 468
2.2.3. Перспективы и проблемы использования спутниковых
каналов связи в сетях ATM 474
2.2.4. Определение показателей качества обслуживания
в различных сечениях спутниковой ATM-сети 481
2.2.4.1. Исследование характеристик качества обслуживания
на участке ЗС-СР потоков нереального времени,
допускающих регламентированные задержки 481
2.2.4.2. Характеристики информационного обслуживания
ПНЗ-1 в каналах связи СР-ЗС 492
2.2.5. Исследование алгоритмов управления
и предотвращения перегрузок в спутниковой сети 498
Приложение 1. Использованные аббревиатуры и полные названия
терминов и понятий 512
Приложение 2. Список использованных сокращений 519
Список использованной литературы 522

Предисловие
Проблема создания эффективных спутниковых сетей связи является
исключительно актуальной для России с ее необъятными просторами. Несмотря на
наличие значительного числа публикаций в отечественной и зарубежной литературе,
посвященных этой теме, ощущается необходимость систематизации и развития
основных принципов построения спутниковых систем связи, способов их
расчета, определяющих основные характеристики сети и качества ее
функционирования. Фундаментальная книга «Спутниковые сети связи» состоит из двух
частей. В первой части рассматриваются вопросы построения спутниковых сетей
связи. При этом основное внимание авторы уделяют общей характеристике
спутниковых сетей, приёмно-передающей аппаратуре земных станций и геостационарных
ретрансляторов. Особое внимание авторы уделяют методам многостанционной
работы через спутники ретрансляторы и помехоустойчивому кодированию. Для
специалистов интерес представляет разделы книги, посвященный использованию
полосы частот каналов связи и принципам модуляции и демодуляции в
спутниковых каналах связи. Вторая часть книги посвящена использованию
спутниковых систем связи в новых информационных технологиях и инфраструктурах.
Особое внимание авторы уделили вопросам построения сети подвижной и
персональной связи, мультимедийным спутниковым сетям связи, интеграции
наземных и спутниковых линий связи. Проведен подробный анализ возможностей
использования технологии ATM в спутниковых системах связи.
Представляется, что книга будет полезна специалистам при проектировании
и эксплуатации спутниковых сетей связи. Она может быть использована как
учебное пособие студентами связных и радиотехнических специальностей.
Д. т. н., проф. ЛА Z? Шахгильдян В.В.

Обращение к читателям
Сегодня во всем мире растет осознание тех преимуществ, которые несут с
собой развитие и распространение информационно-коммуникационных технологий
(инфокоммуникаций). Революционное воздействие инфокоммуникаций касается
государственных структур и институтов гражданского общества, экономической
и социальной сфер, науки и образования, культуры и образа жизни людей. Они
предоставляют людям возможность широкого использования своего потенциала
и служат достижению устойчивого экономического роста, повышения
благосостояния населения, укрепления демократии, развития культурного многообразия,
укрепления международного мира и стабильности.
Индустрия создания и предоставления услуг инфокоммуникаций является
основой развитой информационной среды, и именно на ней строится социально-
экономическая база перехода к информационному обществу.
Рассмотрению основных аспектов применения сетей спутниковой связи для
развития информационно-коммуникационных технологий посвящена книга Камне-
ва В.Е. Черкасова В.В., Чечина Г.В. «Спутниковые сети связи».
В книге «Спутниковые сети связи» (ССС) авторы изложили основные
принципы построения ССС и их основных элементов и отразили общемировые
тенденции развития спутниковой связи. В первой части книги рассмотрены
эффективные методы передачи радиосигналов по спутниковым каналам связи —
модуляция, помехоустойчивое кодирование, многостанционная передача по
общим каналам, протоколы множественного доступа к каналам связи, способы
обеспечения высокой пропускной способности ССС с использованием
многолучевых приемопередающих антенн и бортовой обработки сигналов. Большое
внимание уделено вопросам построения ССС, базирующихся на негеостационарных
группировках спутниковых ретрансляторов.
Вторая часть книги связана с областями применения ССС и особенностями
сетей различного назначения — вещательных, сетей персональной подвижной
связи, мультимедийных и т.д. Заслуживает внимание раздел книги, посвященной
вопросам интеграции спутниковых и наземных сетей связи на базе
перспективной сетевой АТМ-технологии.
Особенностью данной книги является то, что в ней широко и, в тоже
время, детально рассмотрены вопросы, характеризующие как радиотехнические,
так и сетевые аспекты построения ССС в их тесном единстве и взаимосвязи.

10 Обращение к читателям
Это позволило авторам выполнить системный анализ ССС на качественно
новом уровне.
Книга содержит ряд новых научных результатов, полученных авторами, в
частности:
• определение области эффективного применения различных методов
уплотнения и разделения каналов связи при многостанционной работе;
• определение области эффективного применения протоколов
множественного доступа в спутниковых каналах связи;
• результаты проведенного авторами анализа принципов построения и
функционирования негеостационарных ССС, включая низкоорбитальные сети
связи, которые позволяют определить место и роль данных ССС в
мировой инфотелекоммуникационной структуре;
• результаты проведенного авторами анализа эффективности применения
ATM-технологии в ССС.
Представленные в книге материалы могут быть полезными для
разработчиков сетей связи при выработке концепции построения и развития
Взаимоувязанной сети связи России и других стран, а также их подсетей, определения места
и роли спутниковых сетей связи в национальных и глобальной инфотелекомму-
никационных структурах.
Президент Международной Академии Связи,
Доктор технических наук, профессор
Л.Е. Варакин

ВВЕДЕНИЕ
Сети связи представляют собой комплексы технических средств, которые
обеспечивают обмен информацией по каналам связи между совокупностью
территориально распределенных объектов и являются обобщением систем связи на
случай большого количества отправителей и получателей информации. В
настоящее время в мире создаются сети связи со сложной структурой, зависящей как от
назначения и требуемых характеристик сети, так и от технических возможностей
средств, используемых при их реализации. В общем случае сеть связи включает
в себя узлы (абонентские и концентрации, коммутации, маршрутизации и
ретрансляции информационных потоков) и каналы связи различного типа. В основе
построения сетей связи лежит принцип пространственной коммутации каналов,
сообщений или пакетов. В сетях, построенных по принципу коммутации каналов,
отправитель предварительно посылает вызов, который, пройдя ряд
коммутационных узлов, устанавливает сквозной канал (цепочку каналов связи и
промежуточных узлов сети) между отправителем и получателем. Эта скоммутированная
цепочка остается неизменной на все время соединения (сеанса связи). При
коммутации сообщений каждое из них передается поэтапно от одного узла сети к
другому по направлению к получателю, занимая каналы по маршруту следования
поочередно на время прохождения этого сообщения. Узлы такой сети для
промежуточного хранения данных должны иметь в своем составе буферные
накопители, выполняющие роль согласующих по скорости поступления информационных
потоков и скорости передачи информации по каналу связи устройств. При
коммутации пакетов осуществляется передача по сети пакетов фиксированного
объема, на которые предварительно фрагментируется каждое сообщение, а
переданное сообщение регенерируется из принятых пакетов в узле-получателе.
История коммерческих спутниковых сетей связи (ССС) началась в апреле
1965 г. с выводом на орбиту впервые в мире гражданского спутника связи
INTELSAT-1 (другое название EARLY BIRD), ставшего первым спутником-
ретранслятором (СР) международной организации Intelsat (International
Telecommunications Satellite Organization), учрежденной в августе 1964 г. [1].
Концепция спутниковой связи проста и заключается в том, что
промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного
спутника Земли (ИСЗ), который движется по орбите почти без затрат энергии
на это движение. На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы

12 Введение
лишь для коррекции параметров орбиты СР, которые могут меняться под
влиянием различных дестабилизирующих факторов. Энергообеспечение бортового
ретрансляционного комплекса (БРТК) осуществляется от солнечных батарей
(СБ) и подзаряжаемых от С Б аккумуляторов, которые питают бортовую
аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей. Таким образом, СР представляет
собой в значительной степени автономную систему и способен предоставлять
услуги связи в течение длительного времени. Срок службы современных СР
составляет 5-15 лет.
Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен
предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной
территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Под областью
обслуживания ССС будем понимать часть земной поверхности и околоземного
пространства между любой парой точек, которой возможна передача
информации с заданной скоростью и качеством. «Геометрия» области обслуживания
определяется не только параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками
БРТК, но и характеристиками используемых земных станций (ЗС), а также
требованиями к пропускной способности каналов связи и качеству передачи
информации. Если необходимые размеры области обслуживания велики настолько, что
не могут быть покрыты одним ретранслятором, то используют орбитальную
группировку, состоящую из нескольких ретрансляторов, каждый из которых
обслуживает часть (зону) области обслуживания. Разбиение на зоны может
использоваться и при наличии одного СР с БРТК, оборудованным многолучевой
приемопередающей антенной, каждый луч которой формирует свою зону
обслуживания. Обычно зоны частично перекрываются, образуя сплошную область
обслуживания, но возможны ситуации, когда целесообразным оказывается
использование нескольких изолированных зон, например при объединении посредством
ССС информационных структур нескольких мегаполисов в единую
инфраструктуру. В любом случае при зональном обслуживании для обеспечения
возможности связи между ЗС, находящимися в разных зонах обслуживания, необходима
организация межзоновых каналов связи.
В течение вот уже более тридцати пяти лет ССС интенсивно и быстро
развиваются. В мире создано и создается большое число ССС, различающихся
решаемыми прикладными задачами, масштабами, количеством и качеством
используемого оборудования, пропускной способностью. Широкое распространение
спутниковых сетей связи обусловлено следующими их во многом уникальными
свойствами [2, 3, 4, 5]:
1. Обеспечение области обслуживания значительных размеров, вплоть до
глобальной, полностью охватывающей поверхность Земли.
2. Возможность расширения интерфейса между пользователями и сетью,
благодаря обслуживанию отдаленных, малонаселенных и
труднодоступных территорий, где развертывание наземных сетей связи экономически
не оправдано, либо просто невозможно. С этой точки зрения ССС могут
играть дополняющую роль по отношению к наземным сетям.
3. Простота обеспечения широковещательного и многоадресного
(циркулярного)' режимов передачи.

Введение 13
4. Возможность гибкой поддержки различных информационных услуг и
приложений, независимость технологии передачи и коммутации от
технологии предоставления услуг.
5. Обеспечение совместной передачи по общим физическим каналам
существенно разнородных информационных потоков (речь, аудио-, видео-,
факс, цифровые массивы и т.д.), показатели качества передачи которых
значительно различаются.
6. Совместная передача непрерывного и пакетного трафика.
7. Одновременная поддержка интерактивных служб с- или без установления
соединения или без него.
8. Предоставление услуг подвижным пользователям.
9. Высокая пропускная способность спутниковых каналов связи при
приемлемо высоком качестве передачи.
10. Простота обеспечения требуемых топологических свойств сети, в том
числе полносвязности.
11. Эффективное использование сетевых ресурсов, благодаря возможности
перераспределения пропускной способности сети между каналами связи в
соответствии с текущими характеристиками сетевого трафика.
12. Возможность предоставления пользователям услуги глобального местоопре-
деления.
13. Большая гибкость ССС, позволяющая в случае необходимости достаточно
просто изменять область обслуживания путем изменения орбиты
ретрансляторов или пространственной ориентации луча (лучей) бортовых антенн,
номенклатуру предоставляемых информационных услуг, сетевую
топологию, а также быстро адаптироваться к потребностям пользователей.
14. Простота пространственного расширения сети путем установки в области
обслуживания нужных дополнительных ЗС в нужном месте, что позволяет
быстро охватить сферой информационных услуг всех вновь
присоединяющихся к сети пользователей.
15. Относительно малые сроки развертывания ССС и наладки оборудования
и аппаратуры.
16. Обеспечение приемлемой совместимости с современными технологиями
передачи информации наземных сетей связи, таких как ATM
(Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи) и Frame Relay.
17. Возможность построения крупномасштабных широкополосных цифровых
сетей интегрального обслуживания — ШЦСИО {B-ISDN — Broadband
Integrated Service Digital Network}* без значительных инвестиций на
начальных фазах развертывания, особенно на территориях, где наземная
инфраструктура развита недостаточно или вовсе отсутствует.
18. ССС дают возможность объединять на начальных фазах развития
наземной инфраструктуры локальные, городские и региональные наземные
ШЦСИО, в том числе и на базе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС),
Здесь и далее в тексте в фигурных скобках приводится соответствующая англоязычная
аббревиатура и её расшифровка. Список часто используемых англоязычных
сокращений дан в Приложении.

14 Введение
в корпоративные, национальные, интернациональные и глобальные
структуры. По мере созревания и развития наземной инфраструктуры ССС
могут быть использованы в качестве дополнения и резерва для наземных
каналов связи, в частности, на случай природных и техногенных катастроф.
ССС различного назначения могут отличаться друг от друга по целому ряду
классификационных признаков, основными из которых являются:
• характеристики области обслуживания;
• преобладающее направление информационных потоков в сети;
• тип орбитальной группировки ретрансляторов;
• диапазоны используемых частот;
• назначение ССС и тип используемых станций.
По охватываемой территории, административной структуре управления и
принадлежности космического и наземного сегментов сети связи можно выделить:
• глобальные ССС, обеспечивающие полный охват территории Земли и
развивающиеся под управлением и при координации международных
организаций, объединяющих большинство стран мира;
• интернациональные ССС, являющиеся объектом совместной
деятельности нескольких десятков стран, в том числе региональные ССС, совместно
используемые странами, расположенными в относительном соседстве друг
с другом и принадлежащими одному географическому региону;
• национальные ССС, наземный сегмент которых сосредоточен в пределах
одной страны;
• корпоративные (ведомственные) ССС, наземный сегмент которых
принадлежит одному ведомству, крупной частной компании и т.д., а назначение
сетей состоит в обеспечении обмена деловой информацией и данными в
интересах организации-владельца или арендатора сети. Корпоративные
сети строятся преимущественно на основе ЗС типа VSAT (Very Small
Aperture Terminal) и долговременной аренды части связных ресурсов
коммерческих СР общего пользования.
По превалирующему направлению передачи информационных потоков в ССС
различают:
• сети сбора информации, в которых информация передается от
многочисленных источников (датчиков) в один или несколько центров сбора и
обработки информации;
• сети распределения информации, для которых характерна передача
трафика от небольшого числа центральных распределительных станций к
многочисленным потребителям информации. В обратном направлении может
передаваться лишь незначительный объем запросной информации. Для
сетей распределения информации характерно наличие режимов
многоадресной и широковещательной передачи;
• сети обмена информацией характеризуются тем, что в них ЗС являются в
примерно равной степени источниками и потребителями циркулирующих
в сети информационных потоков.

Введение 15
В простейших предпосылках (Земля имеет форму идеального шара, а на ИСЗ
действует только гравитационное поле Земли) движение спутника по
околоземной орбите подчиняется законам Кеплера [6]. Плоскость орбиты неподвижна во
времени и проходит через центр Земли, а орбита имеет форму эллипса, в одном
из фокусов которого расположена Земля. Точка пересечения линии, соединяющей
ИСЗ и центр Земли, с поверхностью земного шара называется подспутниковой
точкой. Высота эллиптической орбиты h (расстояние между ИСЗ и его
подспутниковой точкой) меняется во времени с периодом, равным времени обращения
спутника по орбите. Максимальное значение высоты орбиты называется высотой
в точке апогея, а минимальное — высотой в точке перигея. Другими важными
параметрами, характеризующими околоземную орбиту спутника связи, являются:
• угол наклонения плоскости орбиты i — угол между плоскостью экватора
Земли и плоскостью орбиты, отсчитываемый от плоскости экватора в
направлении на север. По этому параметру различают экваториальные
(г = 0), полярные (г = 90°) и наклонные @ < г < 90°, 90° < г < 180°) орбиты.
Если 0 < г < 90°, говорят, что спутник запущен в восточном направлении,
если же 90° < г < 180° — в западном. Спутники связи запускаются
исключительно в восточном направлении, поскольку их запуск в западном имеет
только отрицательные стороны: возрастает скорость перемещения
спутника относительно земной поверхности, а для вывода на орбиту требуется
более мощный носитель;
• долгота восходящего узла — долгота точки пересечения траектории
подспутниковой точки с линией экватора при движении спутника с юга на
север; .
/2 2
• эксцентриситет орбиты, равный е = л/1 —Ъ / а , где а и Ъ соответственно
большая и малая полуоси эллипса орбиты. Величина эксцентриситета
может принимать значения в диапазоне 0 < е < 1. Чем больше
эксцентриситет, тем более «узкой и вытянутой» является орбита спутника. При е = 0
эллиптическая орбита вырождается в круговую с постоянной высотой /г;
• время обращения спутника по орбите (время вращения спутника) —
интервал времени между соседними прохождениями спутником одной и той
же точки орбиты.
При построении ССС могут быть использованы следующие типы орбит:
• геостационарная орбита {GEO — Geostationary Earth Orbit};
• низкие круговые орбиты {LEO — Low Earth Orbit};
• средневысотные круговые орбиты {МЕО — Medium Earth Orbit};
• эллиптические околоземные {ЕЕО — Elliptical Earth Orbit}.
Геостационарные СР выводятся в восточном направлении на круговую
орбиту с нулевым наклонением (в экваториальную плоскость) и высотой над
поверхностью Земли h = 35875 км. Эта орбита характеризуется тем, что угловая
скорость спутника совпадает по величине и направлению с угловой скоростью
вращения Земли и теоретически ГСР является неподвижным относительно
точки экватора (подспутниковой точки), над которой размещается ретранслятор.
Вследствие этого данная орбита получила специальное название — геостацио-

16 Введение
нарная орбита (ГО). Геостационарную орбиту часто называют орбитой Кларка в
честь известного английского писателя-фантаста, впервые опубликовавшего
идею об использовании трех ГСР, разнесенных на угол 120°, для создания
глобальной сети связи еще в 1945 году [7]. Единственным значащим параметром
геостационарной орбиты является долгота подспутниковой точки ГСР.
Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР
геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются
возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие до-
плеровского сдвига частоты. Вследствие этого при достижимых на сегодняшний
день точностях удержания СР в рабочей точке на орбите и систем ориентации
бортовых антенн на ЗС нет необходимости использовать достаточно сложные и
дорогие следящие системы наведения антенн. Это существенно снижает
стоимость наземного сегмента ССС и затраты на его эксплуатацию.
Число спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите ограничивается
международными нормами. В частности, эти ограничения определяют величину
минимального углового разноса ретрансляторов. Для обеспечения приемлемой
электромагнитной совместимости разных ССС угловой разнос ГСР на орбите
должен быть не меньше одного градуса. Геостационарная орбита близка к
насыщению. В 2000-м году общее число действующих коммерческих ГСР превысило
две сотни, а их результирующая полоса пропускания составила более 200 ГГц.
В связи с этим наблюдается тенденция к переходу от количественного развития
ГСР к качественному путем наращивания пропускной способности каждого
ретранслятора с целью максимально эффективного использования выделенных
позиций на геостационарной орбите.
Низкоорбитальные ретрансляторы размещаются на круговых орбитах высотой
от 700 до 1500 км. Чем ниже орбита, тем меньше область обслуживания каждого
СР. Поэтому для обслуживания достаточно больших территорий земной
поверхности требуется много спутников — от нескольких десятков до нескольких сотен.
Период обращения ретрансляторов на низких орбитах составляет 90-120 минут,
а максимальное время видимости спутника из фиксированной точки земной
поверхности не превышает 10-15 минут. Не слишком приятной особенностью
низкоорбитальных группировок ретрансляторов является то, что они действуют по
принципу «всё или ничего», в том смысле, что, если от них требуется
обслуживание какой-либо области земной поверхности, они в состоянии также
обслужить почти любую другую аналогичную область, если даже этого от них вовсе
не требуется. Поэтому при построении региональных ССС связные ресурсы
низкоорбитальных группировок используются неэффективно, а областью их
применения являются глобальные (или почти глобальные) спутниковые сети связи.
Возможные трассы средневысотных спутников выбираются на высотах от 5
до 15 тыс. км. Область обслуживания каждого средневысотного СР
существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для охвата наиболее населенных
районов суши и судоходных акваторий океанов необходимо создавать
группировки из 8-12 спутников. Суммарная (в обе стороны) задержка сигнала при
связи через средневысотные ретрансляторы не превышает 200 мс, что
позволяет использовать их для качественной радиотелефонной связи.
Продолжительность пребывания СР в зоне радиовидимости ЗС составляет 1,5-2 часа, а ор-

Введение 17
битальный ресурс средневысотных спутников лишь незначительно меньше, чем
у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли выбирается
равным 6 часов (при высоте орбиты 10350 км). Это приводит к повторению
траектории подспутниковой точки через каждые 4 витка орбиты, что
значительно упрощает процесс информационного обслуживания пользователей.
Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что в силу закона
сохранения энергии их угловая скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее.
Поэтому СР будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение
более длительного времени, чем негеостационарный спутник, орбита которого
является круговой. Например, спутник-ретранслятор, выведенный на орбиту
типа «Молния» (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,4 градуса),
обеспечит сеансы связи с продолжительностью 8-10 часов. Орбитальная
группировка всего из трех таких спутников позволяет обеспечить глобальную
круглосуточную связь.
ССС работают в диапазоне частот от нескольких сотен МГц до нескольких
десятков ГГц в специально выделенных Регламентом радиосвязи [8] участках
спектра. Применительно к ССС «прижились» и широко используются
условные буквенные обозначения диапазонов частот, введенные из соображений
секретности еще в годы Второй мировой войны: 1-диапазон @,5-1,5 ГГц), 5-диа-
пазон A,5-2,5) ГГц, С-диапазон D-8 ГГц), iCw-диапазон A2-18 ГГц), Ка-
диапазон B0-40 ГГц) и Q/F-диапазон D0-74 ГГц).
Изначально буквенное обозначение — if-диапазон было присвоено полосе частот
18-27 ГГц. Однако обнаружение значительного поглощения радиосигналов в
атмосфере Земли на частоте 22,3 ГГц, обусловленного резонансными явлениями в
молекулах водяного пара, исключило возможность использования частот вблизи
этого резонанса. В результате были введены обозначения Тйг-диапазон (К — under,
диапазон под диапазоном К) и Ка-диапазон (К — above, диапазон над диапазоном К).
Распространены также и цифровые обозначения используемых в ССС
диапазонов частот, представляющие средние округленные значения частот
приёма/передачи спутником-ретранслятором. Так, С-диапазону соответствует диапазон 6/4 ГГц
(рабочая частота радиолиний «вверх» около 6 ГГц, а «вниз» — 4 ГГц,), iuz-диапа-
зону - 14/12 ГГц, ^-диапазону 30/20 ГГц, а Q/V-диапазону - 50/40 ГГц.
На начальной стадии развития ССС предпочтение отдавалось L-, S- и
С-диапазонам, соответствующим «радиоокну прозрачности» земной атмосферы,
расположенному ориентировочно в пределах от 1 ГГц до 10 ГГц [9]. Однако L- и 5-диа-
пазоны уже были основательно заняты другими радиослужбами, поэтому для
нужд спутниковой связи в этих диапазонах были выделены полосы частот, не
превышающие в сумме нескольких десятков МГц, что не позволяло достичь
необходимой пропускной способности ССС. Поэтому первым выбором стал
С-диапазон, который достаточно широко используется и до настоящего времени.
Недостатком диапазона 6/4 ГГц является возможность создания взаимных помех
между ССС и наземными радиорелейными линиями связи. По этой причине, в
частности, была достаточно жестко регламентирована плотность потока
мощности радиосигналов СР у земной поверхности. По мере постепенного насыщения
С-диапазона и прогресса в области производства СВЧ-компонентов
радиоэлектронной аппаратуры началось освоение Хг/-диапазона. В этом диапазоне можно

18
Введение
использовать антенны меньших размеров, лучше условия электромагнитной
совместимости с другими радиослужбами, но проявляется, хотя и не в очень сильной
степени, влияние состояния земной атмосферы на поглощение и рассеяние
радиосигналов, что требует определенного энергетического запаса радиолиний связи.
Тем не менее Ku-диапазон давно апробирован на практике, технология
производства аппаратуры отработана и в настоящее время диапазон 14/12 ГГц используется
большинством из действующих СР. В последние годы идет достаточно
интенсивная подготовка к использованию Ка- и Q/V-диапазонов. В таблице 1 [10] показана
динамика изменения степени использования различных диапазонов частот
коммерческими геостационарными спутниками связи (в процентном отношении).
Таблица 1
Динамика изменения степени использования диапазонов частот в ССС (в процентах)
^^"^--^^ Год
Диапазон ^^~^^^^
С
Ки
Ка
1998
40
59
1
2001
35
64
1
2004 (прогноз)
30
53
17
Существует разделение спутниковых служб связи по назначению сети и типу
земных станций, введенное Регламентом радиосвязи:
• фиксированная спутниковая служба — ФСС {FSS — Fixed Satellite Service};
• подвижная спутниковая служба — ПСС {MSS — Mobile Satellite Service};
• широковещательная спутниковая служба — ШСС {BSS — Broadcast
Satellite Service}.
Сети ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными
станциями, организации магистральных каналов большой протяженности и
региональной (зоновой) связи, построения корпоративных сетей. Услуги ФСС
предоставляют пять крупных международных организаций и около 50
региональных и национальных компаний. К наиболее значительным коммерческим
системам фиксированной службы относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arab-
sat и AsiaSat. Наиболее мощной является международная система Intelsat,
орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона
обслуживания — Атлантический, Индийский, Азиатско-Тихоокеанский и Тихоокеанский.
В настоящее время пропускная способность каждого из 25 СР этой системы
составляет от 12 до 35 тыс. телефонных каналов, а наземный сегмент включает в себя
около 800 крупных станций, размещенных в 170 странах мира [11].
Сети ПСС появились около 30 лет назад. В зависимости от типа станции они
подразделяются на морскую — МПСС {MMSS — Maritime Mobile Satellite Service},
воздушную ВПСС {AMSS — Airborne Mobile Satellite Service} и сухопутную —
С ПСС {LMSS — Land Mobile Satellite Service}. Первая глобальная сеть мобильной
радиотелефонной связи и геостационарный СР Marisat разработаны компанией
Comsat в середине 70-х годов, то есть значительно позднее, чем системы ФСС. Это

Введение 19
было связано с тем, что энерговооруженность подвижных объектов существенно ниже,
чем стационарных, а также с более сложными условиями эксплуатации этих объектов.
Первоначально подвижные наземные станции разрабатывались для систем в
основном военного назначения. Сети подвижной службы первого поколения
строились с использованием геостационарных СР и имели низкую пропускную
способность. Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.
Широковещательная спутниковая служба предназначена для приема
телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем
непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания
и спутникового непосредственного радиовещания. Все системы
телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области
телекоммуникаций, где основное требование к системе — сплошное покрытие
обслуживаемых территорий, преимущества ГССС перед другими средствами связи
проявляются в наибольшей степени.
Примеры ССС различных спутниковых служб приведены в таблице 2.
С позиций сегодняшнего дня ССС первых поколений были весьма далеки от
совершенства. С использованием элементной и компонентной базы тех лет
невозможно было создать мощные и надежные бортовые передатчики и
чувствительные малошумящие приемники. К тому же скромные возможности средств
доставки спутников связи на орбиту жестко ограничивали массогабаритные
характеристики как ИСЗ в целом, так и бортовой ретрансляционной аппаратуры.
Низкие характеристики ретрансляторов приходилось компенсировать высокими
характеристиками земных станций. В результате ЗС оказывались чрезвычайно
громоздкими и дорогими сооружениями. Возможность спутникового
радиоканала обеспечивать связь между точками земной поверхности, удаленными друг от
друга на огромные расстояния, без прокладки между этими точками
специальной физической среды для распространения сигналов предопределила основные
направления практического использования первых поколений ССС —
распределение радио- и телевизионных программ и телефония. Спутниковая сеть
распределения телевизионных программ одной из первых в мире была развернута в
бывшем СССР с его огромной территорией и жестко централизованной
структурой телевещания. Несколько десятков приемных станций сети «Орбита» были
оснащены следящими антенными системами диаметром около 12 метров, а для
размещения приемного оборудования требовалось специально построенное
здание. На первых фазах своего развития международная ССС Intelsat
обеспечивала межконтинентальную и межрегиональную передачу международного
телефонного трафика и обмен телевизионными программами. На более чем двухстах
ЗС этой сети использовались антенны диаметром до 30 метров.
Очевидно, что с экономической точки зрения с учетом того, что практически в
любой ССС число ЗС намного больше числа ретрансляторов, выгодно иметь в
составе сети один или несколько мощных, чувствительных и, соответственно,
дорогих СР и большое количество простых и дешевых ЗС. Эволюция ССС с момента
начала их практического использования идет по пути улучшения характеристик
ретрансляторов и одновременного упрощения ЗС. Скорость движения в этом
направлении во многом определяется прогрессом в областях науки, техники и
технологии, способствующих развитию средств космической связи. Такой общей

20
Введение
Таблица 2
ССС различных спутниковых служб
Тип спутниковой
службы
Фиксированная
спутниковая
служба на базе
геостационарной
спутниковой сети
Широковещательна
я спутниковая
служба на базе
геостационарной
спутниковой сети
Подвижная
спутниковая
служба на базе
геостационарной
спутниковой сети
Подвижная
спутниковая служба
на базе большой
низкоорбитальной
спутниковой сети
Подвижная
спутниковая
служба на базе
малой
низкоорбитальной
спутниковой сети
Широкополосная
геостационарная
спутниковая сеть
Широкополосная
негеостационарная
спутниковая сеть
Диапазон
частот
С,Ки
Ки
L,S
L,S
Ниже
1ГГц
Ка
Ки
Ка
Приложения
Телефония,
передача данных,
первичное
распределение
ТВ-программ,
приложения VSAT
Передача
видео- и
аудиоинформации
напрямую в дома
пользователей
Речевая связь,
низкоскоростная
передача данных,
определение
местоположения
Подвижная
телефония,
пейджинг,
низкоскоростная
передача данных,
определение
местоположения
и др.
Передача коротких
сообщений,
определение
местоположения,
слежение
за подвижными
объектами
Доступ в Интернет,
передача речи,
аудио-, видео-,
графических
данных и др.
Доступ в Интернет,
передача речи,
аудио-, видео-,
графических
данных и др.
Тип земных
станций
Стационарная
земная станция
с антенной
диаметром 1 м
или более
Стационарная
земная станция
с антенной
диаметром
от 0,6 до 4 м
Небольшой
терминал,
устанавливаемы
й на автомобиле,
корабле или
носимый в руке
Портативный
телефон,
пейджер
или таксофон
Устройство
размером
с пачку сигарет,
имеющее
всенаправленну
ю антенну
Стационарная
земная станция
с антенной
диаметром
от 0,7 до 3,5 м
Земная станция
с антенной
размером
от 30 до 70 см
Примеры систем
Intelsat,
Eurosat,
Intersputnic,
Galaxy,
Aussat,
Skynet
DirecTV,
Echostar,
USSB,
Astra
Inmarsat,
AMSC,
ACeS,
Thuraya
Iridium,
Globalstar
ORBCOMM,
ESAT,
Гонец
Spaceway,
CyberStar,
Astrolink
SkyBridge,
Teledesic

Введение 21
тенденции развития ССС, кроме экономического фактора, способствуют и
другие факторы, но о них речь пойдет в дальнейшем.
С середины семидесятых годов началось распространение региональных и
национальных ССС фиксированной службы. Эти сети строились на базе либо
собственных геостационарных ретрансляторов, либо арендуемых у Intelsat
спутниковых каналов связи. Основные функции таких сетей сводились к распределению
телевизионных сигналов и телефонии, а также, в незначительном объеме,
передаче данных в границах отдельных государств и регионов. От земных станций
национальных ССС требовалась небольшая пропускная способность, поэтому они
становились меньше, проще и дешевле. Примерно в то же время началось
предоставление информационных услуг подвижной спутниковой службы. Сначала
такие услуги предоставлялись морским судам, а затем были распространены на
самолеты и сухопутные подвижные средства. Сами же услуги были скромными:
один телефонный канал со скоростью D,8-16) кбит/с или низкоскоростной канал
передачи данных пропускной способностью @,6-2,4) кбит/с. С начала 80-х годов
стали доступными малые ЗС Ки~ и С-диапазоны с диаметром антенн A,5-4)
метра, обеспечивающие скорость передачи 64 кбит/с и более, получившие название
VSAT. Использование VSAT-технологий позволило сделать очередной шаг на
пути приближения услуг спутниковой связи непосредственно к потребителям
этих услуг. Появились и получили широкое распространение сети VSAT,
коллективными пользователями которых стали различные государственные структуры,
а также средние и крупные территориально распределенные частные компании.
Космический сегмент таких сетей строится на основе долговременной аренды
связных ресурсов геостационарных СР общего пользования. Ведущие фирмы —
изготовители оборудования космической связи быстро освоили выпуск широкой
номенклатуры станций VSAT с различными характеристиками, а массовость
производства сделала их цену вполне доступной для многих пользователей.
Примерно с середины 90-х годов в мире сложилась ситуация, обусловленная
в первую очередь социальными и политическими причинами, когда у массового
потребителя возник достаточно высокий спрос на предоставление
индивидуальных широкополосных информационных услуг, а у разработчиков и
производителей ССС появились широкие возможности для удовлетворения этого спроса
в полном объеме и даже, как показывает практика эксплуатации ССС нового
поколения и анализ перспективных проектов, с заметным опережением. Одной из
основных причин массового спроса на широкополосные услуги связи является
огромный рост популярности и широкое распространение сети Интернет.
Подавляющая часть компьютеров индивидуальных абонентов Интернет связана с
сетью посредством пользовательских линий телефонной сети общего пользования,
пропускная способность которых, несмотря на все модемные ухищрения, явно
недостаточна для обеспечения современных Интернет-приложений. Соединение
каждого пользователя с сетью индивидуальными кабелями или ВОЛС —
процесс дорогостоящий, трудоемкий и длительный. ССС в состоянии и должны
решить «проблему последней мили» и обеспечить требуемую скорость доступа
индивидуальных пользователей в Интернет и ШЦСИО.
Одним из важных направлений развития телерадиовещания является
непосредственная спутниковая трансляция телевизионных и радиопрограмм на
индивидуальные пользовательские приемные установки, что позволяет одновременно

22 Введение
передавать с высоким качеством несколько сотен программ. Реальностью стало
непосредственное спутниковое радиовещание на портативные переносные и
автомобильные приемники, а в ближайшем будущем станет возможным и
массовый прием телевизионных спутниковых программ. Перспективно также и
интерактивное телевидение, которое позволяет удовлетворить индивидуальные
запросы пользователей путем трансляции по спутниковым каналам заказных
телепрограмм, а также предоставить возможность интерактивного общения в
процессе телепередач. Продолжением развития этого направления является
непосредственное спутниковое вещание на компьютеры (служба DirecPC).
Новой спутниковой службой, ставшей реальностью совсем недавно, является
персональная подвижная спутниковая служба (ППСС). Такие ССС ориентированы на
предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи с
использованием терминалов типа «трубка в руке» в глобальном или региональном масштабах.
Тенденцией построения таких систем является объединение в общую сеть
спутниковых и наземных сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA), а также
предоставление дополнительно максимально возможного набора услуг по передаче
данных, телексов, факсимильных сообщений, определения местоположения и т.д.
Широкополосные ССС предназначены для передачи высококачественной
речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедийных и интернет-приложений,
а также предоставления других видов услуг, пока недоступных пользователям.
Таким образом, ССС, обладая значительными потенциальными
возможностями, могут и должны занять достойное место в составе глобальной,
региональных и национальных инфотелекоммуникационных инфраструктур. Это возможно
при условии существенного увеличения их пропускной способности и адаптации
к современным сетевым и информационным технологиям.
Настоящее издание посвящено изложению основных принципов построения
ССС в целом и их главных составляющих, способов расчета и соотношений,
определяющих основные характеристики сети и качество её функционирования,
путей повышения эффективности и конкурентоспособности ССС.
Книга состоит из двух частей. В первой части рассматриваются вопросы
построения ССС, базирующихся на геостационарных и негеостационарных
орбитальных группировках спутников-ретрансляторов. Основное внимание уделено
изложению физических принципов функционирования, перспективным структурам
сигналов в различных сечениях сети, методам организации эффективной
многостанционной работы через спутники-ретрансляторы, изложению методик расчета
основных энергетических характеристик спутниковых каналов связи и вероятностно-
временных характеристик информационного обмена. Достаточно большой раздел
посвящен специфическим вопросам функционирования негеостационарных ССС.
Вторая часть посвящена использованию ССС в новых информационных
технологиях и инфраструктурах. Анализируется современное состояние
космических технологий и их перспективы, описывается реализация ряда приложений с
использованием ССС. В отдельном разделе раскрыты технологические
особенности сетей подвижной и персональной спутниковой службы. Проведен анализ
возможностей адаптации ССС к таким перспективным технологиям, как ATM,
с учетом специфики спутниковых радиоканалов связи. Изложены принципы
построения комбинированных структур, объединяющих различные типы ССС с
наземными локальными и региональными сетями фиксированной и мобильной связи.

Часть 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
СПУТНИКОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
1.1. СПУТНИКОВЫЕ СЕТИ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ РЕТРАНСЛЯТОРОВ
1.1.1. Общая характеристика спутниковых сетей,
использующих ГСР
Уникальной особенностью ГО является неподвижность (на практике —
достаточно малая подвижность) ГСР относительно земной поверхности. Это позволяет:
• во многих практических приложениях использовать на ЗС антенны с
фиксированным наведением, что существенно удешевляет оборудование и
позволяет отказаться от услуг высококвалифицированного обслуживающего
персонала;
• обеспечить непрерывность связи с использованием единственного ГСР;
• минимизировать негативное влияние доплеровского сдвига частоты;
• обеспечить почти непрерывное питание бортовой аппаратуры от
первичного источника энергии («ночь» на ГО длится не более 72 минут).
Конфигурация типовой спутниковой сети связи, базирующейся на
геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), приведена на рис. 1.1.1.1.
В состав ГССС обычно входят:
1. Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.
2. Совокупность земных станций (ЗС), оборудованных приемо-передающей
аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и
потребителями информации.
3. Одна или несколько центральных станций (ЦС), обеспечивающих
управление процессами информационного обмена и функционирования сети.
4. Командно-измерительная станция (КИС), обеспечивающая управление
функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.
Земные станции обмениваются между собой информацией через ГСР, который
для этого должен, как минимум, принимать излучаемые передающими ЗС
сверхвысокочастотные (СВЧ) сигналы, переносить частотный спектр принимаемых

24
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
9
Центр
управления
сетью
Центр
управления
полетом
ЗС - земная станция
П - пользователь
ЦЗС - центральная земная станция
КИС - командно-измерительная станция
Рис. 1.1.1.1. Конфигурация типовой ГССС
сигналов в другую область частот, усиливать и переизлучать преобразованные
по частоте сигналы в направлении приемных ЗС.
Земные станции выполняют также функции узлов сопряжения (шлюзов)
между наземными сетями (пользователями) и ССС. С этой целью в ЗС
осуществляется преобразование форматов и протоколов передачи данных, используемых
в наземных сетях, в форматы и протоколы, позволяющие эффективно
использовать связные ресурсы спутниковых каналов. В зависимости от назначения и
пропускной способности основные параметры и конструктивные особенности ЗС

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
25
а)
Рис. 1.1.1.2. Антенны земных станций космической связи
современных ГССС колеблются в широких пределах, начиная от портативных
персональных терминалов типа «трубка в руке» с выходной мощностью в доли
ватт и фиксированных малогабаритных станций с диаметром антенн 0,5-2 метра
с выходной мощностью 1-20 Вт (рис. 1.1.1.2а), до весьма громоздких
конструкций с большими антеннами диаметром 25-30 метров и передатчиками
мощностью до десятков кВт, оформленных в виде специально построенных зданий в
специально выбранных местах (рис. 1.1.1.26).
Через ЦЗС центры управления сетью {NOC — Network Operation Center}
координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В
частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС в составе сети,
обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между
ЗС связные ресурсы сети, архивируются данные об использовании этих
ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация
информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация. При
помощи контрольно-измерительной станции сети центр управления полетом
{FCC — Flight Control Center} получает и обрабатывает данные внешнетра-
екторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него
телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных
формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный
режим работы бортовых систем ретранслятора, которые в виде цифровых
команд передаются на ГСР.

26 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Одним из важных достоинств геостационарной орбиты является возможность
обеспечения значительной области обслуживания. Размеры области
обслуживания ограничиваются следующими условиями:
1. В пределах области обслуживания угол возвышения, или, что то же самое,
угол места антенн земных станций у (угол между направлением на точку
стояния ГСР и плоскостью местного горизонта) не должен быть менее
некоторого порогового значения умин, определяемого назначением сети. Малые
углы возвышения приводят к возможности затенения ГСР местными
предметами, окружающими ЗС, к увеличению потерь полезного сигнала в
атмосфере и шумов антенной системы ЗС, обусловленных радиошумовым
излучением Земли. Для сетей фиксированной спутниковой службы, в которых
затенение можно исключить путем выбора места установки ЗС, угол у
ограничивается снизу величиной 10°-12°. Для сетей же персональной
подвижной службы угол возвышения ГСР над горизонтом должен быть не
менее 30°.
2. В любой точке области обслуживания при заданных параметрах ЗС на линии
связи должны обеспечиваться энергетические соотношения не хуже заданных.
Область земной поверхности, удовлетворяющая условию 1, называется
областью видимости ГСР, а условию 2 — областью покрытия. Область обслуживания
определяется пересечением областей видимости и покрытия.
Определим основные геометрические соотношения в ГССС. С учетом связи
между сферическими и прямоугольными координатами (рис. 1.1.1.3)
координаты земной станции и ГСР будут соответственно равны:
хс = r3 sin\|/ 5т(ф-фр) хг = 0
Ус= гз sinV cos(q>-<pp) yT-r3 + h
zc = r3cos\|/ zr=0
Тогда расстояние г (дальность связи) между земной станцией с координатами
\|/ (широта) и ф (долгота) и ГСР с точкой стояния на долготе ф равно:
(Ус ~ Ут) + (*с ~ Zr) =
= 4225071,023 - 0,3со8\|/со8(ф - <рр) [км] A.1.1.1)
где г3 = 6375 км — радиус Земли, h = 35875 км - высота ГО.
— угол возвышения ретранслятора над горизонтом:
о о о
\(h + г..) —г,—г г\ qco. in5 t\
У = arcsin 3'2rr J * aresin[1>JD° ш - 7,843 • 10rJ A.1.1.2)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
27
4 z
r+h Y
Рис. 1.1.1.3. Геометрия ГС С С
— граница области видимости ГСР определяется следующим уравнением:
„„«./« ,п ^~i-023~cos2[Ymin + arcsin@,15ymin)]/cos2Ymin
VY ^P/- 0,3cosv|/
угол обзора р области видимости из точки стояния ГСР равен:
Р =
ymin) = 2arcsin@,15cos yrain)
A.1.1.3)
A.1.1.4)
В силу ряда причин минимальная величина угла возвышения антенны ЗС
ограничивается значением ymin= 10°-12°. При, например, ymin=11.5°, получим:
V|/ = 70°, р = 17°, г = 40500 км. Это соответствует диаметру области видимости
около 15600 км и площади 190 млн. км2. На рис. 1.1.1.4 показаны области видимости
геостационарного СР, построенные в соответствии с 1.1.1.3. При увеличении ymin
размеры области видимости сокращаются. Так, например, при увеличении
минимально допустимого угла возвышения от 11,5° до 30° диаметр области
видимости уменьшается до 11300 км, а её площадь сокращается почти в два раза.
Возможность обслуживания единственным ГСР огромных территорий является
основным достоинством ГССС. В то же время проблематичность обслуживания
высокоширотных областей является недостатком.
Границу области покрытия обычно определяют по пороговому минимально
допустимому уровню мощности, излучаемой ретранслятором в её направлении.
Часто в качестве указанного порогового значения выбирают уровень мощности,
на 3 дБ меньший уровня в направлении максимального излучения. Контур
области покрытия в основном определяется характеристиками бортовой
передающей антенны и может быть сделан достаточно сложным. В качестве примера на

28
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° <р - <р
Рис. 1.1.1.4. Области видимости ГСР
рис. 1.1.1.5 показаны области покрытия геостационарного
спутника-ретранслятора ATLANTIC BIRD-2 с точкой стояния 8° з.д. [1.1.1.1].
В большинстве случаев (за исключением глобальных ССС) требуемая
область обслуживания оказывается меньше области видимости ГСР. При этом
задачи выбора геометрических параметров ГССС могут быть сформулированы
следующим образом. По заданному контуру области обслуживания:
• определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное
значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;
• определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное
значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;
• при заданном значении ymin найти совокупность точек стояния (дугу ГО),
в которых возможно размещение ГСР;
• определить точку прицеливания луча передающей антенны ГСР (точку
земной поверхности, в направлении которой излучается максимальная
мощность), минимизирующую требуемое сечение луча;
• выбрать форму сечения луча антенны ГСР (в большинстве практических
случаев круглую или эллиптическую);
• в случае эллиптической формы сечения луча выбрать оптимальные
параметры эллипса (углы раскрыва по осям) и его ориентацию в системе
координат ГСР, минимизирующую площадь сечения луча.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
29
а) западные области покрытия б) восточные области покрытия
Рис. 1.1.1.5. Области покрытия TCP ATLANTIC BIRD-2
Перечисленные задачи решаются с использованием известных соотношений
аналитической геометрии в пространстве. При их решении необходимо
учитывать погрешность ориентации антенных систем ГСР и его дрейф относительно
точки стояния. Вопросы выбора геометрических параметров ГССС наиболее
детально изложены в [1.1.1.2], где приведены необходимые расчетные соотношения
и методики. Решение перечисленных задач обычно осуществляется путем
итераций, и в настоящее время этот весьма трудоемкий процесс автоматизирован.
Характерные особенности радиоканалов связи через ГСР состоят в
следующем:
1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности C5875-
41000 км) задерживают сигналы на сравнительно большое время
(задержка распространения) — 120-136 мс в одном направлении. При направленной
передаче информации такая задержка несущественна, но при
интерактивной связи (телефония, видеоконференцсвязь, мультимедийные приложения
и т.д.) она может приводить к ощутимым неудобствам. Наличие задержки
усложняет и снижает эффективность управления процессом
информационного обмена в сети, которое применяется с целью более экономного
использования связных ресурсов.
2. Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены
воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного
происхождения.
3. Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов
в свободном пространстве (рассеянию энергии и поглощению мощности в
различных слоях атмосферы), что в сочетании с большим уровнем внешних
шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи
информации весьма значительных энергозатрат. Стремление снизить эти затраты
и повысить пропускную способность ГССС обуславливает необходимость

30 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
использования оптимальных или близких к ним структур передаваемых
радиосигналов и способов их обработки.
4. Спутниковые каналы связи являются каналами с переменными
параметрами, что обусловлено неопределенностью положения ГСР в
пространстве, его ориентации и, главным образом, разбросом параметров атмосферы
Земли на трассе распространения радиосигналов. Коэффициент передачи
по мощности канала изменяется во времени, причем характер этого
изменения содержит регулярную и случайную составляющие.
ГСР, как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:
1. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), являющийся полезной
нагрузкой ГСР и выполняющий все необходимые сетевые функции
космического сегмента.
2. Систему коррекции орбиты.
3. Систему ориентации.
4. Систему энергообеспечения.
5. Систему терморегулирования, поддерживающую температурный режим
аппаратуры ГСР в пределах, обеспечивающих её нормальное функционирование.
6. Информационно-управляющую систему, обеспечивающую
взаимодействие с командно-измерительной станцией, сбор и обработку измерительной
информации, формирование, распределение и исполнение различных
команд, обеспечивающих необходимые режимы работы систем ГСР.
Обычно системы энергообеспечения, терморегулирования,
командно-измерительная, защитные экраны выполняются в виде единой космической платформы,
на которой могут быть установлены БРТК различных типов и назначения. В
последнее время все чаще используются бесконтейнерные негерметизированные
конструкции, обеспечивающие лучшие массогабаритные характеристики.
Теоретически неподвижный относительно земной поверхности ГСР на
практике дрейфует относительно своей номинальной точки стояния, что обусловлено
неизбежным отличием параметров орбиты от номинальных и влиянием
различных возмущающих воздействий. Смещение ГСР относительно рабочей позиции
имеет периодическую и регулярную составляющие, возникающие по следующим
причинам:
• при отличии угла наклонения орбиты от нулевого спутник колеблется
относительно рабочей точки в направлении север — юг с периодом 24 часа
и амплитудой равной углу наклонения орбиты;
• при отличии орбиты ретранслятора от круговой он совершает суточные
колебательные смещения относительно точки стояния в направлении
восток — запад, причем амплитуда смещения пропорциональна
эксцентриситету орбиты;
• если период вращения ГСР менее 24 часов, он «уходит» из рабочей точки
в восточном направлении, а в противном случае — в западном;
• переменность во времени вектора гравитационного притяжения в связи с
изменением пространственного расположения Земли, Солнца и Луны, давление
света, потоки космических частиц и другие дестабилизирующие факторы

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 31
приводят к суточным, месячным и годовым циклическим, а также
направленному смещениям ГСР относительно номинальной точки стояния.
На практике перечисленные факторы действуют одновременно и приводят к
сложной траектории движения ГСР в пространстве, причем, если не приняты
специальные меры, спутник постепенно увеличивает амплитуду своих колебаний
и перестает выполнять свою целевую функцию.
Поскольку использование ГСР предусматривает обслуживание заданной
области земной поверхности, необходимо ограничить перемещение спутника в
пространстве таким образом, чтобы все ЗС сети постоянно находились в области его
обслуживания. Кроме того, смещение ГСР по долготе для исключения взаимного
влияния соседних спутников жестко регламентируется международными
нормами. Стабилизация ГСР по широте и долготе обеспечивается с помощью бортовой
системы коррекции орбиты, использующей в качестве исполнительных
элементов различные типы маломощных ракетных двигателей, создающих в
необходимых направлениях небольшие ускорения. Коррекция орбиты требует
определенного расхода топлива для двигательных установок. Исходя из компромиссных
соображений между ухудшением эксплуатационных свойств ГСР из-за его
неопределенности в пространстве и требуемого запаса топлива, во многом
определяющего срок службы ГСР, допустимую величину медленного смещения
ретранслятора относительно точки стояния ограничивают величиной +/-@,05-0,1)° по
широте и долготе. Минимальный расход топлива обеспечивается при интервалах
между коррекциями от недели до месяца. Коррекция суточного колебания ГСР
в пространстве, составляющего примерно +/-0,05°, обычно не применяется из-за
недопустимо большого расхода топлива. Таким образом, система коррекции
орбиты обеспечивает погрешность удержания ГСР в рабочей точке +/-@,1-0,15)°
по широте и долготе. Масса сухой традиционной системы коррекции орбиты
равна 60-80 кг, а расход топлива — 20-30 кг в год. Более экономичны ионные и
плазменные двигатели, позволяющие увеличить частоту сеансов коррекции
орбиты и довести точность удержания ГСР до +/-@,05-0,1)°. Однако они
характеризуются значительным энергопотреблением.
Для фиксации наведения бортовых антенн на заданную область
обслуживания ГСР должен занимать вполне определенное пространственное положение,
что достигается с помощью системы ориентации. Используют два способа
ориентации: вращением и по трем осям. Ориентированные вращением ИСЗ
выполняются в форме цилиндрической конструкции и вращаются вокруг своей оси
симметрии со скоростью несколько оборотов в минуту (рис. 1.1.1.6) [1.1.1.3]. При
вращении создается гироскопический момент, препятствующий отклонению оси
симметрии спутника от заданного направления при воздействии различных
возмущений. Для сохранения неподвижности в пространстве антенной системы
ретранслятора её приходится устанавливать на независимой платформе,
вращающейся со скоростью спутника, но в противоположном направлении. При
трехосной ориентации используется система из трех ортогональных массивных
гироскопов (двигателей-маховиков), каждый из которых обеспечивает ориентацию
в одной из трех осей локальной ортогональной системы координат ГСР, и датчики
направления — земного горизонта, Солнца, ярких звезд. На рис. 1.1.1.7 показан

32
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Рис. 1.1.1.6. Ориентированный
вращением ГСР на платформе BOEING
Рис. 1.1.1.7. ГСР с трехосной
ориентацией
ГСР с трехосной ориентацией [1.1.1.4]. Современные системы ориентации
гарантируют погрешность не более +/-0,Г по всем осям и имеют массу 30-50 кг.
Отметим, что наведение антенн на ГСР на область обслуживания может
осуществляться и автономно, например по сигналам наземных маяков. В этом
случае требования к точности системы ориентации спутника могут быть ослаблены.
Первичными источниками электроэнергии для питания ГСР являются
солнечные батареи, составленные из кремниевых полупроводниковых элементов.
Коэффициент полезного действия преобразователей солнечной энергии в
электрическую достигает 30%, что позволяет обеспечить энергоотдачу более 150 Вт
на квадратный метр СБ. В результате бомбардировки космическими частицами
и микрометеоритами энергоотдача СБ падает в 1,2—1,4 раза после семилетней
эксплуатации и в 1,3-1,6 раз после 10 лет. В периоды затенения ГСР Землей СБ
не работают и питание бортовой аппаратуры осуществляется от аккумуляторных
батарей. Массогабаритные характеристики современных аккумуляторов весьма
низкие. Энергоотдача применяемых никель-кадмиевых аккумуляторов
составляет 20-25 Вт • час/кг. Несколько лучшими характеристиками обладают никель-
водородные аккумуляторы. На ГСР, ориентированных вращением, элементы СБ
монтируются непосредственно на корпусе спутника. Из-за вращения Солнце
эффективно освещает лишь около четверти общей площади СБ. В этом случае для
увеличения энергоотдачи площадь СБ увеличивают при помощи сдвигаемой на
орбите внешней оболочки корпуса, также покрытой солнечными элементами
(рис. 1.1.5). При трехосной ориентации СБ выполняют в виде раскрываемых на
орбите плоских панелей, автоматически следящих за Солнцем. Размах панелей
солнечных элементов современных мощных ГСР достигает нескольких десятков
метров, а энергоотдача превышает 10 кВт. Это обстоятельство является опреде-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
33
ляющим выбор трехосной ориентации при создании больших и мощных ГСР с
высокой пропускной способностью, оставляя ориентацию вращением, как более
простую, для менее мощных ГСР.
Около 70% энергии, потребляемой от первичных источников питания,
преобразуется бортовой аппаратурой в тепло. Проблема обеспечения приемлемых
температурных режимов и отвода излишнего тепла стоит для ГСР весьма остро.
Несмотря на космический холод окружающей среды, теплопередача с использованием
теплопроводности или конвекции невозможна и все, что остается — отвод тепла
излучением. Бортовая система терморегулирования строится с использованием
тепловых труб, отводящих излишнее тепло изнутри СР на его внешние
поверхности, и радиаторов. ГСР с трехосной ориентацией обычно имеет
прямоугольную форму, что облегчает отвод тепла благодаря установке радиаторов и
элементов аппаратуры со значительным энергопотреблением на северной и южной
плоскостях поверхности ИСЗ, освещаемых Солнцем под небольшими углами.
Технология вывода ИСЗ на геостационарную орбиту предусматривает:
• вывод при помощи мощного ракетоносителя (РН) на низкую наклонную
круговую опорную орбиту высотой около 200 км;
• пассивный полет по опорной орбите до выбранного в соответствии с
точкой стояния восходящего узла, проведение необходимых маневров по
ориентации и старт с опорной орбиты при помощи последней ступени РН или
собственной двигательной установки и перевод спутника на переходную
эллиптическую орбиту с высотой апогея близкой к высоте ГО;
• повторное включение двигательной установки в апогее переходной орбиты
с целью разворота плоскости и перевода ГСР на круговую рабочую орбиту.
В таблице 1.1.1.1 приведена масса, выводимая современными РН на ГО, и
стоимость запусков [1.1.1.5].
Таблица 1.1.1.1
Масса,
Хип носителя
LONG MARCH CZ-3
ПРОТОН
3EHHT-3SL
ATLAS-IIAS
ARIANE-4
выводимая на ГО, и стоимость запуска
Масса, выводимая на ГО,
тонн
2,25
2,6
2,1-2,7
3,1
3,0-3,7
Стоимость вывода ГСР,
млн. долларов США
40-55
60-70
70-100
70-80
90-120
ГССС имеет простую структуру, центральным узлом которой является ГСР,
что предъявляет жесткие требования к надежности всех его систем. Из
соображений экономической целесообразности срок службы ГСР (или срок активного
существования) на орбите должен составлять 10-15 лет. Разработка
высоконадежного ГСР с большим сроком службы при наличии массогабаритных
ограничений, накладываемых средствами вывода ГСР на орбиту, и достаточно агрессивной

34 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
космической окружающей среды является сложной научно-технической задачей,
а стоимость разработки, производства и запуска ГСР оказывается весьма
существенной и составляет около 200 млн. долларов. Несмотря на столь
значительные затраты, процесс создания ГССС идет очень активно, что обусловлено
чрезвычайно высокой эффективностью спутниковых сетей связи.
1.1.2. Организация работы через ГСР
В подавляющем большинстве существующих ГССС используются ГСР с
непосредственной ретрансляцией сигналов. Спутник принимает сигналы
радиоканала ЗС-ГСР (радиолиния «вверх»), осуществляет сдвиг (перенос) спектра
сигнала частот, линейную фильтрацию и переизлучает сигнал в радиолинию ГСР-
ЗС (радиолиния «вниз»). В соответствии с эталонной моделью соединения
открытых систем — СОС {OSI — Open System Interconnection} [1.1.2.1] ГСР с
непосредственной ретрансляцией выполняет в сети лишь функции низшего
физического уровня, а поддержка более высоких уровней возложена на ЗС
(рис. 1.1.2.1.а). БРТК спутников с непосредственной ретрансляцией могут
использовать однократное или двойное преобразование частоты. Упрощенная
структурная схема БРТК с однократным преобразованием частоты показана на
рис. 1.2.2.а. После предварительного усиления и фильтрации спектр сигнала
линии «вверх» смещается путем гетеродинирования в достаточно далеко
отстоящую область более низких частот с центральной частотой/2. Разнос центральных
частот радиолиний «вниз» и «вверх» должен быть не менее полосы
ретранслируемых частот. Далее сигнал усиливается до уровня, необходимого для раскачки
оконечного усилителя мощности (УМ) и излучается в направлении ЗС. Для
поддержания необходимого уровня сигнала на входе УМ обычно используется
автоматическая регулировка усиления, либо регулировка усиления по командной
радиолинии. Стабильность преобразования спектра обычно обеспечивается
синхронизацией высокочастотного гетеродина от высокостабильного эталона
частоты при помощи петли фазовой автоподстройки частоты (ФАП).
При двойном преобразовании частоты спектр входного сигнала смещается в
область промежуточных частот (ПЧ), на которых осуществляется основное
усиление и фильтрация. Затем спектр переносится в область частот радиоканала
«вниз». Использование достаточно низких ПЧ позволяет повысить стабильность
усиления и улучшить подавление внеполосного шума по сравнению с
однократным преобразованием. В наибольшей степени это преимущество двойного
преобразования проявляется при передаче узкополосных сигналов.
На практике полоса пропускания ретранслятора, которая может составлять
сотни мегагерц, разбивается на ряд более узких полос, каждая из которых
преобразовывается, усиливается и фильтруется при помощи отдельных стволов
(приемопередатчиков). Общими для стволов являются антенны, широкополосные
предварительные усилители и генераторы эталонных частот. Многоствольность
БРТК является следствием технологической сложности создания
сверхширокополосных усилителей, имеющих приемлемые амплитудно- и фазочастотные
характеристики. Типовые значения полосы пропускания стволов составляют 24,

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
35
ГСР-НР
БВУ
СУ
КУ
ФУ
ФУ
БВУ
СУ
КУ
ФУ
а) непосредственная ретрансляция
ГСР-БО
БВУ
СУ
КУ
ФУ
СУ
КУ
ФУ
БВУ
СУ
КУ
ФУ
б) бортовая обработка
БВУ
СУ
КУ
ФУ
ФУ
СУ
КУ
ФУ
БВУ
СУ
КУ
ФУ
в) двухскачковая схема
Рис. 1.12.1. Организация работы через ГСР
ЗС — земная станция, ЦС — центральная станция, ФУ — физический уровень,
КУ — канальный уровень, СУ — сетевой уровень, БВУ — более высокие уровни

36 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
36, 72 МГц и по мере совершенствования технологии имеют тенденцию к
расширению. Традиционной схемой построения БРТК с непосредственной
ретрансляцией является многоствольная схема с числом стволов до нескольких десятков
и двойным преобразованием частоты в каждом стволе.
Главным достоинством непосредственной ретрансляции является
универсальность. БРТК практически инвариантен к структуре передаваемых сигналов
(за исключением, естественно, того, что полоса частот полезного сигнала не
должна превышать полосы пропускания ствола). Функционирующий
ретранслятор при необходимости может быть переориентирован на выполнение самых
разнообразных задач. Важно и то, что относительная простота аппаратуры БРТК
облегчает проблему обеспечения высокой надежности. С другой стороны, ГСР с
непосредственной ретрансляцией имеет и серьезный недостаток — шумы и
помехи из радиоканала «вверх», попадающие в полосу пропускания БРТК,
усиливаются и переизлучаются наравне с полезным сигналом (происходит отбор
мощности передатчика на излучение шумов), суммируясь с помехами в линии «вниз».
Альтернативой непосредственной ретрансляции является использование
ретрансляторов с обработкой сигналов. Упрощенная структурная схема БРТК
ретранслятора с обработкой приведена на рис. 1.1.2.2в. С выхода линейной части
приемника (преобразование частоты, усиление, линейная фильтрация) сигнал
ПЧ поступает в демодулятор, где переводится в область видеочастот,
декодируется и обрабатывается в процессоре видеосигналов. Обработанные видеосигналы
кодируются, модулируют несущее колебание, усиливаются и излучаются.
Бортовая обработка обеспечивает следующие преимущества:
• исключается возможность непосредственного проникновения шумов
радиоканала «вверх» в радиолинию «вниз»,
• появляется возможность независимого выбора оптимальных структур
сигналов в радиолиниях «вверх» и «вниз».
• при использовании многолучевых бортовых передающих антенн
появляется возможность коммутации информационных потоков между лучами,
что позволяет существенно повысить пропускную способность сети. При
этом ГСР с бортовой обработкой выполняет функции не только
физического, но и канального и сетевого уровней модели СОС (рис. 1.1.2.16).
С другой стороны, при бортовой обработке неизбежно теряется
универсальность (ограничения, накладываемые выбранными методами модуляции и
кодирования), а усложнение бортовой аппаратуры обостряет проблему обеспечения
заданного уровня надежности.
Попыткой компромисса, сочетающего достоинства непосредственной
ретрансляции и бортовой обработки является двухскачковая схема передачи,
предусматривающая наличие центральной станции, которая осуществляет демодуляцию сигналов,
извлекает необходимую маршрутную информацию и осуществляет
целенаправленную коммутацию информационных потоков (рис. 1.1.2.1в). Однако в этом случае
наличие двух скачков сигналов при передаче удваивает задержку распространения
сигналов, а необходимость дважды переизлучать одни и те же сигналы приводит
к дополнительным затратам связных ресурсов ГСР: в два раза возрастает
требуемая полоса пропускания и возрастают требования к его энерговооруженности.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
37
f
УРЧ,
►
CM
i
г
►
АРУ
}
УРЧ2
от командной
радиолинии
1
РУ
►
УМ
л-л-л
а) непосредственная ретрансляция с одним преобразованием частоты
УРЧ
*•
см,
/г, '
г,
►
Гпч-Л
АРУ
УПЧ
-/п
-►
см2
f i
h
►
/2-У
от командной
радиолинии
JL
РУ
ПЧ ~/г2
—►
УМ
б) непосредственная ретрансляция с двойным преобразованием частоты
Л
>-Ылчп
дм
дк
пвс
КУ
м
УМ
в^) ретрансляция с бортовой обработкой
Рис. 1.1.2.2. Упрощенные структурные схемы БРТК
УРЧ — усилитель радиочастоты, СМ — смеситель, Г — гетеродин, УМ — усилитель мощности,
АРУ — автоматическая регулировка усиления, РУ — регулировка усиления, ЛЧП — линейная
часть приемника, ДМ — демодулятор, ДК — декодер, ПВС — процессор видеосигналов, КУ —
кодирующее устройство, М — модулятор.
Одним и важнейших отличительных признаков сетей связи является
топология сети, характеризующая схему объединения узлов и каналов связи в единую
структуру [1.1.2.2]. В отличие от наземных проводных и кабельных сетей, в
которых канал связи между парой узлов представляет собой отдельную
физическую линию, соединяющую только эту пару, в ССС на базе СР с
непосредственной ретрансляцией физически присутствует в принципе доступный для любой

38 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
ЗС общий частотный ресурс, образующий общий моноканал (рис. 1.1.2.3). На
основе моноканала могут быть организованы различные виртуальные (логические)
каналы связи, позволяющие реализовать разнообразные логические топологии
ССС (рис. 1.1.2.4). Более того, для разных ЗС могут быть организованы подсети
с разной топологией, а разным видам передаваемого трафика может быть
поставлена в соответствие наиболее приемлемая логическая топология сети, свойства
которой можно изменять в процессе функционирования ССС в зависимости от
текущих решаемых задач.
Рассмотрим кратко основные свойства и особенности сетевых топологий,
которые могут быть организованы в ССС:
1. Полносвязная топология (рис. 1.1.2.4а) предусматривает наличие для любой
пары узлов отдельного (выделенного) канала связи, соединяющего эти узлы
непосредственно. Для организации полносвязной сети, содержащей п узлов,
требуется п(п - 1)/2 каналов связи. Полносвязные наземные сети связи весьма
дорогие из-за необходимости прокладки большого и избыточного числа физических
каналов связи, пропускная способность которых может в случае неравномерного
во времени трафика использоваться неэффективно. Применение данной топологии
оправдано в наземных сетях с малым числом узлов, высокой пропускной
способностью и равномерным трафиком, например, при объединении локальных сетей
связи в городскую или районную сеть. Полносвязная наземная сеть обладает:
• высокой надежностью, поскольку при отказе выделенного канала
информация может передаваться по обходным путям через промежуточные
(транзитные) узлы;
• оперативностью, поскольку выделенные каналы не могут быть заняты под
передачу информации от других узлов;
• возможностью скрытной передачи, поскольку в штатном режиме работы
разные информационные потоки передаются по разным каналам связи и
через промежуточные узлы не проходит.
В ССС, базирующихся на ГСР с непосредственной ретрансляцией, полно-
связность топологии является естественным результатом широковещательности
спутниковых радиоканалов. На участке ГСР-ЗС все земные станции сети могут
прослушивать передачу ретранслятора. На участке ЗС-ГСР возникает проблема
организации бесконфликтного доступа многих пространственно разнесенных
узлов к общему моноканалу. Эта проблема решается путем выделения в общем
спутниковом физическом канале определенного количества логических каналов,
отличающихся друг от друга оговоренными ранее признаками, и использования
в каналах протоколов множественного доступа (рис. 1.1.2.5). Эти протоколы
бывают распределенными, реализуемыми совместно всеми абонентскими узлами
сети, или централизованными, поддерживаемыми одним специальным узлом
сети — контроллером канала связи. Детально способы многостанционной работы
через ГСР и характеристики протоколов множественного доступа рассмотрены
в разделах 1.1.9 и 1.1.10. Свойства полносвязной ССС отличаются от свойств
наземных сетей с аналогичной топологией. Наличие виртуальных каналов связи,
организованных на основе общего связного ресурса, и применение протоколов

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
39
моноканал ЗС-ГСР
h_rf
зс
зс
зс
зс
1
ГСР
I
моноканал ГСР-ЗС
Рис. 1.1.23. Физическая топология спутниковой сети связи на базе ГСР
с непосредственной ретрансляцией
а) полносвязная топология б) древовидная топология в) кольцевая топология
одноуровневая иерархическая двухуровневая
г) радиальная топология
Рис. 1.1.2.4. Сетевые топологии, реализуемые в ССС

Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
j Земные
\ станции
|
1
! ^
:
:
:
[-►
1
j
I
j
I
Протокол
множественного
доступа
j
Моноканал ЗС-ГСР
Виртуальные каналы
^^
^
\ Моноканал ГСР-ЗС
г \
J
ГСР
-к
\^
^^
Рис. 1.1.2.5. Организация полносвязной топологии в ССС, использующих ГСР
с непосредственной ретрансляцией
множественного доступа позволяют гибко перераспределять пропускную
способность между каналами сети в соответствии с текущими потребностями,
вплоть до отключения временно ненужных каналов. Это обеспечивает более
эффективное использование дорогостоящих ресурсов спутниковой сети по
сравнению с наземной. В то же время, полносвязность ССС не обеспечивает
увеличение надежности сети по сравнению с другими топологиями и скрытность
передачи. ГСР с непосредственной ретрансляцией не является сетевым узлом, а
выполняет лишь функции последовательного звена в спутниковом моноканале.
Отказ ГСР приводит к одновременному разрыву всех логических каналов и
полной деградации спутниковой сети вне зависимости от её логической
топологии. Если не приняты специальные меры, скрытность передачи в ССС
отсутствует, поскольку передача ГСР может быть прослушана любой ЗС, находящейся
в пределах области обслуживания.
2. Древовидная топология (рис. 1.1.2.46) характеризуется тем, что между
любой парой узлов сети с такой топологией существует лишь один путь. Число
каналов связи в n-узловой древовидной сети минимально и равно (п - 1).
Надежность сети низкая, поскольку отказ даже одного из каналов может привести к
расчленению сети на две изолированные подсети. Древовидная топология легко
реализуема в ССС, но её практическое использование не имеет смысла,
поскольку она не имеет никаких преимуществ по сравнению с полносвязной, а лишь

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 41
приводит к дополнительным недостаткам, связанным с необходимостью
осуществления многоскачковой передачи — росту задержек и снижению
эффективности использования ресурсов ГСР.
3. Радиальная (звездообразная) топология (рис. 1.1.2.4г) характеризуется тем,
что каждый периферийный узел соединен непосредственно только с
центральным узлом, а связь между периферийными узлами возможна только через
центральную точку. Радиальная топология является частным случаем древовидной,
но в отличие от общего случая широко используется в ССС. Поскольку
периферийные узлы функционируют независимо друг от друга, сеть некритична к их
отказам. Отказ же центрального узла приводит к полной деградации всей сети,
поэтому необходимо принимать специальные меры для обеспечения высокой
надежности этого узла путем резервирования его аппаратно-программных средств
на различных уровнях. Радиальная сеть может быть расширена либо путем
подключения дополнительных периферийных узлов к центральному, либо
иерархическим многоуровневым образом путем подключения дополнительных узлов к
периферийным узлам более высокого уровня. При этом узлы промежуточного
уровня контролируют узлы более низкого уровня, подчинясь в тоже время узлу
более высокого уровня. Иерархическая структура во многих случаях
оказывается предпочтительной, поскольку наиболее полно соответствует процессу
иерархического административного управления при построении, например,
корпоративных ССС для крупных территориально распределенных промышленных и
финансовых компаний, государственных структур и т.д. [1.1.2.3].
Таким образом, для ССС, базирующихся на геостационарных ретрансляторах
с непосредственной ретрансляцией, естественной в силу специфики спутниковых
каналов связи является полносвязная топология. Радиальная топология при од-
носкачковой схеме передачи может быть обеспечена только для сетей с
однонаправленной передачей информации (сетей сбора или распределения), например,
для спутниковых сетей телевизионного и радиовещания. В случае
необходимости обеспечения при непосредственной ретрансляции радиальной топологии
используют двухскачковую схему. Такой подход используется, например, при
построении большой части корпоративных сетей VSAT. Для ССС, использующих
ретрансляторы с бортовой обработкой и коммутацией сигналов, являющихся
центральными сетевыми узлами, естественна и единственно возможна
радиальная сетевая топология.
1.1.3. Основные характеристики приемо-передающей
аппаратуры земных станций и геостационарных
ретрансляторов и их влияние на пропускную
способность спутниковых каналов связи
Пропускная способность спутниковых каналов связи определяется
достаточно большим числом факторов, основными из которых являются: требуемое
качество передачи информации, выходная мощность передатчиков и
характеристики антенных систем ЗС и БРТК ретранслятора, структуры передаваемых

42 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
радиосигналов, собственные шумы используемой приемной и передающей
аппаратуры, характеристики внешних источников шумов и помех, аппаратурные
потери, потери полезного сигнала на трассе распространения. Канал связи ССС
состоит из двух последовательно соединенных звеньев — радиолинии «вверх»
(канала ЗОСР) и радиолинии «вниз» (канала СР-ЗС). Во многих случаях на
обоих участках составного спутникового канала связи ощущается дефицит
энергетики, обусловленный в радиолиниях «вверх» стремлением к снижению
размеров, мощности передатчиков и соответственно стоимости земных станций, а
радиолиниях «вниз» — достаточно жесткими ограничениями на массогабаритные
характеристики и энергопотребление бортовых систем, что не позволяет
обеспечить значительную мощность передатчика ретранслятора. Поэтому необходима
оценка влияния параметров приемопередающей аппаратуры и окружающей
среды на основные характеристики каналов связи ССС. Такая оценка позволяет
определить рациональные мощность передатчиков, размеры антенн, предельную
скорость передачи информации, найти оптимальные и близкие к ним диапазоны
рабочих частот, значительно снизить энергетический запас, что позволяет
исключить неоправданную сложность и стоимость аппаратуры связи.
Преобразователем токов и напряжений в передающей линии связи в
электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве, является
антенна. При приеме она осуществляет обратный процесс преобразования
электромагнитных колебаний в электрические сигналы. В ГССС чаще всего используют
пассивные антенны. Все пассивные антенны могут работать и на прием, и на
передачу, а принцип дуальности позволяет характеристики при передаче
определять по характеристикам на прием и наоборот. Обычно используются
направленные антенны, которые излучают в разных направлениях различную
мощность. Направленность антенны характеризуется диаграммой
направленности (ДН), представляющей собой относительную зависимость излучаемой
мощности от направления. ДН в общем случае являются трехмерными фигурами, а
их сечения имеют выраженную многолепестковую структуру с основным
лепестком, образующим в трехмерном пространстве луч, через который излучается
основная часть подводимой к антенне мощности. Способность направленной
антенны концентрировать излучаемую мощность в определенном направлении
позволяет говорить об её коэффициенте усиления по мощности — G. Пассивная
антенна, естественно, не усиливает мощность подводимого к ней сигнала, а
коэффициент усиления по мощности G количественно определяет её способность
концентрировать плотность потока мощности в направлении максимума
излучения по сравнению с изотропным (всенаправленным) излучателем.
Электромагнитные волны являются векторными величинами, что
проявляется в наличии поляризации. Излучение выбранной поляризации является
основной составляющей, а ортогональная составляющая называется кроссполяриза-
ционной. Чистота поляризации излучения количественно характеризуется
отношением мощности основной составляющей излучения к кроссполяризационной
составляющей и называется коэффициентом развязки по кроссполяризации
(КРК).
Каждая антенна имеет рабочую (центральную) частоту, на которой её
основные характеристики соответствуют требуемым. Под полосой пропускания антен-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 43
ны понимается диапазон частот, в котором отклонение характеристик антенны
от номинальных значений не превышает заданного уровня (наиболее часто
величина уровня принимается равной 1 или 3 дБ).
В составе аппаратуры ЗС и ГСР обычно используют приемопередающие
антенны с круглой апертурой: чаще зеркальные, реже — линзовые. Конструктивно
зеркальная антенна состоит из металлического или металлизированного
отражателя (зеркала), имеющего форму параболоида вращения, и облучателя,
размещенного в фокусе отражателя. Благодаря параболической форме элементарные
лучи, отраженные от каждой точки зеркала при его равномерном облучении,
теоретически складываются в раскрыве отражателя синфазно, чем и обеспечивается
направленность антенны. Синфазность лучей в линзовых антеннах
обеспечивается выпуклыми линзами, компенсирующими набег фазы, возникающий из-за
увеличения длины пути к её точкам, расположенным ближе к периферии,
снижением задержки в линзе ближе к её краям, благодаря уменьшению её толщины.
Коэффициент усиления этих антенн в направлении максимума излучения
определяется соотношением [1.1.3.1]:
2(%)\ A.1.3.1)
где D — диаметр антенны, Я, — рабочая длина волны, Ки < 1 — коэффициент использования
поверхности антенны, учитывающий затенение части поверхности отражателя облучателем, его
опорами и неидеальность диаграммы направленности облучателя. В зависимости от диаметра антенны
и её конструктивных особенностей Кп = 0,5-0,7. Для практических расчетов удобно пользоваться
следующим соотношением:
G= 109,67 KnD2f, A.1.3.2)
где/ — рабочая частота [ГГц], D — диаметр [м].
Антенны с круглой апертурой имеют симметричную относительно
направления максимума излучения (оси симметрии антенны) диаграмму направленности,
и для них ДН определяется соотношением [1.1.3.1]:
= 4G-
nD
s
где Р — угловое отклонение относительно направления максимального излучения,
т ( _ v^1 (—\)k(x/2Jk
JiW - 2 —
■^ *!(*+!)!
~~ ФУНКЧИЯ Бесселя 1-го рода первого порядка.
Нормированная по отношению к G диаграмма направленности приведена на
рис. 1.1.3.1. Ширина диаграммы направленности - 0 (ширина передающего или
приемного луча) определяется как удвоенное угловое отклонение относительно
направления максимального излучения, при котором снижение коэффициента
усиления достигает заданного порогового значения (как правило, 3 дБ). Из

44
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
-40
1 1,61 2
Pwc. 1.13.1. Диаграмма направленности идеальной антенны
с круглой апертурой
рис. 1.1.3.1 следует, что снижение коэффициента усиления на 3 дБ достигается
при следующем значении:
KD . о а ол
-т— Sinp = 1,61,
А
следовательно:
A.1.3.3)
При малых значениях х функция arcsin(x) ~ х. При х < 0,7 относительная
погрешность приближения не превышает 10%, поэтому при D/X > 0,7 можно
пользоваться соотношением:
A.1.3.4)
Иногда требуется аппроксимировать диаграмму направленности вблизи её
основного лепестка. При этом часто используют следующее приближение:
+Bр/8)
2 "
A.1.3.5)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 45
Сопоставляя A.1.3.1) и A.1.3.4), можно выразить максимальный
коэффициент усиления антенны через ширину диаграммы направленности:
^ 35530Хи
G= —*. A.1.3.6)
е2
Коэффициент усиления и ширина луча связаны обратной зависимостью:
антенна с высоким коэффициентом усиления имеет узкий луч, и наоборот.
Наличие боковых лепестков ДН приводит к тому, что при передаче могут
быть созданы помехи другим наземным или космическим радиосистемам,
работающим в смежных диапазонах частот. При приеме дополнительные шумы и помехи,
проникающие по боковым лепесткам, приводят к снижению помехоустойчивости
и качества передачи информации. В целях обеспечения электромагнитной
совместимости форма диаграммы направленности бортовых и земных станций
регламентируется Международным консультативным комитетом по радио (МККР)
и соответствующими национальными организациями.
Соотношение A.1.3.1) справедливо при идеальной параболической форме
отражателя. На практике всегда имеется технологическая погрешность
выполнения поверхности отражателя, количественно характеризующаяся среднеквадра-
тическим отклонением формы от идеальной параболической 5. При достаточно
больших значениях отношения Ъ/Х коэффициент использования поверхности и
соответственно коэффициент усиления резко уменьшаются из-за расфазировки
антенны. Пороговым значением 5/А,, при котором влияние погрешности формы
отражателя на коэффициент усиления несущественно, можно ориентировочно
считать 8/А, ~ 0,05. С другой стороны, погрешность 5, естественно,
пропорциональна диаметру антенны. При современном уровне технологии производства
антенн обеспечивается отношение b/D = @,7-1) • 10~3. Поэтому для каждой
длины волны существует оптимальное значение относительного диаметра антенны,
максимизирующее её коэффициент усиления:
500-700
/opt Ъ/D
Это соответствует коэффициенту усиления примерно 63-65 дБ. Об
ориентировочных значениях оптимального диаметра антенн в разных диапазонах частот
дает представление таблица 1.1.3.1.
Таблица 1.13.1
Оптимальные диаметры антенн, максимизирующие коэффициент усиления
/[ГГц]
D[u]
2
80-100
6
27-34
14
11-14
30
5-7
В качестве антенн с близким к максимальному коэффициентом усиления
можно привести, например, антенны С-диапазоиа земных станций стандарта Л
сети Intelsat, имеющие диаметр 26-30 метров [1.1.3.2]. При столь значительных

46 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
размерах апертуры антенны ширина ДН оказывается чрезвычайно узкой
(порядка ОД градуса), что требует использования высокоточных следящих систем
наведения. Подобные антенны очень дорогие и на практике обычно пользуются
антеннами меньшего диаметра.
Основной характеристикой приемных антенн является эффективная
площадь, определяемая следующим соотношением [1.1.3.1]:
A-1-3.7)
Между коэффициентом усиления антенны, работающей на передачу, и
эффективной площадью той же антенны, работающей на прием, существует
однозначная связь:
С=|Чф,59ф = С^. (U.3.8)
Поэтому часто оперируют с коэффициентом усиления приемной антенны.
Частотная зависимость 5эф в A.1.3.8) является кажущейся — эффективная
площадь определяется только размерами антенны и в отличие от коэффициента
усиления не зависит от частоты, поэтому при практических расчетах удобнее
пользоваться A.1.3.7). Все сделанные выше замечания относительно максимального
коэффициента усиления передающих антенн применимы и к максимальной
эффективной площади приемных антенн.
Из-за всегда существующей неточности наведения коэффициент усиления
антенны в направлении на приемную (передающую) станцию оказывается
меньше величины G. При этом можно говорить об аппаратурных энергетических
потерях I = G@)/G(8), где 5 — ошибка наведения. При наведении антенн ЗС на
ретранслятор величина потерь наведения определяется угловым отклонением
оси основного лепестка ДН антенны от истинного направления на ретранслятор,
а также шириной и формой этого лепестка. Практическое применение нашло
автоматическое, ручное и фиксированное наведение антенн ЗС.
При автоматическом наведении используется замкнутый контур управления,
содержащий канал измерения ошибки наведения, блок обработки сигнала
ошибки и исполнительный опорно-поворотный механизм, обеспечивающий
перемещение антенны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Применение
автоматического непрерывного наведения позволяет отслеживать все перемещения
ГСР в пространстве, поэтому требования к точности удержания в рабочей точке
могут быть весьма низкими. Величина энергетических потерь в таких антеннах
определяется проникновением шумов в измерительный канал, погрешностью
исполнительного механизма и динамической ошибкой, обусловленной движением
антенны при слежении, и составляет 1р = @,3-0,5) дБ. Автоматические системы
наведения с непрерывным слежением весьма дороги, требует практически
непрерывного обслуживания и используются на больших остронаправленных
антеннах диаметром от G-9) метров. В связи с устойчивой тенденцией перехода на
более простые и дешевые ЗС применение подобных антенн становится все более
ограниченным.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
47
В более простых антеннах используется дискретное автоматическое
наведение, при котором зеркало антенны остается неподвижным, а луч может сканировать
в пространстве, благодаря дискретным перемещениям облучателя в фокальной
плоскости отражателя. Обычно используются два направления луча в каждой из двух
взаимно перпендикулярных плоскостей. В процессе работы периодически
осуществляется сканирование луча по всем направлениям и выбирается то, которое
соответствует максимуму принимаемого от ретранслятора сигнала. Потери
наведения в подобных антеннах составляют величину порядка 1 дБ.
Ручное наведение применяется в переносных и малогабаритных ЗС
(терминалах) сетей персональной спутниковой службы. Пользователь самостоятельно
наводит слабонаправленную антенну на ретранслятор при помощи прилагаемой
инструкции и показаний встроенного индикатора уровня принимаемого сигнала.
При фиксированном наведении антенна ориентируется на ГСР один раз, во
время монтажа оборудования. Фиксированное наведение широко используется
для малогабаритных антенн сетей VSAT, но предъявляет повышенные
требования к точности удержания ретранслятора в рабочей точке.
Потери наведения фиксированных антенн определяются неопределенностью
положения ГСР в пространстве, инструментальной ошибкой наведения антенны
в номинальную точку стояния ретранслятора и эксплуатационной ошибкой,
обусловленной различными механическими нагрузками на зеркало антенны и его
опоры — ветровыми, снеговыми и т.п. Положив потери за счет неопределенности
позиции ГСР и эксплуатационные потери примерно одинаковыми,
воспользовавшись соотношениями A.1.3.4) и A.1.3.5), получим следующую оценку
максимального диаметра антенны с фиксированным наведением:
АпахМ =
[То 4- h ~~\
sin5
где 5 — максимальная угловая неопределенность ГСР относительно номинальной точки стояния.
Представление о допустимых диаметрах антенн с фиксированным
наведением дает таблица 1.1.3.2, в которой приведены максимальные диаметры
фиксированных антенн при допустимых суммарных потерях наведения 3 дБ.
Таблица 1.13.2
Максимально допустимые диаметры антенн [м] с фиксированным наведением
б// [ГГц]
± 0,05°
±0,1°
±0,15°
±0,2°
6
11,6
5,8
3,9
2,9
14
5,0
2,5
1,7
1,2
30
2,3
1,2
0,8
0,6
Передающая антенна запитывается через фидерный тракт от передатчика,
основным блоком которого является усилитель мощности (УМ), усиливаю-

48 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
щий промодулированный высокочастотный сигнал до необходимого уровня.
Основными параметрами УМ являются: выходная мощность в режиме
насыщения; коэффициент полезного действия (КПД); фазо- и
амплитудно-частотные характеристики, в частности полоса пропускания; передаточная
характеристика по напряжению, устанавливающая связь между мгновенными
значениями сигнала на входе и выходе УМ; амплитудно-фазовая
характеристика, представляющая зависимость между фазовым сдвигом и амплитудой
входного сигнала.
В бортовой и наземной передающей аппаратуре ССС в подавляющем
большинстве случаев используются УМ на лампах бегущей волны — ЛБВ {TWT —
Traveling Wave Tube} и полупроводниковые УМ — ПУМ {SSPA — Solid State
Power Amplifier}. Основными достоинствами УМ на ЛБВ являются:
• возможность обеспечения высокой выходной мощности (более 100 Вт) во
всех используемых частотных диапазонах;
• высокий КПД, достигающий в лучших образцах современных ЛБВ 70% и
более;
• широкополосность, составляющая ориентировочно 10% центральной
частоты усиления;
• высокая надежность, большой расчетный срок службы (более 15 лет) и
способность выдерживать значительные ударные и вибрационные нагрузки;
• приемлемые массогабаритные характеристики.
Относительным недостатком УМ на ЛБВ является необходимость
использования высоковольтных блоков питания, обеспечивающих ряд различных
напряжений вплоть до 10-12 киловольт, что создает ряд технических проблем,
особенно при разработке бортовой передающей аппаратуры. Тем не менее, успехи
технологии позволяют производителям ЛБВ создавать высоконадежные и
компактные блоки питания с КПД, превышающим 90%.
В качестве активных элементов полупроводниковых УМ используют
транзисторы, а для обеспечения низкой выходной мощности — генераторные диоды.
В транзисторных УМ чаще всего используют полевые транзисторы {FET — Field
Effect Transistor} на основе арсенида галлия (GaAs). Максимальная выходная
мощность полупроводниковых УМ сильно зависит от частоты и ориентировочно
составляет в диапазоне L - B0-40) Вт, С - A5-30) Вт, Ки - E-10) Вт, Ка -
@,5-1) Вт. Эта мощность может быть увеличена в 4-5 раз путем синфазного
суммирования сигналов нескольких транзисторных выходных каскадов. Однако
необходимость фазировки заметно усложняет ПУМ. КПД транзисторных
усилителей также зависит от частоты и в среднем составляет в L диапазоне 40%, С —
30%, Ки — 20%. С другой стороны, ПУМ обладают лучшей линейностью
передаточной и амплитудно-фазовой характеристик, требуют использования более
простых низковольтных блоков питания, позволяют использовать достижения
микроэлектроники для улучшения массогабаритных характеристик. Приведенные
параметры определяют область преимущественного использования ПУМ —
относительно низкочастотные диапазоны при небольшой генерируемой мощности,
например, бортовые передатчики L диапазона для ПСС, аппаратура ЗС сетей
VSAT, носимые терминалы.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
49
+ U
-и
Рис. 1.1.3.2. Типичная передаточная характеристика
усилителя мощности
Усилитель мощности принципиально является нелинейным элементом
канала связи. На рис. 1.1.3.2. показана типичная передаточная характеристика УМ по
напряжению, имеющая вид функции с насыщением.
Нелинейность при работе усилителя в многосигнальном режиме приводит к
следующим явлениям:
• возникновению продуктов биения между спектральными составляющими
полезных сигналов, приводящих к появлению перекрестных помех;
• снижению мощности полезного сигнала из-за внеполосного излучения его
гармоник;
• подавлению слабых сигналов сильными за счет выноса слабых сигналов
на участок передаточной характеристики усилителя мощности с меньшей
крутизной.
Строгий учет перечисленных факторов на качество передачи информации
затруднителен и требует знания передаточной характеристики УМ по
напряжению. Если размах линейного участка передаточной характеристики УМ
составляет ±[/, то для обеспечения линейного многосигнального режима работы
амплитуда каждого сигнала должна быть равна U/п, а мощность суммарного
сигнала Р будет пропорциональна U2/п, где п — число передаваемых сигналов. То
есть энергетический проигрыш многосигнального режима работы по сравнению
с односигнальным режимом за счет нелинейности группового тракта будет не
менее £н = п, а это неприемлемо много.

50
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
точка насыщения
-15
-10
О
+5
Рис. 1.1.3.3. Передаточная характеристика УМ по мощности
Рвх и Рвых — входная и выходная мощность в режиме насыщения
Стремление максимизировать КПД УМ, что позволяет снизить мощность
первичных источников питания и упростить проблему охлаждения
передающей аппаратуры (что особенно важно для бортовых УМ), приводит к
необходимости использования режима УМ, близкого к насыщению. С учетом
вышеизложенного, выбор рабочей точки УМ должен осуществляться исходя из
компромиссных соображений с учетом КПД и уровня внутрисистемных помех,
определяемого структурой усиливаемых сигналов. Для максимизации
отношения сигналДвнутрисистемная помеха + шум) необходимо знать передаточную
характеристику по напряжению, которую чрезвычайно трудно измерить.
Поэтому на практике пользуются передаточной характеристикой по мощности
(рис. 1.1.3.3), снимаемой при синусоидальном входном сигнале, а рабочую
точку УМ выбирают из условия непревышения заданного уровня нелинейных
искажений, при котором внутрисистемная помеха оказывается много меньше
внешних и внутренних шумов.
Выходная мощность УМ в рабочей точке оказывается меньше максимальной,
достигаемой в режиме насыщения. Такое вынужденное снижение выходной
мощности передатчика можно интерпретировать как аппаратурные
энергетические потери, обусловленные нелинейностью характеристик канала связи.
Величина Ln этих потерь в усилителях мощности на ЛБВ равна D-6) дБ. Стремление
снизить столь значительные потери привело к разработке линеаризированных
ЛБВ {LTWT — Linearized Traveling Wave Tube}, у которых Ln = B-3) дБ.
Транзисторные усилители имеют лучшую линейность, и для них LH обычно не пре-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 51
вышает 2 дБ. Отметим, что потери нелинейности возникают только при
одновременной передаче через общий усилитель нескольких сигналов.
Нелинейность амплитудно-фазовой характеристики приводит при усилении
сигналов с изменяющейся амплитудой к паразитной фазовой модуляции (АМ-
ФМ преобразование), что при передаче фазо- или частотномодулированных
сигналов приводит к дополнительным внутрисистемным помехам.
Основным параметром приемников являются коэффициент усиления, полоса
пропускания и коэффициент шума Nn? {NF - Noise Figure or Noise Factor},
определяемый в основном коэффициентом шума входного малошумящего усилителя —
МУ {LNA — Low Noise Amplifier}. Собственные шумы приемника часто
характеризуются его шумовой температурой — Гпр. Между коэффициентом шума и
шумовой температурой существует однозначная связь [1.1.3.1]:
Гпр = 290(ЛГпр-1) [°К] A.1.3.9)
В качестве МУ используются параметрические (охлаждаемые и неохлаждае-
мые) и транзисторные усилители. Коэффициент шума МУ любого типа
монотонно увеличивается с ростом частоты. У охлаждаемых параметрических
усилителей, имеющих лучшие шумовые характеристики, в диапазонах L — Ка
коэффициент шума находится в пределах ориентировочно @,15-1,5) дБ.
Шумовая температура неохлаждаемых МУ в B,5-3) раза выше, чем у охлаждаемых. В
полупроводниковых МУ часто используют транзисторы с высокой
подвижностью электронов {НЕМТ — High Electron Mobility Transistor}. При использовании
технологии НЕМТ удается обеспечить коэффициент шума в диапазоне Ки —
A-2) дБ (Гпр = G5-170) °К), диапазоне Ка - A,8-3) дБ (Гпр= A50-300) °К),
диапазоне V - C-5) дБ (Гпр = C00-1000) °К).
Эквивалентная шумовая температура приемной системы (антенны,
фидерного тракта и собственно приемника), приведенная ко входу приемника,
определяется следующим соотношением [1.1.3.1]:
^ A.1.3.10)
где ТА — эквивалентная шумовая температура приемной антенны, L± — потери в фидерном тракте,
определяемые как отношение мощностей на входе и выходе тракта.
Оценим влияние основных параметров приемопередающей аппаратуры на
пропускную способность двоичного канала связи в предположении, что полоса
пропускания передатчика и приемника согласована с полосой частот
передаваемого полезного сигнала. Мощность полезного сигнала на входе приемника,
очевидно, равна:
Р = fiifiifiip^ _ ^п^н^щЛ /J 13 11)
4nr2L DnrJL
где Рп и Gn — соответственно, мощность передатчика и коэффициент усиления передающей
антенны, $Эф — эффективная площадь приемной антенны, г— дальность связи, L — суммарные
потери мощности полезного сигнала на трассе распространения, Gn — коэффициент усиления
приемной антенны, X — рабочая длина волны.

52 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Величину
1СВ = (^J= 1,75- 1015(г[тыс.км]J(/[ГГц]J A.1.3.12)
называют потерями (затуханием) энергии полезного сигнала в свободном
пространстве.
Величину PnGn называют эквивалентной изотропно излучаемой мощностью —
ЭИИМ {EIRP — Equivalent Isotropical Radiated Power}. Величина ЭИИМ
обычно является справочной и определяет энерговооруженность передающей
стороны. Отношение Q = Gnp /T называют добротностью приемной системы. Заметим,
что эквивалентная шумовая температура приемной системы зависит не только
от собственных шумовых характеристик антенны и приемника, но и от внешних
источников шума. Добротность не вполне объективно отражает качество
приемной аппаратуры и может изменяться в зависимости от условий
функционирования. Поэтому в справочной литературе эти условия обычно оговариваются
(например, при ясном небе и угле возвышения антенны не менее указанного).
Эквивалентная спектральная плотность мощности шума, приведенная ко входу
приемника, равна NQ = kT (k = 1,38 • 10~23 Вт/( °К • Гц) — постоянная Больцмана).
Для обеспечения требуемого качества передачи цифровой информации
необходимо обеспечить вполне определенное пороговое отношение энергии
принимаемых двоичных символов - Е к спектральной плотности мощности шума — iV0:
U2 _ Е _ Рс* - Рс
п No kT CkT'
где т — длительность передаваемых двоичных символов, С = 1/т — пропускная способность канала
связи (это справедливо при достаточно малой вероятности ошибочного приема двоичных
символов, что всегда выполняется на практике).
Тогда:
Г-
r. {L.L.O.LO)
h2nkT Anh2nrLkT 16nh2nrLkT kh2nLCBL
Из A.1.3.13) следует возможность взаимообмена между параметрами
бортовой и наземной аппаратуры.
Часто оперируют и с понятием энергетического потенциала (ЭП), имеющего
размерность частоты, равного отношению мощности полезного сигнала на входе
приемника к эквивалентной спектральной плотности мощности шума:
эп.
^о AnrLkT
Пропускная способность канала прямо пропорциональна энергетическому
потенциалу
С=ЭПД2. A.1.3.14)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
53
Все частоты для организации спутниковых каналов связи распределяются на
совмещенной основе, поэтому большое значение придается вопросам
электромагнитной совместимости спутниковых сетей с аппаратурой различных
наземных радиослужб, работающих в смежных или тех же диапазонах частот. С этой
целью, например, жестко регламентируется плотность потока мощности
сигналов спутниковых передатчиков у земной поверхности. Предельно допустимые
значения плотности потока мощности ц, которые должны быть соблюдены в
нормативной полосе частот Д/н для любого рабочего участка диапазона,
приведены в таблице 1.1.3.3 [1.1.3.3].
Таблица 1.1.3.3
Допустимая плотность потока мощности сигналов спутниковых
передатчиков у земной поверхности
Диапазон частот
[ГГц]
Допустимая плотность потока мощности у поверхности Земли
[дБВт/м2]
у<5°
5°<у<25°
25° < 7 < 90°
Д/н = 4 кГц
2,5-2,69
3,4-7,75
8,025-11,7
12,2-12,75
-152
-152
-150
-148
-152 + 0,75(у-5)
-152 + 0,5(у-5)
-152 + 0,5G-5)
-152 + 0,5G-5)
-137
-142
-140
-138
Д/н = 1 МГц
17,7-19,7
31,0-40,5
-115
-115
-115+0,5G-5)
-115+0,57 (-5)
-105
-105
Предельно допустимая удельная (приходящаяся на 1 Гц полосы частот)
эквивалентная изотропно излучаемая мощность ретранслятора — ЭИИМтах равна:
ЭИИМП
Определим минимально допустимый диаметр антенн ЗС — Dmin. Пороговое
отношение сигнал/шум на входе ЗС с учетом A.1.3.7) и в предположении о
равномерном спектре передаваемого сигнала можно записать следующим образом:
/2 =
u
4Д/Н*ГД/И
A.1.3.13)
где А/ — полоса частот передаваемого сигнала, Д/н = 1/т - информационная полоса частот
полезного сигнала, а смысл остальных обозначений такой же, как и в A.1.3.12).
Полоса частот передаваемого сигнала однозначно связана с информационной
полосой: Д/= ВД/И, где В — постоянный коэффициент, значение которого
определяется выбранной структурой передаваемых радиосигналов (методом модуляции

54 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
и кодирования). Величину В иногда называют базой сигнала. При В < 1 сигналы
называют узкополосными, а при В > 1 — широкополосными. Из A.1.3.13) получим:
A.1.3.14)
Шумовую температуру приемной станции для диапазонов С, Ки и Ка можно
принять соответственно 200, 300 и 400 °К. Типовыми параметрами спутникового
канала без кодирования являются следующие: В = 2, h\ = 23 дб, КИ = 0,6 для всех
диапазонов. Минимально допустимые диаметры антенн ЗС и максимальные
значения удельной ЭИИМ ретранслятора для спутниковых диапазонов частот
приведены в таблице 1.1.3.4, рассчитанной для наихудшего в ГССС случая у = 10°.
Таблица 1.13.4
Предельно допустимые максимальная удельная ЭИИМ ствола ГСР
и минимальный диаметр антенн ЗС
Диапазоны
ЭИИМтах [Вт/Гц]
С
5,9 • КГ3
1,5
Ки
1,5 • Ю-2
1Д
Ка
1,2 • КГ1
0,46
Как видно из таблицы 1.1.3.4, переход от С-диапазона к более
высокочастотным Ки и Ка позволяет увеличить ЭИИМ ретранслятора в 2,5 и 20 раз
соответственно, что позволяет использовать антенны ЗС меньшего диаметра. Например,
максимальная ЭИИМ стволов СР со стандартной полосой пропускания 36 МГц
составляет для указанных диапазонов соответственно 56, 60 и 69,3 дБВт.
Использование ^«-диапазона позволяет уменьшить размеры антенн в 2,5-3 раза по
сравнению с более низкочастотными. Как следует из A.1.3.14), в любом из
частотных диапазонов снижение диаметра антенн ЗС на практике может быть
достигнуто двумя способами:
• искусственным расширением полосы частот передаваемых сигналов
(увеличением В), однако это требует дополнительного привлечения
ограниченных частотных ресурсов спутникового канала связи;
• снижением порогового отношения сигнал/шум, что при неизменном
качестве передачи информации может быть реализовано посредством
помехоустойчивого кодирования передаваемой цифровой информации при
достаточно экономном расходовании частотного ресурса.
1 • 1.4. Диапазоны частот для спутниковой связи
Основными факторами, определяющими выбор рабочих частот для
спутниковых сетей связи, являются наличие на трассе распространения радиосигналов
атмосферы Земли и внешних источников шума, принимаемых антеннами ЗС и
ретрансляторов. Затухание радиоволн в невозмущенной атмосфере обусловлено

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 55
в основном поглощением кислородом и водяным паром тропосферного слоя, а
также ионосферой. Потери сигнала в ионосфере на достаточно высоких частотах
определяются формулой [1.1.4.1]:
г г к! 2- 10-§-4- 10~3
/2[ГГц]
На частотах выше 0,2 ГГц ионосферные потери становятся весьма малыми
(менее 0,1 дБ), и их можно не учитывать. Удельное поглощение кислородом и
водяным паром зависит от давления, влажности, температуры и частоты. Для
количественного определения составляющих потерь можно воспользоваться
следующими соотношениями [1.1.4.1]:
— удельное поглощение кислородом [дБ/км]:
Гк= 0,321^
ЛоР Л„Р 1
A.1.4.1)
B +//30J + (Д2РJ B -//30J + (Д2РJ.
— удельное поглощение водяным паром
9
(//30-0,741J
+ 0,0163р/2ЛзР| A.1.4.2)
+
0,741J + (А3РJ т
где: / — частота радиосигнала [ГГц], Р — давление [кПа], Т — температура [°К], р — средняя
абсолютная влажность воздуха [г/м3], коэффициенты А,, А2 и А3 равны:
Частотная зависимость составляющих затухания сигналов в спокойной
атмосфере, рассчитанная по приведенным выше соотношениям для стандартных
параметров Г=290°К, Р=101 кПа, р=8 г/м3 атмосферы, приведена на
рис. 1.1.4.1. В связи с резонансным поглощением водяным паром на частоте
22,235 ГГц в диапазоне 14-30 ГГц затухание, вносимое паром, превалирует.
Полное поглощение атмосферными газами в спокойной атмосфере можно
рассчитать по формуле:
где /К и /в — длина пути радиосигнала в слоях кислорода и водяного пара соответственно.

56
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Г [dB/км]
1,0
10
1
3 4 6 8 10
20
30 40
Рис. 1.1.4.1. Составляющие удельных потерь энергии радиосигналов
в спокойной атмосфере
Длину пути сигнала в примыкающем к земной поверхности поглощающем
слое высотой h можно получить, воспользовавшись формулами элементарной
тригонометрии:
- (г3 +
A.1.4.3)
где h — высота поглощающего слоя, h3C — высота расположения земной станции над уровнем моря,
г3 — радиус Земли, у — угол места антенны ЗС над плоскостью местного горизонта.
Длина пути сигнала при малых углах места резко возрастает. Например, при
уменьшении угла у от 90° до 0° длина пути увеличивается примерно в 50 раз.
Соответственно, в такое же число раз возрастают и потери сигнала в атмосфере
(выраженные в дБ). Указанное обстоятельство является одной из причин того,
что на практике минимально допустимое значение угла места антенн ЗС
ограничивается величиной около 10й (при этом потери возрастают по сравнению с
антенной, направленной в зенит, примерно в 6 раз).
При достаточно больших значениях у, воспользовавшись очевидными
неравенствами h/r3 < 1 и h3C/r3 < 1, раскладывая в ряд первый член A.1.4.3) и огра-
L U
ничиваясь первым членом разложения, можно получить: / '
siny
Расчеты показывают, что приближение дает верхнюю оценку длины пути и
при у > 5° погрешность приближения не превышает 5%. С учетом
вышеизложенного при расчете суммарных потерь сигнала в спокойной атмосфере можно
воспользоваться соотношением:
Lc [дБ]
siny
A.1.4.4)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
57
При расчетах затухания сигналов в стандартной атмосфере эквивалентную
высоту слоя кислорода принимают равной hK ~ 6 км, а эквивалентную толщину
слоя водяного пара можно вычислить по эмпирической формуле:
-[«
h = 2,2
(У-22,ЗГ
+ —2 + J—- 1 [км],
(/-183,3) +1 (/-323,8) +1-1
где / — частота в ГГц.
Зависимость результирующих потерь сигнала в спокойной атмосфере от
частоты, вычисленная при помощи соотношений A.1.4.1), A.1.4.2) и A.1.4.4) для
углов возвышения у = 10°, 30° и 90°, приведена в таблице 1.1.4.1. Переход к
произвольным углам места осуществляется делением данных первой строки
таблицы на siny. Переход к другим температурам (данные таблицы соответствуют
Т= 285 °К) может быть осуществлен с помощью поправочного коэффициента:
Lc(Г°К) = LcB85
0,01(Г°К - 285)].
Таблица 1.1.4.1
Затухание сигнала в спокойной атмосфере (кислород и пар)
/
[ГГц]
у=90°
у=30°
у=10°
2
0,0353
0,0706
0,2033
4
0,039
0,078
0,2246
6
0,0432
0,0864
0,2488
8
0,049
0,098
0,2822
10
0,0573
0,1146
0,3300
12
0,0686
0,1372
0,3950
14
0,0852
0,1704
0,4906
16
0,1124
0,2248
0,6473
18
0,1674
0,3348
0,9640
20
0,3117
0,6234
1,7950
22
0,6485
1,297
3,7346
24
0,5268
1,0536
3,0337
26
0,3544
0,7088
2,041
28
0,2985
0,597
1,7190
30
0,2893
0,5786
1,6660
Из данных таблицы 1.1.4.1 следует, что на частотах до 10 ГГц потери сигнала
в спокойной атмосфере не превышают 0,4 дБ, а в диапазоне частот до 30 ГГц
потери в худшем случае (при у = 10°) не превышают 2,5 дБ.
Свой вклад в общее ослабление радиосигналов в атмосфере могут вносить
находящиеся в ней частицы различных веществ воды в виде гидрометеоров (дождь,
снег, туман, град, облака), а также пыли и дыма. Ослабление в данном случае
обусловлено рассеянием и поглощением части энергии электромагнитных
колебаний. Затухание радиосигналов пропорционально относительному размеру
частиц по отношению к длине волны, их концентрации и диэлектрической
проницаемости. Частицы пыли и дыма, благодаря их малым относительным размерам
и низкой диэлектрической проницаемости, практически никакого влияния на
ослабление сигналов в рассматриваемом диапазоне частот не оказывают. Влияние
кристаллов льда в виде ледяных облаков, сухого снега и града не ощущается,
поскольку диэлектрическая проницаемость льда существенно ниже, чем воды.
Влияние водяных облаков и тумана так же мало из-за малого размера и
концентрации частиц в этих образованиях (диаметр капель менее 0,2 мм). В
наибольшей степени радиосигналы ослабляются крупными частицами мокрого снега и
града, однако в большинстве регионов эти природные явления наблюдаются
весьма редко, поэтому обычно их влиянием пренебрегают. Существенное
влияние на ослабление сигналов оказывает дождь. Интегральным параметром дождя,

58 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
учитывающим размеры, концентрацию, скорость падения капель и во многом
определяющим ослабление радиосигналов, является интенсивность дождя — / [мм/час].
Полное затухание радиоволн в атмосфере с учетом дождя зависит от
интенсивности осадков, пространственного расположения дождевой зоны и является
случайной величиной. Если известна плотность распределения интенсивности
осадков w(I), можно говорить о доверительной вероятности того, что интенсивность
дождя не превысит некоторой максимальной величины /т, которую часто
называют коэффициентом доступности (готовности) канала связи — Кд :
и рассчитывать полные потери, ориентируясь на осредненную по возможным
размерам дождевых зон (зависящим от Г) максимальную интенсивность дождя /т.
На практике величина Кд определяется как отношение суммарного времени,
в течение которого не было превышено заданное значение /т, к общему времени
метеонаблюдений. Иногда пользуются величиной A - Кд), которую выражают в
процентах. Для оценки затухания радиосигнала в дожде на этапе системного
проектирования ССС и при отсутствии экспериментальных данных пользуются
методиками, базирующимися на упрощенных моделях физических процессов,
происходящих в атмосфере. Наиболее полной и строгой моделью затухания
радиоволн в дожде является модель Крейна [1.1.4.3]. Приемлемую для практики
точность обеспечивает упрощенная методика, базирующаяся на допущении об
однородности свойств дождя в пределах всего объема дождевого слоя [1.1.4.4].
Рассмотрим эту чрезвычайно простую и полезную методику.
Потери сигнала в дожде рассчитываются по эмпирической формуле:
Ьд-а1ь1[лЪ1 A.1.4.5)
где: / — интенсивность выпадения осадков [мм/ч], / — длина пути сигнала в дождевом слое, а и b —
вспомогательные коэффициенты.
Коэффициенты а и b сильно зависят от частоты, влияние других факторов
(размера и температуры дождевых капель, поляризации сигнала) проявляется
пренебрежимо слабее. Хорошим приближением значений а и Ъ является:
а = 4,21 • 10 • /2'49 при 2,9 < / < 54 ГГц A.1.4.6)
[1,41 -Г0'0779 при 8,54 </< 25 ГГц
2,63 /-0'272 при 25 </< 164 ГГц
Длина пути сигнала в дождевом слое равна:
( 1.1.4.8)
где: h3c - высота ЗС над уровнем моря, /гд — эффективная высота дождевого слоя, у — угол места
антенны ЗС.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
59
Эффективная высота дождевого слоя связана с высотой нулевой изотермы /ги
следующим образом:
17ги при /< 10 мм/ч
д " \hn + log10 (//10) при / > 10 мм/ч
A.1.4.9)
Наконец, высота нулевой изотермы [км] равна (типичное значение для
летнего времени):
[8 при Ivi/J < 10°,
где \|/с — широта точки размещения ЗС на земной поверхности.
Интенсивность дождя / имеет статистический характер и во многом
определяется местом расположения ЗС. В соответствии со средним уровнем осадков на
поверхности Земли выделено 14 разновидностей климатических зон.
Для каждой зоны на основании статистики многолетних метеонаблюдений
определено максимальное (с некоторой доверительной вероятностью Кд)
значение /, которое и является исходным при расчете потерь сигнала в дожде.
Исходные значения интенсивности дождя для различных климатических зон
приведены в таблице 1.1.4.2, а географическое расположение зон показано на
рис. 1.1.4.2.
Оценим в качестве примера потери сигнала в дожде для ЗС, работающей на
передачу в диапазоне /= 30 ГГц при угле возвышения антенны у = 10° и
расположенной на широте 60°, высоте над уровнем моря h3C, равной нулю, в
климатической зоне М. Допустимый коэффициент доступности канала связи КА = 0,99.
Непосредственно из таблицы 1.1.4.2 находим, что интенсивность дождя
составит 4 мм/ч. Из соотношения A.1.4.10) находим, что высота нулевой изотермы
составит:
Аи = 7,8[км] - 0,1 • 60 [км] = 1,8[км].
Исходные значения интенсивности дождя — / [мм/ч]
для различных климатических зон
Таблица 1.1 Л 2
к
д
0,99
0,997
0,999
0,9997
0,9999
0,99997
0,99999
Климатическая зона
А
-
1
2
5
8
14
22
В
1
2
3
6
12
21
32
С
-
3
5
9
15
26
42
D
3
5
8
13
19
29
42
Е
1
3
6
12
22
41
70
F
2
4
8
15
28
54
78
G
-
7
12
20
30
45
65
Н
_
4
10
18
32
55
83
J
-
13
20
28
35
45
65
К
2
6
12
23
42
70
100
L
-
7
15
33
60
105
150
м
4
11
22
40
63
95
120
N
5
15
35
65
95
140
180
Р
12
34
65
105
145
200
250

60
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Рис. 1.1.4.2. Карта климатических зон мира
Поскольку г= 4 < 10 [мм/ч], то эффективная высота дождевого слоя равна:
АД = АИ = 1,8 [км].
Длина пути сигнала в дождевом слое с учетом h3C = 0 составит:
/ = 4s- = -Д^гг = Ю,37 [км],
siny sin 10
Коэффициенты а и b при/= 30 ГГц соответственно равны:
Ъ = 2,63 -30-°'272 = 1,04
А затухание в дожде из формулы A.1.4.5) составит:
1Д = 0,2 • 41'04 10,37 = 8,8 [дБ].
Эффективным средством снижения потерь мощности сигнала в радиолиниях
вниз является использование техники разнесенного приема. Анализ показывает,
что в точках приема, удаленных на расстояние около 20 км, параметры
атмосферы практически некоррелированы. Более того, даже при сближении точек
приема до 7-8 км коэффициент корреляции между интенсивностями выпадения
осадков не превышает 0,2, что дает примерно такие же результаты, что и для
некоррелированных состояний атмосферы [1.1.4.7]. Затухание сигналов с учетом
дождя приведено на рис. 1.1.4.3 и 1.1.4.4.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
61
(Б] i
2,5 -
2,0 -
1,5 -
1,0 -
0,5 -
0
/ < 4 мм/час
к-
i i
= 0,99
= 4,8 км
/
1 1 1 1
/
/
1 1 1
/ Y
у^ У
..-• Y
Y
i
= 10°
= 30°
-10°
-30°
^
789 10 /[ГГц]
— без учета дождя
с учетом дождя
Рис. 1.1.4.3. Частотная зависимость затухания радиоволн
в атмосфере Земли в диапазоне 1-10 ГГц
Б] i
25 -
20 -
15 -
10 -
5 -
0
/ < 4 мм/час
Яд = 0,99
Лд - 4,8 км
/
1 1 1 i i i i
а
/
у б
■г-
^-^ у-
—i—1—i ^
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 /[ГГц]
Рис. 1.1.4.4. Затухание радиоволн в атмосфере Земли с учетом дождя
в диапазоне 10-30 ГГц
а — прием на одну антенну, б — разнесенный прием

62 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Важным фактором, определяющим выбор рационального диапазона длин
волн для спутниковой связи, является частотная зависимость параметров,
характеризующих свойство внешних и внутренних источников шума в космических
радиолиниях. Мешающее воздействие подобных источников принято
характеризовать шумовой (яркостной) температурой — температурой абсолютно черного
тела, создающего в соответствии с законом Планка в точке приема такую же
плотность потока мощности шумов, как и рассматриваемый реальный источник
шумового излучения. Полная эквивалентная шумовая температура приемной
системы, состоящей из антенны, фидерного тракта и собственно приемника,
приведенная ко входу приемника, равна:
Т= I* +Г0A- ^) + Гпр, A.1.4.11)
где Га — шумовая температура антенны с учетом шумов, наведенных в ней внешними источниками,
Го = 290 °К — температура окружающей среды, Гпр — шумовая температура приемника,
обусловленная его внутренними шумами и определяемая в основном характеристиками входного мало-
шумящего усилителя, 1ф — потери в фидерном тракте.
Потери в фидере могут существенно влиять на шумовую температуру
приемной системы. Например, потери в фидере 1 дБ увеличивают полную шумовую
температуру примерно на 60 градусов. Поэтому для того, чтобы не потерять
преимуществ, обеспечиваемых использованием современных малошумящих
предварительных усилителей и антенн, стремятся минимизировать потери в фидерном
тракте. С этой целью входные усилители обычно размещают в непосредственной
близости от антенны.
Рассмотрим шумовую температуру приемных антенн. Собственная шумовая
температура современных антенн, обусловленная потерями в её элементах,
незначительна, поэтому реальный вклад вносят внешние источники теплового
шума. Шумовая температура приемной антенны ЗС (при условии, что Земля не
попадает в пределы главного лепестка диаграммы направленности) равна:
Га=Гат+^+аГзак, A.1.4.12)
где Тк — шумовая температура, обусловленная шумами космического радиоизлучения, Гат —
шумовая температура атмосферы, Гзак — компонента, обусловленная тепловым излучением Земли и
отражением от неё атмосферного и космического шума, а = 0,2-0,4 — коэффициент, учитывающий
прием результирующего шумового излучения Земли только по боковым лепесткам ДН.
Рассмотрим основные протяженные источники шумового радиоизлучения —
Землю, атмосферу и космическое пространство.
Шумовая температура космического пространства существенно зависит от
направления приема и может различаться в несколько десятков раз.
Максимальная температура космических шумов приведена на рис. 1.1.4.5, из которого
следует, что космическое излучение оказывает заметное влияние на частотах ниже
A-1,5) ГГц.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
63
10
U | | | | | | | | | | ^
0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 /[ГГц]
Рис. 1.1.4.5. Максимальная температура космических шумов
В соответствии с принципом термодинамического равновесия атмосфера
излучает количество энергии пропорционально поглощенной, поэтому:
A.1.4.13)
где 275 °К — средняя термодинамическая температура атмосферы [1.1.4.8]. Частотная зависимость
шумовой температуры атмосферы при углах возвышения 10 и 30 градусов приведена на
рис. 1.1.4.6.
Шумовая температура Земли определяется выражением [1.1.4.5]:
Т3 = 290A -Ф2)[°К], A.1.4.14)
где Ф — модуль коэффициента отражения земной поверхности (по мощности). Шумовая
температура атмосферных шумов, отраженных от Земли, равна:
Шумовая температура космических шумов, отраженных от Земли, равна:
Т = Ф2Т /Т

64
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
50 -
0 2 4 6 10
30
40 / [ГГц]
Рис. 1.1.4.6. Шумовая температура атмосферы
а — прием на одну антенну, б ~ разнесенный прием на две антенны
А результирующая шумовая температура Земли с учетом отраженных от нее
космических атмосферных шумов составит:
Гзак = 290A - Ф2) + Ф2B75^-—- + ^ ) =
290 - Ф2B90 - 275
^
- ^ ) [°К]
A.1.4.15)
Коэффициент отражения от земной поверхности слабо зависит от частоты и
определяется следующим приближенными соотношениями [1.1.4.6] для
вертикально поляризованных волн:
ф2 = 8 siny - л/8 - cos2y = i __ 4sVs -cos2y- siny
Vssiny + л/8 - cos y) (8 siny + л/8 - cos y)
— для горизонтально поляризованных волн:
\2
— siny — л/8 — cos у 1 _
— -"
vsiny
+ л/8 — COS2yJ
4л/8 — cos у- smy
у ^ 2
(siny + л/s — cos у)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
65
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
ОД
10
20
30
40
50
60
70 8
Рис. 1.1.4.7. Зависимость коэффициента отражения земной поверхности
от её диэлектрической проницаемости
— для волн с круговой поляризацией:
Ф2 = \{
где у — угол между рассматриваемым направлением и горизонтальной плоскостью, 8 —
диэлектрическая проницаемость отражающей земной поверхности.
Для сухой почвы 8 = 3-6, для умеренно влажной почвы 8 = 10-15, для
влажной почвы 8 = 15-30, для воды 8 = 80. Зависимость коэффициента отражения от
диэлектрической проницаемости при у = 10, 30 и 90 градусов, рассчитанная по
приведенным соотношениям, показана на рис. 1.1.4.7. Из A.1.4.15) следует, что
1—1 Т
при B75—^-— + -£)<290 результирующая шумовая температура Земли воз-
растает при уменьшении Ф2. В соответствии с рис. 1.1.4.7 при углах места менее
30° коэффициент отражения минимален при 8 ~ 10, поэтому при практических
расчетах можно принять Ф2 = 0,403 для у = 10° и Ф2 = 0,287 для у = 30°. К тому
же 8 ~ 10 соответствует наиболее типичной ситуации умеренно влажной почвы
(за исключением мррдкой подвижной службы). Как следует из A.1.4.15), при
уменьшении у и соответствующем росте 1а составляющая, заключенная в
круглые скобки, уменьшается, но при этом увеличивается значение коэффициента
отражения Ф2, поэтому можно ожидать слабую зависимость результирующей
шумовой температуры Земли от угла места у. Результаты расчетов по формуле

66 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
A.1.4.15) подтверждают это предположение, и в пределах относительной
погрешности, не превышающей 10%, можно считать, что Гзак не зависит от угла
возвышения. Частотная зависимость результирующей шумовой температуры Земли
приведена на рис. 1.1.4.8, из которого следует, что на частотах выше 15 ГГц
Гзак ~ 285°, а в диапазоне частот 0,5-30 ГГц относительное изменение
результирующей шумовой температуры Земли не превышает 25%. Резкий рост Тзж на
частотах ниже 1 ГГц обусловлен влиянием космических шумов.
Результирующее шумовое излучение Земли и шумы атмосферы воспринимаются
бортовыми антеннами через основной лепесток ДН, а космические шумы — через
боковые, поэтому для бортовых антенн справедливо следующее соотношение:
L
A.1.4.16)
а
Зависимость шумовой температуры земной и бортовых антенн от частоты,
рассчитанная по приведенным соотношениям для случая максимального уровня
космических шумов, а = 0,3, максимальной интенсивности дождя 4 мм/час и
коэффициенте доступности канала 0,99, показана на рис. 1.1.4.9. Аналогичные
зависимости могут быть легко получены и при других исходных данных.
При выборе диапазона частот естественно воспользоваться критерием
минимальных энергетических затрат на организацию канала связи при
фиксированной пропускной способности и достоверности передачи, либо, что то же самое,
максимальной пропускной способности канала связи при прочих равных
условиях. Пропускная способность спутникового канала связи определяется
выражением A.1.3.12).
Рассмотрим ССС фиксированной службы. Для этих сетей «узким» местом с
точки зрения энергетики является радиолиния СР — ЗС. Ширина диаграммы
направленности 9 передающей антенны ретранслятора определяется требуемым
размером области или зоны обслуживания и не должна зависеть от частоты.
С увеличением рабочей частоты диаметр передающей антенны для сохранения
неизменным области обслуживания приходится уменьшать, а её коэффициент
усиления в соответствии с A.1.3.6) остается неизменным. При фиксированном диаметре
приемной антенны ЗС её эффективность также слабо зависит от частоты. В случае
спутниковых сетей фиксированной службы параметрами, сильно зависящими от
частоты, являются потери сигнала в атмосфере 1а(/) и шумовая температура
приемной системы T(f), а влияние рабочей частоты на пропускную способность
радиолинии СР-ЗС определится в соответствии с A.1.3.12) частотным множителем:
Зависимость нормированного относительно своего максимального значения
частотного множителя от рабочей частоты приведена на рис. 1.1.4.10. Показанная
зависимость получена с использованием приведенных выше соотношений в
предположении 1ф = 1 дБ, / = 4 мм/час и Кд = 0,99 для двух значений угла места антенны
ЗС и подтверждает наличие достаточно ярко выраженного оптимального значения
рабочих частот для спутниковой фиксированной службы. В рассматриваемом

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
67
300
280
260
240
220
200
0 0,2 0,4 0,6 1,0 5,0 10 15 20 25 30 /[ГГц]
Рис. 1.1.4.8. Шумовая температура Земли и отраженных шумов атмосферы
и космического пространства
ТО д
400
300
200
100
J 1 1 1 1 1 I I I I -W
0 0,5 1 5 10 15 20 25 30 ЯТТц]
Рис. 1.1.4.9. Шумовые температуры приемных антенн

68
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
и)*
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
L
y'-v
1/
/
/
- /
/
\ v
\
\
\
\ у-10*
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . 1
0 0,2 0,6 1,0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12,5 15 17,5 20 /[ГГц]
Рис. 1.1.4.10. Частотная зависимость Пи(/) для фиксированной спутниковой службы
примере указанный оптимум находится ориентировочно в пределах @,5-13) ГГц.
В области более низких частот пропускная способность канала падает в связи с
резким ростом космических шумов, а в области более высоких — за счет роста
затухания сигналов в атмосфере и атмосферных шумов.
Для ССС подвижной (особенно персональной) службы «узким» звеном
является радиолиния пользователь-ретранслятор. Антенны абонентских станций
выполняют слабонаправленными, и их коэффициент усиления практически не
зависит от частоты. При уменьшении рабочей частоты при сохранении
неизменной области обслуживания появляется возможность увеличить размеры
приемной антенны и, соответственно, её эффективную площадь. Поэтому в
рассматриваемом случае частотный множитель равен:
1
fU(f)T(f)
Зависимость нормированного значения И(Г) от рабочей частоты приведена на
рис. 1.1.4.11, из которого следует, что для сетей подвижной спутниковой связи
оптимальным оказывается диапазон примерно E0-500) МГц.
Для сетей межпунктовой связи (связи «точка-точка»), которые, например,
могут быть использованы при объединении в единую информационную
инфраструктуру крупных мегаполисов, возможно использование остронаправленных
бортовых антенн. В этом случае с увеличением рабочей частоты коэффициент
усиления передающей антенны возрастает пропорционально /2 и:
f

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
69
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,03 0,05 0,07
ОД 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 /[ГГц]
Рис. 1.1.4.11. Частотная зависимость Пн(/) для подвижной
спутниковой службы
П„(/)
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
2,5
/ < 4 мм/час
КД = 0,99
у= 10°
7,5 10
15
20
25
30
35
40
/[ГГц]
Рис. 1.1.4.12. Частотная зависимость Пн(/) для межпунктовой связи
а — прием на одну антенну, б — разнесенный прием на две антенны

70
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1.4.3
Диапазоны частот для спутниковой связи
Земля -
Полоса частот, ГГц
0,148-0,15005
0,235-0,322
0,3354-0,3999
0,406-0,4061
1,610-1,6265
1,6315-1,6605
1,97-2,01
2,67-2,69
5,725-7,075
7,9-8,4
10,7-11,7
12,5-13,25
13,75-14,5
14,5-14,8
17,3-18,1
27,5-31
42,5-43,5
47,5-49,2
49,2-50,2
50,4-51,4
- космос
Вид службы
Подвижная
-"-
-"-
_«_
и
и
и
Фиксированная
Фиксированная
и подвижная
Фидерные линии
Фиксированная
Фиксированная
Фидерные линии
Фидерные линии
Фиксированная
Фиксированная
Фидерные линии
Фиксированная
Фиксированная
Космос
Полоса частот, ГГц
0,137-0,137825
0,40015-0,401
0,62-0,79
1,452-1,492
1,525-1,559
1,6265-1,6315
2,16-2,2
2,4835-2,52
2,52-2,67
3,4-4,2
4,5-4,8
7,25-7,75
10,7-11,7
11,7-12,5
12,5-12,75
17,7-21,2
22,5-23,0
37,5-40,5
43,5-47,0
— Земля
Вид службы
Подвижная
Подвижная
Вещание
Вещание
Подвижная
Подвижная
Подвижная
Подвижная
Вещание
Фиксированная
Фиксированная
Фиксированная
Фиксированная
Вещание
Фиксированная
Фиксированная
и подвижная
Вещание
Фиксированная
и подвижная
Подвижная
Зависимость нормированного Tl(f) для сетей межпунктовой связи показана
на рис. 1.1.4.12, из которого следует, что оптимальный диапазон частот в
рассматриваемом случае лежит в пределах примерно A0-20) ГГц.
Таким образом, выбор рационального диапазона частот во многом
определяется назначением сетей (типом спутниковой службы). Указанное обстоятельство
учитывается в распределении полос частот для спутниковых служб,
регламентированном в [1.1.4.9]. Диапазоны частот, выделенные для организации
спутниковых каналов связи, приведены в таблице 1.1.4.3.
На практике вопросы выбора и получения частотного ресурса для ССС
носят не только чисто технический, но в значительной мере и административно-
политический и правовой характер. Поэтому введены специальные процедуры
присвоения и использования полос частот, подробно описанные, например, в
[1.1.4.2].

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 71
Диапазоны Ка C0/20 ГГц) и Q/V E0/40 ГГц) в значительной степени
подвержены влиянию состояния атмосферы Земли. Затухание радиосигналов в
дожде может достигать 25 дБ и более, что требует для нормального
функционирования ССС значительного энергетического запаса и не позволяет работать при
углах возвышения ЗС менее ориентировочно 30°, ограничивая, тем самым,
область обслуживания. Технология радиоаппаратуры /Са-диапазона недостаточно
апробирована, что увеличивает степень риска проектов ССС. Тем не менее,
несмотря на отмеченные недостатки, абсолютное большинство перспективных
проектов ССС предусматривает в самом ближайшем будущем работу в Т&г-диапазо-
не. Основными побудительными мотивами использования диапазона 30/20 ГГц,
в недалекой перспективе и 50/40 ГГц, являются следующие:
• доступность для нужд спутниковой связи Ка и Q/V-диапазонов
значительной полосы частот позволяет разворачивать широкополосные и
сверхширокополосные ССС со скоростью передачи информации в каналах связи,
достигающей сотен Мбит/с, и с общей пропускной способностью сети
несколько Гбит/с;
• просто решаются вопросы электромагнитной совместимости и имеется
возможность работы при более высокой излучаемой мощности, поскольку
диапазон 20 ГГц и выше наземными радиослужбами практически не
используется;
• работа с более высоким уровнем выходной мощности допускает
применение антенн ЗС заметно меньших размеров, чем в более низкочастотных
диапазонах, что создает удобство для пользователей и позволяет
уменьшить стоимость пользовательского оборудования;
• в США с высокоразвитой национальной информационной
инфраструктурой С- и iCw-диапазоны полностью загружены существующими ССС,
поэтому разработчикам новых спутниковых сетей не остается никакого
другого выбора, тем более что географическое положение страны позволяет
этот выбор сделать.
1.1.5. Модуляция-демодуляция сигналов
в спутниковых каналах связи
Большая протяженность каналов связи через ГСР приводит к значительным
потерям мощности полезных сигналов в свободном пространстве и требует
использования оптимальных (или близких к ним) структур передаваемых
сигналов. Вариантом оптимального по критерию минимума вероятности ошибки
устройства различения двух априорно полностью известных, равновероятных и
статистически независимых сигналов на фоне аддитивного нормального белого
шума является двухканальный взаимокорреляционный приемник [1.1.5.1],
представленный на рис. 1.1.5.1. В каждом канале вычисляется корреляционный интеграл
между суммой принимаемого сигнала S(t) (равновероятного 50@ либо S{(t)) и
шумовой реализацией n(t) с одной стороны и опорными сигналами uo(t) и ux(t) —
с другой. Опорные сигналы должны быть копиями (с точностью до постоянного

72
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
5@
X
X
!
г
0
Я\
PC
50@, если q0 > qx
Sx{€), если qx> q0
выход
Рис. 1.1.5.1. Оптимальный приемник двух априорно известных сигналов
т
X — перемножитель, | — интегратор со сбросом, PC — решающая схема
множителя) возможных передаваемых сигналов по форме, а с принимаемым
сигналом совпадать по времени. Решение принимается в момент окончания
передачи очередного сигнала на основании сравнения отклика каналов в пользу того
канала (соответствующего сигнала), чей отклик больше.
Вероятность ошибочного приема р при использовании
взаимокорреляционного приемника и выполнении перечисленных условий равна [1.1.5.1]:
A.1.5.1)
где Е= (Е 0 + Е i)/2 — среднее значение энергии принимаемых сигналов, ЕQ и Е ^ соответственно
энергии сигналов 50@ и 5j@ на входе приемника, NQ — спектральная плотность мощности шума,
приведенная ко входу приемника,
г
р = -|50@5i@^ ~~ коэффициент корреляции между сигналами 50@ и 5j@, количественно
О
определяющий степень «похожести» сигналов друг на друга, Т — длительность сигналов,
1 Х ~-
F(x) — ~т= Г в 2dt — интегральная функция нормального закона распределения.
/2 J
Из A.1.5.1) следует, что при прочих равных условиях наибольшая
помехоустойчивость достигается при использовании сигналов с минимальным
коэффициентом корреляции.
При достаточно большом значении аргумента х справедливо следующее
приближение [1.1.5.2]:
2
<Г~2
х

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 73
Тогда:
A.1.5.2)
2я|A-р)
17
При —A — р) > 10 выражение A.1.5.2) обеспечивает погрешность менее 10%.
No
На практике при расчетах и измерениях оперируют с отношением сигнал/
шум в некоторой заданной полосе частот сигнала А/, например, полосе частот
передаваемого сигнала, используемого канала или измерительного прибора.
Вероятность же ошибочного приема двоичного символа полностью определяется
отношением сигнал/шум в информационной полосе частот передаваемого
сигнала: А/и = 1/2? = С. Поэтому на практике необходимо пересчитывать исходное
значение Рс /Рш в отношение сигнал/шум в информационной полосе
передаваемого сигнала:
ЛГОА/И KPJ Д//
В дальнейшем, если не оговорено особо, под отношением сигнал/шум h2
будем понимать отношение мощности полезного сигнала к мощности шума в
информационной полосе частот.
В цифровых радиоканалах в качестве сигналов S0(t) и Sx(t) обычно
используют отрезки гармонических колебаний с прямоугольной огибающей. При этом
возможны три основных способа манипуляции:
• AM — амплитудная манипуляция {ASK — Amplitude Shift Keying};
• ЧМ — частотная манипуляция {FSK — Frequency Shift Keying};
• ФМ — фазовая манипуляция {PSK — Phase Shift Keying}.
При AM, если сигналы отличаются только амплитудой, S0(t) = a0cosw0t,
S{(t) = atcosw0t коэффициент корреляции равен: р = 2а0а1/(а$ + а\) и
достигает своего минимального значения, равного 0, если один из сигналов имеет
нулевую амплитуду (передача с пассивной паузой).
При ЧМ S0(t) = coswot, St(t) = cosw{t, а коэффициент корреляции равен
p =sin[(^1 -wo)T/(wi +wo)T]. При разносе частот коэффициент корреляции,
как и при AM, практически равен 0.
Если фиксирована средняя энергия символов, помехоустойчивость AM и
ЧМ одинакова. Однако при AM Ео = 0, Е{ = 2Е (или наоборот), а при ЧМ
^о ^ Е\ = Е. Поэтому, если ограничена пиковая мощность передатчика (энергия
передаваемых сигналов), помехоустойчивость AM оказывается существенно
ниже ЧМ. С другой стороны, при ЧМ сигналы S0(t) и S{(t) передаются по
отдельным частотным каналам, поэтому полоса частот, занимаемая ЧМ
сигналами, при одинаковой длительности сигналов оказывается примерно в 2 раза
больше, чем при AM.

74
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
При использовании ФМ S0(t) = cos(w0t + q>), Sx(t)~ coswQt. Коэффициент
корреляции ФМ сигналов р = coscp и A.1.5.1) преобразовывается к виду:
A.1.5.3)
При фазовом сдвиге между сигналами ф = я (противоположные сигналы)
коэффициент корреляции р принимает минимально возможное значение: -1, а
вероятность ошибки минимальна:
A.1.5.4)
Соотношение A.1.5.4.) определяет потенциальную помехоустойчивость
двоичного канала связи. Минимально допустимые (пороговые) значения отношения
энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума при разных
вероятностях ошибки приведены в таблице 1.1.5.1.
Таблица 1.1.5 Л
Пороговые значения отношения сигнал/шум для разных вероятностей ошибки
Вероятность ошибки - р
Пороговое значение сигнал /шум, [дБ]
1(Г3
6,8
1(Г4
8,4
1<Г5
9,2
1(Г6
10,5
ю-7
13,4
кг8
15,6
Возможность реализовать потенциальную помехоустойчивость
(минимизировать энергозатраты при заданной помехоустойчивости) предопределяет
использование в цифровых каналах связи через ГСР ФМ сигналов. При ФМ
оптимальный двухканальный корреляционный приемник вырождается в одноканальный
(рис. 1.1.5.2.). В момент окончания приема очередного сигнала отклик канала
сравнивается с пороговым значением, равным A + р)/2, и выносится решение о
приеме символа 1 при превышении порога, а символа 0 — в противном случае.
Перемножитель и схема формирования опорного сигнала образуют синхронный
детектор, и интегрирование сигнала осуществляется на видеочастоте.
В силу понятных причин взаимокорреляционный прием нереализуем, и на
практике приходится использовать автокорреляционный прием, извлекая
опорный сигнал из принимаемой смеси полезного сигнала и шума. Энергетический
спектр ФМ сигнала при равновероятных и статистически независимых
передаваемых символах определяется следующим соотношением [1.1.5.3]:
п/ ч Е
G(w) = -cos
где 5(х) - дельта-функция.
- w0) + £sm
J
Единственная дискретная составляющая спектра представляет немодулиро-
ванное несущее колебание, которое может быть использовано на приемной
стороне для формирования опорного сигнала. Непрерывная часть спектра отражает
случайные скачки фазы сигнала и, по сути, является переносчиком передаваемой

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
75
выход
Рис. 1.1.5.2. Оптимальный приемник ФМ сигналов
информации. Теоретически спектр ФМ сигнала бесконечен. На практике обычно
полагают, что полоса частот ФМ сигнала равна А/= 2/Т (расстояние между
первыми нулями спектральной плотности), при этом в полосе частот А/
сосредоточено около 90% полной мощности сигнала.
Для выделения опорного сигнала на приемной стороне необходим
узкополосный следящий фильтр, в качестве которого обычно используется схема фазовой
автоподстройки частоты — ФАП {FLL — Phase Lock Loop}, показанная на
рис. 1.1.5.3. Сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз дискретной
составляющей спектра принимаемого сигнала и управляемого генератора (УГ),
формируется фазовым детектором (ФД). Этот сигнал после обработки в схеме
коррекции сигнала ошибки (СКСО) управляет частотой (соответственно и фазой)
сигнала УГ таким образом, чтобы сводить сигнал ошибки к нулю. СКСО
обеспечивает необходимые характеристики ФАП (устойчивость; полосы
пропускания, удержания и захвата; динамические ошибки слежения и т.д.). Собственные
фазовые шумы УГ, проникновение шумов и части спектральных составляющих,
расположенных близи частоты w0, которые по отношению к петле ФАП
являются внешними помехами, в достаточно узкую, но конечную полосу пропускания
ФАП приводят к флуктуациям фазы опорного сигнала. В результате
помехоустойчивость реальных приемников ФМ сигналов снижается, приводя к
энергетическому проигрышу по сравнению с реальными возможностями. При
рациональном выборе параметров ФАП и незначительной динамике параметров
принимаемого сигнала (что характерно для каналов связи через ГСР) величина
проигрыша составляет @,5-1) дБ [1.1.5.4].
Меняя сдвиг фаз, можно перераспределять полную мощность передаваемого
сигнала между информационным каналом и каналом синхронизации. На
практике величина (р выбирается порядка 120°, при этом на долю смодулированной
несущей приходится 25% полной мощности излучаемого сигнала, а
энергетический проигрыш информационного канала сигналам, манипулированным на 180°,
составляет 1,25 дБ.

76
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
X
к/2
Ux=k
ФНЧ
УГ щ
сксо
- sin у
►
Рис. 1.1.53. Схема ФАП
ФНЧ — фильтр нижних частот, я/2 — сдвиг фазы на я/2,
СКСО — схема коррекции сигнала ошибки, УГ — управляемый генератор
принятый сигнал
опорный сигнал
демодулированный
сигнал
Рис. 1.1.5А. Демодуляция ОФМ сигналов

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 77
Тем не менее, стремление максимизировать использование энергетических
ресурсов ГСР заставляет ориентироваться на применение ФМ на 180°. Однако,
в соответствии с A.1.5.5), мощность несущего колебания в спектре сигнала
обращается в 0 (подавленная несущая), и узкополосному фильтру канала
синхронизации попросту «не за чем следить».
Добиться работоспособности позволяет применение относительной фазовой
манипуляции - ОФМ {OPSK (SPSK) - Offset (Staggered) Phase Shift Keying}
на 180°. При ОФМ скачки фазы несущего колебания осуществляются в моменты
смены соседних информационных символов. Однозначная привязка начальной
фазы посылок к передаваемым информационным символам отсутствует, а
демодуляция ОФМ сигналов может быть осуществлена использованием в качестве
опорного сигнала для последующей посылки, задержанной на время Т
предыдущей (рис. 1.1.5.4.)
Подкупающим достоинством ОФМ является простота демодулятора. Однако
помехоустойчивость сигналов ОФМ оказывается ниже потенциальной. Это
объясняется тем, что полоса пропускания канала синхронизации при ОФМ должна
быть шире, чем при использовании ФАП, чтобы отследить скачки фазы
опорного сигнала. В результате спектральная плотность мощности шума при
демодуляции увеличивается. Вероятность ошибочного приема двоичного символа при
ОФМ равна:
Расчеты показывают, что энергетический проигрыш ОФМ в зависимости от
используемого отношения сигнал/шум составляет @,2-0,8) дБ, причем
величина проигрыша падает с уменьшением вероятности ошибки — р.
Восстановить подавленную несущую в спектре манипулированного на 180°
сигнала можно, используя нелинейное преобразование принимаемого сигнала на
входе канала синхронизации (известно, что никакое линейное преобразование не
приводит к возникновению дополнительных спектральных компонент).
Используя квадратичное преобразование, получим:
cos2(a;0 £ ± 5 ) Л + i cosBo>o* ± тг) = ± + ± cos2a;0 L
Таким образом, в результате квадратичного преобразования спектр сигнала
«очищается» от непрерывной части и в нем появляется достаточно мощная немо-
дулированная вторая гармоника несущей частоты, которую можно использовать
для синхронизации ФАП. Однако для формирования опорного сигнала
необходимо уменьшить частоту сигнала УГ в 2 раза. При делении частоты
принципиально возникает неоднозначность фазы опорного сигнала (рис. 1.1.5.5.).
Если фаза опорного сигнала отличается на п от фазы несущей, возникает
режим обратной работы канала, при котором все передаваемые 0 и 1 меняются
местами. При работе в шумах фаза опорного сигнала случайным образом
скачкообразно изменяется на тг, чередуя режимы прямой и обратной работы. Для
идентификации текущего режима работы в передаваемый сигнал приходится пе-

78
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
■ф±я/2)
ФД,
i
я/2
i
i
sinwot
ФД,
- cos(9 ± я/2)
УГ
- sin((p ±
71/2)
CKCO
- sin29
X
i
выход
Рис. 1.1..5.5. Схема Костаса
риодически вставлять априорно известные служебные комбинации двоичных
символов, что эквивалентно энергетическим потерям. Тем не менее, особенно
при передаче информации в виде относительно коротких пакетов (порядка
нескольких Кбит), предпочтение отдается ФМ с подавленной несущей. При этом
вероятность смены режима работы в пределах длительности пакета оказывается
пренебрежимо малой, а правильное восстановление фазы несущей не требует
дополнительных затрат, поскольку режим работы может быть идентифицирован по
служебным посылкам, предназначенным для других целей.
В течение длительного времени наиболее популярным демодулятором ФМ
сигналов с подавленной несущей является схема Костаса [1.1.5.5,1.1.5.6],
показанная на рис. 1.1.5.5. Входной сигнал одновременно поступает на 2 фазовых
детектора (ФД1 и ФД2), причем опорные сигналы детекторов, формируемые
управляемым генератором (УГ), сдвинуты на к/2. В результате напряжения на
выходах ФД равны:
ФД1:
* ± |
= | [cos(cp ± |
± I + ф)] « cos((p ± I
ФД2:
cos(w0t± I
I - | [sin(<p ± |) + sinB^0£ ± | + q>)] « sin(q> ± |).
При перемножении откликов ФД формируется сигнал ошибки:
sin((p ± ^ )cos(9 ± 5 ) = i [I + sinB9 ± я)] ~ sin2(p.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 79
В схеме Костаса точно так же, как и в рассмотренной выше схеме квадратичного
преобразования принимаемого сигнала, на входе ФАП возникают два устойчивых
состояния, соответствующих сдвигу фаз спорного сигнала на к, поэтому с точки
зрения возможности обратной работы эта схема не имеет никаких преимуществ.
Популярность схемы Костаса объясняется ее компактностью (совмещаются
функции нелинейного преобразователя, ФАП и синхронного детектора) и тем, что
нелинейное преобразование входного сигнала осуществляется на видеочастоте.
Для нормальной работы интегратора со сбросом в схеме оптимального
приемника ФМ сигналов ему необходимо задавать моменты начала и окончания
каждого из принимаемых символов. Это обеспечивается блоком тактовой
(символьной) синхронизации (БТС). В спектре демодулированного сигнала
составляющая на тактовой частоте отсутствует. Для ее восстановления можно,
например, использовать дифференцирование и квадратичное преобразование
демодулированного сигнала. Дифференцирование позволяет зафиксировать
моменты смены передаваемых разнотипных символов, а в результате
квадратичного преобразования возникает дискретная составляющая на тактовой частоте,
которая и используется для синхронизации ФАП. При работе в шумах возникают
ошибки, которые эквивалентны энергетическому проигрышу. Недостатком
рассмотренной схемы является возможность срыва синхронизации при
возникновении достаточно длинных последовательностей одинаковых информационных
символов. Если структура передаваемых информационных потоков такова, что
вероятность возникновения подобных ситуаций достаточно велика, то
приходится передавать сигнал тактовой частоты по отдельному узкополосному каналу,
мирясь с некоторым энергетическим проигрышем.
1.1.6. Экономное использование полосы
частот каналов связи
Пропускная способность идеального канала связи с полосой пропускания А/
определяется знаменитой формулой Шеннона [1.1.6.1]:
С = A/log2(l + jA_) [бит/с], A.1.6.1)
где Рс — мощность полезного сигнала, ЛГ0 — спектральная плотность мощности шума.
р
Отношение —^ [ Гц ] называется энергетическим потенциалом канала связи.
iV0
Известно и соотношение, определяющее пропускную способность двоичного
канала связи [1.1.6.1]:
С = А/[1 +p\og2p + (l -p)log2(l -p)] [бит/с]. A.1.6.2)
Пропускная способность двоичного канала реализуется, когда передаваемые
символы статистически независимы и равновероятны, а вероятность
трансформации символов друг в друга одинакова (симметричный канал без памяти).

80
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
С_
А/
О
О
1
lO^ NAf
Рис. 1.1.6.1. Обмен между пропускной способностью и потенциалом
для идеального и двоичного каналов
1 — идеальный канал, 2 — двоичный канал
Зависимость нормированной пропускной способности от энергетического
потенциала для идеального и двоичного каналов приведена на рис. 1.1.6.1.
Сопоставление приведенных графиков позволяет сделать следующие выводы:
• при фиксированной пропускной способности канала связи существуют
обменные соотношения между энергетическим потенциалом и полосой
частот, поэтому при выборе параметров канала связи всегда приходится
исходить из компромиссных соображений между затратами его основных
ресурсов;
• полоса пропускания двоичного канала не может быть уже значения его
пропускной способности;
в идеальном канале связи равенство C = Af обеспечивается при
ЛГ0Д/
= 1,
при
• 0 (очень широкая полоса пропускания или малый
энергетический потенциал) характеристики двоичного канала приближаются к
идеальному.
Сокращение полосы частот канала связи при сохранении пропускной
способности возможно следующим образом: двоичные информационные символы
длительностью Г на входе канала объединяются в блоки по k последовательных
символов. Каждому блоку ставится в соответствие своя посылка (канальный сигнал)
длительностью kT. При этом энергия посылки равна kE, & полоса частот при ис-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
81
1
0
2/R
1
1
^-
0
0
0
1
*
i
}
sin a
синфазный канал
r
к/2
f
v
(
zos wQt
}
г
Г,
1
i
сигнал ФМ-4
►
квадратурный канал
Рис. 1.1.6.2. Формирование сигналов ФМ-4
пользовании в качестве посылки узкополосного сигнала может быть сужена в k
раз. Очевидно, что для однозначного соответствия передаваемых по каналу
посылок исходным комбинациям информационных символов необходимо, чтобы
количество отличительных признаков посылок (градаций) равнялось 2k. В
принципе градации можно вводить по амплитуде, частоте, фазе или по двум
параметрам одновременно. Введение градаций по частоте не имеет смысла, поскольку
при этом суммарная полоса частот сигнала возрастает в 2k~1 раз по сравнению с
исходной.
Рассмотрим многократную фазовую манипуляцию — МФМ. С позиций
теории информации канал с использованием МФМ не является двоичным, а лишь
сохраняет формальные признаки этого канала (последовательности двоичных
информационных символов на входе и выходе). Для конкретизации МФМ
используется термин ^-кратная ФМ: двукратная, трехкратная и т.д. Часто
пользуются понятием 2*-фазная ФМ: ФМ-4 , ФМ-8 и т.д.
Оптимальным приемником МФМ сигналов является 2k^-канальный
коррелятор.
Рассмотрим ФМ-4 {QPSK - Quadrilateral Phase Shift Keying -
квадратурная ФМ}. На практике формирование сигналов двухкратной ФМ
осуществляется по схеме, приведенной на рис. 1.1.6.2. Поскольку функции cosw0t и sin^0£
ортогональны, то ФМ-4 может быть интерпретирована как результат
уплотнения двух каналов, занимающих общую полосу частот (частный случай
линейного уплотнения двух каналов по фазе). При этом взаимных помех между
каналами не возникает.

82
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Вероятность ошибки в каждом из каналов составит:
Таким образом, при ФМ-4 полоса частот сокращается в 2 раза по сравнению
с ФМ на 180° без дополнительных энергетических затрат. В этом нет ничего
удивительного. Двукратная ФМ, оставаясь двоичным каналом, представляет его по-
тенциальные возможности (С
р
А/при —г —>оо). Поэтому в рамках теории ин-
формации ФМ на 180° может служить примером бесполезного расширения
полосы частот без получения энергетического выигрыша, а ФМ-4 следует
считать эталонной моделью двоичного радиоканала связи, которую следует
использовать при сравнении эффективности способов обмена энергетического
потенциала на полосу частот.
Заметим, что фазовое (квадратурное) уплотнение двух каналов давно и
успешно используется в системах космической связи, например, при объединении
в общей полосе частот информационного и дальномерного каналов в командных
радиолиниях, а также при совместной передаче данных от полезной нагрузки и
информации оперативного контроля в телеметрических каналах. Более того, при
подобном уплотнении легко обеспечивается перераспределение пропускной
способности и излучаемой мощности между синфазным и квадратурным каналами.
Определим помехоустойчивость сигналов МФМ при k > 2.
Фазовый сдвиг между посылками равен:
ф{ = f7c21"k где i - 1, 2, ... k-1.
Оценим вероятность ошибки снизу, полагая, что под воздействием помехи
переход возможен только в ближайшие посылки. Тогда вероятность перехода
определится с помощью A.1.5.З.):
При установлении соответствия между фазами посылок и комбинациями
двоичных символов необходимо, чтобы более близкие посылки отличались друг
от друга возможно меньшим числом символов. При любой кратности ФМ можно
выбрать комбинации символов таким образом, чтобы любые две соседние
посылки отличались не более чем одним символом. Тогда условная вероятность
ошибочного приема символа при условии наличия перехода будет 1/k, а безусловная
вероятность ошибки:
A.1.6.3)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
83
Энергетический проигрыш МФМ в зависимости от кратности манипуляции
приведен в таблице 1.1.6.1.
Таблица 1.1.6.1
Энергетический проигрыш МФМ в зависимости от кратности
к
Модуляция
Выигрыш в полосе частот, [раз]
Энергетический проигрыш, [дБ]
1
ФМ-2
0,5
0
2
ФМ-4
1
0
3
ФМ-8
1,5
0,6
4
ФМ-16
2
5,2
5
ФМ-32
2,5
10,2
Как видно из таблицы, сокращение полосы частот при МФМ достигается
ценой весьма заметного энергетического проигрыша, поэтому практическое
применение нашли ФМ-4 и ФМ-8. МФМ используется в тех случаях, когда не
требуется обеспечения высокой достоверности передачи информации в каналах,
связные ресурсы которых позволяют эту высокую достоверность обеспечить.
Например, при совместной передаче через ствол ретранслятора потоков данных и
цифровой телефонии. При передаче данных допустимая вероятность ошибки
составляет 10~8 и менее, а при передаче речевого сигнала, благодаря его большой
избыточности, вполне допустима р = A0~3-10~4). Использование при передаче
речи ФМ-8 или ФМ-16 позволяет при прочих равных условиях увеличить число
телефонных каналов, уплотняемых в стволе. Использование МФМ возможно
также в ситуациях, когда необходим канал с пропускной способностью,
превышающей полосу пропускания доступных стволов.
При AM в отличие от ФМ квадратурное уплотнение возможно при любом
количестве градаций по амплитуде. Такой метод получил название квадратурная
амплитудная манипуляция (модуляция) — КАМ {QAM — Quadrature Amplitude
Modulation}. Учитывая неэффективное использование пиковой мощности
передатчика при AM и, соответственно, низкую помехоустойчивость, использование
КАМ возможно при наличии в каналах значительного избытка в энергетике, что
в каналах связи ССС встречается весьма редко.
Сузить полосу частот можно, используя сигналы непрямоугольной формы,
имеющие более узкий спектр. Однако и в этом случае, учитывая оптимальность
прямоугольных сигналов с точки зрения энергетики, неизбежен энергетический
проигрыш. Пусть, например, сигналы имеют синусоидальную огибающую
Slnl т j ' Тогда энергетический проигрыш составит:
'U)dt
uo
-i
= 2 C Дб).
Избежать этого проигрыша позволяет манипуляция с минимальным сдвигом —
ММС {MSK — Minimum Shift Keying}. Формирование ММС сигналов показано

Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
2/R
в синфазный канал
в квадратурный канал
Рис. 1.1.63. Структура видеосигналов при ММС
на рис. 1.1.6.3. В синфазном и квадратурном каналах используются сигналы с
синусоидальной огибающей, а фазы огибающих сдвинуты относительно друг друга
на я/2. Суммарная мощность сигналов обоих каналов в любой момент времени
постоянна:
1г
2LSm V27
2
Но в отличие от ФМ-4 мощность непрерывно перераспределяется между
каналами, обеспечивая при этом компенсацию проигрыша, обусловленного непря-
моугольностью формы сигналов. Для оценки выигрыша ММС сигналов по
полосе частот сравним спектры ФМ-4 и ММС. Энергетический спектр ММС
сигналов определяется выражением:
G(W) = 8£
п
\l--2(w-w0JT2]
Спектр ММС более компактен в том смысле, что основные составляющие
спектра наиболее плотно примыкают к несущей частоте сигнала. Если ширину
спектра сигнала А/ определить по уровню наличия в этой полосе 95% полной
мощности сигнала, ММС обеспечивает экономию полосы частот по сравнению
с ФМ и ФМ-4 соответственно в 3,4 и 1,7 раза. Это обстоятельство обуславливает
использование ММС сигналов в космических каналах связи.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
85
1.1*7. Помехоустойчивое кодирование
В широком смысле под кодированием понимаются любые преобразования
первичных сигналов к виду, удобному или пригодному для передачи по
используемому каналу связи. Помехоустойчивое кодирование является более узким
классом преобразований с целью повышения достоверности передачи цифровой
информации по шумящим каналам. В противоположность рассмотренным выше
методам узкополосной модуляции, обеспечивающим при фиксированной
скорости передачи информации экономию полосы частот ценой ужесточения
требований к энерговооруженности канала, помехоустойчивое кодирование за счет
введения избыточности в передаваемый сигнал (введения дополнительных битов)
и соответствующего расширения полосы используемых частот позволяет
ослабить требования к энергетике каналов связи. Либо, при той же энергетике, —
повысить достоверность передачи.
Процесс кодирования-декодирования в общих чертах сводится к следующему
(рис. 1.1.7.1). На передающей стороне кодирующее устройство (кодер)
анализирует последовательность поступающих на его вход от источников информации
безызбыточных информационных символов (в дальнейшем ограничимся
рассмотрением двоичных сигналов) и в соответствии с установленными правилами
кодирования добавляет к этой последовательности избыточные символы. В результате
От источников
информации
R
Кодер
R>R
Модулятор
Передатчик
I
К получателям
информации
Декодер
Демодулятор
Приемник
Помехи
Рис. 1.1.7.1. Система передачи информации с использованием
помехоустойчивого кодирования

86 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
на выходе кодера формируется кодированная последовательность символов,
генерируемая с более высокой скоростью и соответственно занимающая более широкую
полосу частот, чем исходная безызбыточная. На приемной стороне декодирующее
устройство (декодер) анализирует искаженную помехами закодированную
последовательность и в соответствии с установленными правилами декодирования
регенерирует исходные безызбыточные символы. При этом наличие избыточных
символов позволяет в определенной мере «очистить» выходной сигнал от помех.
Практически выбор используемых кодов во многом определяется
свойствами воздействующих на полезный сигнал помех. Для спутниковых каналов
связи в большинстве практических приложений наиболее часто используется
модель с наличием в канале аддитивного нормального белого шума с нулевым
средним значением (АНБШ).
Все многообразие предложенных и используемых на практике
помехоустойчивых кодов можно подразделить на два принципиально отличающихся класса:
1. Блоковые (или блочные) коды. Кодер блокового кода разбивает
непрерывную последовательность информационных символов на его входе на
отрезки (информационные блоки) одинакового объема k символов. Все
операции в соответствии с используемым кодом производятся над каждым
блоком отдельно и независимо от остальных блоков. Каждому
возможному информационному блоку ставится в соответствии набор из k выходных
(канальных) символов, называющийся кодовым словом, которое
передается по каналу, где подвергается воздействию помех, а затем декодируется
на приемной стороне.
2. Непрерывные (их часто называют рекуррентными, древовидными) коды,
при использовании которых последовательность информационных
символов подвергается обработке в кодере без какого-либо предварительного
разбиения её на отдельные фрагменты.
Возможности коррекции ошибок, основные ограничения и теоретические
оценки в целом во многом схожи для блоковых и непрерывных кодов, поэтому
рассмотрим сначала теоретически более «прозрачные» блоковые коды.
Блоковые коды
Блоковым кодом называется совокупность 2k кодовых комбинаций (слов)
длиной п > k. Эти коды обычно обозначаются (п, k), где п — блоковая длина, k —
число информационных символов в кодовом слове, а остальные (п - k) символов
являются избыточными (проверочными). Важной обобщенной характеристикой
кодов является относительная скорость (или просто скорость) кода
k
г = -,
п
или обратная ей величина -, называемая избыточностью кода. Величина избы-
ft
точности количественно определяет относительное расширение полосы частот
передаваемого сигнала, обусловленное введением избыточности.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 87
Очевидно, что при рациональном построении кодов уменьшение их скорости
(увеличение избыточности) должно сопровождаться увеличением
помехоустойчивости. «Похожесть» двух кодовых комбинаций г и; друг на друга принято
количественно характеризовать расстоянием между ними dt- в метрике Хэмминга
[1.1.7.1]:
д,ц = количество позиций, в которых символы комбинаций г и j не совпадают.
С другой стороны, если рассматривать кодовые комбинации как обычные
сигналы, их взаимосвязь можно характеризовать коэффициентом корреляции р-:
pij c n A.1.7.1)
где пс и пп — соответственно число позиций, в которых символы комбинаций i и j совпадают и не
совпадают.
В коде с блоковой длиной п всего возможны 2п комбинаций, из которых 2k
являются рабочими (разрешенными), а остальные 2п - 2к не используются
(запрещены). Задача построения блокового кода в общем случае сводится к выбору
совокупности разрешенных комбинаций из общего числа возможных таким
образом, чтобы обеспечить в соответствии с выбранным критерием эффективности
приемлемую структуру кода. Процесс декодирования в условиях воздействия
шумов является статистическим по своей сути и неизбежно сопровождается
принятием ошибочных решений (гипотез) относительно части переданных кодовых
комбинаций. При использовании модели АНБШ ошибки при приеме отдельных
символов кодовой комбинации независимы и число ошибочно принятых
символов г в блоке длиной п (кратность ошибки) подчинено биномиальному
распределению:
Рг = С1пр\\-р)п-\ A.1.7.2)
где р — вероятность ошибочного приема двоичного символа,
~Тг г + Г 1-р ^П\-р
При пр/A -р)< 1, что обычно выполняется на практике, априорная
вероятность возникновения ошибок более высокой кратности г монотонно убывает.
Если кодовые слова выбираются на передачу равновероятно, при приеме
запрещенной комбинации естественно отождествить её с ближайшей разрешенной,
возможно исправив при этом часть ошибок. Такое декодирование называется
декодированием по методу максимального правдоподобия. Процедура
декодирования в общих чертах заключается в разбиении множества 2п возможных
принимаемых комбинаций на 2к подмножеств, «закрепив» за каждым из этих
подмножеств одно кодовое слово. При приеме запрещенной комбинации,
входящей в подмножество j, выносится наиболее правдоподобное решение о том, что
было передано /-ое кодовое слово, закрепленное за j-ым подмножеством
запрещенных комбинаций. Математически процедура декодирования может быть

88 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Код 0000 1111 кодовые слова (разрешенные комбинации)
0 —> 0000 0001 1110 запрещенные комбинации
1 —>► 1111 0010 1101 (возможные принятые комбинации символов)
0100 1011
1000 0111
1100 1001
ОНО 1010
ООН 0101
Рис. 1.1.7.2. Таблица декодирования для кода
с повторением D,1)
определена в виде таблицы декодирования. Каждая из 2п возможных принятых
комбинаций появляется в таблице только один раз, в одном из столбцов,
соответствующем одному из кодовых слов. Например, для кода D,1), образуемого
двумя кодовыми комбинациями 0000 и 1111, таблица декодирования может
иметь вид, показанный на рис. 1.1.7.2. Первую строку таблицы образуют кодовые
слова. Если было принято конкретное кодовое слово, то естественно
предположить, что именно это слово было передано. Решения, принимаемые для других
комбинаций символов на выходе канала, задаются перечнем (под каждым
кодовым словом) запрещенных комбинаций, которые должны декодироваться в это
слово. Код и таблица декодирования, показанные на рис. 1.1.7.2, гарантируют
правильное декодирование, если в принимаемых комбинациях имеется не более
чем одна ошибка (т.е. исправляются все однократные ошибки). Правильно
декодируется и половина слов с двукратными ошибками. Ошибки большей
кратности не корректируются.
Важной числовой характеристикой блоковых кодов является кодовое
расстояние (минимальное расстояние по Хэммингу) — d, определяемое как
минимальное расстояние между любой парой слов кода:
d = Td* A.1.7.3)
Знание кодового расстояния позволяет судить о корректирующей
способности кода. Код с кодовым расстоянием d гарантированно исправляет все ошибки
кратности tlV равной:
~ при d нечетном
Л о A.1.7.4)
9l г при d четном

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 89
При этом частично могут исправляться и ошибки более высокой, чем tw
кратности. Однако чтобы оценить эти возможности кода, необходима более
детальная информация об его структуре. Например, код на рис. 1.1.7.2 имеет d= 4 и в
соответствии с A.1.7.4) гарантированно исправляет однократные ошибки, а о его
способности исправлять часть двукратных ошибок знание кодового расстояния
никаких сведений не дает.
При декодировании можно вместо коррекции ошибок просто фиксировать
факт их наличия, что позволяет, например, организовать канал связи с
решающей обратной связью (канал с переспросом). Код с кодовым расстоянием d
гарантированно обнаруживает ошибки кратности:
t0 = а - 1
В декодере может также сочетаться исправление и обнаружение ошибок.
Например, для кода на рис. 1.1.7.2 возможно исправление всех однократных ошибок
в комбинации с обнаружением всех двукратных. Однако при этом возможность
частичной коррекции двукратных ошибок теряется.
При количественном определении помехоустойчивости избыточных кодов
возможны два подхода. В некоторых практических приложениях кодовые слова
используемого кода могут интерпретироваться как полностью оформленные
сообщения, несущие вполне определенную смысловую нагрузку, например
команды в командных радиолиниях. В этом случае наиболее полную информацию о
помехоустойчивости используемого кода может дать статистическая матрица
трансформации кодовых слов:
Р0'->Л U-1,2, ...2*,
каждый элемент которой P(i—>j) определяет вероятность принятия решения о
передаче^-го слова при условии, что реально было передано z-oe слово. При г =j
имеем вероятность правильной передачи i-го кодового слова. Если конкретный
исход ошибочной передачи i-го слова не столь существенен, то можно
использовать в качестве показателя помехоустойчивости вероятность ошибочной
передачи i-го кодового слова:
7=1
Если же информация, содержащаяся в кодовых словах, равноценна для
получателя, то возможно использование средней (безусловной) вероятности
ошибочной передачи:
2*
рош= £р.рошA), A.1.7.5)
г = 1
где JP. — вероятность выбора f-ro слова для передачи.

90 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В спутниковых каналах связи помехоустойчивое кодирование используется в
основном для снижения требований к энергетическому потенциалу радиолиний.
Непрерывная последовательность фрагментируется на одинаковые блоки по k
символов, к этим блокам в соответствии с выбранными правилами кодирования
добавляются по {п - k) избыточных символов. На приемной стороне в процессе
декодирования избыточная последовательность преобразуется в исходную с той
разницей, что часть информационных символов декодируется ошибочно. При
таком подходе помехоустойчивость передачи характеризуется эквивалентной
вероятностью ошибочного приема информационного двоичного символа, а
эффективность кода, в частности, оценивают энергетическим выигрышем У] по
отношению к некоторой эталонной модели кодирования. В качестве такой
модели обычно используют простейший безызбыточный код. Рассмотрим блоковый
(п, k) код. При трансформации г-го кодового слова в j-oe искажаются d{-
символов, часть которых Ц являются информационными, а остальные избыточными.
Если кодовые слова равновероятны, то число информационных символов,
искаженных в среднем при передаче одного блока, равно:
а вероятность ошибочного приема р информационного символа с учетом того,
что в каждом блоке передается k символов, составит:
i = 1 j = 1
При безызбыточном кодировании на выходе приемника получается поток
двоичных символов с независимыми ошибками. При использовании
помехоустойчивых кодов ошибка при приеме кодового слова приводит к
возникновению пакета ошибок в восстанавливаемой последовательности информационных
двоичных символов на выходе декодера. Эффект группирования ошибок крайне
нежелателен. Для разравнивания потока ошибочно принятых символов на
передающей стороне перед кодером устанавливается перемежитель,
перемешивающий информационные символы во времени. На приемной стороне после
декодера используют деперемежитель, восстанавливающий естественный временной
порядок следования символов и одновременно «разрушающий» пакеты ошибок,
делая поток ошибочно принятых символов более однородным по времени.
Практическое применение нашли блоковые (рис. 1.1.7.3) и сверточные пере-
межители (рис. 1.1.7.4). Основу блокового перемежителя составляет
прямоугольная матрица элементов памяти, в которую информация может записывать-
ся-считываться по строкам и по столбцам. При перемежении, например,
информационные символы последовательно заполняют столбцы матрицы, а счи-
тываются в кодер построчно. Деперемежитель действует в обратной
последовательности. Блоковый перемежитель требует емкости памяти, равной удвоенному
объему перемеживаемого блока символов, и вносит задержку, равную V6jl /R, где

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
91
Входная последовательность символов
1
2 |3
4
5
6
7
8
9
10 | 11
12
13 | 14
15
16
17
18
19
20
-►
■ ►
►
to»
20
15
10
5
19
14
9
4
18
13
8
3
17
12
7
2
. 1 1 4
Последовательное^
1
6
И
\
16
2
J
12
И
з
20
15
10
5
19
14
9
4
18
13
8
3
16
11
6
1
г
> символов в канале связи
8
13
18
4
9
14
17
12
7
2
1
1
3
4
5
6
1
8
1
г
16
11
6
1
►
►
►
10
11
12
13
J
У
15
Перемежитель
5
10
15
20 |
Деперемежитель
16
17
18
20 1
Принятая последовательность символов
— искаженные символы
Рис. 1.1.73. Блоковый перемежитель-деперемежитель символов
^бл ~ объем обрабатываемого блока. Сверточный перемежитель строится на
элементах задержки. Основным параметром перемежителя любого типа является
глубина перемежения, численно равная расстоянию (в числе символов) между
соседними символами исходной последовательности в выходной
последовательности перемежителя. Очевидно, что чем больше глубина перемежения, тем в
большей степени декоррелируются ошибки, однако при этом растут
аппаратурные затраты и задержки передачи.
Эффективность помехоустойчивых кодов естественно сравнивать при
фиксированной скорости передачи информационных символов. При этом при
увеличении избыточности возникают две противоречивые тенденции:
• при уменьшении k/n растет корректирующая способность кода и
появляется возможность исправления большего числа ошибок в пределах
каждого кодового слова,

92
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1
1
i
1
1
1
1
1
1 2
2
1
3
1
4
1
5
1 з
2
1
2
1 4
1 4
1
1
4
1 5
1
1
1 з
1 з
1 6
1
1 5
1
5
17 18
1 7 1
1 1
1 1 6
7 1 6
1 9
1
1 8
1
8
1 10
1 10
1
1
10 |
111
1
1
1 9
9
1 12
1
111
1
И 1
1 13
1 13
1
1
13 |
14
1 12
12 |
1 1-
1
\u
1
14
1 16
1 16
1
16 |
1 17 I 18
1 I
1 117
1 15 I
19
19
1
20 1
1
1 20
1 18 I
15 17 | 19 I 18 20 I
t
t
t
\ \
I
f
-►
Рис. 1.1.7.4. Сверточный перемежитель-деперемежитель символов
• при уменьшении k/n падает отношение энергии каждого символа к
спектральной плотности мощности шума и число ошибочно принятых
символов в пределах кодовой комбинации увеличивается.
Эффективность кода во многом определяется тем, какая из перечисленных
тенденций превалирует. На рис. 1.1.7.5 приведены качественные зависимости
вероятности ошибочного приема информационного символа от отношения сигнал/
шум — h , равного отношению энергии информационного символа к
спектральной плотности мощности шума. При h2 —> 0 вероятность ошибочного приема
символа равна 0,5 при любом способе кодирования. В области малых значений
отношения сигнал/шум оптимальным по критерию минимума вероятности
ошибки является безызбыточный код. При достаточно больших значениях h2
зависимость р от h2 для различных избыточных кодов может вести себя
по-разному. Если указанные зависимости не пересекаются, то избыточный код всегда

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
93
Рис. 1.1.7.5. Зависимости вероятности ошибки
от отношения сигнал/шум
1 — безубыточный код, 2 — приемлемый избыточный код,
3 — неприемлемый избыточный код
проигрывает по энергетике безызбыточному и, следовательно, является
неприемлемым (кривая 3 на рис. 1.1.7.5). В противном случае можно говорить о
выигрыше избыточного кода при превышении h2 некоторого значения, называемого
порогом улучшения h2y . При отношениях сигнал/шум, больших h2 ,
энергетический выигрыш избыточного кода г\ определяется как разность пороговых
значений отношения сигнал/шум при избыточном h\ и безызбыточном h\
кодировании. Величина энергетического выигрыша зависит от допустимой вероятности
ошибки и растет при уменьшении р. Энергетический выигрыш избыточных
кодов в зависимости от допустимой вероятности ошибки может составлять
несколько дБ, что позволяет существенно улучшить тактические и экономические
параметры каналов связи. Например, ц = 3 дБ при прочих равных условиях
позволяет реализовать одну из следующих возможностей:
• уменьшить мощность передатчика в 2 раза,
• увеличить дальность связи примерно на 40%,
• уменьшить размеры приемной и передающей антенн примерно на 30%,
• допустить в 2 раза большую шумовую температуру приемной системы,
• увеличить в 2 раза пропускную способность канала связи,
• существенно повысить достоверность передачи информации.
Эффективность помехоустойчивого кодирования во многом определяется
способом обработки сигналов при приеме и декодировании. При приеме в целом
(корреляционном приеме) каждая кодовая комбинация обрабатывается
полностью, как «целый» сигнал. Оптимальным по критерию минимума ошибочного
приема кодовой комбинации является линейный корреляционный приемник,

94 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
представляющий собой набор 2k корреляторов, каждый из которых согласован с
одним из возможных кодовых слов. Результаты обработки смеси полезного
сигнала и шума с выходов этих корреляторов в моменты окончания приема кодовых
слов сравниваются между собой, и решение о том, что была передана^'-ая кодовая
комбинация, выносится, если отклик настроенного на неё коррелятора
максимален. Сложность реализации декодера пропорциональна количеству
корреляторов и экспоненциально растет с увеличением числа информационных символов
в кодовых словах.
Резко упростить и в ряде случаев обеспечить единственно возможную
практическую реализацию процедуры декодирования позволяет поэлементный
прием. При этом процесс принятия решений относительно переданных кодовых
слов осуществляется поэтапно при помощи двух решающих схем. Первая
решающая схема последовательно выносит решения о том, какие двоичные
символы входят в состав принимаемого кодового слова. Вторая решающая схема на
основе анализа п решений первой осуществляет декодирование принятой
последовательности символов. При приеме двоичных сигналов на фоне нормального
белого шума оптимальной первой решающей схемой, минимизирующей
вероятность ошибочных решений при приеме элементов, является приемник,
описанный в разделе 1.1.5. Вторая решающая схема, являющаяся собственно декодером,
работает со стандартными двоичными цифровыми сигналами, свободными от
шумов радиолинии. Влияние этих шумов проявляется лишь в том, что часть
решений первой схемы являются ошибочными. Таким образом, платой за простую
реализацию декодера при поэлементном приеме является энергетический
проигрыш кодека приему в целом при одинаковой структуре используемого кода.
Известна теорема Финка [1.1.7.2], доказывающая, в частности, что:
^ошэ>^„шц. A-1-7.7)
где Рош и Рош — вероятности ошибочного приема кодовой комбинации при поэлементном приеме
и приеме в целом, соответственно.
Знак равенства в A.1.7.7) обеспечивается только при безызбыточном
кодировании. Величина проигрыша весьма ощутима и составляет величину около 2,5
дБ при достаточно большой блоковой длине кодов. Физически указанное
обстоятельство объясняется тем, что при поэлементном приеме квантование
выхода интегратора первой решающей схемы на два уровня приводит к частичной
потере информации о свойствах конкретной шумовой реализации и препятствует
эффективному осреднению помехи по длине кодовой комбинации.
Промежуточным между рассмотренными способами декодирования является
прием с «мягкими» решениями на входе второй решающей схемы. В этом случае
выход первой решающей схемы в моменты окончания принимаемых сигналов
квантуется на некоторое число уровней тп. В пределе при тп = 2 имеем
поэлементный прием, а при m —» оо — прием в целом. Выбор конкретного значения m
позволяет осуществить на практике компромисс между эффективностью процедуры
кодирования-декодирования и сложностью технической реализации декодера.
При количественной оценке эффективности используемых и предлагаемых
помехоустойчивых кодов возникает вопрос: насколько же характеристики близ-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
95
ки к предельно допустимым (потенциальным)? Ответ на этот вопрос может быть
получен с использованием формулы Шеннона A.1.6.1). Учитывая, что Рс/
р = рс /щ Д/ = ER/Nq A/ = Er/N0, и подставляя в A.1.6.1) i? вместо С, можно для
каждого значения г найти минимально возможное значение E/No. Затем,
воспользовавшись A.1.5.1) и задавшись допустимой вероятностью ошибки,
отыскивается значение отношения сигнал/шум для безызбыточного кодирования и
соответствующий потенциальный выигрыш помехоустойчивого кода. Значения
оцененного таким образом потенциального выигрыша г\п для некоторых
значений r=k/n и вероятности ошибки приведены в таблице 1.1.7.1.
Таблица 1.1.7.1
Потенциальный энергетический выигрыш г|п помехоустойчивых кодов [дБ]
"\\ р
0,800
0,667
0,500
0,333
0,250
10'4
6,3
7,3
8,2
8,9
9,2
10,0
ю-5
7,5
8,5
9,4
10,0
10,3
11,1
10
8,4
9,4
10,3
11,0
11,3
12,1
ю-7
9,3
10,3
11,1
11,8
12,1
12,9
10"8
10,0
11,0
11,8
12,5
12,8
13,6
Как следует из таблицы, энергетический выигрыш избыточных кодов может
быть весьма значительным, особенно при малых (что обычно требуется на
практике) значениях вероятности ошибки. В то же время роль уменьшения скорости
кода (расширения полосы частот относительно информационной полосы частот
сигнала) весьма незначительна. Например, уменьшение скорости кода от 0,8 до
0 приводит к энергетическому выигрышу не более 3,6 дБ.
В подавляющем большинстве случаев на практике используют линейные
блоковые коды, в кодерах которых избыточные символы формируются с
использованием линейных операций над информационными символами. Поскольку
любые линейные операции над нулевыми символами приводят к появлению
нулевых, то в любом линейном коде обязательно присутствует кодовое слово,
состоящее из одних нулей. Большую группу линейных блоковых кодов составляют
Циклические коды, в которых циклический сдвиг любого кодового слова путем
переноса символа из начала слова в его конец (или наоборот) порождает кодовое
слово того же кода.
Между основными параметрами блокового кода (числом информационных
символов k, блоковой длиной п и кодовым расстоянием d) существует
определенное соответствие, задаваемое в виде оценочных неравенств. Очевидно, что
чем оолыде при фиксированной избыточности кодовое расстояние, тем лучшими
характеристиками должен обладать код. Известна оценка Хэмминга [1.1.7.4],
которая для двоичного кода выглядит следующим образом:

96 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
n-k>\og2 £ С A.1.7.8)
7 = 0
где запись [х] означает целое число, не большее х.
Коды, для которых в A.1.7.8) выполняется равенство, «упакованы» наиболее
плотно в том смысле, что при заданном кодовом расстоянии их избыточность
минимальна. Такие помехоустойчивые коды называются совершенными.
Для линейных кодов очевидно следующее неравенство:
n-k>d-l A.1.7.9)
Коды, для которых неравенство A.1.7.9) обращается в равенство, называют
максимально разнесенными.
Линейный код может быть задан своей порождающей матрицей G,
представляющей собой таблицу, содержащую k строк и п столбцов. В матрице размещают
k линейно независимых кодовых слов задаваемого кода. Комбинируя строки
матрицы во всех возможных сочетаниях, получают все возможные кодовые слова.
При фиксированной скорости кода эффективность блоковых кодов растет
пропорционально блоковой длине. Физически это объясняется тем, что с
увеличением длины блока на ней лучше усредняется случайная помеха. С другой
стороны, с ростом п усложняется реализация кодека и увеличивается задержка
передачи. Для линейных кодов (особенно циклических) разработан целый ряд
алгоритмов, позволяющих существенно упростить реализацию декодера,
например: метод вылавливания ошибок [1.1.7.3], перестановочное декодирование
[1.1.7.6], мажоритарное декодирование [1.1.7.7] и др.
Многие известные коды могут быть модифицированы путем добавления или
удаления кодовых символов, что позволяет синтезировать коды практически с
любой требуемой скоростью, а в ряде случаев — несколько улучшить их
характеристики. Можно выделить следующие разновидности модификации:
— расширение путем добавления проверочного символа:
(я, А)->(я + 1,А)
— перфорация путем удаления проверочного символа:
(я, *)-»(я-1,*)
— удлинение путем добавления информационного символа:
(я, А)->(я + 1,А+1)
— укорочение путем удаления информационного символа:
(я, *)->(я-1,А-1)
— насыщение путем добавления информационного символа с
одновременным удалением избыточного:
(я, *) -» (я, А + 1)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 97
— разрежение путем удаления информационного символа с одновременным
добавлением избыточного:
(п, k)->(n,k-l)
В ряде случаев процедура модификации может быть использована
последовательно несколько раз.
Рассмотрим характеристики наиболее широко известных блоковых кодов.
Код с повторением информационных символов (повторный код). Содержит
всего два кодовых слова, соответствующих информационным нулю и единице.
Кодовые слова формируются путем гг-кратного повторения информационных
символов. Код с повторением (п, 1):
1 —> 111...1
имеет следующие параметры: г = \/п, d = n,t^ \{n - 1)/2].
Код с повторением, в соответствии с данными выше определениями, является
совершенным и максимально разнесенным.
Вероятность ошибочного приема информационного символа при
поэлементном приеме равна:
где рх — вероятность ошибочного приема одного символа кодового слова, энергия этого символа
в п раз меньше энергии информационного символа при безызбыточном кодировании.
В частности, при п = 3 и 5 соответственно:
3
i = 2
5
Р= £ 4*1A "PiM' = Юр?- 15р} + 6/1?
i = 3
На рис. 1.1.7.6. приведены зависимости вероятности ошибочного приема
информационного символа от отношения сигнал/шум при разной блоковой
длине кода. Код с повторением при поэлементном приеме энергетически
неприемлем, причем величина проигрыша растет с увеличением блоковой длины. При
приеме же в целом вероятность ошибки не зависит от размера блока, что
подтверждает тот факт, что при оптимальном различении двух сигналов
вероятность ошибки определяется энергией сигналов и не зависит от формы. Все
сказанное справедливо при модели АНБШ и не означает абсолютной
неприемлемости рассматриваемого кода. Например, при приеме на фоне мощной
узкополосной помехи код с повторением (который по своей структуре
эквивалентен внутрисимвольной манипуляции) обеспечивает выигрыш в отношении
сигнал/шум примерно в п раз.

98
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
10 12 14 16 18 h2
Рис. 1.1.7.6. Вероятность ошибки для кода с п-кратным
повторением символов (поэлементный прием)
Коды Хэмминга [1.1.7.4] представляют собой блоковые линейные
циклические коды со следующими параметрами: я = 2т - 1, k = 2m - 1 - т, г = 1 - т/п,
d= 3, £и = 1, где т — целое положительное число.
Для кодов Хэмминга справедливо:
Iog22m = Iog2(l + 2т -1) - log2 £ Cn
следовательно, они являются совершенными.
Основным достоинством циклических кодов является простота реализации
кодирующего устройства. Кодером циклического (п, k) кода является
^-разрядный регистр сдвига, охваченный обратной связью, в цепи которой использованы
сумматоры по модулю 2. Сначала в k ячеек регистра помещается блок
информационных символов, затем замыкается обратная связь и производится п сдвигов.
Первые k символов, снимаемых с выхода, будут информационными, а остальные
(п - k) символов — проверочными. Вместе они образуют кодовое слово длины п.
На рис. 1.1.7.7. для примера приведен кодер кода Хэмминга G,4) и показаны
кодовые слова, генерируемые кодером.
Основные характеристики некоторых кодов Хэмминга приведены в
таблице 1.1.7.2.
Порог улучшения для рассматриваемых кодов составляет величину E-6) дБ.
Поскольку корректирующая способность кодов Хэмминга не зависит от
блоковой длины и позволяет гарантированно исправлять лишь однократные ошибки,

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
99
псис
000 0000
Oil 0001
110 0010
101 ООН
1110100
100 0101
001 ОНО
010 0111
1011000
110 1001
0111010
000 1011
010 1100
0011101
1001110
1111111
ПС — проверочные символы
ИС — информационные символы
Рис. 1.17.7. Код Хэмминга G,4)
и его кодирующее устройство
Таблица 1.1.7.2
Основные характеристики кодов Хэмминга
Код
G,4)
A5,11)
C1,26)
F3,57)
A27,120)
г
0,571
0,733
0,839
0,905
0,945
d
3
3
3
3
3
1
1
1
1
1
h\ [дБ]
9,4
11,49
8,72
10,56
8,39
9,95
8,35
9,85
8,31
9,74
ч№]
0,13
0,51
0,81
1,44
1Д4
2,05
1,18
2,15
1,22
2,26
Р
ю-8
ю-5
ю-8
10~5
ю8
10~5
ю-8
10~5
ю-8
при увеличении п заметного улучшения характеристик не наблюдается
(недостаток корректирующей способности компенсируется увеличением скорости ко-
Да). Поэтому практическое применение находят лишь относительно короткие ко-
ДЬ1 Хэмминга.

100
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
ПС ИС
0000 000
1101 001
0111010
1010 011
1110100
ООН 101
1001110
0100111
ПС — проверочные символы
ИС — информационные символы
Вход
Регистр сдвига
Выход
Рис. 1.1.7.8. Эквидистантный код G,3) и его кодирующее устройство
Циклический код Голея [1.1.7.5] имеет параметры: п = 23, £=12, г =0,522,
з
d = 7, tH = 3. Поскольку log2 V Сзз = Iog22n = 23 - 12, то код Голея является
совершенным. Других совершенных кодов, кроме тривиального кода с
повторением, кодов Хэмминга и кода Голея не обнаружено.
Порог улучшения для кода Голея равен 3 дБ, а энергетический выигрыш при
вероятности ошибки 10~5 и 10~8 составляет соответственно 1,8 и 2,5 дБ.
Симплексные коды. Известно [1.1.7.8], что при оптимальном
(корреляционном) различении / полностью известных сигналов на фоне АНБШ оптимальной
системой сигналов, минимизирующей вероятность ошибочного приема, является
система равноудаленных в пространстве на максимально возможное расстояние
сигналов, имеющих попарно минимально возможный коэффициент взаимной
корреляции, равный -1Д/-1) — при /четном и-1/1 — при /нечетном. Известны
ансамбли двоичных сигналов, удовлетворяющие приведенному условию, что
позволяет конструировать двоичные коды, оптимальные по критерию минимума
вероятности ошибочного приема кодовой комбинации при приеме в целом. В
частности, существует система симплексных сигналов, формируемых на регистрах
сдвига, охваченных соответствующим образом подобранными линейными
обратными связями. В качестве примера на рис. 1.1.7.8. показан кодер симплексного
кода G,3) и приведен сам код. Легко убедиться, что расстояние между любой
парой кодовых слов равно 4, а коэффициент корреляции -1/7, что удовлетворяет
приведенному выше условию максимальной удаленности кодовых слов.
В общем случае симплексный код имеет следующие параметры: п = 2т -1,
k = т, г = т/п, d = 2т~1 где т — 2, 3.... Вероятность ошибочного приема
информационного символа при малых р определяется выражением:
А2*
2-1,2
е п
2*-1

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
101
Основные характеристики некоторых симплексных кодов, рассчитанные с
помощью приведенных соотношений, приведены в таблице 1.1.7.3.
Основные характеристики симплексных кодов
Таблица 1.1.73
Код
G,3)
A5,4)
C1,5)
F3,6)
A27,7)
B55,8)
E11,9)
A023,10)
г
0,429
0,267
0,161
0,0952
0,0551
0,0314
0,0176
0,00977
d
4
8
16
32
64
128
256
512
1
3
7
15
31
63
127
255
hi [дБ]
7,85
10,0
7,16
9,19
6,58
8,54
6,11
7,96
5,68
7,48
5,38
7,08
5,05
6,7
4,8
6,39
Л[ДБ]
1,68
2,0
2,37
2,81
2,95
3,46
3,42
4,04
3,85
4,52
4,15
4,92
4,48
5,3
4,73
5,61
Р
ю-5
ю-8
ю-5
ю-8
10
ю-8
10
ю-8
10~5
ю-8
10
ю-8
10~5
ю-8
10 5
ю-8
Ортогональные коды [1.1.7.9] строятся на базе матриц Адамара. Матрицей
Адамара называется квадратная ортогональная матрица размерности (пхп),
элементами которой являются действительные числа +1 и -1. В частности, при
п = 2т (т = 1, 2, 3 ...) матрицы Адамара большего размера можно построить с
использованием следующего правила:
^=111,
Н г Н t
27 2
я2, н2,
где Н — матрица Адамара, в которой все элементы инвертированы.
Кодовыми словами ортогонального кода (не обязательно линейного)
являются строки матрицы Адамара с заменой +1 на 0, а -1 на 1. Ортогональный код
имеет следующие параметры: п = 2m, k = т, г = т • 2~т, d = 2т~\ где т = 2, 3.... При
Достаточно большой блоковой длине параметры и характеристики
ортогональных и симплексных кодов практически совпадают.

102
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В теории ортогональных функций строки матриц Адамара размерностью 2т
называют функциями Уолша, поэтому и ортогональные коды на их основе часто
называют кодами Уолша.
Если к кодовым словам ортогонального кода добавить их инверсии, то
получим биортогональный код, в котором расстояние между парами слов будет
разным (принимать два значения: п/2 либо п).
Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды) [1.1.7.10, 1.1.7.11]
являются обобщением кодов Хэмминга на случай исправления нескольких ошибок.
Коды БЧХ характеризуются следующими параметрами: п = 2m~1, k — любое,
2т - 1 -к
d=2tn+ I, tx > , где т — целое положительное число, tu — кратность
и и т
гарантированно исправляемой ошибки. При фиксированной кодовой длине
возможно построение разных БЧХ кодов, отличающихся скоростью и кодовым расстоянием.
В таблицах 1.1.7.4 и 1.1.7.5 [1.1.7.12] указано количество БЧХ кодов — К в
зависимости от кодовой длины и перечислены основные параметры кодов при /г = 127.
Таблица 1.1.7.4
N
К
Количество БЧХ кодов
7
1
15
3
31
5
в зависимости от блоковой длины
63
11
127
17
255
33
511
57
1023
105
Таблица 1.1.7.5
Код
A27,120)
A27,113)
A27,106)
A27,99)
A27,92)
A27,85)
A27,78)
A27,71)
A27,64)
A27,57)
A27,50)
A27,43)
A27,36)
A27,29)
A27,22)
A27,15)
A27,8)
Основные
г
0,945
0,890
0,835
0,779
0,724
0,669
0,614
0,559
0,503
0,449
0,394
0,339
0,283
0,228
0,173
0,118
0,063
параметры БЧХ
d
3
5
7
9
И
13
15
19
21
23
27
29
31
43
47
55
63
кодов при п = 127
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
13
14
15
21
23
27
31
rd
2,83
4,45
5,84
7,02
7,97
87
9,21
10,62
10,58
10,32
10,62
9,82
8,79
9,82
8,14
6,5
3,97

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
103
r-dk
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
я = 63
ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 г
Рис. 1.1.7.9. Параметр г- d для БЧХ кодов
Качественно о величине энергетического выигрыша помехоустойчивого кода
можно судить по величине г • d. Обычно чем больше г • d, тем больше выигрыш.
Зависимость г • d от скорости БЧХ кода для кодов различной длины приведена
на рис. 1.1.7.9. При фиксированном п существует оптимальное значение г,
максимизирующее г - d и, соответственно, выигрыш кода.
Вне зависимости от блоковой длины оптимальное значение г составляет
величину около 0,5. При большой скорости уменьшается вероятность ошибочного
приема кодовых символов, падает корректирующая способность кода, а при
малой скорости — наоборот. Оптимум оказывается достаточно «размытым», и
практически приемлемой можно считать скорость кода в диапазоне 0,5-0,8.
Основные параметры БЧХ кодов при г =0,75 приведены в таблице 1.1.7.6.
Таблица 1.1.7.7 показывает влияние скорости кода на энергетический выигрыш.
Отсюда, в частности, следует, что увеличение скорости кода от 0,5 до 0,75
(сужение полосы частот в 1,5 раза) приводит к энергетическому проигрышу всего
на @,3-1) дБ.
На основании приведенных данных можно заключить следующее (для
определенности конкретные числовые данные приведены для р = 10~8):
• двоичные блоковые коды Хэмминга имеют фиксированную
корректирующую способность (d = 3) вне зависимости от длины блока. При
увеличении п растет и скорость кода, что замедляет увеличение энергетического
выигрыша. Например, увеличение блоковой длины с 31 до 127 приводит

104
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1.7.6
Основные характеристики БЧХ кодов при г ~ 0,75
Код
F3,45)
A27,99)
B55Д91)
E11,385)
A023,768)
г
0,714
0,779
0,749
0,753
0,751
d
1
9
17
29
53
3
4
8
14
26
г d
5,0
7,0
12,7
21,8
39,8
/*п [ДБ]
7,5
8,7
6,7
8,0
6,1
7,1
5,7
6,4
5,4
5,9
Л[ДБ]
2,0
3,3
2,8
4,0
3,4
4,9
3,9
5,6
4,2
6,1
Р
кг5
ю-8
10 5
ю-8
10
10"8
10~5
ю-8
10~5
ю-8
Таблица 1.1.7.7
Влияние скорости кода на пороговое отношение сигнал/шум
Код
F3,45)
F3,36)
F3,16)
B55,191)
B55,131)
B55,63)
A023,768)
A023,513)
A023,258)
г
0,714
0,571
0,254
0,749
0,514
0,247
0,751
0,501
0,252
1(Г5
7,5
7,2
7,6
6,1
5,7
7,2
5,4
5,1
6,3
10~8
8,7
8,0
8,8
7,1
6,1
8,0
5,9
5,6
6,7
ю-11
9,5
8,8
9,6
7,6
6,5
8,3
6,4
6,2
7,0
к росту Г| всего на 0,2 дБ, поэтому на практике используют короткие коды.
Энергетический выигрыш кодов Хэмминга не превышает 2,5 дБ, поэтому
в радиолиниях ССС эти коды не используются,
совершенный код Голея имеет d= 7 и обеспечивает Г| = 2,5 дБ.
Энергетическая эффективность кода Голея несколько выше, чем у кода Хэмминга
примерно такой же длины (у кода Хэмминга C1,26) энергетический
выигрыш примерно 2 дБ), что обусловлено в первую очередь более низкой
скоростью Голея (г ~ 0,5). Незначительная блоковая длина этого кода
приводит к весьма скромному (по современным меркам) энергетическому
выигрышу, поэтому практическое использование кода Голея в каналах ССС

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
105
крайне ограничено. Например, расширенный код Голея B4,12)
используется в некоторых каналах сети Inmarsat;
для симплексных и близких к ним ортогональных и биортогональных
кодов характерен резкий рост кодового расстояния с увеличением блоковой
длины с одновременным резким падением скорости кода. Энергетическая
эффективность при использовании длинных кодов достаточно высока
(при п = 1023 ц = 5,6 дБ), однако полоса частот используется чрезвычайно
неэффективно. Симплексные коды оптимальны по критерию минимума
вероятности трансформации кодовой комбинации, и областью их
применения могут быть технические приложения, в которых требуется
максимально безошибочная передача информационных блоков при отсутствии
ограничений на занимаемую полосу частот, например, низкоскоростные
командные радиолинии для объектов дальнего космоса. В ССС
симплексные и ортогональные коды не используются;
Коды БЧХ обладают высокой энергетической эффективностью при
достаточно высокой скорости. Рассмотрим сравнительные характеристики БЧХ
и симплексных кодов (гв/гс — выигрыш БЧХ кодов в полосе частот),
представленные в таблице 1.1.7.8:
Таблица 1.1.7.8
Сравнительные характеристики БЧХ
N
БЧХ
Симплексный
63
Л
3,3
4,04
ч/ч
7,5
127
Л
4,0
4,52
Ч/Ч
14
и симплексных кодов
255
Л
4,9
4,92
Ч/Ч
24
511
Л
5,6
5,3
ч/ч
43
1023
Л
6,1
5,4
ч/ч
11
Энергетическая эффективность БЧХ кодов сопоставима с эффективностью
симплексных (заметим, что данные приведены для приема симплексных кодов
«в целом» и поэлементного приема кодов БЧХ, поэтому, вообще говоря, по
критерию минимума эквивалентной вероятности ошибочного приема информационного
двоичного символа коды БЧХ являются более мощными), а использование полосы
частот — в десятки раз лучше. Двоичные БЧХ коды являются лучшими по
энергетическому критерию известными двоичными кодами. Достоинством БЧХ кодов
являются гибкость, позволяющая при заданной блоковой длине строить коды с
необходимым сочетанием скорости и корректирующей способности. Благодаря этим
свойствам БЧХ коды широко используются в радиоканалах современных ССС.
Сверточные коды
Сверточные коды относятся к классу непрерывных линейных кодов.
Рассмотрим процедуру сверточного кодирования. Входная последовательность
информационных символов разбивается на элементарные информационные блоки дли-
Ной k символов. Основу сверточного кодера составляет регистр сдвига длиной /

106
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
ООП
01 00 10 И
Выход
1001
Рис. 1.1.7.10. Кодер сверточного кода
двоичных элементов, кратной объему информационного блока / — qk. В состав
кодера входит п многовходовых сумматоров по модулю 2, входы которых
подключены к некоторым ячейкам регистра сдвига, причем каждая ячейка регистра
сдвига может, вообще говоря, быть подключена к нескольким сумматорам. При
записи в регистр сдвига очередного информационного блока на выход кодера
поступает последовательность символов кода, получаемая последовательным опросом
всех сумматоров. Очевидно, что получаемая последовательность кодовых
символов определяется не только текущим информационным блоком, но и (q - 1)
предыдущими. Скорость сверточного кода равна k/n. Величина / • n/k = l/r
называется длиной кодовых ограничений, которая во многом аналогична блоковой
длине блочного кода. На рис. 1.1.7.10 для примера показан кодер сверточного
кода со следующими параметрами: /= 3, k = 1, п = 2, г = х/2.
На практике длина элементарного блока двоичных символов выбирается
небольшой и часто k = 1. Длина регистра сдвига ограничивается сложностью
процедуры декодирования и не превышает 10, типичным значением является 1=7.
Скорость кода выбирается из следующего ряда: У3> {/2, 2/з> 3Д и Vs-
Эффективность сверточного кода определяется не столько значениями
перечисленных параметров, но и тем, каким образом соединены сумматоры с
ячейками регистра сдвига. Задать сверточный код можно посредством таблицы
коэффициентов его производящих многочленов. Например, для кода на
рис. 1.1.7.10 можно записать:
Gx =111
G2 =101
В общем случае количество строк в таблице равно числу используемых
сумматоров п, число элементов в строке соответствует длине регистра сдвига /. Еди-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
107
ница в каждой строке символизирует, что данный сумматор подключен к данной
ячейке сдвига регистра, а ноль — отсутствие соединения.
Параметром сверточного кода, характеризующим его помехоустойчивость,
является минимальное свободное расстояние — dc, определяемое как
минимальное расстояние по Хэммингу между последовательностями сверточного кода на
длине кодовых ограничений. Посредством машинного моделирования выявлены
структуры «хороших» сверточных кодов, которые приведены в виде таблиц в
справочной литературе. Хорошие сверточные коды со скоростью {/2 показаны в
таблице 1.1.7.9. В последнем столбце таблицы приведены найденные
теоретически максимально возможные значения минимального свободного расстояния
(^с)тах- Данные таблицы свидетельствуют о том, что по выбранному критерию
представленные коды являются эффективными.
Таблица 1.17.9
Структура эффективных сверточных кодов cr=i/2
Длина регистра
3
4
5
6
7
8
Структура кода
111
101
1111
1101
11101
10011
111011
110001
1111001
1011011
11111001
10100111
5
6
7
8
10
10
Vwc/max
5
6
8
9
10
10
Широкому использованию сверточных кодов длительное время
препятствовало отсутствие технически реализуемых алгоритмов их декодирования.
Рекуррентный алгоритм последовательного декодирования [1.1.7.21] весьма сложен,
при этом его характеристики достаточно далеки от идеальных и не исчерпывают
возможностей используемых кодов. Существенным недостатком алгоритма
последовательного декодирования и его известных модификаций [1.1.7.22-1.1.7.24]
является неправомерная вычислительная нагрузка на декодер, что приводит к
ситуациям, когда он отказывается от декодирования, причем вероятность отказа
существенно больше вероятности ошибочного приема символа.
Декодер Витерби [1.1.7.25] обеспечивает характеристики, близкие к
характеристикам декодера максимального правдоподобия. Возможность аппаратурной
реализации декодера Витерби базируется на нескольких предложенных им
эффективных приемах вычислений. Упрощение расчетных алгоритмов и
использование достижений в области технологии позволило для небольших значений /

108
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
реализовать декодер Витерби в корпусе одной микросхемы. Более того,
появилась возможность обеспечить декодирование с мягкими решениями на входе
[1.1.7.16]. Именно наличие декодера Витерби обеспечило возможность широкого
использования сверточных кодов в каналах связи современных ССС.
Энергетический выигрыш эффективных сверточных кодов со скоростью 1/2 при
использовании декодера Витерби с «мягкими» решениями на входе приведен в таблице
1.1.7.10.
Таблица 1.1.7.10
Энергетический выигрыш [дБ] сверточных кодов
(скорость кода г = i/2, декодер Витерби)
р ^\^
ю2
ю-3
ю-5
3
1,9
2,9
3,7
4
2,1
3,1
4,1
5
2,2
3,3
4,5
6
2,3
3,5
4,9
7
2,4
3,7
5,3
8
2,5
3,9
5,7
Таблица 1.1.7.11 иллюстрирует влияние скорости кода на пороговое
отношение сигнал/шум для кодов с 1=1 и декодером Витерби.
Таблица 1.1.7.11
Пороговое отношение сигнал/шум [дБ] для сверточных кодов
с разной скоростью кода
72
3Л
7.
ю-4
4,2
5,2
6,4
10 5
4,9
5,9
7,2
10~6
5,6
6,7
7,9
ю-7
6,2
7,4
8,7
10~8
6,7
8,0
9,4
Сравнение с БЧХ кодами как лучшими двоичными блоковыми кодами
(таблица 1.1.7.6) показывает, что (для кодов с г= 3Д и ПРИ Р = Ю~8) при блоковой
длине БЧХ кода п = 127 энергетический выигрыш БЧХ и сверточного кода
одинаков. При использовании БЧХ кодов большей блоковой длины может быть
получен выигрыш до 2 дБ по сравнению со сверточным кодом. Это, конечно, не означает,
что «тонкая структура» БЧХ кодов обеспечивает им преимущество перед сверточ-
ными кодами (скорее наоборот). Просто возможность практической реализации
декодера Витерби только для сверточных кодов с небольшой длиной кодовых
ограничений (при данном рассмотрении 1=1) приводит к тому, что хороший код с хо-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 09
рошим декодером («мягкие» решения на входе, близость к алгоритму
максимального правдоподобия) проигрывает по эффективности возможно более плохому коду
с более плохим декодером (БЧХ коды декодируются алгебраически), но
имеющему настолько большую блоковую длину (что практически реализуемо), которая
делает его настолько мощным, что все недостатки кодека маскируются. Поэтому
с учетом возможности практического использования эффективность блоковых и
сверточных кодов можно считать в первом приближении одинаковой.
При необходимости использования высокоскоростных сверточных кодов
(г > V2) c точки зрения простоты технической реализации оказывается
целесообразным строить их на основе кодеков кодов со скоростью */2 путем выбрасывания
по определенному правилу последовательности кодовых символов этого кода
части символов. Такие сверточные коды называют перфорированными. Правило
селекции (режекции) кодовых символов определяется матрицей перфораций,
содержащей две строки, соответствующие двум сумматорам по модулю кодера кода
с г = У2. Нули в матрице соответствуют позициям отбрасываемых символов.
Рассмотрим в качестве примера кодер кода со скоростью 3Д среднескоростных
каналов ССС Intelsat (рис. 1.1.7.11) [1.1.7.26].
В качестве исходного взят код со следующими параметрами: 1=7, £ = 1, я = 2,
г= У2, G1 = 1011011, G2 = 1111001.
Из данных таблицы 1.1.7.9 следует, что это эффективный код с минимальным
свободным расстоянием, равным теоретически достижимому пределу.
Последовательность кодовых символов с выходов сумматоров по модулю 2 поступает на
перфоратор с матрицей перфорации 110/101, пропускающий на свой выход по 4
символа из каждых 6. Скорость кода на выходе перфоратора равна: С/2) ' (V4) = 3Д-
Поскольку в радиоканале используется 4-фазная ФМ, то нет необходимости
мультиплексировать перфорированные последовательности символов с выходов
сумматоров. Эти последовательности передаются независимо по синфазному и
квадратурному каналам. На приемной стороне код со скоростью 3Д
трансформируется в код со скоростью х /2 путем вставки на место перфорированных
произвольных (для определенности нулевых) символов. Естественно, такая вставка
никакой дополнительной информации не приносит, тем не менее она
необходима для нормальной работы декодера, ориентированного на декодирование кода
со скоростью 1/2. Перфорированные коды менее эффективны, чем неперфориро-
ванные той же скорости. Однако при рационально выбранных элементах матрицы
перфораций энергетический проигрыш невелик и составляет всего 0Д-0,2дБ.
Зато заметен выигрыш кодеков перфорированных кодов в простоте
аппаратурной реализации и возможности унификации кодеков кодов разной скорости,
которые отличаются лишь перфораторами-деперфораторами.
Эффективность перфорированных кодов зависит от структуры матрицы
перфораций. Для лучших перфорированных сверточных кодов, полученных из
рассмотренного кода Gx = 1011011, G2 =1111001, матрицы перфораций имеют следующий вид:
110
101
1111
1000
11010
10101
г-7/.
иною
1000101

no
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Информационные
символы
Код со
скоростью У2
1011011
Квадратурный
канал
-<+>(+Ь--Ч+>(+>-
E) V:
В декодер
кода со
скоростью
Синфазый
Код со канал
скоростью 3/4
Ю 11 Ю И II П Ю И П И И И И Ю И Ю Ю И 1
Ю Ю И И Ю Ю Ю Ю Ю И Ю И И Ю И Ю И И1
Ю И И И Ю li И li И Ю Ю Ю 1
I о I 1 1 1 I о I о 1 о 1 1 1 1 1 1 1 1 1 о I 1 1
I о I 1 loll И I о 1 о I i loll I i 1 о I l |o|olo|o|o|
lo It» И И Ю lo Ю Ю Ю И Ю И И Ю И Ю Ю U 1
Рис. 1.1.7.11. Кодер перфорированного кода
Каскадные коды
Как уже отмечалось, эффективность помехоустойчивых кодов повышается с
ростом их длины. С другой стороны, при увеличении длины кода п
экспоненциально растет сложность декодера. Частично разрешить возникающее
противоречие позволяют каскадные коды [1.1.7.13]. При использовании каскадных кодов
процедура кодирования осуществляется в несколько этапов. Кодовые символы,
сформированные на предыдущем этапе, рассматриваются в качестве
информационных для последующего этапа и вновь подвергаются процедуре избыточного
кодирования. Декодирование осуществляется в последовательности, обратной кодированию.
Основное достоинство каскадных кодов заключается в том, что
кодирование-декодирование осуществляется последовательно несколькими независимыми
устройствами. Это позволяет при большой эквивалентной длине кодов упростить

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
111
Входные
информационные
символы
Кодер
внешнего
кода
Перемежитель
-►
Кодер
внутреннего
кода
Выходные
информационные
символы
Декодер
внешнего
кода
Деперемежитель
Декодер
внутреннего
кода
Модулятор
}
г
Канал связи
}
Демодулятор
Рис. 1.1.7.12. Двухкаскадное кодирование
реализацию кодеков по сравнению с однокаскадным кодированием.
Результирующая скорость каскадного кода равна произведению скоростей кодов
отдельных каскадов.
Практическое применение нашли двухкаскадные коды (рис. 1.1.7.12). Пере-
межение-деперемежение символов между каскадами позволяет «разрушить»
пакетную структуру ошибок, вносимых внешним кодеком и возможной
нестационарностью помехи (например, из-за замираний сигнала на трассе
распространения), чем обеспечиваются нормальные условия работы внутреннего
кодека. В качестве внешних коорректирующих кодов обычно используются коды
Рида-Соломона (PC-коды) и их модификации. Многоосновные РС-коды
[1.1.7.14] характеризуются следующими параметрами: основание кода Ь = 2т, где
т — целое положительное число, п = 2т — 1, k<n — произвольное целое число,
d=n- k+ I. В соответствии с данным выше определением, PC-коды являются
максимально разнесенными. Коды Рида-Соломона являются обобщением БЧХ
кодов в том смысле, что двоичные коды БЧХ могут быть получены из PC кодов
путем вычеркивания всех кодовых слов, содержащих символы, отличные от 0 и 1.
Входящая последовательность информационных символов разбивается на k
одинаковых блоков по т символов в каждом. Каждый из 2т возможных блоков
интерпретируется как один из символов 2ш-основного кода. Символы кодируются
(w, k) кодом PC, каждое кодовое слово которого содержит т двоичных символов.
Энергетический выигрыш кода увеличивается с увеличением т и имеет вид кривой
с насыщением (рис. 1.1.7.13). Одновременно растет сложность реализации
декодера. Поэтому на практике ограничиваются небольшими т. Типичным
значением т является т = 8 (Ь = 256). Важным достоинством PC кодов является
возможность корректировать пакты ошибок длиной до т символов. Это позволяет в
некоторых случаях обойтись без достаточно громоздкой процедуры перемеже-

112
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
= 10 5
р = 10
Рис. 1.1.7.13. Энергетический выигрыш PC кода
в зависимости от параметра т
Р
ю-1
ю-2
ю-3
ю4
ю-5
10 6
ю7
ю-8
2,0
3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 h2 [дб]
Рис. 1.1.7.14. Пороговое отношение сигнал/шум для каскадных кодов
1 — Безызбыточный код, 2 — Сверточный — декодер Витерби с «мягкими» решениями на входе, / = 7,
г= 7/8, 3 — Сверточный - декодер Витерби, г = 3/4, 4 — Сверточный — декодер Витерби, г = 1/0,
5 - Каскадный код PC B25,205) + сверточный, г = 7/8> 6 ~ Каскадный код PC B25,205) +
сверточный, г = 3Д, 7 — Каскадный код PC B25,205) + сверточный, г = х/2

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 1 3
ния-деперемежения символов. В качестве внутреннего кода можно использовать
блоковые и непрерывные коды. Благодаря высокой эффективности и
относительной простоте реализации наибольшее распространение получили сверточ-
ные коды с декодированием по алгоритму Витерби и «мягкими» решениями на
выходе первой решающей схемы.
Рассмотрим в качестве типичного примера стандартный двухкаскадный код,
используемый в среднескоростных каналах сети Intelsat [1.1.7.15]. На внешней
ступени используются один из A26,112), B25,205), B19,201) или A94,178)
модифицированных кодов PC с Ъ = 28 = 256. Внутреннее кодирование
осуществляется сверточным кодом с возможными скоростями г = У2, 3/4 или 7/8.
Характеристики внутреннего и двухкаскадного кодов показаны на рис. 1.1.7.14. Кривые
построены для случая декодирования сверточного кода с использованием
алгоритма Витерби и «мягким» решением на входе декодера алгебраического
декодирования внешнего кода.
Турбокоды
Основная идея турбокодирования заключается в использовании
итерационной процедуры декодирования при помощи декодеров с «мягкими» решениями
на выходе. Укрупненная блок-схема кодека турбокода приведена на рис. 1.1.7.15.
Последовательность информационных символов на входе кодера разбивается на
блоки фиксированной длины. Информационные символы поступают в кодер 1,
формирующий последовательность проверочных символов П1. Одновременно
этот же блок информационных символов через перемежитель поступает на
второй кодер, формирующий последовательность проверочных символов П2.
Проверочные символы П1 и П2 и соответствующий информационный блок
мультиплексируются и передаются по каналу связи.
Сигнал на входе декодера при помощи схемы синхронизации разделяется на
информационную и проверочную части и в виде чисел («мягкие» решения на
входе) поступает на два декодера. Особенностью декодеров является «мягкое»
решение на выходе. Это означает, что декодер не выносит окончательного
решения о том, какая конкретно последовательность информационных символов
была передана, а формирует последовательность чисел, каждое из которых
пропорционально вероятности того, что соответствующий информационный символ
Декодирован правильно. Процедура декодирования носит итерационный
характер, причем при каждой итерации декодер 1 использует «мягкие» решения
декодера 2 для коррекции своих собственных решений и наоборот. После
выполнения заданного числа итераций выносится окончательное решение о содержании
принятого информационного блока.
Поскольку алгебраические декодеры не допускают «мягких» решений на
выходе, основными кандидатами для использования в описанной схеме
кодирования-декодирования оказались сверточные коды. Алгоритм декодирования Витерби
был модифицирован таким образом, чтобы обеспечить возможность получения
«мягких» решений на выходе [1.1.7.16]. Несмотря на кажущиеся перспективы,
турбокодирование сверточных кодов, названных
параллельно-каскадированными сверточными кодами, не привело к ожидаемым результатам. Во-первых,

114
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
И
Кодер 1
Перемежитель
Кодер 1
Мультиплексор
а) кодер
П,
ЩЩ...
Мультиплексор
Декодер 1
И*
Перемежитель
п;
Перемежитель
Выход
Перемежитель
Декодер 2
б) декодер
Рис. 1.1.7.15. Кодек турбохода
сложность реализации алгоритма Витерби с «мягкими» решениями на выходе
делает его широкое практическое использование весьма сомнительным.
Во-вторых, если при достаточно больших вероятностях ошибочного приема двоичного
символа (порядка 10~5) коды показывали свою высокую эффективность —
проигрыш потенциальному пределу Шеннона составил величину всего около 1 дБ, —
то при более реальных меньших вероятностях ошибки экспоненциальные
зависимости от отношения сигнал/шум изгибались вверх, словно демонстрируя
стремление к некоторому ненулевому значению. Поэтому широкое
распространенное каскадирование PC и сверточных кодов оставалось предпочтительным.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
115
Положение изменилось в 1998 году, когда было предложено реализовать идею
турбокодирования применительно к матричным кодам (кодам-произведениям)
[1.1.7.18]. Матричные коды известны давно [1.1.7.17], но широкого
практического применения не нашли. Структура матричного кода показана на рис. 1.1.7.16.
Информационные символы кода размещаются в прямоугольной таблице
(матрице). Строки и столбцы сформированной матрицы кодируются блоковыми
кодами (Хэмминга, БЧХ и т.д.), причем для кодирования строки столбцов могут быть
использованы разные коды. Правая нижняя часть матрицы заполняется
проверочными символами проверочных символов. Кодовое расстояние матричного
кода равно произведению кодовых расстояний составляющих кодов. Проверочные
символы проверочных символов могут быть построены на основе проверок по
строкам и тогда будут удовлетворять проверкам по столбцам, и наоборот.
Таблица информационных
символов
Проверочные символы
столбцов
Проверочные символы
строк
Проверочные символы
проверочных символов
Рис. 1.1.7.16. Структура матричного кода
Рассмотрим в качестве примера матричный код C6,25), построенный на базе
простейшего кода с проверкой на четность (рис. 1.1.7.17). Этот код может
исправлять все одиночные ошибки, поскольку, если произошла одна ошибка,
строка и столбец, в которых она произошла, будут указаны результатами неверных
проверок на четность, а ошибочный символ размещен на пересечении
неправильных строки и столбца.
10010
10011
OHIO
юно
01000
10001
0
1
1
1
1
0
Рис. 1.1.7.17. Код C6,25) на базе кода
с проверкой на четность
Подобные коды могут быть обобщены на случай многомерных таблиц символов.
Для матричных кодов был разработан алгоритм итерационного
декодирования с «мягкими» решениями на входе и на выходе, позволяющий декодировать
достаточно широкий класс практически полезных блоковых кодов. Алгоритм
обеспечивает характеристики, весьма близкие к оптимальному корреляционному
Декодеру, и в то же время требует незначительных вычислительных затрат на
каждый обрабатываемый символ, что позволило разработать декодер матричного
кода в корпусе одной микросхемы [1.1.7.19]. Коды, названные матричными тур-

116
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
р 1
ю-1
1(Г2
ю-3
10 4
10
1(Г6
ю7
ю-8
-
^^S. >». итерации
16
1 1 1 1 1__ 1 ь.
2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 Я1 [дБ]
Рис. 1.1.7.18. Влияние числа итераций на эффективность турбокодека
бокодами — МТК [ТРС — Turbo Product Code], декодируются поблочно: сначала
строки, а затем столбцы (или наоборот). Мягкие решения относительно
информационных символов, полученные в результате предыдущей итерации,
используются в качестве входных величин для последующей, что напоминает
разгадывание кроссворда. При увеличении числа итераций растет энергетический
выигрыш кода, но увеличивается и задержка, вносимая декодером. Для примера
на рис. 1.1.7.18 показано влияние числа итераций на эффективность кода
D096,3249), построенного на базе расширенного кода Хэмминга F4,57). Как
следует из приведенных зависимостей, при числе итераций более 8 выигрыш кода
увеличивается незначительно (так, увеличение числа итераций с 8 до 16
приводит к дополнительному выигрышу не более 0,1 дБ). Для кодов с большей
блоковой длиной необходимое число итераций оказывается большим (до 20-30).
Характеристики некоторых МТК приведены в таблице 1.1.7.12 [1.1.7.20]. В
качестве составляющих для представленных в таблице кодов использованы
расширенные коды Хэмминга с проверкой на четность.
Матричные турбокоды оказались эффективнее традиционных каскадных
кодов. С учетом относительной простоты технической реализации процедуры
кодирования-декодирования это позволяет говорить о том, что впервые за
последние десятилетия достигнут реальный прогресс в области помехоустойчивого
кодирования для каналов с аддитивным белым нормальным шумом.
Подкупающим достоинством МТК является также гибкость, обеспечивающая
возможность выбора их основных параметров (скорости, блоковой длины) в
широком диапазоне возможных значений, обеспечивая требования конкретных
технических приложений, а также и то, что эти коды, являясь, в отличие от исполь-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
117
Таблица 1.1.7.12
Характеристики некоторых МТК
Код
D096,3249)
D096,2028)
D096,1331)
A6348,10140)
A6348,7436)
Структура
[F4,57) • F4,57)]
[C2,26) • C2,26) • D,3)]
[A6,11) A6,11) A6,11)]
[C2,26) C2,26) A6,15)]
[C2,26) C2,26) A6,11)]
Скорость
кода
0,793
0,495
0,325
0,619
0,454
Пороговое отношение
/г/[дБ]прир = 10-8
3,7
2,4
1,4
1,9
1,3
зуемых каскадных, чисто блоковыми, идеально подходят для пакетной передачи
информации.
На рис. 1.1.7.19 представлены зависимости вероятности ошибочного приема
символа от отношения сигнал/шум для лучших из рассмотренных в настоящем
разделе кодов при типовом значении скорости примерно 0,8. При р = 1СГ8
матричный турбокод обеспечивает выигрыш около 2 дБ по отношению к
традиционно используемым каскадным кодам, причем проигрыш МТК потенциальному
пределу менее 2 дБ. Столь высокие характеристики МТК удалось получить в
первую очередь благодаря появившейся возможности увеличить блоковую
длину кода при приемлемой сложности декодера и использованию итерационной
процедуры декодирования с «мягкими» решениями на выходе.
7,0 8,0 h1 [дб]
Рис. 1.1.7.19. Сравнительная эффективность различных кодов
1 — Безызбыточный код, 2 — Сверточный — декодер Витерби, г = 0,75, 3 — Каскадный
код (PC — сверточный), г = 0,789, 4 - Матричный турбокод, г = 0,793, 5 -
Теоретический предел Шеннона, г = 0,8

1 1 8 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1.1.8. Энергетический бюджет спутниковых
радиолиний связи
При разработке ССС важной задачей является выбор рациональных способов
модуляции и кодирования передаваемых цифровых сигналов. При этом следует
стремиться к компромиссу между количеством связных ресурсов канала,
расходуемых на передачу цифровой информации с заданной скоростью, и качеством
и сложностью используемых алгоритмов обработки, а также вносимой ими
задержкой. Вопросы модуляции и кодирования рассмотрены выше в разделах
1.1.5—1.1.7. Известно, что при фиксированных скорости и качестве передачи
информации в радиоканале связи существуют обменные соотношения между
частотным и энергетическим ресурсами канала связи. На практике возникает задача
выбора структуры передаваемых сигналов и способов их обработки таким
образом, чтобы наилучшим образом адаптироваться к стандартизованным
параметрам стволов БРТК ретранслятора для решения конкретных прикладных задач.
При этом возникает необходимость рассмотрения различных сочетаний методов
модуляции и кодирования. На рис. 1.1.8.1. точками отмечены некоторые
комбинации способов модуляции-кодирования в координатах «Требуемое пороговое
отношение сигнал/шум — h\ (требуемый энергетический потенциал канала на
1 бит передаваемой информации) — отношение полосы частот передаваемого по
каналу связи сигнала к информационной полосе частот полезного сигнала
(полоса частот канала связи на 1 бит передаваемой информации)» [1.1.8.3]. Там же
показан теоретический нижний предел порогового отношения сигнал/шум,
определяемый формулой Шеннона:
На рис. 1.1.8.1 показано пороговое отношение сигнал/шум для способов
модуляции-кодирования, рекомендуемых организацией Intelsat для применения в
ССС:
• ФМ-4 + СК — квадратурная фазовая манипуляция в сочетании со свер-
точным кодированием и декодированием по алгоритму Витерби с
«мягкими» решениями на входе второй решающей схемы. Сверточные коды
имеют длину кодовых ограничений, равную 7, и возможные скорости 1
(безызбыточное кодирование); 0,875 G/s); 0,75 CД); 0,5 A/2);
• ФМ-4 +СК + КРС — квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с
каскадным кодированием. В качестве внутреннего кода используется сверточ-
ный код со скоростями 3Д или V2» a внешнего — код Рида-Соломона
B19,201) со скоростью 0,917 (и/12);
• ФМ-8 + РК — восьмиуровневая фазовая манипуляция в сочетании с
решетчатым кодированием со скоростью 0,67 B/з);
• КАМ-16 + СК — шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная
манипуляция в сочетании со сверточным кодированием со скоростями 0,875 F/7)
и 0,75 CД);

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
119
13 -
12-
11-
10-
9-
8-
7-
6-
5-
4-
3-
2-
1-
и
1 •
7 г =0,875 \
8\г=0,75
КАМ-16 + СК
9 • г =0,67
ФМ-8 + РК 2
\
г=1 р=10
(
\
\ ФМ-4 + СК
\
1г= 0,875
З\г = 0,75
4* г=0,5
5 ^г=0,69
10 • г =0,75 ^б* г =0,46
ФМ-4 + МТК
\ теоретический предел
г\ о л с с\п п. п ^
Pwc. 1.1.8.1. Пороговое
отношение сигнал/шум
для некоторых способов
модуляции-кодирования
цифрового сигнала
А/и
• не входящая в состав рекомендованных Intelsat комбинация ФМ-4 и
матричного турбокодирования со скоростью 0,75 CД)-
Из рис. 1.1.8.1 следует, что наилучшими показателями помехоустойчивости
при достаточно экономичном расходовании полосы частот обладают матричные
турбокоды (МТК). Матричные коды (коды-произведения) известны давно, но
практического применения не нашли. Как уже отмечалось в 1.1.7, в 1998 году
была предложена процедура итерационного декодирования матричных кодов.
Матричные коды, при декодировании которых используется итерационная процедура,
получили название матричных турбокодов. Высокая помехоустойчивость МТК
объясняется практической реализуемостью итерационного декодирования кодов
со значительной блоковой длиной. Однако задержка обработки при этом
максимальна среди всех перечисленных выше способов модуляции-кодирования.
Наилучшее использование полосы частот при сохранении приемлемо высокой
помехоустойчивости обеспечивает восьмифазная ФМ в сочетании с решетчатым
кодированием - РК {ТСМ - Trellis Coded Modulation} [1.1.9.4]. Достоинством
РК является также то, что оно в наименьшей степени подвержено негативному
влиянию нелинейных явлений в спутниковом радиоканале. Однако РК является
само по себе нелинейной схемой, и его практическое применение ограничивается
чрезмерной сложностью оптимального приемника [1.1.8.1]. Использование же
более простых линейных приемников приводит к потере эффективности [1.1.8.2].

1 20 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная манипуляция наиболее
эффективна с точки зрения полосы частот, но имеет наихудшие показатели
помехоустойчивости и предъявляет наиболее жесткие требования к линейности
тракта передачи. Поэтому использование КАМ-16 ограничивается лишь
ретрансляторами с избыточным энергетическим потенциалом. Кроме того, увеличение
кратности модуляции приводит к увеличению времени вхождения в связь (в
синхронизм), что чаще всего неприемлемо.
В силу указанных причин наибольшее практическое использование в
спутниковых радиоканалах нашла квадратурная фазовая манипуляция.
Рассмотрим энергетический бюджет спутниковых каналов связи на трех
примерах спутниковых сетей связи.
1. Глобальная ССС фиксированной службы диапазона 6/4 ГГц. Основным
назначением подобных ССС является организация магистральных каналов связи,
а также первичное распределение и обмен телевизионных программ. Под
каждый магистральный канал выделяется один из стволов ретранслятора. Земные
станции магистральной спутниковой связи обычно выполняют
многоканальными, способными организовать несколько магистральных каналов через
несколько стволов одного ретранслятора. ЗС оборудуются следящими
приемопередающими антеннами диаметром (9-15) метров. Усилителем мощности обычно
является клистрон или Л Б В, в зависимости от ширины полосы частот. Выходная
мощность передатчиков составляет @,75-3) кВт на каждый ствол. Типовое
значение ЭИИМ земной станции в глобальных сетях равно B6-30) дБВт. Стволы
ретрансляторов С-диапазона в подобных сетях обычно имеют полосу
пропускания 36 МГц и усилители с выходной мощностью A0-30) Вт. Оценим
энергетические соотношения в каналах связи сети при следующих исходных данных: угол
обзора области обслуживания из точки стояния ГСР |3 = 16°, диаметр антенны
ЗС равен Им, мощность передатчика на ствол 500 Вт, шумовая температура
приемной системы ЗС 150 °К. Полоса пропускания ствола ретранслятора 36 МГц,
а его выходная мощность 20 Вт. Коэффициент использования поверхности
земной и бортовой антенн равен 0,7. Оценим необходимые параметры каналов связи
ЗС-ГСР.
Коэффициент усиления антенны ЗС при ее работе на передачу определим из
A.1.3.2):
Gn = 109,67 Ки • D2 /2 = 109,67 • 0,7 • 121 • 36 = 334406 E5,2 дБ)
Ширина диаграммы направленности антенны ЗС при работе на передачу
A.1.3.4):
А = № = 18 ^ ^ q0
0 d~/ TT~6~U'3
Потери наведения складываются из потерь передающей и приемной антенн.
Типичное значение потери наведения следящей земной антенны составляет
0,3 дБ. Бортовая антенна фиксированно нацелена на область обслуживания и
покрывает ее по уровню -3 дБ от максимального значения коэффициента усиления.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 121
В наихудших условиях с точки зрения потерь наведения находятся станции,
расположенные на границе области обслуживания, для которых суммарные потери
наведения составят 3,3 дБ.
Потери сигнала в свободном пространстве определим из A.1.3.12),
подстановкой максимального значения дальности связи г, равного примерно 41 тыс. км для
станций, расположенных на границе области обслуживания:
1СВ = 1,75 • 1015 • D1J • (бJ = 1,06 • 1020 B00 дБ)
Потери сигнала в невозмущенной атмосфере могут быть определены из
таблицы 1.1.4.1.
Коэффициент усиления приемной антенны ретранслятора найдем из A.1.3.6):
= 97J BОдБ)
Потери в приемном тракте складываются из потерь в фидере между антенной
и входным усилителем приемника, а также аппаратурных потерь, связанных с
реализацией процедур демодуляции и декодирования, которые можно принять
равными соответственно 1 и 1,5 дБ.
Мощность полезного сигнала на входе приемника ретранслятора
определяется выражением A.1.3.11):
Рс[дБ] = ЭИИМ[дБВт] + Спр[дБ] + 1св[дБ] - 1[дБ] -
= 81,2 + 20 - 200 - 3,3 - 0,2 - 1 = -103,3[дБВт]
Мощность шума в полосе частот ствола ретранслятора равна:
kTAf= 1,38 • 10~23 • 150 • 36 ■ 106 = 7,45 • 10'14 Вт (-131 дБВт)
Потери сигнала в дожде могут быть найдены по методике, изложенной в
разделе 1.1.4, или с помощью рисунков 1.1.4.3 и 1.1.4.4.
Энергетический бюджет радиоканалов ЗС-СР и СР-ЗС приведен в таблицах
1.1.8.1 и 1.1.8.2, соответственно.
Определим пропускную способность магистрального канала этой ССС.
Допустим, что требуется обеспечить вероятность ошибочного приема двоичного
символа не более 10~7. В рассматриваемом примере одновременно ограничены
энергетические и частотные ресурсы ствола ретранслятора - выходная мощность
20 Вт и полоса пропускания Д/ст = 36 МГц. Это требует совместного выполнения
Двух неравенств:
С
ВД
где В — база передаваемых по каналу связи радиосигналов.

122
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1.8.1
Энергетический бюджет каналов связи ЗС-ГСР
Номер варианта
Тип ССС, площадь области обслуживания,
млн. кв. км
Угол обзора области обслуживания, град
Частотный диапазон, ГГц
Диаметр передающей антенны, м
Коэффициент усиления передающей
антенны ЗС
Ширина диаграммы направленности
передающей антенны ЗС, град
Выходная мощность передатчика ЗС,
дБВт(Вт)
Потери сигнала на передающей стороне, дБ
ЭИИМ ЗС, дБВТ
Полоса частот, МГц
Потери наведения антенн, дБ
Потери сигнала в свободном пространстве, дБ
Потери сигнала в невозмущенной атмосфере, дБ
Коэффициент усиления приемной антенны
ретранслятора, дБ
Полная шумовая температура приемной
системы ретранслятора, °К
Добротность приемной системы ретранслятора,
дБ/°К
Потери сигнала в приемном тракте
ретранслятора, дБ
Мощность полезного сигнала на входе
приемника ретранслятора, дБВт
Мощность шума в полосе частот ствола
(канала), дБВт
Отношение сигнал/шум на входе приемника
ретранслятора в полосе частот ствола
(канала), дБ
Потери сигнала в дожде, дБ
Отношение сигнал/шум на входе приемника
ретранслятора при работе в дожде, дБ
Энергетический потенциал радиоканала
ЗС-ГСР, дБГц
1
Глобальная
140
16
6 (С)
11
55,2
0,3
27E00)
1
81,2
36
3,3
200
0,2
20
1000
-10
1
-103,3
-123
19,7
0,6
19,1
95,3
2
Национальная
12
6
14 (Ки)
2,5
49,1
0,5
7E)
1
55,1
0,064
4,5
208
0,5
27,7
1000
-2,3
1
-131,2
-150,5
19,3
3,0
16,3
92,3
3
Национальная
12
6
14 {Ки)
5,5
56,6
0,23
33B000)
1
88,6
36
1,8
208
0,5
27,7
1000
-2,3
1
-95,1
-123
27,9
3,0
24,9
103,5

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
123
Таблица 1.1.8.2
Энергетический бюджет каналов связи ГСР-ЗС
Номер варианта
Частотный диапазон, ГГц
Коэффициент усиления передающей антенны
ретранслятора, дБ
Выходная мощность ствола ретранслятора,
дБВт(Вт)
Потери сигнала на передающей стороне, дБ
ЭИИМ ствола ретранслятора, дБВт
Полоса частот ствола, МГц
Потери наведения антенн, дБ
Потери сигнала в свободном пространстве, дБ
Потери сигнала в спокойной атмосфере, дБ
Диаметр приемной антенны ЗС, м
Коэффициент усиления приемной
антенны ЗС, дБ
Шумовая температура ЗС, °К
Оборотность ЗС, дБ/°К
Потери сигнала в приемном тракте ЗС, дБ
Мощность полезного сигнала на входе
приемника ЗС, дБ
Мощность шума в полосе частот ствола
ретранслятора, дБВт
Отношение сигнал/шум на входе приемника ЗС
в полосе частот ствола, дБ
Потери сигнала в дожде, дБ
Отношение сигнал/шум в полосе частот
ретранслятора при работе в дожде, дБ
Энергетический потенциал радиоканала
ГСР-ЗС, дБГц
1
4 (С)
16
13 B0)
1
28
36
2
197
0,1
11
51,7
150
30
2,5
-121,9
-131
9,1
0,4
8,7
84,9
2
12 (Ки)
26,4
17E0)
1
42,4
36
4
206
0,4
2,5
47,7
250
23,7
2,5
-122,8
-129
6,2
4,6
1,6
81,8
3
12 (Ки)
26,4
20A00)
1
45,4
36
4
206
0,4
4
52,4
200
29,4
1
-113,6
-130,3
16,7
4,6
12,1
90,0
Пропускная способность канала связи равна:
v C2)
v 2
При С = С{ пропускная способность определяется энергетическими
возможностями ретранслятора, а полоса пропускания используется лишь частично.
Коэффициент использования полосы частот в этом случае равен BC/AfCT.

124
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1.8.3
Пропускная способность и энергетический запас магистрального
спутникового канала при разных способах модуляции-кодирования
Способ модуляции-
кодирования
ФМ-4+СК
ФМ-4+СК+КРС
КАМ-16+СК
ФМ-8+РК
ФМ-4+МТК
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
г
1
0,875
0,75
0,5
0,69
0,46
0,875
0,75
0,67
0,75
hi
[ДБ]
13,4
9,4
8,3
6Д
5,8
4,2
12,8
11,7
9,8
4,1
h2
[ДБ]
0
0
0
33
2,8
6,16
0
0
0
2,9
С
[Мбит/с]
8,2
20,7
26,6
18
24,8
16,6
14,0
18,0
18,8
27,0
А/
[МГц]
8,2
23,7
35,5
36
36
36
10,7
16,0
18,8
36
Л
0,23
0,66
0,97
1,0
1,0
1,0
0,3
0,44
0,52
1,0
При С = С2 пропускная способность канала ограничивается частотным
ресурсом ствола, а избыток энергетики приводит к превышению порогового
отношения сигнал/шум в BC/AfCJ раз.
Очевидно, что лучшим следует считать способ передачи, максимизирующий
пропускную способность канала связи при наиболее полном использовании
имеющихся в распоряжении ствола ретранслятора связных ресурсов.
В таблице 1,1.8.3. приведены результаты расчета пропускной способности
спутникового канала связи, полученные в соответствии с приведенными
соображениями для способов модуляции-кодирования, показанных на рис. 1.1.8.1. Из
этой таблицы следует, что в рассматриваемом примере наилучшим образом
сочетается использование энергетического и частотного ресурсов спутникового
ствола при комбинировании ФМ-4 и сверточного кода со скоростью 3Д' что по~
зволяет обеспечить высокую пропускную способность канала связи.
Использование менее мощных по энергетике кодов приводит к необходимости для
обеспечения требуемого качества передачи увеличивать отношение сигнал/шум на
входе декодера, что возможно лишь при снижении пропускной способности и
соответствующем сокращении полосы частот передаваемого сигнала. Например,
при безызбыточгюм кодировании для обеспечения требуемого h^ =13,4 дБ
приходится ограничиться пропускной способностью канала 8,2 Мбит/с. При этом
будет использоваться лишь 23% доступной полосы частот, причем
освободившаяся часть полосы частот никакой практической пользы принести не может,
поскольку необходимая для этого энергия отсутствует. Более того, при
непосредственной ретрансляции избыточная полоса частот даже вредна, поскольку часть
полезной мощности передатчика ретранслятора отбирается на бесполезное
переизлучение шумов радиолинии ЗС-ГСР, попадающего в эту «лишнюю» полосу

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 25
частот. Использование более мощных кодов с меньшей скоростью также
невыгодно. В этом случае приходится идти на снижение пропускной способности
канала связи, чтобы «втиснуть» полосу частот передаваемого сигнала в доступную
полосу частот ствола ретранслятора. При этом возникает энергетический запас,
который, конечно, повышает качество передачи, но с точки зрения разработчика
является расточительством. Узкополосные виды модуляции КАМ-16 и ФМ-8 в
данном случае неконкурентоспособны, поскольку они ориентированы в первую
очередь на эффективное использование полосы частот при наличии свободных
энергоресурсов.
2. Национальная сеть VSAT Хг/-диапазона с использованием ЗС с
антеннами диаметром 2,5 м и передатчиками с выходной мощностью 5 Вт при
выходной мощности ствола 50 Вт. Небольшой размер антенн ЗС повышает
требования к энергоресурсам бортовой аппаратуры. Этому частично способствует
возможность использования более узких диаграмм направленности бортовых
антенн, благодаря меньшим размерам обслуживаемой территории. Для
сплошного покрытия территории такой большой страны, как, например, США,
потребуется антенна с шириной диаграммы направленности около 6°, что приводит
к росту коэффициента усиления бортовых антенн примерно в 2,5 раза по
сравнению с антеннами, предназначенными для глобального обслуживания.
Однако этот рост не может компенсировать потери, обусловленные малыми
размерами VSAT, и требуется существенное увеличение мощности бортовых
передатчиков.
Это обстоятельство и предопределило, в основном, исторический путь
развития С С С. Сначала разворачивались глобальные сети с использованием
относительно малого числа больших и очень сложных и дорогих ЗС (по 1-2 ЗС
на каждую страну). Создание национальных разветвленных ССС на базе
таких станций было экономически нецелесообразно и недоступно даже для
экономически и технически высокоразвитых стран. Лишь много позднее,
благодаря техническому и технологическому прогрессу в области производства
бортовой аппаратуры, произошел переход к региональным, национальным, а
затем и корпоративным спутниковым сетям. В этом смысле ССС развиваются
в направлении, прямо противоположном наземным сетям. Из таблицы 1.1.8.2
следует, что даже при умощнении бортового передатчика в 2,5 раза и
увеличении коэффициента усиления антенны энергетический потенциал радиолинии
СР-ЗС оказывается ниже, чем в рассмотренном ранее примере. В таблице
1.1.8.4 приведено количество каналов передачи данных с пропускной
способностью 64 кбит/с и допустимой вероятностью ошибки передаваемого
двоичного символа не более 10~7 для разных сочетаний способов модуляции и
кодирования. Из-за более низкого энергетического потенциала радиолиний
оптимальным в рассматриваемом случае оказывается наиболее мощный и в то
же время достаточно экономичный с точки зрения использования полосы
частот матричный турбокод. Несколько худшие результаты дает использование
каскадного кода с внутренним сверточным кодом со скоростью 1/2.
Практически ни один вариант структуры передаваемых сигналов не дает
энергетического запаса, что свидетельствует о четком дефиците энергоресурсов канала.

126
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1,8.4
Количество каналов передачи данных 64 кбит/с сети VSAT в стандартном стволе ГСР
с полосой пропускания 36 МГц при разных способах модуляции-кодирования
Способ модуляции-
кодирования
ФМ-4+СК
ФМ-4+СК+КРС
КАМ-16+СК
ФМ-8+РК
ФМ4+МТК
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
г
1
0,875
0,75
0,5
0,69
0,46
0,875
0,75
0,67
0,75
[ДБ]
13,4
9,4
8,3
6,7
5,8
4,2
12,8
11,7
9,8
4,1
h2
[ДБ]
0
0
0
0
0
0,8
0
0
0
0
л
37
93
120
173
213
258
42
54
85
316
А/
[МГц]
2,38
6,8
10,2
22,1
19,8
36
2,0
3,1
5,4
27
Л
0,07
0,19
0,28
0,61
0,55
1,00
0,05
0,09
0,15
0,75
Таблица 1.1.8.5
Максимальное число каналов 64 кбит/с в стволе с полосой пропускания 36 МГц
и требуемая выходная мощность ствола
Вариант
Максимальное число
каналов
Требуемая выходная
мощность ствола, [Вт]
Мощность на 1 канал, [Вт]
7
738
879
1,19
8
632
585
0,93
9
565
332
0,59
1
562
759
1,35
2
492
264
0,54
3
421
175
0,42
10
421
67
0,16
5
388
91
0,23
4
281
81
0,29
6
258
50
0,19
Если снять ограничения на излучаемую ретранслятором мощность (не более
50 Вт в рассматриваемом примере), приоритетность предпочтения
рассматриваемых структур передаваемых сигналов существенно меняется. В таблице 1.1.8.5
представлены требуемая выходная мощность ствола ретранслятора и
максимальное число каналов со скоростью 64 кбит/с в полосе 36 МГц. Наибольшее
число каналов обеспечивают узкополосные методы модуляции ФМ-8 и КАМ-16,
однако требуемая для этого мощность бортового передатчика превышает
пределы разумного.
3. Спутниковая сеть аналогового непосредственного телевизионного вещания на
индивидуальные приемные терминалы пользователей. Особенностью
аналоговой передачи телевизионного изображения является необходимость обеспечения

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 27
в полосе частот сигнала отношения сигнал/шум на входе ТВ-приёмника не менее
13 дБ, что гарантирует получение изображения достаточно высокого качества
[1.1.8.1]. Для повышения помехоустойчивости при передаче используют
частотную модуляцию, расширяющую спектр передаваемого сигнала до B5-27) Мгц,
поэтому в полосе частот ствола 36 МГц можно передать только одну
телевизионную программу. Энергетический бюджет каналов связи, представленный в
таблицах 1.1.8.1 и 1.1.8.2, показывает, что обеспечение требуемого отношения
сигнал/шум при высокой выходной мощности ствола 90 Вт возможно лишь при
приеме сигнала на антенны диаметром не менее 4 метров. В этом случае
отношение сигнал/шум на входе ТВ приемника будет равно:
-12,1+log f|| =13,5[дБ]
Суммарная выходная мощность передатчиков ретрансляторов ТВ-вещания
составляет A,5-2) кВт, что обеспечивает одновременную трансляцию через
спутник 15-20 телевизионных программ. Для увеличения числа программ
национального вещания приходится размещать в одной точке стояния
группировку из нескольких СР. Четырехметровые приёмные антенны способны
удовлетворить лишь весьма ограниченный круг индивидуальных пользователей и могут
быть использованы на головных станциях сетей кабельного ТВ. Гораздо более
привлекательны для индивидуальных пользователей малогабаритные антенны
диаметром около 0,5 м. Однако это потребовало бы увеличения мощности
бортового передатчика в D/0,5J = 64 раза, что нереально. Широкое
распространение систем индивидуального приёма спутникового ТВ на малогабаритные и
недорогие установки возможно лишь при использовании цифровых методов
передачи ТВ сигналов со сжатием, обеспечивающих гораздо более экономное
расходование полосы частот и мощности.
Таким образом, рассмотренные примеры иллюстрируют необходимость
тщательного согласования и увязки параметров бортовой приемопередающей
аппаратуры, оборудования ЗС, способов обработки сигналов при передаче и приеме,
а также требуемых характеристик сети. Эта задача особенно важна для
разработчиков сетей, комплектующих ССС из широкого ряда доступных на рынке
систем, подсистем и блоков с существенно различными характеристиками и
стоимостью.
1.1.9. Многостанционная передача через ГСР
Если представить каждую ЗС сети как некий совокупный источник
информации (в том смысле, что сигнал каждой ЗС может переносить информацию от
большого количества пользователей сети), то ГСР с непосредственной
ретрансляцией можно рассматривать как устройство уплотнения радиосигналов. В
соответствии с классической теорией линейного уплотнения и разделения каналов,
разработанной для видеосигналов [1.1.9.1,1.1.9.2], из суммы большого числа
сигналов можно безошибочно выделить отдельные слагаемые, если уплотняемые

1 28 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
сигналы ортогональны. Для любой пары сигналов S{(t) и Sj(t) из ансамбля
ортогональных сигналов должно быть выполнено условие:
при i=j
о
Где Т — длительность сигналов, Е — энергия.
Исходя из выполнения приведенного условия, различают:
• Частотное разделение каналов — ЧРК {FDMA — Frequency Division
Multiple Access}. При ЧРК уплотняемые сигналы совпадают во времени, но не
перекрываются их спектры.
• Временное разделение каналов — ВРК {TDMA -Time Division Multiple
Access}. При ВРК сигналы не совпадают во времени, а их спектры
полностью перекрываются.
• Разделение каналов по форме — РКФ {Code Division Multiple Access}. При
РКФ уплотняемые сигналы перекрываются во времени и по спектру.
Кроме традиционно используемых при уплотнении и разделении каналов
отличительных признаков электрических сигналов занимаемой полосы частот,
временного положения и формы можно использовать и дополнительные признаки
радиосигналов — поляризацию и направление на источник излучения радиоволн.
При поляризационном разделении каналов (ПлРК) отличительным признаком
канала является поляризация радиосигналов. На практике число уплотняемых при
ПлРК каналов равно двум (вертикальная и горизонтальная линейная поляризация,
либо левосторонняя и правосторонняя круговая поляризация), что объясняется
большими поляризационными потерями на трассе распространения
радиосигналов. Поэтому в чистом виде ПлРК не может быть использовано, но в сочетании с
другими методами ПлРК обеспечивает сокращения полосы частот сети в 2 раза
(повторное использование частоты) и широко используется на практике.
При пространственном разделении каналов (ПРК) учитывается распределен-
ность ЗС в пространстве, что позволяет экономить полосу частот сети за счет
многократного использования частоты. ПРК предусматривает использование
многолучевых бортовых приемо-передающих антенн и может быть практически
использовано в сочетании с другими способами уплотнения.
1. 1.9.1. Энергетические соотношения в каналах связи
через ГСР при ЧРК
Обозначим:
п — число частотных каналов, уплотняемых на борту
ретранслятора,
Д/ = ВА/Н — полоса частот, занимаемая полезным сигналом каждого
частотного канала (предполагается, что все каналы занимают

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 29
одинаковую полосу частот и имеют равные пропускные
способности), А/и — информационная полоса частот полезного
сигнала, В — база передаваемого сигнала,
аг (i= 1, ... п) — коэффициент передачи по мощности канала связи i-я ЗС -
ГСР,
Рх — мощность передатчика ЗС,
Тх — эквивалентная шумовая температура приемной системы
ретранслятора,
Nx = kTt — спектральная плотность мощности шума радиоканала ЗС-
ГСР, приведенная ко входу приемника ретранслятора,
А/ — полоса пропускания приемо-передатчика ретранслятора,
р; — коэффициент передачи по мощности радиоканала ГСР —
ЗС/ от выхода передатчика ретранслятора до входа
приемника 7-ой ЗС,
Т2 — эквивалентная шумовая температура приемной системы ЗС,
ЛГ2 = kT2 — спектральная плотность мощности собственных шумов
радиоканала ГСР-ЗС, приведенная ко входу приемника ЗС,
Р2 — выходная мощность передатчика ретранслятора.
Пусть мощность принимаемого ретранслятором полезного сигнала i-ro
частотного канала (i = 1, 2....) составляет величину рг. Тогда:
— суммарная мощность полезного сигнала на входе приемника
ретранслятора:
мощность шума на входе приемника ретранслятора: рш1 = NtAf,
суммарная мощность полезного сигнала, излучаемого ретранслятором:
Р - Р£ у. Рг
Е Pz + N^F LH'
мощность полезного сигнала г-го канала, излучаемая ретранслятором:
Р= р* xgg,
' Pz + N^F LJ
мощность шума канала «вверх», переизлучаемая ретранслятором:
_ N^F P2
"-1 ъ + ЪМ 1Н*
мощность полезного сигнала z-ro канала на входе приемника j-ой ЗС:
р ~ Р*Ь уР*
Ci= p^ + N.AF I,,'

130
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
— мощность шума на входе демодулятора j'-ой ЗС:
— отношение сигнал/шум на входе демодулятора /-ой ЗС:
,-^ЛГ1Д/ + рЕЛГ2Д/+.
Обозначим:
1 *
Р2р.
2 / нРт.
Тогда:
— отношение мощности сигнала г-го канала к мощности
шума в полосе частот канала на входе приемника
ретранслятора,
~ отношение сигнал/шум на входе приемника 7-ой ЗС без
учета влияния (переизлучения) шумов канала «вверх».
Щ =
A.1.9.1)
Величина А| полностью определяет качество передачи информации между г-ой
передающей и 7-ой приемной ЗС сети. Обозначим h\ пороговое (минимально
допустимое) отношение сигнал/шум, обеспечивающее требуемое качество
передачи. Тогда должно выполняться условие:
hi
Величина h2 определяется соотношением A.1.9.1.) подстановкой а = min{aj ,
Р = min{P} . Пусть в канале ЗС-ГСР обеспечивается отношение сигнал/шум,
j J
превышающее пороговое значение в а раз: h\ = ah\. Тогда требуемая мощность
передатчика ЗС равна:
Отношение сигнал/шум в каналах «вниз» определяется из уравнения:
ah2
щ + Щ

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 131
Откуда требуемая мощность бортового передатчика равна:
A.1.9.3)
Отношение р^ /щ> определяет необходимость увеличения Р2 в случае
неравенства (разбаланса) мощностей сигналов на входе ретранслятора.
Пусть, например, в сети одна ЗС имеет минимальное значение коэффициента
передачи канала по мощности amin, а остальные — максимальное атах. Тогда
энергетические потери Lp за счет разбаланса мощностей составят:
L _
р
и, если не приняты специальные меры, могут быть значительными (доЮ дБ).
Для учета неслучайных факторов, влияющих на коэффициенты передачи
каналов по мощности, можно, например, использовать ряд ЗС с антеннами разного
диаметра, увеличивая диаметр для станции, находящихся ближе к периферии
зоны обслуживания (увеличивается дальность связи, падает коэффициент
усиления антенны ретранслятора и увеличиваются потери в атмосфере). Для учета
случайных факторов (ошибки наведения антенны ЗС, состояние атмосферы на
трассе распространения радиосигналов и пр.) необходимо оперативное
управление излучаемой мощностью. Для необслуживаемых ЗС такое управление
осуществляется через ЦС, что отвлекает часть связных ресурсов сети. Необходимость
обеспечения равенства мощностей полезных сигналов на входе ГСР усложняет
аппаратуру связи, приводит к дополнительным энергетическим потерям и
является очевидным недостатком ЧРК.
Отношение AFB/nAf в A.1.9.3) определяет необходимость увеличения
мощности передатчика ретранслятора в связи с отвлечением части полезной
мощности на переизлучение шумов каналов вверх в канал вниз. На практике полоса
пропускания аппаратуры ГСР должна быть согласована с полосой частот
полезных сигналов: AF = ЬпА/, где b > 1 величина запаса по полосе частот, связанная
с наличием защитных частотных интервалов между каналами, и обычно при
ЧРК равная 1,2-1,6.
С учетом сделанных замечаний выражение для требуемой мощности
передатчика ретранслятора принимает следующий вид
A.1.9.4)
1.1.9.2. Многостанционная работа через ГСР при ВРК
При использовании ВРК передача информации через ретранслятор
осуществляется кадрами фиксированной длительности Тк. Кадры разбиваются на п слотов
длительностью Гсл = Тк/п. Слот закрепляется за одной из ЗС сети, в который она
«вставляет» свои информационные посылки в виде пакетов фиксированного объема.

1 32 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Энергетические соотношения при ВРК могут быть получены из результатов
предыдущего раздела подстановкой IH = Ip = Ъ = 1 (отсутствуют перекрестные
помехи, обусловленные многосигнальным режимом работы УМ ретранслятора,
отсутствуют энергетические потери, связанные с разбалансом мощностей
полезных сигналов на входе ретранслятора, отсутствуют защитные частотные
интервалы между каналами)
$%B] (U-9-5>
При ВРК энергетический выигрыш бортовой аппаратуры по сравнению с
ЧРК с учетом сделанных в предыдущем разделе замечаний составит
ориентировочно 5-9 дБ, что позволяет ожидать увеличения при том же ретрансляторе
пропускной способности сети в 3-7 раз.
С другой стороны, при ВРК полоса частот, занимаемая каждой станцией сети
равна nAf и:
л A.„6)
При ВРК ЗС работают в импульсном режиме, излучая в среднем такую же
мощность, что и при ЧРК, но требуют передатчиков с пиковой мощностью в п
раз большей. Поскольку пиковая мощность во многом определяет стоимость
оборудования, это является достаточно серьезным недостатком ВРК.
Каждый передаваемый пакет для синхронизации аппаратуры приемной
станции снабжается синхропосылкой. Типовая структура пакета показана на
рис. 1.1.9.1. Синхропосылка содержит как минимум три основных фрагмента —
сигнал для захвата частоты и фазы принимаемого колебания, сигнал для
выделения тактовой частоты принимаемых символов, сигнал для определения начала
информационной части (первого значащего бита) принимаемого пакета —
преамбулу. Для увеличения коэффициента использования пропускной способности
канала связи естественно желание сделать служебные синхропосылки возможно
короче. В ГССС этому во многом способствует относительно небольшой разброс
параметров принимаемых сигналов и низкая динамика их изменения. Захват
частоты и фазы принимаемого несущего колебания и тактовой частоты обычно
осуществляется при помощи петель ФАП, инерционность которых определяется
шумовой полосой пропускания А/ш. С точки зрения быстроты вхождения в
синхронизм Д/ш необходимо увеличивать. С другой стороны, в режиме слежения
при обработке информационного сигнала увеличение шумовой полосы приводит
к росту флуктуации фазы опорного колебания и соответствующему
энергетическому проигрышу. Для каналов связи через ГСР компромиссным считается
выбор А/ш ~ 0ДД//2? [1.1.9.3]. При этом отношение сигнал/шум в полосе ФАП
примерно 10h2n ^> 1. Начальная расстройка частоты принимаемого сигнала А/р
оказывается относительно небольшой (обычно А/р <$С А/ш) и поиск по частоте не
требуется. В этих условиях суммарное время вхождения в синхронизм по
несущей и тактовой частотам имеет порядок 100 длительностей информационных
символов. Сигнал преамбулы во избежание ложных захватов должен иметь ав-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
133
Синхропосылка
Информационная часть
Сигнал синхронизации
по несущей
Сигнал тактовой
синхронизации
Преамбула
Рис. 1.1.9.1. Типовая структура пакета при ВРК
токорреляционную функцию с низким уровнем боковых выбросов. По знаку
отклика согласованного фильтра, обрабатывающего преамбулу, идентифицируется
текущий режим работы канала (прямой или обратный). При работе в шумах
возможен ложный захват или пропуск преамбулы, что приводит к полной потере
пакета. Вероятность срыва синхронизации падает с увеличением энергии
(длительности) сигнала преамбулы. На практике длительность преамбулы имеет
порядок 100 символов, а общая длительность синхропосылки составляет около 200
символов. Задавшись уровнем служебных затрат 0,05-0,1 определим, что
минимальный объем передаваемых пакетов составляет несколько B-4) кбит.
Уменьшение времени вхождения в связь возможно с применением схем
синхронизации с адаптивным отслеживанием несущей {ACT — Adaptive Carrier
Tracking}. Основу таких схем составляют цифровые генераторы опорного
сигнала, которые подстраиваются до точного согласования частоты и фазы опорного
сигнала с принимаемым практически мгновенно. В комбинированных схемах
выделения несущей и тактовых частот с адаптивным отслеживанием демодуляция
каждого символа осуществляется путем мгновенной подстройки опорных
сигналов под этот символ, т.е. синхронизация осуществляется посимвольно. Это
позволяет снизить суммарное время вхождения в связь до длительности A0-20)
информационных символов [1.1.9.5].
Передающие ЗС должны передавать свои пакеты таким образом, чтобы,
несмотря на достаточно большие различия задержек распространения сигналов от
разных станций, временная структура кадра формировалась на входе
ретранслятора (начале группового тракта). С этой целью центральная ЗС непрерывно
передает сигнал кадровой синхронизации. Каждая ЗС, используя сигнал кадровой
синхронизации в качестве опорного, и, зная задержки распространения, может
определить момент начала передачи, позволяющий «уложиться» ей в
отведенный слот кадра. При использовании априорной информации о задержках
относительно номинальной точки стояния ГСР возникает необходимость введения
в каждый слот временного защитного интервала, исключающего возможность

134 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
наложения пакетов при отклонении ГСР от точки стояния. Если точность
удержания ретранслятора по широте и долготе составляет ±5°, то линейное
отклонение относительно рабочей точки составит ±7008 км. Современные ГСР
характеризуются точностью удержания порядка ±0,05°, а максимальное отклонение
равно 35 км. Допустим, что зоной неопределенности спутника является сфера,
тогда максимальное изменение задержки составит примерно 230 мкс. Задавшись
уровнем служебных затрат 10% (это типичное значение для систем с ВРК),
длиной синхропосылки 200 символов, объемом пакета 4 кбит, получим, что скорость
передачи информации по каналу не должна превышать 1 Мбит/с. В противном
случае либо растут служебные затраты, либо надо увеличивать объем
передаваемых пакетов, что не всегда возможно по другим причинам.
Уменьшить величину защитных интервалов можно, осуществляя измерение
текущего значения дальности до ГСР. Это возможно двумя способами:
• оборудовать каждую ЗС собственной дальномерной системой;
• передавать каждой ЗС по отдельному служебному каналу значения
текущих координат ГСР.
Все многообразие систем синхронизации, построенных по первому способу,
различается в основном:
• методами измерения дальности (непрерывный или импульсный),
• структурами дальномерных сигналов,
• методами разделения дальномерных каналов,
• методами разделения информационного канала и канала синхронизации,
• способами использования информации о дальности для управления
процессом передачи информации.
Для организации синхронной работы при ВРК отвлекается часть связных
ресурсов сети, поэтому основным показателем качества системы синхронизации
являются затраты пропускной способности, точность и устойчивость при
наличии в замкнутом контуре управления задержки 250 мс. Использование систем
взаимной синхронизации ЗС позволяет уменьшить величину защитных
временных интервалов до C0-300) не.
Таким образом, при ВРК максимизируется использование связных ресурсов
ГСР при одновременном существенном усложнении аппаратуры ЗС. Это
обстоятельство и определяет области использования ВРК и ЧРК.
ГССС с ВРК используются в сетях высокой и сверхвысокой пропускной
способности (когда потребные ресурсы ГСР находятся на грани технических и
технологических возможностей) при относительно небольшом числе ЗС.
Примерами подобных сетей могут служить интернациональные сети (типа Intelsat),
национальные сети стран с развитой информационной инфраструктурой,
например, для объединения наземных сетей связи крупных мегаполисов и т.д.
ЧРК используется в сетях средней и малой пропускной способности при
большом числе ЗС (сотни и тысячи). В этом случае неэффективность
использования ГСР экономически оправдывается простотой ЗС. Примером могут
служить сети VSAT (Very Small Aperture Terminal), сети мобильной связи, сбора
информации и т.д.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 135
В ситуациях, когда информационная активность ЗС изменяется в широких
пределах и весьма быстро (с интервалами в несколько минут) эффективно
статистическое осреднение трафика отдельных станций путем динамического
перераспределения пропускной способности ретранслятора в соответствии с
текущими потребностями ЗС. При этом вне зависимости от пропускной способности
сети целесообразно использование ВРК. Перераспределение пропускной
способности между каналами при ВРК осуществляется значительно проще, чем при
ЧРК (путем перераспределения длительности кадра между каналами).
Перспективно при доступе к СР использование комбинированного
двухступенчатого уплотнения ЧРК-ВРК {MF-TDMA — Multi Frequency TDMA}
[1.1.9.4].
1.1.9.3. Многостанционная работа при РКФ
При РКФ в качестве поднесущих используют цифровые периодические
широкополосные манипулирующие последовательности: тя-последовательно-
сти, последовательности Голда, последовательности на базе функций Уолша.
Такие последовательности ортогональны лишь при строгом совпадении во
времени их периодов. Очевидно, что добиться совпадения периодов
манипулирующих последовательностей на входах приемников ЗС невозможно, поэтому
при РКФ возникает дополнительный вид помех — шумы неортогональности,
обусловленные неортогональностью поднесущих. Пусть на вход приемника
одновременно поступают сигналы п станций. Определим отношение сигнал/шум.
Обозначим через Рс — мощность сигнала одного канала, А/и —
информационная полоса сигнала, AF — полоса частот манипулирующей
последовательности, N — спектральная плотность шумов приемника. Приемник «свернет» один
из п сигналов, на который он настроен, а остальные проявят себя как белый
шум со спектральной плотностью (п- 1)РС/АЕ Поэтому отношение сигнал/
шум равно:
h2 = Pf
Шум неортогональности не может быть подавлен увеличением мощности
полезного сигнала, а лишь расширением полосы частот передаваемых сигналов и
при AF-* оо h2 -> Pc/NAfn.
Заметим, что шумы неортогональности присутствуют и при других способах
уплотнения и проявляются в виде межсимвольной интерференции при ВРК и
помехе по соседнему каналу при ЧРК. Но там они менее интенсивные и с ними
легче бороться.
Рассмотрим вопрос о целесообразности использования РКФ при многостан-
Ционной работе через ГСР с непосредственной ретрансляцией более подробно.
Предположим, что соблюдается баланс мощности на входе приемника
ретранслятора, пренебрежем перекрестными помехами и будем считать, что

136 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
мощность передатчика ретранслятора используется полностью. Сохраним
обозначения, использованные в разделе 1.1.9.1. Тогда:
— мощность полезного сигнала одного канала на входе приемника ЗС:
мощность шума канала вверх на входе приемника ЗС:
NtAF
мощность шума неортогональности на входе приемника ЗС:
(n-l)p Rp
np + NxAFP ^2'
суммарная спектральная плотность мощности шума на входе приемника ЗС:
N$P2 + (п - 1)Р^ + N2np + N^AF
пр + Nt AF '
результирующее отношение сигнал/шум на входе ЗС:
Л* = ^ A.1.9.7)
Обозначив h\ = p/N^Af^ — отношение сигнал/шум в канале вверх в полосе
частот информационного сигнала, h\ ^$P2/N2Aflln — отношение сигнал/шум в
канале вниз без учета переизлучения шумов канала вверх и наличия шумов
неортогональности, из A.1.9.7) получим:
В знаменателе соотношения A.1.9.8) третье слагаемое учитывает
отрицательное влияние шумов неортогональности, а четвертое — отбор мощности полезного
сигнала на переизлучение шумов канала вверх в канал вниз.
При расширении спектра передаваемых сигналов влияние шумов
неортогональности ослабевает, а отбор мощности растет. Очевидно наличие
оптимального значения AF, максимизирующего результирующее отношение сигнал/шум.
При достаточно большом числе каналов, когда справедливо (п - 1) ~ п, это
оптимальное значение равно:

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
137
A.1.9.9)
Задавшись величиной превышения порогового значения отношения сигнал/
шум в канале вверх — h^ = ahn, можно найти требуемое отношение сигнал/шум
в канале вниз и оптимальный коэффициент расширения полосы частот:
A.1.9.10)
Для сравнения в таблице 1.1.9.1. приведены обменные соотношения между h\
и /?2 , обеспечивающие результирующее отношение сигнал/шум h\ = 10 для ЧРК
A.1.9.3), ВРК A.1.9.5) и РКФ A.1.9.10)
Из данных таблицы следует, что использование РКФ приводит к
необходимости недопустимо большого расширения полосы частот сигналов (не менее
чем в 70 раз), причем даже в этом случае энергетический проигрыш РКФ ВРК
при больших значениях h\ составляет около 3 дБ, а при малых h\ может
превышать 10 дБ.
Таблица 1.1.9.1
Сравнительные характеристики методов многостанционной работы
ВРК
ЧРК
РКФ
а
h\
hi
hj
hi
(Ж)
1,1
и
120
496
4617
120
1,5
15
32
131,2
297
82
2
20
21
85,6
116
68
4
40
13,7
55,2
40
80
6
60
12,2
49,1
28,6
103
8
80
11,6
46,51
24
124
10
100
11,2
45
21,4
146
Поэтому достаточно распространенное мнение о том, что РКФ желательно
использовать, когда спектр сигнала необходимо расширять по другим причинам,
совмещая при этом еще и процедуру уплотнения каналов, вряд ли можно считать
обоснованным, во всяком случае, при многостанционной передаче через ГСР с
непосредственной ретрансляцией. Для борьбы с многолучевостью,
узкополосными помехами и/или обеспечения электромагнитной совместимости расширение
спектра в требуемых для решения перечисленных задач пределах необходимо
осуществлять при временном или частотном уплотнении каналов. При этом надо

138 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
учитывать, что при непосредственной ретрансляции расширение спектра
приводит к энергетическим потерям, обусловленным отбором полезной мощности
ретранслятора на переизлучение шумов.
1.1.10. Протоколы множественного доступа
в спутниковых каналах связи
Под протоколом множественного доступа {MAC — Multiple Access Control
Protocol} в спутниковый канал связи понимаются правила, определяющие
порядок коллективного использования многими ЗС (пользователями) связных
ресурсов ретранслятора и общей среды распространения радиосигналов. Если в
кабельных наземных сетях связи информационные потоки поступают в узлы сети
по отдельным независимым проводам и задача узла сводится лишь к
мультиплексированию-демультиплексированию потоков, то в радиосетях, использующих
общую среду распространения сигналов, имеется возможность совместного и
эффективного использования таких дорогостоящих ресурсов, как полоса частот и
мощность, при помощи соответствующего протокола множественного доступа
(ПМД). При этом в сетевой архитектуре радиосетей возникает дополнительный
иерархический уровень ПМД. Выбор рационального ПМД во многом
определяется свойствами используемого радиоканала, в первую очередь задержкой
распространения сигнала и пропускной способностью, а также характеристиками
пользовательского трафика и числом обслуживаемых ЗС.
?. I. ? 0.1. Характеристики информационных потоков пользователей
Важным классификационным признаком цифровых информационных
потоков является их восприимчивость к задержкам, вносимым сетью. В связи с этим
различают потоки реального времени (ПРВ) и потоки нереального времени
(ПНВ). Передача информационных потоков по сетям неизбежно
сопровождается искажениями, величина которых определяется показателями качества
обслуживания {QoS — Quality Of Service}. Показатели качества обслуживания тесно
связаны с прикладным содержанием информационных потоков и определяют
выбор способов и режимов информационного обмена в сети, в том числе
протоколов множественного доступа.
Потоки реального времени характеризуются жесткими требованиями к
задержкам и искажениям их временной структуры. Допустимое время задержки
не превышает долей секунды. ПРВ генерируются при организации режима
интерактивного обмена — телефония, видеоконференцсвязь, активные телеигры,
оперативное телеуправление различными процессами и т.д. Различают два типа
ПРВ — с постоянной скоростью {CBR — Constant Bit Rate} и с переменной
скоростью {VBR — Variable Bit Rate}. Потоки с постоянной скоростью иногда
называют непрерывными. Единственным параметром непрерывного потока является
скорость генерации R [бит/с]. Очевидно, что пропускная способность канала С,
выделяемая ПРВ с постоянной скоростью, должна удовлетворять условию С = R.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 139
ПРВ с переменной скоростью чаще всего генерируются источниками,
осуществляющими уменьшение смысловой и статистической избыточности первичных
аналоговых сигналов (телефония, телевидение). Параметрами VBR являются
максимальная скорость генерации Rm и коэффициент пульсаций Р, равный
отношению максимальной скорости генерации к средней. Поскольку сгладить
пульсации потока на передающей стороне не представляется возможным, из-за
того, что при этом недопустимо сильно искажается временная структура потока,
пропускная способность канала выбирается равной Rm. При этом коэффициент
использования пропускной способности канала связи р, равный отношению
средней скорости передачи информации к пропускной способности канала,
составит 1/р.
При исследовании характеристик ПМД в качестве модели источника ПРВ с
переменной скоростью используют модель источника с двумя состояниями
[1.1.10.1], в которой источник поочередно находится либо в активном состоянии
и генерирует поток со скоростью Rm, либо в пассивном (выключенном)
состоянии. Длительности активной и пассивной фаз случайны, статистически
независимы и подчинены экспоненциальному распределению со средними значениями
Ьа и Ьп. Коэффициент пульсаций потока с двумя состояниями Р = (ba - bn)/ba.
Задаваясь параметрами Ьа и bn, можно смоделировать поток с любым требуемым
коэффициентом пульсаций.
Жесткие требования к оперативности доставки ПРВ могут быть обеспечены
при их передаче в режиме коммутации каналов. Показателями качества
обслуживания являются также время установления соединения — промежуток
времени между передачей вызова (запроса) на предоставление канала связи и моментом,
когда выделенный канал оказывается доступным для пользователя, и
вероятность блокировки вызова (вероятность отсутствия свободного канала связи).
Рассмотрим в качестве примера наиболее распространенный тип ПРВ,
формируемых при цифровом представлении аналоговых речевых сигналов. При
стандартном регулярном цифровом представлении сигнал подвергается
дискретизации с частотой 8 кГц и квантованию с формированием 8-разрядных кодовых
слов. В результате генерируется ПРВ с постоянной скоростью 64 кбит/с.
Речевой сигнал представляет собой последовательность чередующихся активных фаз
и пауз. Статистика речи свидетельствует, что средняя длительность активной фазы
равна Ьа = 0,352 с. Паузы подразделяются на два типа — паузы между словами,
имеющие среднюю продолжительность Ьх = 0,372 с, и паузы прослушивания
собеседника длительностью Ь2 = 2,59 с. Вероятность того, что произвольно взятая пауза
является паузой между словами, примерно равна р = 0,875. В этом случае
средняя безусловная продолжительность паузы составляет Ьи = pb± + (I -p)b2 = 0,65 с.
Распределения длительности активных фаз и пауз можно в первом приближении
считать экспоненциальными. Таким образом, если на передающей стороне
использован детектор пауз, формируется ПРВ с переменной скоростью,
соответствующий модели источника с двумя состояниями. Коэффициент пульсаций этого
потока равен р = Fа - йп)/йа = 2,85, а коэффициент использования пропускной
способности канала р = 1/Р = 0,35.
Потоки нереального времени допускают достаточно большие задержки и
разрушение их временной структуры. Примером ПНВ являются потоки пакетов бо-

140 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
лее высоких уровней иерархии сети, в частности интернетовские пакеты.
Поскольку на сетевом уровне ПМД возможно разбиение внешних пакетов на
внутренние пакеты уровня, во избежание путаницы условимся называть пакеты,
поступающие на уровень ПМД, сообщениями. Моменты возникновения
сообщений чаще всего имеют случайный характер и количественно описываются во
времени интенсивностью А, (средним количеством сообщений, генерируемых в
единицу времени). Сообщения же характеризуются объемом V бит, который в
зависимости от приложений может быть фиксированным или случайным.
Средняя скорость источника ПНВ равна R = XV, где V — средний объем сообщения.
Поскольку работа источников ПНВ осуществляется чередующимися фазами
активности (генерация сообщения) и простоя, их обычно называют пульсирующими.
Некритичность ПНВ к задержкам позволяет эффективно использовать
пропускную способность каналов связи. Установив на передающей стороне
буферный накопитель (БН) и занося в него сообщения в темпе их поступления, можно
считывать информацию в канал связи со скоростью, близкой к средней скорости
источника. При этом в БН образуется очередь сообщений, уже сформированных
источником ПНВ и ожидающих окончания передачи ранее поступивших
сообщений. Под задержкой сообщения т понимают интервал времени между
моментом записи сообщения в БН и моментом завершения его приема получателем.
Случайность моментов возникновения сообщений приводит к флуктуации
длины очереди в БН и, соответственно, случайности задержки. В качестве
показателя качества обслуживания ПНВ обычно принимают среднее время задержки т.
Поскольку задержки являются сетевыми издержками, они, хотя и допускаются
ПНВ, но, тем не менее, регламентируются: пользователи, допускающие
задержки, накладывают на них ограничение сверху. В зависимости от конкретных
приложений допустимое время задержки сообщения колеблется от долей секунды
до десятков минут, а в ряде случаев и нескольких часов.
Случайный характер очередей сообщений может приводить к тому, что в
отдельные отрезки времени их длина оказывается больше объема БН и часть
сообщений теряется, поскольку их просто некуда записывать. Количественно это
явление оценивается вероятностью потери сообщения Рпот, равной
Лют 11т ~~ >
р
Лют
где пп и ппот соответственно — общее число поступивших и число потерянных сообщений.
Вероятность потери резко падает с ростом объема БН, поэтому для каналов
связи ЗС-СР, в которых накопители входят в состав аппаратуры ЗС и могут
иметь значительный объем, этот показатель качества обслуживания обычно
игнорируется (считается, что потерь нет). Для ретрансляторов с бортовой
обработкой и коммутацией на видеочастоте проблема снижения вероятности потери
сообщений на борту весьма актуальна, потому что практически достигаемая
емкость бортовых запоминающих устройств весьма ограничена и, следовательно,
должна быть эффективно использована. Кроме того, потерянные на борту
сообщения приходится передавать повторно, что приводит к дополнительной
загрузке каналов связи ЗС-СР и увеличивает задержку передачи.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 141
1.1.10.2. Методы исследования характеристик ПМД
Традиционный и эффективный подход при исследовании характеристик
ПМД базируется на представлении ССС в виде системы массового
обслуживания (СМО) с использованием математического аппарата теории массового
обслуживания (ТМО) и теории информации. С точки зрения ТМО поступающие
на уровень ПМД сообщения интерпретируются как заявки (требования) на
обслуживание. Под обслуживанием понимается передача, прием и сопутствующая
обработка сообщений, соответствующих заявкам. В качестве обслуживающих
устройств (приборов) выступает аппаратура каналов связи. Первичными
источниками требований (сообщений, предназначенных для передачи) являются
внешние объекты, пользующиеся ресурсами сети, — пользователи. СМО
считается заданной, если заданы характеристики входящих потоков требований,
механизм обслуживания и дисциплина обслуживания.
Входящие потоки требований представляют собой точечные случайные
процессы, статистические характеристики которых моделируют временную
структуру поступления требований (в рассматриваемом случае — сообщений), которые
порождаются источниками (пользователями) и нуждаются в обслуживании
(передаче). При аналитическом исследовании характеристик СМО в подавляющем
большинстве случае используется пуассоновская модель потоков заявок, в
которой случайное число сообщений г, генерируемых источником на интервале
времени длительностью Го, распределено по закону Пуассона [1.1.10.2]:
Pi(T0) = {^f?-e-XT\i = 0,1,2,... A.1.10.1)
а интервалы времени х между соседними событиями потока подчинены
экспоненциальному распределению вероятности:
ю(х) = /.е"^. A.1.10.2)
Единственным представительным параметром пуассоновского потока
является интенсивность А,, равная среднему числу требований, генерируемых в единицу
времени.
Использование пуассоновской модели входящих потоков требований
обусловлено следующими факторами [1.1.10.3, 1.1.10.4]:
а) реальные потоки во многих случаях достаточно хорошо описываются
пуассоновской моделью, что является следствием предельной теоремы для
суммарного потока (аналога центральной предельной теоремы для
непрерывных случайных величин и процессов), которая доказывает пуассонизацию
суммарного потока при объединении независимых потоков произвольного
вида. На практике уже при суммировании 5-10 независимых
произвольных потоков результирующий поток можно считать пуассоновским;
б) пуассоновская модель входного потока обычно приводит к получению
верхних оценок искомых показателей качества обслуживания, что
обеспечивает возможность использования минимаксного подхода в случае
отличия свойств реальных потоков от пуассоновского;

142 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
в) пуассоновская модель значительно упрощает и облегчает использование
наиболее экономичных и легко интерпретируемых аналитических и
численных методов исследования характеристик (а часто оказывается и
единственно возможной для этих методов), что обусловлено в основном таким
важным свойством пуассоновского потока, как отсутствие последействия,
проявляющимся в том, что время ожидания поступления очередного
события потока не зависит от того, сколько времени прошло с момента
возникновения предыдущего события.
Механизм обслуживания определяет главным образом статистические
характеристики времени обслуживания требований, а также особенности работы
обслуживающего устройства. Например, возможны ситуации, когда обслуживание
очередного требования начинается не сразу же после окончания обслуживания
предыдущего, а лишь в специально выделенные синхронные моменты времени.
При передаче ПРВ время обслуживания 9 (длительность сеанса связи) полностью
определяется пользователем, а при передаче ПНВ 0 = V/C, т.е. время
обслуживания, зависит от характеристик потока пользователя (объема сообщения V) и
сети (пропускной способности канала С).
Дисциплина обслуживания определяет количество обслуживающих
устройств, число очередей, размеры и способы использования объема буферной
памяти, предназначенной для хранения очередей, организацию процесса
обслуживания. Если передаваемые сообщения равноценны для потребителей
информации, обычно применяется дисциплина «первым пришел — первым
обслужен» {FIFO — First In First Out} — прямой порядок обслуживания, когда
обслуживание требования начинается, как только оно достигнет начала очереди.
Помимо дисциплины FIFO требования могут выбираться из очереди случайным
образом, а также в соответствии с априорно заданными или динамически
формируемыми в процессе функционирования приоритетами (приоритетные
дисциплины обслуживания). Использование приоритетных дисциплин обслуживания
позволяет обеспечить динамическое управление информационными потоками в
сети в соответствии с их требованиями к качеству обслуживания.
Наиболее важным параметром однолинейной СМО при произвольном
входном потоке и распределении времени обслуживания требований является
загрузка р, определяемая как произведение интенсивности потока требований,
поступающих в систему на среднее время обслуживания каждого требования:
p=XQ. A.1.10.3)
Эта величина равна доле времени, в течение которого занят обслуживающий
прибор. При передаче ПНВ средний объем сообщения 0 = V/C, поэтому:
A.1.10.4)
т.е. загрузка равна коэффициенту использования пропускной способности
канала связи.
В системе устанавливается стационарный режим работы, обеспечивающий
конечные значения длин очередей и задержек, при выполнении условия:
0<р<1. A.1.10.5)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 143
Ситуация р = 1 допускается только в случае регулярного (неслучайного)
входного потока и постоянного времени обслуживания (режим синхронной
передачи). Заметим, что при использовании БН конечного объема стационарный
режим работы обеспечивается при любых загрузках, в том числе и при р > 1.
Однако при этом накопитель насыщается, что приводит к неприемлемо большим
задержкам и потерям требований, поэтому практического интереса режим р > 1
не представляет.
Выделим простые, но фундаментальные соотношения, устанавливающие
соответствие между основными характеристиками однолинейной СМО общего
вида [1.1.10.5] и широко использующиеся в приложениях.
Среднее время пребывания заявки в системе (в очереди плюс в
обслуживающем приборе):
т = точ + ё, A.1.10.6)
где точ — среднее время ожидания в очереди.
т = п/Х1 A.1.10.7)
где п — среднее число заявок в системе.
Средняя длина очереди заявок:
поч-п-р A.1.10.8)
Для широкого класса СМО характерен рост задержек и потерь заявок с
увеличением загрузки, что свидетельствует об обмене степени использования
ресурсов системы на качество обслуживания заявок.
Для исследования характеристик СМО разработан ряд специальных
аналитических методов, наиболее распространенные и эффективные из которых
проиллюстрированы в дальнейшем изложении.
При усложнении СМО ее исследование аналитическими методами
наталкивается на значительные и часто непреодолимые трудности. Попытки найти
аналитическое решение достигают цели ценой значительных упрощений в
постановке задач и приближений в ходе ее решения, что может оказать существенное
влияние на точность получаемых результатов. Тем не менее, исследования на
упрощенной модели могут быть полезными для нахождения ориентировочных
значений исследуемых показателей качества обслуживания с целью получения
более точных результатов, например, численными методами, которые позволяют
исследовать более широкий класс СМО, но получать при этом лишь частные
результаты. Разнообразие алгоритмов функционирования и сложность структур
СМО, математически моделирующих ССС, не всегда позволяют свести систему
к модели, пригодной для исследования аналитическими или численными
методами. Поэтому широко распространены методы исследования на имитационных
моделях. Основным достоинством имитационных моделей по сравнению с
аналитическими методами является возможность решения более сложных задач с учетом
таких факторов, которые создают непреодолимые трудности при попытке
исследования аналитическими методами. Существенным недостатком
имитационного моделирования является то, что получаемые решения всегда носят частный

144 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
характер, соответствуя заданным фиксированным параметрам системы и
начальным условиям. Для нахождения осредненных характеристик процесса
функционирования требуется многократное повторение эксперимента с последующей
статистической обработкой результатов. При этом затраты времени на
моделирование существенно увеличиваются по мере усложнения модели, а также при
необходимости оценки малых величин (например, вероятности потери) и
величин, имеющих большую дисперсию.
7.7.70.3. Основные разновидности протоколов
множественного доступа и их характеристики
Уровень ПМД в иерархической структуре уровней сети обеспечивает
интерфейс между физическим и канальным уровнями. ПМД должен обеспечивать
бесконфликтный доступ сообщений (пакетов более высоких уровней) в физический
канал при возможно более экономном использовании его пропускной способности.
Типичные зависимости средней задержки сообщения (качества обслуживания) от
коэффициента использования пропускной способности канала связи приведены на
рис. 1.1.10.1. При использовании ПМД любого типа имеет место обмен между
степенью использования ресурсов канала и качеством обслуживания информационных
потоков. При увеличении р среднее время задержки монотонно увеличивается,
причем эта зависимость имеет существенно нелинейный характер. При достижении
некоторого значения р < 1 канал насыщается (система выходит из равновесного
состояния, начинается неограниченный рост очередей и, соответственно, задержек).
Устойчивая работа возможна лишь при р < рт. Безразмерная величина рт,
равная отношению максимально возможной скорости передачи информации к
пропускной способности канала связи, называется пропускной способностью ПМД.
Пропускная способность ПМД характеризует качество протокола с точки
зрения уровня служебных затрат, эффективности использования информации о
текущем состоянии сети и т.д. Количественные зависимости т от р для различных
ПМД отличаются, поэтому правомочна постановка задачи о выборе рационального
ПМД, обеспечивающего при заданной средней задержке сообщений наибольший
коэффициент использования пропускной способности канала связи (или, что
приводит к тем же результатам, при заданном коэффициенте использования канала,
минимизирующего задержку). Из рис. 1.1.10.1. следует, например, что в диапазоне
загрузок Apj целесообразно использование ПМД1, а в диапазоне Ар2 — ПМД2.
Большинство ПМД адаптируется к текущему состоянию канала (каналов)
сети, используя для этой цели сигналы обратной связи. В связи с этим возникает
вопрос об устойчивости возникающего замкнутого контура управления,
особенно с учетом достаточно большой задержки распространения сигналов в
спутниковых радиолиниях.
К ПМД предъявляются следующие основные требования:
• ПМД должен обеспечивать заданные показатели качества обслуживания
информационных потоков пользователей;
• ПМД должен обеспечивать максимально возможный коэффициент
использования пропускной способности каналов связи сети;

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 145
1,0
Рис. 1.1.10. 1. Типичные зависимости средней задержки от загрузки
Apt — область целесообразного использования ПМД1
Ар 2 — область целесообразного использования ПМД2
• ПМД должен поддерживать устойчивость процессов информационного
обмена в сети;
• технические средства, обеспечивающие функционирование ПМД, должны
быть приемлемы по критерию сложность/стоимость.
При обеспечении указанных требований необходимо, как уже отмечалось,
учитывать статистические характеристики и вид обслуживаемых
информационных потоков, свойства используемых радиоканалов, количество ЗС,
возможность мультиплексирования на передающей стороне и другие факторы.
Очевидно, что требования к ПМД во многом противоречивы, поэтому выбор
конкретного протокола обычно базируется на компромиссных решениях.
В последние годы существует устойчивая тенденция к созданию ССС
интегрального обслуживания, обеспечивающих совместную передачу потоков
реального и нереального времени с существенно различающимися характеристиками
и требованиями к качеству обслуживания, а также к объединению наземных и
спутниковых сетей интегрального обслуживания в единую глобальную
информационную инфраструктуру. В связи с этим к ПМД предъявляются
дополнительные требования:
• ПМД должен обеспечивать эффективную совместную передачу потоков
реального и нереального времени;
• ПМД должен быть совместим с протоколами сетевого и транспортного
уровней наземных сетей связи, в частности, TCP/IP (Transport Control
Protocol/Internet Packet), и обеспечивать эффективное использование

146
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Протоколы множественного доступа
Опросные
Безопросные
Эстафетный
Циклический I IАсинхронно-цик-1
опрос I I лический опрос I
С частотным I I С временным
разделением | 1 разделением
I Фиксированный I Случайный
I доступ I 1 доступ
делением
по форме
Асинхронный Синхронный
С резервированием
| Конфликтный Бесконфликтный
Доступ по
запросу
±л
Комбинированный
V V
Распределенный Централизованный
Рис. 1.1.10.2. Основные классификационные признаки протоколов
многостанционного доступа
этих протоколов, несмотря на существенное различие характеристик
спутниковых и наземных каналов связи.
Возможности удовлетворения этих требований рассмотрены во второй части
настоящего издания.
Основные классификационные признаки ПМД, приемлемых для
использования в спутниковых каналах связи, приведены на рис. 1.1.10.2. По признаку
объекта, инициирующего передачу, при классификации ПМД можно выделить
опросные и безопросные протоколы. Опросные ПМД предусматривают наличие
центральной станции, которая последовательно опрашивает ЗС. Различают
циклический и асинхронно-циклический опрос. При циклическом опросе
информация от ЗС передается кадрами фиксированной длительности. Каждой ЗС в кадре
выделяется временное окно, длительность которого пропорциональна
априорным сведениям об информационной активности данной ЗС. Инициатором
начала передачи является ЦС, которая в соответствии с заранее заданной
программой поочередно опрашивает ЗС. Процедура опроса сводится к передаче по

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 147
отдельному служебному каналу сигнала разрешения начала передачи. В случае
переменной информационной активности ЗС процедура циклического опроса
приводит к малоэффективному использованию пропускной способности канала
связи, поскольку размеры временных окон в кадре приходится выбирать,
ориентируясь на максимальное значение информационной активности каждой ЗС, и
в результате значительная часть кадра может оказаться незаполненной. При
переменной активности ЗС существенно лучшие характеристики обеспечивает
протокол асинхронно-циклического опроса. В этом случае длительность цикла
опроса (псевдокадра) переменна. ЦС опрашивает очередную ЗС и, если эта
станция активна, она передает всю имеющуюся у нее на момент опроса информацию.
Если же станция пассивна, она не передает никаких сигналов (в том числе и
служебных). ЦС дожидается окончания передачи очередной ЗС и переходит к
опросу следующей в циклическом списке станции и т.д. В результате
осуществляется адаптивное перераспределение пропускной способности канала связи
между ЗС в соответствии с их информационной активностью. Пропускная
способность опросных ПМД в первую очередь определяется отношением времени
переключения между станциями, включающего в себя задержку
распространения, время передачи запроса и время взаимной синхронизации ЦС и ЗС, к
средней длительности информационной посылки. Для геостационарных
ретрансляторов время переключения составит не менее 0,5 с, а эффективное использование
канала возможно при длительности информационной посылки 3-5 с. Поэтому
возможность использования опросных ПМД в ССС ограничивается лишь
низкоскоростными сетями сбора данных.
При использовании безопросных ПМД инициатором передачи являются
земные станции. Протоколы фиксированного доступа предусматривают деление
спутникового канала связи на ряд виртуальных каналов, отличающихся друг от
друга частотным, временным или кодовым признаком. Каждый из виртуальных
каналов статически закрепляется за одной из ЗС сети. Планирование
распределения связных ресурсов спутникового канала между ЗС осуществляется на
достаточно продолжительные отрезки времени на основании априорных сведений
об информационной активности станций. В противоположность
фиксированному, при случайном асинхронном доступе какая-либо координация работы между
станциями полностью отсутствует. Ресурс спутникового канала является общим
для всех станций, и каждая из них осуществляет передачу по мере
возникновения необходимости. При этом часть пропускной способности канала связи
безвозвратно теряется из-за возможности столкновения во времени передачи
информационных пакетов от разных станций. Протоколы синхронного случайного
доступа предусматривают частичное наличие синхронизации между ЗС сети.
Эстафетные безопросные ПМД базируются на перемещении по сети в соответствии
с заранее выбранным маршрутом маркера активности ЗС. Очередная активная
ЗС, заканчивая свою передачу, передает условный сигнал окончания передачи.
Остальные станции сети, приняв этот сигнал, узнают об освобождении канала,
и право передачи (эстафета) переходит к следующей на маршруте маркера
активности станции. Конфликтов при использовании канала связи удается
избежать благодаря тому, что маршрут передачи эстафеты известен заранее всем
станциям.

148 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Большую группу ПМД составляют протоколы с резервированием канала по
запросу. В этом случае имеются выделенный или совмещенный запросный канал
и ответный управляющий канал связи. Станция, у которой имеется информация
для передачи, сначала передает по запросному каналу требование на выделение
ей части коллективно используемого связного ресурса спутникового канала.
После обработки требования и оценки текущего состояния сети станции по ответному
каналу передается номер и время занятия выделенного ей канала. Если в
запросном канале использован бесконфликтный метод доступа, ПМД с
резервированием называется бесконфликтным, а в противном случае — конфликтным. При
обслуживании разнородного по требованиям к качеству передачи трафика эффективны
комбинированные ПМД, использующие для каждого вида трафика, в
зависимости от его свойств, фиксированный, случайный доступ или доступ по запросу.
1.1.10.4. Протоколы фиксированного доступа
При фиксированном доступе {FAMA — Fixed Assignment Multiple Access}
пропускная способность канала статически распределяется между ЗС на основе
априорных сведений об их информационной активности, и в процессе
функционирования это распределение остается неизменным. С этой точки зрения радиосети
с фиксированным доступом аналогичны проводным сетям. Энергетические
соотношения в спутниковых каналах связи при фиксированном доступе с ВРК, ЧРК
и РКФ рассмотрены в разделе 1.1.9. Оценим задержки, возникающие при
передаче ПНВ.
Рассмотрим ВРК. При ВРК передача информации осуществляется кадрами,
каждый из которых делится на временные окна (слоты), предназначенные для
передачи информации от разных источников. В общем случае число слотов в кадре
превышает количество источников информации и распределяется между источниками
в соответствии с априорными данными об их информационной активности.
Рассмотрим случай п источников одинаковой активности. Тогда кадр делится между
источниками поровну и его структура имеет вид, показанный на рис. 1.1.10.3.
Допустим, что потоки сообщений, поступающих по всем каналам, имеют
одинаковые статистические характеристики. Сообщения поступают в случайные
моменты времени. Вероятность того, что на отрезке времени длительностью у
поступает k сообщений, обозначим \ik{y). Объемы сообщений являются
независимыми случайными величинами. Вероятность того, что объем сообщения
равен г бит, обозначим qr (г = 1, 2, 3 ...).
Механизм передачи сообщения по каналу связи при ВРК показан на
рис. 1.1.10.4. Передача осуществляется в виде последовательности пакетов
(слотов), равноотстоящих на интервал времени, равный длительности кадра Tk.
Объем каждого пакета (слота) за исключением, возможно, последнего, равен
Vc=CTc=CTk/n A.1.10.9)
Можно говорить о виртуальном времени передачи сообщения 0, равном
числу кадров, в которые в соответствующем слоте передавалось рассматриваемое
сообщение. Распределение виртуального времени передачи однозначно связано

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
149
От станции •
1
От станции
2
От станции
3
От станции
п
Рис. 1.1.103. Структура временного кадра при фиксированном доступе
сообщение i
сообщение г + 1
Рис. 1.1.10.4. Механизм передачи сообщений по каналу связи при ВРК
с распределением объема передаваемого сообщения и объемов слота. Очевидно,
что вероятность щ того, что виртуальное время передачи составляет iTk, равна:
-iVr
qr
A.1.10.10)
r= (i- 1)VC
Использование понятия виртуальное время передачи (обслуживания)
позволяет свести систему с пакетным обслуживанием к обычной однолинейной СМО
с непрерывным обслуживанием. Для определения среднего времени задержки
сообщений необходимо определить среднее число сообщений в системе (в оче-
Реди плюс в канале). Число сообщений в системе / случайным образом
изменяется во времени, принимая целочисленные неотрицательные значения. В момент
поступления очередного сообщения это число увеличивается на 1, а в момент
завершения передачи сообщения уменьшается на 1. Рассмотрим количество
сообщений в системе в моменты времени, непосредственно следующие за момен-

150
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
моменты поступления
сообщения в пустую систему
моменты времени, в которые
рассматривается состояние
системы v
моменты начала передачи
сообщения, поступившего
в пустую систему
е
е
канал свободен
Рис, 1.1.10.5. Структура вывода сообщений в канал связи при ВРК
тами окончания передачи сообщений (рис. 1.1.10.5). Если в системе имеются
сообщения, они выводятся в канал последовательно без перерывов и каждое
сообщение занимает канал на случайный промежуток времени 9,
распределенный в соответствии с A.1.10.10). Если система в некоторый момент времени
опустошится, то новое сообщение, поступившее в пустую систему, ожидает в
течение случайного отрезка времени х ближайшего предназначенного для него
слота, и лишь тогда начинается его передача.
При сделанных допущениях относительно свойств информационного потока
число сообщений в системе в последовательно рассматриваемые моменты
завершения передач образует цепь Маркова первого порядка. Напомним, что цепью
Маркова первого порядка называется последовательность зависимых испытаний,
в которой результат испытания на к-ом шаге зависит от результата на (к - 1)-ом
шаге и не зависит от того, каким образом достигнут этот результат (т.е. от
результатов, предшествующих (k ~ 1)-ому шагу). Исчерпывающей
характеристикой цепи Маркова первого порядка является матрица одношаговых переходных
вероятностей, элементы р- которой равны вероятности перехода цепи из
состояния j в состояние i за один шаг. Обозначим Р{ вероятность того, что в
установившемся режиме в системе находится i сообщений (соответствующая цепь
Маркова находится в i-ом состоянии), тогда распределение числа сообщений может
быть найдено с использованием формулы полной вероятности [1.1.10.3]:
A.1.10.11)
Обозначим а{ (i = 0, 1, 2...) безусловную вероятность того, что за время
ожидания слота и передачи сообщения в систему поступило i новых сообщений, и Ь{
(г = 0, 1, 2...) — безусловную вероятность того, что за время передачи сообщения
поступило г нхтвых сообщений.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
151
Рассмотрим ненулевое состояние г. Для перехода за один шаг в состояние
j > г - 1 необходимо, чтобы за время передачи сообщения в систему поступило
(/ - г + 1) новых сообщений (с учетом одного сообщения, покидающего систему
в момент окончания передачи). Переход из состояния г в состояние j< г - 1
невозможен, поскольку за один шаг из системы уходит не более одного сообщения.
Для перехода системы из нулевого состояния в любое другое состояния^
необходимо, чтобы в течение времени (х + 0) поступило j новых сообщений.
С учетом сделанных замечаний, матрица одношаговых переходных
вероятностей, описывающая процесс изменения числа сообщений в системе во времени,
имеет следующую структуру [1.1.10.26]:
0
1
2
3
4
5
0
а0
0
0
0
0
1
ах
ь,
0
0
0
2
а2
Ъ2
К
0
0
3
аъ
b2
К
0
4
ьА
Ь2
*i
В соответствии сA.1.10.11)ис учетом структуры матрицы переходных
вероятностей, система линейных уравнений, связывающих искомые вероятности Рг
нахождения системы в моменты окончания передачи пакетов в г-ом состоянии,
запишется следующим образом:
Ро = а0Р0
Ь0Р0
Р2 = а2Р0 + Ь2Р+ЬХР2 + Ь0Р3
Р3 = а3Р0 + Ь3Р + Ь2Р2 + ЬРЪ +
A.1.10.12)
Использованный прием, позволивший связать распределение числа
сообщений системой линейных алгебраических уравнений, получил название метода
вложенных цепей Маркова [1.1.10.4,1.1.10.5]. Этот метод подтвердил свою
эффективность и широко используется при исследовании характеристик СМО
различного типа в разнообразных приложениях.
Для решения полученной системы уравнений воспользуемся методом
производящих функций [1.1.10.2]. Введем производящую функцию искомого
распределения вероятностей:
F(s) -

1 52 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Тогда, умножив каждую строку системы уравнений A.1.10.12) на sl и
просуммировав все строки, получим:
F(s) = Po(aos° + a^ + a2s2 + ...) + РД V° + V* + Й2^ + •••) +
+ P2s(b0S° + V1 + Ь2$2 + -) + -
Обозначим:
00
A(s) = ^ a^s1 — производящую функцию распределения числа сообщений,
i = о поступающих в систему за время (х + 0),
00
A(s) = ^Г 6;S!* — производящую функцию числа сообщений, поступающих в
i = о систему за время 0.
Тогда:
F(s) = P0A(s) + B(s)(P^ P2s + P3s2 + ...) = P0A(s) + ^ [F(s) + Po].
Решив полученное уравнение относительно F(s), будем иметь:
F(s) - POB(SJ~S^S\ A.1.10.13)
Производящая функция искомого распределения найдена с точностью до
постоянного множителя Ро. Величину Ро найдем из условия нормировки F(l)= 1.
Подставляя s= 1 в A.1.10.13) и раскрывая неопределенность по правилу Лопи-
таля, получаем:
_ 1-дчр
0 1+Л'A)
и F(s) принимает следующий окончательный вид:
A j 1() 14)
1+ Л'A) - В\\) B(s) - s ai.iu.14;
Определим среднее число пакетов в системе в моменты окончания передачи
сообщений как:
z = 0
Продифференцировав A.1.10.14) по 5 и дважды раскрывая неопределенность,
получим:
Д"A)-2ДЧ1)]+^"A)П-ДЧ1)] П 110 1
+Л'AMЧ1)][1Б'A)] ' v • • •

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 53
Определим необходимые производные:
оо
*,■ = jWe)/@)d9,
B(s) = £а,5* = J] |ц,.(еM'/(в)Л. A.1.10.16)
5 = 0 s = 0 о
Рассмотрим пуассоновский поток сообщений. Тогда в соответствии с A.1.10.1):
следовательно,
5 = 0
00
A.1.10.17)
В\1) = \XQf(Q)dd = A,0
является производящей функцией распределения суммы двух
независимых случайных величин: числа сообщений, поступающих на интервале времени
Длительностью 0, и числа сообщений, поступающих на интервале времени х,
отделяющего момент поступления пакета в пустую систему от момента начала
ближайшего слота. Поэтому A(s) = C(s)B(s), где C(s) — производящая функция
распределения числа пакетов, поступающих на интервале времени х, и,
следовательно:
A(s) = C(s)B(s) + C(s)B\s)
A"(s) = C"(s)B(s) + 2C(s)B'(s) + C(s)B"(s)
Поскольку моменты генерации сообщений никак не синхронизированы с
временной структурой кадра, то нет никаких оснований считать какую-либо часть

154 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
кадра предпочтительной для возникновения пакетов. Следовательно,
распределение величины х можно считать равновероятным:
| jr ПРИ 0 < х < Tk
О при х < 0, х > Tk
и искомые значения производных составят:
Ту
ст , Kjxdl . ±ь
A.1.10.18)
Среднее время задержки сообщения при ВРК:
w = i-i~rlTk ■ A.1.Ю.19)
Второй член в A.1.10.19) отражает тот факт, что виртуальное время передачи
9 определяет длительность сообщения с точки зрения сообщений, стоящих в
очереди, и влияет на длину этой очереди. Реальное время передачи сообщения tu
меньше на величину - -Tk, потому что передача заканчивается в момент
окончания слота, выделенного рассматриваемому каналу, а оставшуюся часть
кадра до начала следующего предназначенного ему слота рассматриваемый
канал простаивает (рис. 1.1.10.4).
Воспользовавшись A.1.10.17), A.1.10.18) и A.1.10.15), после некоторых
алгебраических преобразований окончательно получим:
A.1.10.20)
где 9 = TkS£4iui^ 02 = 7|^i2",-, а м,-определяем по A.1.10.10).
1=1 i=i

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
155
Рассмотрим задержки при ЧРК. В этом случае, в отличие от ВРК, сообщение,
поступившее в пустую систему, начинает передаваться сразу же, без
необходимости ожидания выделенного ему слота. Поэтому х = О, C(s) = l,A(s) = B(s) и из
A.1.10.15) следует:
7 =
а подстановка A.1.10.17) приводит к следующему результату:
L4PK
2A -А.6)
A.1.10.21)
где: В = т,щу\гЯг> ^2 = ^~2^,г2^г ~ распределение объема передаваемых сообщений, С —
г=\ г=1
пропускная способность используемого канала связи.
Сравним задержки при ВРК и ЧРК. Пусть многопакетные сообщения имеют
фиксированный объем V, кратный объему слота V = 1УС, где / — число кадров,
необходимое для передачи сообщения при ВРК. Тогда для обоих методов
фиксированного доступа справедливо: 0 = ^—, А,Э = —2— = р , 92 = (ОJ, а для ВРК,
Б
дополнительно, Tk = - Поэтому A.1.10.20) и A.1.10.21) преобразовываются к
следующему виду:
LBPK
nV
С
3/
ejd-p)
я-1
A.1.10.22)
пУ 2-р
С 2A-р)
Из A.1.10.22) следует, что различия в средней задержки при ЧРК и ВРК в
наибольшей степени проявляются при передаче однопакетных сообщений (/ = 1).
С ростом / эти различия уменьшаются, а при / -» оо ЧРК и ВРК обеспечивают
одинаковую задержку. На рис. 1.1.10.6 показана зависимость отношения тВРК/тЧРК
от загрузки канала связи р при /= 1. Из приведенных графиков видно, что в
зависимости от числа каналов п тВРК может отличаться от тчрк как в большую, так
и в меньшую сторону. При п = 1 ВРК обеспечивает большие задержки, при п = 2
характеристики обоих способов передачи практически совпадают во всем
диапазоне изменения загрузки, а при п > 2 лучшую оперативность передачи
сообщений обеспечивает ВРК.
Различие характеристик ВРК и ЧРК в наибольшей степени проявляется при
малых загрузках канала р, при р -» 0 в зависимости от числа каналов ВРК может

156
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
тврк/тчрк i k
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
/2=1
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 р
Рис. 1.1.10.6. Сравнительная характеристика задержек
при ВРК и ЧРК (I = 1)
обеспечивать большую в 1,5 раза среднюю задержку при п = 1, или меньшую в 2
раза при больших п. С увеличением р характеристики рассматриваемых ПМД
сближаются, и при рабочих значениях параметров р > 0,8, п > 2 относительный
выигрыш в оперативности ВРК не превышает 20%.
На рис. 1.1.10.7 показана зависимость тврк /тЧРК от числа пакетов в
сообщении (числа кадров, необходимых для передачи одного сообщения) при
фиксированной загрузке канала р. Видно, что различие между ВРК и ЧРК быстро
уменьшается с ростом /, и при / > 3, р > 0,7 относительный выигрыш ВРК по
оперативности не превышает 10%.
Таким образом, в большинстве приложений фиксированный доступ с ВРК
и ЧРК обеспечивает близкие значения оперативности передачи ПНВ (при
незначительно лучших характеристиках ВРК), поэтому при выборе способа
доступа следует руководствоваться критериями, подробно изложенными в
разделе 1.1.9.
Оценим влияние статистических характеристик объема передаваемых
сообщений на оперативность их доставки потребителям. Заметим, что единицей
измерения объема сообщений в общем случае является бит (двоичный символ), и
средний объем сообщения на практике лежит в широком диапазоне от
нескольких сотен до многих тысяч бит. В ряде приложений объем сообщения может
измеряться в числе пакетов фиксированного объема (например, пакетов более
высоких иерархических уровней сети), при этом средний объем сообщения может
составлять всего несколько пакетов. Из A.1.10.20) и A.1.10.21) следует, что
исчерпывающими характеристиками объема передаваемых сообщений,
определяющими оперативность передачи, являются величины среднего значения V и среднего
квадрата V2. При исследованиях характеристик ПМК наибольшее
распространение получили три модели распределения объема передаваемых сообщений:

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
157
твркАчрк
i
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
w p = 0,7; n = 1
L p=0,7;«->oo
p = 0,9; n = 1
^—
. ——
^ p = 0,9; n -» oo
i i i i i i i
1 2
9 10 11 /
Рис. 1.1.10.7. Сравнительная характеристика задержек
при ВРК и ЧРК
1. Геометрическое распределение. Вероятность того, что сообщение имеет
объем V бит (пакетов), равна:
,г-1,2,3...
A.1.10.23)
Единственным параметром геометрического распределения является его
среднее значение V. Величина среднего квадрата:
V2 = ^Г r2qr = VBV - 1) « 2(VJ.
r= 1
Тогда, подставив A.1.10.24) в A.1.10.21), получим:
1
х = 6
1-р-
A.1.10.24)
A.1.10.25)
2. Равновероятное распределение объема передаваемого сообщение.
Параметрами распределения являются минимальное Vm[n и максимальное Vmax
значения объема передаваемого сообщения:
У — V
r max y min
A.1.10.26)
0,
при r< Vmin> r> Vn.

158 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Среднее значение объема сообщения:
V = ]Г rqr = V™*~V™,
а величина среднего квадрата равна:
ш _ Vm
При Vmia - 1, Vmax » 1 получим:
V = max ■*• ^ *max
2 2 A.1.10.27)
6 ~ 3 З1 ;
Среднее время задержки при равновероятном распределении объема
сообщения:
A.1.10.28)
3. Сообщения фиксированного объема V. В этом случае подстановка в A.1.10.21)
V = К V2 = V2 приводит к следующему результату:
Зависимость среднего времени задержки сообщения, нормированного к
среднему времени его передачи — 0 = nV/C, от загрузки канала связи,
построенная в соответствии с A.1.10.25), A.1.10.28) и A.1.10.29), показана на
рис. 1.1.10.8. Различие среднего времени задержки в сильной степени зависит
от р. В диапазоне малых загрузок р < 0,6 вероятность возникновения длинных
очередей сообщений мала, а задержки определяются в основном каналом связи
и практически не зависят от распределения объема сообщения. При р > 0,6
различия задержек проявляются тем в большей степени, чем больше р, причем
наибольшие значения т наблюдаются при геометрическом распределении, а
наименьшие — при фиксированном объеме сообщения. Постоянное время
обслуживания при фиксированной загрузке дает нижнюю границу среднего времени
задержки, а экспоненциально распределенное (к которому стремится
геометрическое при V^>1), за исключением редких на практике особых случаев, —
верхнюю. Поэтому геометрическая модель распределения объема сообщений
используется, когда априорные сведения о статистических характеристиках
сообщений неточны или вовсе отсутствуют. При этом получаются верхние оценки

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
159
24
20
16
12
8
4
0
4х
_ nV
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 р
Рис. 1.1.10.8. Влияние распределения объема сообщений на среднее время задержки
1 — фиксированный объем, 2 — равновероятное распределение,
3 — геометрическое распределение
вносимых задержек, а пропускная способность канала выбирается с некоторым
запасом, гарантирующим обеспечение требуемых показателей качества
обслуживания. Относительный запас пропускной способности не превышает
величины 1/A -р/4). При рабочих загрузках р = 0,7н-0,9 обеспечивается
относительная задержка в пределах 2-^6, и величина относительного запаса пропускной
способности, обусловленного неопределенностью исходных данных, не
превысит B0-30)%, что часто оказывается вполне приемлемым. Модели
равновероятно распределенного и фиксированного объема сообщений в достаточной
степени соответствуют реальной статистике сообщений во многих приложениях, и
их использование позволяет повысить точность оценки показателей качества
обслуживания и параметров ПМД.
Мы рассмотрели характеристики протоколов фиксированного доступа в
предположении, что служебные затраты на обеспечение надлежащего функционирования
ПМД и канала связи отсутствуют. На практике только часть пропускной
способности канала аС используется для передачи информации пользователей, а
оставшаяся часть A - ol)C поддерживает служебные (внутрисетевые) цели. Поэтому:
а
аС
Следовательно, пропускная способность рт ПМД равна коэффициенту
использования пропускной способности канала связи а.
Рассмотрим ВРК. Последовательность слотов в кадре формируется
различными ЗС, поэтому передаче информационной части каждого слота предшествует
синхропосылка, обеспечивающая синхронизацию приемника и передатчика по
несущей и тактовой частотам, а также выявление начала (первого символа) ин-

1 60 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
формационной части слота. В состав каждого слота входит также защитный
временной интервал, исключающий возможность перекрытия соседних слотов с
учетом неточности временной привязки ЗС и системы измерения дальности
между ЗС и ретранслятором.
Коэффициент использования канала связи с учетом служебных затрат на
синхронизацию равен:
AЛЛ0-30)
где Vcx — служебные затраты на синхронизацию слота, Vc — объем информационной части слота.
При случайном объеме передаваемых сообщений фиксированный объем
информационной части слотов приводит к тому, что последний слот сообщения
оказывается в среднем заполненным лишь частично (рис. 1.1.10.4), что приводит к снижению
коэффициента использования пропускной способности канала связи,
обусловленному влиянием протокола доступа к каналу. Если сообщение требует для передачи г
слотов, то коэффициент использования пропускной способности канала равен:
где А,- — среднее заполнение последнего слота сообщения при условии, что для передачи
сообщения потребовалось г слотов (кадров).
Безусловный коэффициент использования пропускной способности канала
связи, обусловленный затратами на организацию ПМД:
ап=\-^щ-^±. A.1.10.31)
1= 1
А результирующий коэффициент использования канала:
а = асхая. A.1.10.32)
Пусть объем передаваемых сообщений распределен равновероятно в пределах
от 1 до Vm символов. Тогда, используя A.1.10.20), A.1.10.26) и A.1.10.30), можно
получить:
V -л\ + V + A — 1W V /'и~1
V -л\ + V + A — 1W V /'и1
- fdm -1I—^г?—— ~ °V У ы .с1-1-10-
vm J ^1тус ут *-**
vm L m J тс т
г = 1
где 1т - ~ — максимальное число слотов, затрачиваемых на передачу одного сообщения,
а запись ]х[ означает ближайшее целое число, не меньшее х.
Среднее число слотов (кадров), затрачиваемых на передачу одного
сообщения, равно:
ФЦ^] A.1.10.34)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
161
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Vc [кбит]
Рис. 1.1.10.9. Зависимость удельных служебных затрат от объема слота
Рассмотрим пример. Пусть передаваемые сообщения имеют равновероятное
распределение объема со средним значением объема, равным B,4,8) кбит, а
служебные затраты на синхронизацию каждого слота составляют Усх = 200 бит.
Зависимость результирующего коэффициента использования пропускной
способности канала связи от объема информационной части слота Vc, рассчитанная с
использованием соотношений A.1.10.30), A.1.10.34), показана на рис. 1.1.10.9.
Очевидно наличие оптимального значения объема информационной части слота,
максимизирующего коэффициент использования пропускной способности
канала и соответственно пропускную способность протокола. При значениях Ус,
меньших оптимального значения, сказывается рост относительных затрат на
синхронизацию, а при больших — недоиспользование пропускной способности
в связи с частичным заполнением последних слотов сообщений. В
рассмотренном примере при передаче сообщений со средним объемом B,4,8) кбит
оптимальные значения объема информационной части слота составят 0,8 кбит
(полный объем слота Vc + Усх= 1 кбит), 1,2 кбит A,6 кбит) и 1,4 A,6 кбит). Если,
например, в сети VSAT используется 100 терминалов и пропускная способность
каналов, связывающих их с ретранслятором, равна 64 кбит/с, оптимальная
длительность кадра составит 1,6 с (при среднем объеме сообщения 2 кбит), 1,9 с
D кбит) и 2,2 с (8 кбит).
При передаче потоков реального времени выбор длительности кадра
определяется другими соображениями. Использование ВРК подразумевает пакетную
передачу непрерывных ПРВ, поэтому на передающей стороне необходим БН,
обеспечивающий накопление цифрового сигнала в течение длительности кадра
с последующим быстрым считыванием в канал за время длительности слота.
Очевидно, что при этом возникает дополнительная составляющая задержки

1 62 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
ПРВ, равная Tk, а требуемый объем буферного накопителя на входе канала
Лг= RTk [бит]. С учетом жестких нормативных требований к задержкам ПРВ
допустимая длительность кадра не превышает нескольких десятков мс. Типичным
значением является Tk = B0-25) мс. При этом объем информационной части
слота может оказаться небольшим, что с учетом затрат на синхронизацию слотов
приведет к незначительному коэффициенту использования пропускной
способности канала связи. Например, при цифровой передаче речи со скоростью 64 кбит/с
и длительности кадра 25 мс объем информационной части слота
(соответственно, объем БН на входе канала) составит 1,6 Кбит. Полагая, как и в предыдущем
примере, затраты на синхронизацию слота Vcx = 200 бит, получим коэффициент
использования пропускной способности канала а = 0,89. Если же использован
эффективный кодек речевого сигнала со скоростью 2,4 кбит/с, 1^.= 60 бит, а
коэффициент использования пропускной способности падает до значения а = 0,23.
При передаче стационарных потоков нереального времени (X, V = const) ценой
внесения значительных задержек можно «сгладить» неравномерность во времени
входного трафика и обеспечить загрузку канала, сколь угодно близкую к единице
(рис. 1.1.10.8). Реальные потоки индивидуальных пользователей имеют существенно
нестационарный характер (рис. 1.1.10.10) и характеризуются чередующимися
интервалами активности Qa (пользователь активно эксплуатирует связные ресурсы
сети) и пассивности Qn. По аналогии с коэффициентами пульсаций ПРВ с
переменной скоростью, можно говорить о коэффициенте пульсаций нестационарного
ПНВ, определив его как отношение средней скорости потока на интервалах
активности пользователя к средней скорости на всем времени функционирования сети:
A.1.10.35)
Qa+Qn
Величина, обратная коэффициенту пульсаций, есть вероятность Ра того, что
в произвольный момент времени пользователь находится в активном состоянии
(в телефонии аналогичная величина называется нагрузкой пользователя на сеть
и измеряется в Эрлангах). В зависимости от конкретных приложений
коэффициент пульсаций пользовательского трафика нереального времени колеблется от
единиц до нескольких десятков.
Попытки «сгладить» нестационарность пользовательского трафика
бесперспективны потому, что, во-первых, для этого потребуется БН чрезвычайно
большого объема и, во-вторых (что главное), вносимые при этом задержки
неприемлемы для пользователей в абсолютном большинстве приложений. Если же
выбирать пропускную способность фиксированного выделенного канала связи,
ориентируясь на интервалы активности пользователей, средняя загрузка канала
связи р = р/Р, где р — загрузка канала на интервале активности, оказывается
чрезвычайно низкой. Поэтому фиксированные ПМД неприемлемы при
организации функционирования ССС между индивидуальными пользователями, таких
как сети VSAT, сети персональной подвижной связи и т.д. Положение может
измениться, если допустить возможность мультиплексирования на передающей
стороне информационных потоков от нескольких пользователей.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 63
XV
§f§§
L ^J
< >
4 >
ш
ш
►
t
Рис. 1.1.10.10. Модель пульсирующего пользовательского
потока нереального времени
Оценим эффективность статистического временного мультиплексирования
на простом примере. Пусть на передающей стороне мультиплексируются
статистически независимые ПНВ от К пользователей с одинаковыми
характеристиками (А, и V). Тогда интенсивность суммарного потока случайным образом
изменяется во времени и подчинена биномиальному распределению:
ли-i
к-\
1, 2, ...
При любом числе пользователей существует конечная вероятность того, что
одновременно окажутся активными все пользователи и Xy. = ^> однако эффект
статистического мультиплексирования проявляется в том, что при достаточно
больших К вероятность того, что одновременно активны все или почти все
пользователи, становится весьма малой. Поэтому появляется возможность рассчитывать
параметры канала связи, ориентируясь на КС<К активных пользователей. При
этом, однако, возникает опасность информационной перегрузки канала Ри, равная:
При достаточно большом К биномиальное распределение вероятностей
может быть аппроксимировано нормальным со средним значением A,I = iCA./p и
дисперсией а\ [1.1.10.7]. Учитывая, что нормально распределенная случайная
величина с вероятностью 0,997 принимает значения, лежащие в пределах ±3а
относительно среднего значения, получим, что при Ри= 1,5- 10~3 допустимая
средняя загрузка канала связи равна:
1
A.1.10.37)

164
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
К
50000
10000
1000
100
1,5 • 10
0,6 0,65
0,7
0,75
0,8
Рис. 1.1.10.11. Число источников пульсирующего нереалъновременного трафика,
обеспечивающее среднюю загрузку канала связи
а число пользователей, обеспечивающих условия статистического временного
мультиплексирования, определяется следующим образом:
К>
Р2(
-1)
A-РГ
A.1.10.38)
На рис. 1.1.10.11 показана зависимость числа мультиплексируемых на входе
канала связи потоков (числа пользователей) от обеспечиваемой ими средней
загрузки канала связи при допустимой вероятности информационной перегрузки
Ри=1,5-10~3. В зависимости от коэффициента пульсаций пользовательского
трафика эффективное использование пропускной способности канала
(р = 0,85-5-0,95) связи обеспечивается при мультиплексировании на передающей
стороне от нескольких десятков сотен до нескольких десятков тысяч
индивидуальных информационных потоков пользователей. Аналогичные соотношения
наблюдаются и при мультиплексировании индивидуальных вызовов на
установление соединения при передаче потоков реального времени. Подобная ситуация
характерна, например, для систем спутниковой телефонии раннего поколения,
используемых в качестве «мостов» между национальными наземными
телефонными сетями общего пользования при их объединении в региональные и
общемировую глобальную инфраструктуру при помощи относительно малого числа
(одного-двух на страну) крупных шлюзовых ЗС, мультиплексирующих
интернациональный трафик от огромного числа пользователей. Именно в подобных сетях

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 65
успешно использовались и используются фиксированные ПМД: сначала ЧРК,
как наиболее простой и совместимый с аналоговыми способами передачи, а
впоследствии, при переходе на цифровые способы, и более эффективный ВРК.
Заметим, что и в рассмотренном случае ощущалась, а впоследствии и была
реализована необходимость адаптации, например, к медленным почасовым изменениям
суммарного пользовательского трафика в течение суток.
Отметим еще одно важное обстоятельство. Из A.1.10.22) следует, что при
фиксированных суммарной пропускной способности канала связи С и загрузке
каналов р (эффективности использования пропускной способности каналов)
задержка при передаче ПНВ практически прямо пропорциональна числу каналов
(обслуживаемых ЗС) п. Этот неожиданный, на первый взгляд, вывод следует из
известного в ТМО положения о том, что время пребывания заявки в СМ О при
постоянном значении р можно уменьшить в п раз путем пропорционального
увеличения в п раз как интенсивности входного потока заявок, так и пропускной
способности системы [1.1.10.8]:
пт(Х, С,р) = т(пк, пС, р)
Следовательно, даже при стационарных ПНВ на входе ЗС переход от
фиксированных ПМД к рассматриваемым ниже нефиксированным, осуществляющим
мультиплексирование потоков от разных ЗС в пространстве непосредственно на
входе приемной антенны ретранслятора, позволяет при прочных равных
условиях значительно (в десятки и сотни раз) повысить оперативность передачи
цифровых сообщений.
1.1.10.5. Протоколы случайного многостанционного доступа
Проблема статистического мультиплексирования информационных потоков
на входе ретранслятора заключается в необходимости координации работы
большого числа ЗС, рассредоточенных на значительной территории. Поскольку в
общем случае никаких других информационных связей между ЗС, кроме
спутникового канала, нет, на поддержание нефиксированных ПМД приходится
использовать часть связных ресурсов этого канала.
При использовании ретрансляторов с непосредственной ретрансляцией и
глобальными приемо-передающими лучами, полностью охватывающими область
обслуживания, широковещательность канала СР-ЗС позволяет каждой станции
сети, спустя время распространения сигнала т , прослушивать передачи всех ЗС,
в том числе и собственную. Конечно, это справедливо при наличии
благоприятных условий связи во всех точках приема, что мы и будем предполагать в
дальнейшем. В основу случайных ПМД положена указанная естественная
информационная связь.
Наиболее простым протоколом случайного многостанционного доступа
является простая (или чистая) Алоха [Р-Aloha - Pure Aloha} [1.1.10.9-1.1.10.11]. При
передаче ЗС никак не координируют свою работу, и каждая из них передает
сообщения по мере возникновения необходимости. При этом неизбежно
возникают ситуации, когда сообщения от разных станций перекрываются во времени

1 66 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
(сталкиваются, накладываются друг на друга), в литературе эти ситуации иногда
называются коллизиями. Правильно принять эти сообщения невозможно без
дополнительных специальных мер, однако сам факт столкновения легко
обнаруживается при прослушивании канала ЗС-СР. Столкнувшиеся (потерянные для
пользователя) пакеты, естественно, приходится передавать повторно. Если
повторную передачу пакета начать сразу же после обнаружения столкновения, то
эти сообщения неизбежно столкнуться вновь, поэтому при повторной передаче
сообщения задерживаются на случайный, равновероятно распределенный в
диапазоне @ - хт) отрезок времени х, чем достигается их разнос во времени.
Схематично протокол Р-Aloha показан на рис. 1.1.10.13. Рассмотрим передачу
пакетов фиксированного объема V и, соответственно, постоянной длительности Т.
Для конкретного передаваемого пакета можно говорить об интервале уязвимости —
интервале времени, появление на котором хотя бы одного другого пакета
неизбежно приводит к столкновению (рис. 1.1.10.13). Допустим, что интенсивность
суммарного потока сообщений от всех станций равна X, а число ЗС очень велико
(п —> оо), так что интенсивность индивидуального потока каждой станции очень
мала (Х/п —> 0). Допустим также, что вклад каждой станции в суммарный поток
сообщений приблизительно одинаков, а повторно передаваемые пакеты
задерживаются на передающей стороне на значительный отрезок времени х —> оо.
Очевидно, что успешная передача сообщения произойдет, если на интервале
уязвимости не поступит ни одного другого сообщения. Если суммарный поток
сообщений пуассоновский, с учетом A.1.10.2) получим, что вероятность
успешной передачи сообщения равна:
Ру = е~2ХТ A.1.10.23)
Тогда среднее число успешно переданных сообщений за время Т следующим
образом связано со средним числом сообщений, поступающих на интервале Г:
ХуТ = РуХТ-ХТе'2ХТ A.1.10.24)
Зависимость среднего числа успешно переданных сообщений на интервале Т
от XT имеет экстремум, равный 1/2е, при ХТ= 0,5. Поскольку максимальное
число сообщений, которое можно передать за время Т, равно единице, то величина
(XT)m2tx есть пропускная способность данного протокола:
2e v~/max« 0,184.
Оценим среднюю задержку передачи сообщений. Каждое сообщение в
среднем предпринимает 1/Р = е2ХТ попыток передачи, причем в среднем е2ХТ - 1
попыток оказываются неудачными, а одна (последняя) — успешной. Интервал
времени между началом неудачной попытки и началом следующей складывается из
неслучайного отрезка времени до обнаружения столкновения т + Т и среднего
значения случайного времени задержки х. Успешная передача занимает время
тр + Ту поэтому:
т = (тр + Т+х) - (е2ХТ- 1) + тр + Т= (тр + Т)е2Хт + х(е2ХТ- 1). A.1.10.25)

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
167
новые сообщения
1
канал ЗС-СР
зс
Задержка
на случайное
время х
СР
Выявление
факта
столкновения
канал СР-ЗС
успешно переданные
сообщения
Рис. 1.1.10.12. Протокол Р-Aloha
сообщение
интервал уязвимости
ТГ
Рис. 1.1.10.13. Интервал уязвимости сообщения постоянной
длительности в протоколе Р- Aloha
Может показаться, что сделанное допущение о бесконечности задержки
повторно передаваемых сообщений, фактически исключающее их влияние на
характеристики протокола, слишком грубо. Однако результаты более строгого
анализа и многочисленных имитационных экспериментов, например [1.1.10.12],
показывают, что при максимальной задержке передачи столкнувшихся пакетов

168 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
хт > 15Г и АТ< 0,9а ~ 0,165 соотношение A.1.10.25) дает отличное
приближение. Тогда, положив х= 7,5Т, окончательно получим:
т = (тр + Т)е2ХТ+7,5Т(е2ХТ- 1). A.1.10.26)
P-Aloha может быть использована и при передаче сообщений разного объема
(длительности). При этом характеристики протокола определяются в основном
средним временем передачи сообщения 0 = V/С и слабо зависят от других
параметров распределения длительности передачи [1.1.10.12], поэтому для оценки
средней задержки можно использовать A.1.10.26) с подстановкой 0 вместо Т.
Подкупающими достоинствами протокола Р-Aloha являются
исключительная простота его технической реализации и возможность обеспечения малой
задержки передаваемых сообщений. Очевиден и недостаток — низкая пропускная
способность а = 0,184. В то же время известно, что верхняя граница пропускной
способности каналов со случайным доступом равна 0,587 [1.1.10.13], поэтому
предпринимались попытки модификации P-Aloha с целью повышения
пропускной способности.
В протоколе P-Aloha столкнувшиеся сообщения передаются полностью при
их частичном перекрытии, возможно незначительном, что приводит к
избыточной загрузке канала передачей неискаженных в предыдущих попытках
фрагментов сообщений. Протокол селективной повторной передачи столкнувшихся
пакетов {SR-Aloha — Selective-Reject Aloha} устраняет эту избыточность. Работа
протокола SR-Aloha показана на рис. 1.1.10.14. На передающей стороне
сообщения переменного объема разбиваются на пакеты фиксированного объема. Если
при передаче произошло столкновение сообщений, повторно передаются лишь
столкнувшиеся пакеты сообщений. Анализ показывает, что без учета служебных
затрат SR-Aloha имеет пропускную способность 0,2-0,3. Нормальное
функционирование протокола возможно при условии, что каждый пакет сообщения
имеет формат такой же, что и целое сообщение в протоколе чистая Aloha, то есть
синхропосылку и заголовок, содержащий все атрибуты заголовка целого
сообщения плюс указатель порядкового номера пакета в сообщении. При учете
служебных затрат возникают две противоречивые тенденции:
• с одной стороны, устранение успешно переданных пакетов из процесса
повторной передачи снижает вероятность столкновений и приводит к
повышению пропускной способности протокола;
• с другой стороны, необходимость включения служебной части в каждый
пакет сообщения удлиняет пакеты и сообщение в целом. Если сообщение
разбивается на / пакетов, его объем увеличивается на (/- 1)VCJI бит, где VCJ1 —
объем служебной части пакета. Это приводит к увеличению вероятности
столкновений и, соответственно, снижает пропускную способность.
В зависимости от того, какая из тенденций превалирует, возможен как
выигрыш, так и проигрыш протокола SR-Aloha по сравнению с чистой Aloha. Для
спутниковых каналов характерен достаточно большой уровень служебных
затрат, не зависящий от объема информационной части сообщений (пакетов),
поэтому эффективное использование протокола SR-Aloha весьма
проблематично. К тому же SR-Aloha присущ еще один недостаток. При передаче нару-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
169
1.1
1.2
2.1
1.3
2.2
1.4
2.3
первая передача
сообщения второй ЗС
сообщения первой ЗС
повторная передача
2.1
2.2
1.3
1.4
1.4
1.3
1.2
1.1
2.1
2.2
2.3
последовательность сообщений
в буферах приемников
Рис. 1.1.10.14. Принцип работы протокола SR-Aloha
шается естественный хронологический порядок следования пакетов, поэтому
на приемной стороне необходимы буферные накопители, запоминающие
поступающие пакеты и осуществляющие реконструкцию изначального вида
сообщений.
Самым популярным и нашедшим достаточно широкое применение
протоколом случайного доступа является синхронная (или тактированная) Aloha {S-Alo-
ha — Slotted Aloha} [1.1.10.14-1.1.10.16]. Этот протокол предусматривает
некоторую степень координации работы станций. Ось времени разбивается на
последовательность слотов (тактов, подкадров, окон) фиксированной
длительности. Полагается, что станции синхронизированы таким образом, что им известны
моменты начала слотов. Каждая станция имеет право начинать передачу своего
сообщения длительностью Г только в моменты начала слотов. Длительность
слотов Тс превышает Т на величину защитного временного интервала, необходимого
Для предохранения сообщений в соседних слотах от перекрытия на входе
ретранслятора с учетом погрешности системы синхронизации. Можно полагать,
что практически Тс = Т. Поскольку передача сообщений от разных ЗС может

170
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
т
Т
0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0,24 0,28 0,32 0,36 0,4
XT
Рис. 1.1.10.15. Зависимость нормированного среднего времени задержки
от загрузки при случайном доступе
начинаться только одновременно, легко понять, что интервал уязвимости для
SR-Aloha равен Т. Поэтому, по аналогии с Р-Aloha, будем иметь:
РуХТ = ХТе~хт
A.1.10.27)
Пропускная способность этого протокола равна 1/е = 0,368 и достигается при
АТ= 1. Относительно среднего времени задержки справедливы все сделанные
выше замечания при рассмотрении протокола Р-Aloha:
X = (хр + Т + х) • (ехт- 1) + тр + Г+ Т/2 ■
= (т + Т)ект+715Т- {ехт~ 1) + Т/2
A.1.10.28).
Наличие третьего слагаемого в A.1.10.28) объясняется тем, что новое
сообщение поступает в произвольный момент времени и вынуждено ожидать своей
первой передачи до момента начала очередного слота случайный отрезок времени,
равномерно распределенный в интервале 0-Т, среднее значение этой
дополнительной задержки составляет величину Т/2.
Таким образом, относительно простая модификация протокола позволяет
увеличить его пропускную способность в 2 раза. На рис. 1.1.10.15 показаны
зависимости средней задержки от загрузки для протоколов P-Aloha и SR-Aloha
Протоколы случайного доступа имеют существенный недостаток — их
потенциальную неустойчивость. Если под воздействием дестабилизирующих факто-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 171
ров, например, флуктуации интенсивности входящего трафика, ухудшении
условий связи и т.д., среднее число повторно передаваемых пакетов достигает
некоторого критического значения, возникает механизм своеобразной
положительной обратной связи: рост числа повторных передач увеличивает интенсивность
суммарного трафика в канале и вероятность повторных передач, что приводит к
еще большему числу столкновений и повторных передач и т.д. В результате
канал связи насыщается столкнувшимися пакетами, его пропускная способность
падает до нуля, а задержки передачи стремятся к бесконечности. Причем
состояние насыщения является вторым устойчивым состоянием канала связи, и
обеспечить выход из него без посторонней помощи невозможно. Уменьшить
вероятность возникновения столь неприятной ситуации можно выбором рабочей
загрузки сети в области заметно меньшей пропускной способности протокола.
Но это дополнительно снижает и без того незначительный коэффициент
использования пропускной способности канала связи протоколами случайного доступа.
Более эффективно управление перегрузками канала связи сети, основная идея
которого состоит в следующем [1.1.10.8]: объективными параметрами,
позволяющими количественно оценить близость канала к насыщению, является
интенсивность потока повторно передаваемых пакетов. Каждая станция сети оценивает
эту интенсивность путем измерения числа повторных передач в канале на
заданном, одинаковом для всех станций временном интервале. Если измеренное число
повторных передач превышает установленное верхнее пороговое значение, то все
станции сети скачкообразно и значительно увеличивают задержку момента
передачи повторных пакетов. При этом перегрузка сети начинает «рассасываться».
Когда число повторных передач достигает нижнего установленного предела, все
станции возвращаются в режим номинальных задержек передачи. Путем выбора
рациональных параметров схемы управления удается избежать режима
насыщения при незначительном увеличении задержек передаваемых сообщений.
1.1.10.6. Протоколы предоставления каналов по требованию
Если трафик имеет случайный и пульсирующий характер, то применение
фиксированного доступа приводит к неэффективному использованию пропускной
способности каналов связи. В подобных ситуациях целесообразным оказывается
Применение протоколов ПКТ, обеспечивающих перераспределение пропускной
способности каналов между пользователями (земными станциями) в
соответствии с их текущими потребностями. Протоколы ПКТ подразделяются на
эстафетные и с резервированием.
При использовании эстафетных протоколов все станции выстраиваются в
определенном порядке (списке). Когда i-я ЗС заканчивает передачу, право на
занятие канала (эстафета) переходит к следующей в списке станции. Если эта
станция имеет сообщение для передачи, она занимает канал, в противном случае
эстафета по умолчанию переходит к следующей по списку станции и т.д.
Резервирование может быть внутренним и внешним. При внутреннем
резервировании используется кадровая структура сигнала. Станция, захватившая слот в
предыдущем кадре, присваивает его себе на нужное ей время во всех последующих
кадрах. При внешнем резервировании станции посылают заявку на использование

1 72 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
информационного канала по отдельному служебному (запросному) каналу. Для
эффективного резервирования информационных каналов необходима
координация работы территориально рассредоточенных ЗС путем обмена соответствующей
служебной (управляющей) информацией. Управление доступом к каналам связи
может быть централизованным и децентрализованным (распределенным).
При централизованном управлении ЗС посылают запросы на предоставление
канала связи в центральную (управляющую) станцию, планирующую
использование связных ресурсов сети в соответствии с поступающими запросами и
информирующую активные ЗС о расписании их работы, используя обратный
служебный (ответный) канал ЦС-ЗС. Основной проблемой при централизованном
управлении является доставка запросов в ЦС. Возможность столкновения
информационных и запросных пакетов на практике исключается путем
фиксированного частотного или временного разделения между информационным и
запросным каналами. Выбор же способа доступа к запросному каналу во многом
определяется параметрами сети и обслуживаемого трафика.
При распределенном управлении каждая станция сети анализирует
поступающие запросы и самостоятельно планирует свою работу. Основным
достоинством распределенного управления по сравнению с централизованным является
меньшая задержка передачи. Если при централизованном управлении время
задержки не может быть менее утроенного времени распространения сигнала, то
при распределенном управлении это время сокращается в 1,5 раза. С другой
стороны, реализация распределенного протокола требует, чтобы каждая станция
сети самостоятельно и независимо исполняла одинаковый для всех ЗС достаточно
громоздкий алгоритм планирования своей работы, а качество служебного канала
оставалось бы достаточно высоким вне зависимости от условий связи. Поэтому
аппаратура ЗС при распределенном управлении оказывается более сложной,
служебные затраты на реализацию протокола доступа увеличиваются, что в
конечном итоге приводит к возрастанию стоимости сети и, соответственно,
предоставляемых информационных услуг по сравнению с централизованным управлением.
Компромисс между сложностью/стоимостью и качеством информационного
обслуживания (задержкой) может быть достигнут при использовании СР с
бортовой модуляцией/демодуляцией сигналов, позволяющих возложить роль
центральной станции непосредственно на ретранслятор.
Доступ к запросному каналу может быть фиксированным или случайным с
использованием протоколов S- или Р-Aloha. В связи с этим различают
бесконфликтные и конфликтные (состязательные) протоколы ПКТ с резервированием.
Оценим пропускную способность ПМД с резервированием каналов по
требованию. Пусть пропускная способность канала от всех ЗС к СР равна С. Доля
этой пропускной способности С3, выделяемая для организации запросного
канала, определится из условия:
Где у _ объем запросного пакета, X — суммарная интенсивность потока сообщений (а
следовательно, и запросов), генерируемого станциями, оц — пропускная способность ПМД в запросном
канале.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
173
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 =*■
Рис. 1.1.10.16. Зависимость пропускной способности протоколов ПКТ
с резервированием от относительного объема запросных пакетов
а — доступ в запросный канал по протоколу S-Aloha,
б — доступ в запросный канал по протоколу P-Aloha,
в — фиксированный доступ в запросный канал.
Тогда пропускная способность информационного канала составит:
V3
1Л3
пропускная способность ПМД будет равна:
а =
AJ41 = 1_
L Jmax . ,
A.1.10.29)
Vna3
где VH — средний объем передаваемых сообщений.
На рис. 1.1.10.16 показана зависимость оценки пропускной способности от
отношения объема запросов к среднему объему сообщений при доступе в
запросном канале с использованием протоколов P-Aloha (a3 = 0,184), S-Aloha
(схз = 0,368) и фиксированного (аз = 1,0). С увеличением объема запросов
(служебных затрат) пропускная способность падает, сохраняя приемлемые значения
примерно 0,5-0,8 при V3/Vu < 0,2. Объем запроса (с учетом затрат на
синхронизацию) составляет ориентировочно A50-250) бит, что свидетельствует о том,
что на практике применение протоколов с резервированием целесообразно при
средних объемах передаваемых сообщений более G50-1250) бит. Наибольшую

1 74 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
пропускную способность обеспечивает протокол с фиксированным доступом в
запросный канал. Однако, как показано в разделе 1.1.10.4, при этом задержка в
запросном канале прямо пропорциональна числу обслуживаемых станций,
поэтому по критерию задержка — коэффициент использования пропускной
способности канала связи фиксированный доступ в запросный канал эффективен лишь
при относительно небольшом числе станций. Далее, при фиксированном
доступе усложняется включение в сеть новых станций и ужесточаются требования
к однородности статистических характеристик передаваемого трафика. Поэтому
наибольшее практическое применение получили состязательные протоколы с
резервированием с использованием в запросном канале протокола S-Aloha,
обеспечивающего большую пропускную способность по сравнению с P-Aloha.
Рассмотрим особенности типичных ПМД с предоставлением каналов по
требованию.
Эстафетные протоколы
Протокол MSAP (Mini Slotted Alternating Priorities) [1.1.10.17] может быть
рассмотрен как версия опросного протокола с прослушиванием несущей и
распределенным управлением. Все ЗС должны быть синхронизированы и иметь
возможность начинать передачу в момент начала любого мини слота (окна).
Станции пронумерованы от 1 до п. Передача осуществляется псевдокадрами,
причем в каждом псевдокадре каждая станция может передать не более одного
пакета фиксированного объема. Временная диаграмма, поясняющая работу
протокола MSAP, показана на рис. 1.1.10.17а. В псевдокадре г станция 1 передала
имеющийся у нее пакет. Станция 2 «прослушивает» эту передачу и фиксирует
её конец спустя пустое временное окно 1, длительность которого должна быть
не менее задержки распространения т . Станция 2 пуста и игнорирует
предоставленное ей право бесконфликтной передачи. Станция 3 фиксирует
пассивность станции 2 в конце пустого окна 2 и также отказывается от канала, о чем
активная станция 4 «узнает» лишь в конце пустого окна 3, и т.д. Таким образом,
протокол MSAP допускает наличие одного пустого окна (времени
переключения) при переходе между соседними по списку станциями вне зависимости от
их активности. Пропускная способность протокола равна:
о--1
С
где С — пропускная способность канала связи, Vn — объем пакетов, генерируемых станцией.
Пусть, например, тр = 270 мс (работа через ГСР), С= 64 кбит/с, Vn = 2,125 кбит
(параметры, типичные для сетей VSAT). Тогда значение пропускной
способности протокола составит а ~ 0,11, что меньше, чем при случайном доступе.
Приемлемое значение пропускной способности может быть достигнуто лишь при
формировании на передающей стороне пакетов объемом несколько десятков
килобит. Например, при объеме пакета в 40 кбит пропускная способность
протокола достигает 0,7.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 175
псевдокадр г
псевдокадр (i+ 1)
Станция
1
1 2 3
Станция
4
I
Станция
5
I
Станция
1
Станция
2
2^34 5
гтт
пустые окна
а) протокол MSAP
псевдокадр i
псевдокадр <
г* ^
Станция
1
2 , 3
J
Станция
4
{ А
Станция
5
Щ
Станция
1
Станция
2
3 4 5
I
пустые окна
б) протокол В RAM
Рис. 1.1.10.17. Эстафетные протоколы
Увеличить пропускную способность протокола MSAP можно, разрешив
станциям, получившим доступ в канал, передавать все имеющиеся и вновь
формируемые пакеты до полного опустошения станции. При этом на каждое пустое
временное окно будет приходиться в среднем более одного пакета. Однако
возникает возможность монопольного захвата общего канала одной из станций.
Одним из наиболее эффективных эстафетных ПМД является BRAM
(Broadcast Recognition Access Mode) [1.1.10.18]. Принцип действия протокола показан
на рис. 1.1.10.176. Основная идея состоит в том, что при передаче пакетов
фиксированной длительности можно регистрировать начало передачи пакета с
предыдущей станции i, а следовательно, и её конец (поскольку объем пакета
фиксирован) с задержкой т . Станция (г+ 1) может компенсировать эту задержку,
начав передачу своего пакета на тр раньше. В результате пакеты двух соседних
по списку активных станций сложатся на входе СР без временных зазоров и
перекрытий. Таким образом, пустые временные окна в рассматриваемом случае
будут возникать лишь при переходе через пассивные станции, чем и объясняется
высокая пропускная способность протокола. При большой загрузке все станции
активны и протокол BRAM трансформируется в фиксированное ВРК, а его
пропускная способность стремится к 1. Понятно, что протокол может быть
реализован, если длительность передаваемых пакетов не менее задержки распространения.

1 76 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Поэтому областью эффективного применения эстафетных ПМД в ССС могут
явиться лишь низкоскоростные сети (с пропускной способностью канала до
нескольких десятков кбит/с), предназначенные для передачи пакетов достаточно
большого объема (не менее нескольких десятков кбит).
Поскольку в рассматриваемых протоколах все станции сети объединены в
логическое кольцо, достаточно трудоемко решение задач управления
функционированием сети (например, ввод новых станций в кольцо, вывод действующих станций
из кольца, поддержание требуемого уровня надежности функционирования).
Протоколы с резервированием
Протокол ALOHA с резервированием (R-ALOHA [1.1.10.19,1.1.10.20]
является распределенным протоколом предоставления каналов по требованию с
внутренним резервированием. Передача осуществляется кадрами постоянной длины
(рис. 1.1.10.18). Протокол работоспособен при условии, что при использовании
слота текущего кадра станциям известно состояние одноименного слота
предыдущего, поэтому длительность кадра должна быть не менее задержки
распространения. Число слотов в кадре должно быть не менее числа станций. Протокол
ориентирован на коммутацию каналов и предназначен для передачи
многопакетных сообщений. Промежуточные и последний пакеты сообщения различаются
введением служебного символа конца передачи. В текущем кадре у-ый слот
доступен для попытки передачи нового сообщения, если в предыдущем кадре этот
слот был свободным, конфликтным или через него передавался последний пакет
предыдущего сообщения. Активная станция, обнаружив доступный слот,
заполняет его первым пакетом своего сообщения. Если в следующем кадре конфликт
не обнаружен, выносится решение о захвате j-то канала, в противном случае
делается новая попытка.
Пропускная способность протокола R~Aloha равна:
а = '—=,
где V — средний объем передаваемых сообщений (в числе пакетов).
При передаче многопакетных сообщений большого объема пропускная
способность протокола а —» 1 и он ведет себя как фиксированное ВРК. Если
сообщения однопакетные, а = 1/е и протокол превращается в S-Aloha.
Достоинством протокола R-Aloha является возможность совместной
передачи цифровых сообщений существенно различающегося объема и непрерывных
цифровых потоков (речь, изображение). Недостатки состоят в следующем:
• значительные задержки при передаче многопакетных сообщений, что
является следствием ориентации протокола на коммутацию каналов
(напомним, что при коммутации каналов средняя задержка в число каналов раз
превышает задержку при коммутации сообщений);
• отсутствие возможности поддержки интерактивного режима работы, что
является следствием значительной длительности кадра (время формиро-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
177
кадр i
кадр (i+ 1)
1.1.10.18. Протокол R-Aloha
псевдокадр г
Запросный
канал
Информационный
канал
псевдокадр (i+ 1)
Запросный
канал
Информационный
канал
t
t
Рис. 1.1.10.19. Протокол POD A
вания пакета на передающей стороне равно длительности кадра, а полное
время задержки — не менее 2т = 540 мс, что противоречит существующим
стандартам).
Протокол PODA (Priority-Oriented Demand Assignments) [1.1.10.21] является
распределенным протоколом с внешним резервированием и временным
разделением между запросным и информационным каналами (рис. 1.1.10.19). Доступ в
запросный канал осуществляется с использованием S-Aloha. Станция
анализирует запросную часть текущего псевдокадра и планирует использование
информационной части следующего, поэтому длительность псевдокадров должна быть
не менее задержки распространения. Протокол поддерживает совместную
передачу непрерывных цифровых потоков (при условии наличия буферизации на
передающей стороне) и цифровых сообщений. Резервирование каналов
осуществляется путем передачи одиночных запросов на установление соединения, а слоты
Для передачи многопакетных сообщений резервируются индивидуально для
каждого пакета в каждом кадре. Для эффективного использования пропускной
способности информационного канала запросам на предоставление каналов
присвоен приоритет. PODA в полной мере присущи отмеченные выше достоинства
и недостатки протокола R-Aloha.

178 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Протокол RRR (Round Robin Reservation) [1.1.10.22] является
распределенным конфликтным протоколом случайного доступа с внутренним
резервированием. Он базируется на фиксированном ВРК. Передача осуществляется
кадрами, причем число слотов в кадре должно быть не менее числа станций в сети. За
каждой станцией в каждом кадре закреплен свой слот (основа протокола —
ВРК). Избыточные слоты могут использоваться станциями коллективно с
применением протокола R-ALOHA Если станция пуста и в i-ом кадре освобождает
зафиксированный за ней слот, то в (i + 1) кадре он присоединяется группе
незакрепленных слотов и может быть использован любой другой станцией, то есть
становится временно незакрепленным слотом. Станция может при
необходимости вернуть себе принадлежащий ей слот следующим образом:
• если закрепленный за ней слот свободен, она тут же занимает его и,
соответственно, выделенный ей канал;
• если закрепленный за ней слот занят другой станцией и возникает
конфликтная ситуация, то она занимает свой слот в следующем кадре,
поскольку в протоколе RRR предусмотрено следующее простое
приоритетное правило: если в i-ом кадре во временно не закрепленном слоте
возникает столкновение пакетов, то в (i+ 1)-ом кадре этот слот доступен
только за закрепленной за ним станцией.
При передаче непрерывного трафика рассматриваемый протокол обладает
определенными преимуществами перед R-АШНД поскольку в каждом кадре
каждой станции гарантирован один выделенный слот. Преимуществом перед
фиксированным ВРК является возможность сглаживания при помощи избыточных
и свободных закрепленных слотов флуктуации трафика, поступающего от раз-
ных станций. При передаче же больших информационных массивов сохраняется
присущий коммутации каналов недостаток — большая задержка передачи
(особенно при большом числе станций).
Протокол FIFOR (FIFO Reservation) [1.1.10.23] является распределенным
протоколом конфликтного множественного доступа по требованию с внешним
резервированием. Между запросным и информационным каналами
использовано ВРК. Передача осуществляется кадрами фиксированной длительности,
разделенными на одинаковые слоты. Никаких ограничений снизу на длительность
кадра не накладывается. Один из слотов кадра образует запросный канал. Этот
запросный слот делится на мини-слоты, предназначенные для передачи
коротких запросов с использованием протокола S-ALOHA (рис. 1.1.10.20). Станция, у
которой появляется новое сообщение для передачи, помещает в один из мини-
слотов запросного канала запрос, в котором указывает необходимое ей число
слотов (объем своего сообщения, выраженный в числе слотов). Во избежание
возможности захвата канала одной из станций число резервируемых в запросе
слотов ограничивается сверху некоторым максимальным значением. Отметим,
что станция передает запрос сразу же после возникновения нового сообщения
независимо от того, какова судьба её предыдущих запросов (уже обслужены или
нет). Каждая станция сети прослушивает запросный канал и формирует
глобальную очередь зарезервированных информационных слотов (пакетов,
предназначенных для передачи), добавляя в неё зарезервированные слоты каждого нового

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 79
кадр
запросный канал
информационный канал
резервируемый
резервируемый
резервируемый
слот
резервирующие
слоты
Рис. 1.1.1020. Протокол FIFOR
запроса в сети и сбрасывая на единицу при окончании каждого слота. В момент
передачи очередного запроса станция фиксирует свое место в очереди,
рассчитывает момент освобождения канала от передачи ранее поступивших в очередь
пакетов и при условии успешной передачи запроса начинает в этот момент
бесконфликтную передачу своего сообщения. Таким образом протокол FIFOR
обслуживает запросы станций в хронологическом порядке, т.е. реализует в
глобальной очереди дисциплину обслуживания «первым пришел — первым обслужен»
(FIFO). Описанный протокол ориентирован на коммутацию сообщений и
предназначен для передачи пульсирующих потоков данных.
Протокол SCRMA (Split-Channel Reservation Multiple Access) является
централизованным протоколом с внешним резервированием, использующим
частотное разделение между информационным, запросным и ответным каналами. В
запросном канале используются протоколы случайного доступа Р- или S-Aloha.
При обеспечении доступа маломощных мобильных пользователей запросный и
информационный каналы разбиваются на одинаковые узкополосные частотные
подканалы. В запросах указывается адрес станции и объем сообщения,
подлежащего передаче. Центральная станция на основе анализа запросов от
совокупности станций формирует единую (глобальную) очередь сообщений. Информация
об объемах подлежащих передаче сообщений позволяет смоделировать процесс
обслуживания глобальной очереди и для каждого запроса вычислить момент
начала передачи соответствующего ему сообщения (момент освобождения
информационного канала или одного из подканалов от передачи сообщений,
соответствующих ранее поступившим запросам). В ответах на запросы центральная
станция указывает адрес станции, время начала передачи и номер используемого
частотного информационного подканала (при наличии нескольких подканалов).
В [1.1.10.25] предложены различные модификации протокола SCRMA
Сравним рассмотренные ПМД по критерию «производительность —
задержка» применительно к типичной сети VSAT, предназначенной для передачи
цифровых сообщений. Пусть число обслуживаемых станций п = 1000 пропускная
способность канала ЗС-СР равна 64 кбит/с, объем передаваемых сообщений 2 кбит,

180
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
16
15
А. [1/с]
14
18 22 26 30 34 38 42 46
С3 [кбит/с]
Рис. 1.1.10.21. Оптимизация пропускной способности запросного канала
10
14
18
22
26 30 X [1/с]
Рис. 1.1.10.22. Сравнительные характеристики оперативности ПМД
1 — чистая Aloha
2 — синхронная Aloha
3 — резервирование с P-Aloha в запросном канале
4 — резервирование с S-Aloha в запросном канале
5 — фиксированное ВРК

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 181
эбъем синхропосылок 125 бит, объем запросов 125 бит, время распространения
г = 0,27 с. Рассмотрим следующие протоколы:
• чистая Aloha;
• синхронная Aloha;
• децентрализованное резервирование с P-Aloha в запросном канале;
• централизованное резервирование с S-Aloha в запросном канале;
• фиксированный доступ с ВРК.
Для протоколов Р- и S-Aloha средняя задержка может быть вычислена по со-
V
отношениям A.1.10.26) и A.1.10.28) подстановкой 7= -~ = 2,125/64 = 33,2 мс.
В протоколах с резервированием общая задержка складывается из задержки
в запросном и информационном каналах, соотношение между которыми зависит
от распределения суммарной пропускной способности канала (С) между
запросным (С3) и информационным (Си):
Причем существует оптимальное значение (С3), минимизирующее суммарную
среднюю задержку [1.1.10.27].
На рис. 1.1.10.21 показана зависимость полной задержки от пропускной
способности запросного канала при различных значениях интенсивности
суммарного потока сообщений. Оптимальное значение С3 слабо зависит от интенсивности
входного трафика, однако при увеличении загрузки оптимум становится все
более ярко выраженным и неправильное распределение пропускной способности
может привести к насыщению одного из каналов. Аналогичные зависимости
наблюдаются и при использовании в запросном канале протокола S-Aloha.
Сравнительные характеристики протоколов приведены на рис. 1.1.10.22.
1.1.11. Проблемы и пути создания ГССС высокой
пропускной способности
Как уже отмечалось выше, магистральным путем развития ССС,
определяющим и роль и место в телекоммуникационной структуре современного общества,
является непрерывное расширение спектра и повышение качества
предоставляемых информационных услуг, включая популярные широкополосные услуги,
например Интернет-приложения, а также персонализация предоставляемых ССС
Услуг, позволяющая исключить необходимость использования промежуточных
звеньев в виде масштабных наземных телекоммуникационных сетей (которых
может и не быть). Однако на этом пути возникает серьезное противоречие между
очевидной необходимостью повышения пропускной способности ССС и
использования простых, малогабаритных и недорогих ЗС, доступных и удобных для
Широкого круга пользователей [1.1.11.11].
В ССС предыдущих поколений в подавляющем большинстве случаев
использовались относительно простые СР с непосредственной ретрансляцией. При этом

1 82 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
спутник выполняет лишь рутинные функции физического уровня сети —
принимает широкополосный сигнал, осуществляет линейную фильтрацию и перенос
спектра частот, усиливает и переизлучает сигнал в направлении приема.
Функции всех более высоких сетевых уровней выполняют ЗС (рис. 1.1.2.1а). С точки
зрения сети СР является лишь физической средой. Недостатком такого подхода
является низкое использование связных ресурсов СР (излучаемой мощности и
занимаемой полосы частот), обусловленное невозможностью осуществления
маршрутизации сообщений, статистического мультиплексирования информационных
потоков, подавления шумов каналов ЗС-СР. Для реализации преимуществ
статистического мультиплексирования и маршрутизации можно использовать двух-
скачковую схему передачи, предусматривающую наличие центральной станции,
которая осуществляет демодуляцию сигналов, извлекает необходимую
информацию и осуществляет целенаправленную коммутацию. Однако наличие двух
скачков при передаче удваивает задержку распространения сигналов, а
необходимость переизлучать одни и те же сигналы дважды приводит к дополнительным
затратам связных ресурсов СР, компенсирующим в значительной мере выигрыш,
обусловленный возможностью быстрой коммутации и мультиплексирования.
Перечисленные недостатки можно исключить, если возложить на СР
функции не только физического, но канального и сетевого уровней (рис. 1.1.2.16).
?.I.II.I. Использование многолучевых приемных
и передающих бортовых антенн
Рассмотрим каналы ЗС-СР. При использовании глобального приемного луча
ширина диаграммы направленности бортовой антенны должна быть равна
угловому размеру C области обслуживания, видимой из точки стояния
ретранслятора. Воспользовавшись соотношениями A.1.3.6), A.1.3.7) и A.1.3.13), получим
следующее выражение, определяющее пропускную способность канала связи
ЗС-СР:
где Р3 и D3 — соответственно, мощность передатчика и диаметр передающей антенны земной станции,
К*и — результирующий коэффициент использования поверхности передающей и приемной антенн,
равный произведению коэффициентов их использования.
Оценим возможности повышения пропускной способности каналов связи ЗС-СР'.
1. Увеличение выходной мощности передатчика Р3 или диаметра
передающей антенны D3 земных станций позволяет увеличить пропускную
способность каналов связи ЗС-СР, но приводит к существенному удорожанию
сети в целом, особенно при большом числе ЗС, поскольку связные ресурсы
земных станций в принципе не могут использоваться коллективно.
2. Снижение полной эквивалентной шумовой температуры приемной
системы ретранслятора Т. Величина Г определяется выражением A.1.3.10).
Шумовая температура приемной антенны определяется внешними источника-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 83
ми шумов и собственными шумами приемника, но реальным путем
снижения полной эквивалентной шумовой температуры является
улучшение шумовых характеристик приемника. Характеристики современных ма-
лошумящих транзисторных усилителей достаточно высоки, а их вклад в
полную шумовую температуру невелик. Поэтому усилия по дальнейшему
улучшению шумовых характеристик приемников не приводят к заметному
росту пропускной способности. Например, в iCw-диапазоне шумовая
температура бортовой приемной антенны составляет величину ТА ~ 270 °К
(рис. 1.1.4.9), а собственная шумовая температура приемников этого
диапазона Гпр ~ 270 °К. С использованием A.1.3.10), положив L^ = 1,3 дБ,
получим, что снижение шумовой температуры приемника в 2 раза (что
явилось бы существенным технологическим достижением) приводит при
прочих равных условиях к увеличению пропускной способности каналов
ЗС-СР лишь на 20%.
3. Уменьшение потерь полезного сигнала L. Поскольку основной вклад в
результирующие потери вносят принципиально неустранимые потери на
трассе распространения радиосигналов (в первую очередь для Ки, Ка и
более высокочастотных диапазонов — затухание в дожде), а аппаратурные
потери доведены до значений, существенно меньших потерь
распространения, их дальнейшее снижение не приводит к ощутимому росту пропускной
способности спутниковых каналов.
4. Снижение порогового отношения сигнал/шум h2u при фиксированной
помехоустойчивости может быть реализовано с помощью помехоустойчивых
кодов. При неизменной энергетике радиолинии использование
помехоустойчивого кода позволяет увеличить пропускную способность в число
раз, равное энергетическому выигрышу кода (таблица 1.1.7.1), и
потенциально это увеличение может быть существенным — в зависимости от
допустимой вероятности ошибки в 10-20 раз. При построении современных
спутниковых каналов связи широко используются помехоустойчивые
коды, обеспечивающие приемлемую сложность технической реализации и
характеристики, весьма близкие к предельно достижимым. Чаще всего это
стандартные каскадные коды, реализованные на основе сверточных кодов
в качестве внутренних и кодов Рида-Соломона в качестве внешних,
поэтому возможности дальнейшего снижения порового отношения сигнал/шум
h2u с целью увеличения пропускной способности каналов связи
представляются весьма ограниченными. Кроме этого, использование
помехоустойчивых кодов уменьшает эффективность использования полосы частот.
Пропускная способность каналов связи ЗС-СР обратно пропорциональна
квадрату углового размера области обслуживания (ширины диаграммы
направленности приемной антенны ретранслятора). При использовании глобального
луча величина р является фиксированным параметром, определяемым целевым
назначением сети связи. Если разделить область обслуживания ретранслятора на
*я одинаковых зон, то угловой размер каждой зоны обслуживания окажется
равным приблизительно P/Vra. Для индивидуального обслуживания каждой зоны
возможно использование приемной антенны в Jm раз большего диаметра (т.е. в m

1 84 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
раз большей эффективной площади), чем при использовании антенны с
глобальным приемным лучом. В соответствии с A.1.11.1) зональное обслуживание
потенциально позволяет при фиксированных связных ресурсах земных станций
увеличить пропускную способность каналов ЗС-СР в т раз. В принципе
зональное обслуживание может быть реализовано при помощи одного дискретно
сканирующего («прыгающего») узкого луча, обслуживающего зоны последовательно
в априорно заданном, циклически повторяющемся порядке, либо с
использованием параллельно работающих приемных лучей, каждый из которых постоянно
нацелен на выбранную зону обслуживания.
Допустим, что при использовании глобального приемного луча возможна
передача информации от каждой из т равномерно распределенных по области
обслуживания земных станций с максимальной скоростью R бит/с. Тогда
пропускная способность глобального луча составит mR бит/с. При использовании
«прыгающего» приемного луча скорость передачи от каждой станции возрастает
до mR, но поскольку станции работают с разделением по времени в импульсном
режиме, то средняя скорость передачи от каждой из них остается в т раз меньше
и составит R, а пропускная способность оказывается равной mR, как и в случае
глобального луча. Таким образом, использование при приеме единственного
узкого сканирующего луча не обеспечивает никакого выигрыша в пропускной
способности по сравнению с глобальным лучом. При наличии же т приемных лучей
т станций могут одновременно работать со скоростью mR каждая, что
обеспечивает выигрыш в пропускной способности относительно глобального луча в т раз.
Таким образом, m-лучевая приемная антенна ретранслятора позволяет:
• при неизменных связных ресурсах земных станций повысить пропускную
способность каналов связи ЗС-СР в т раз;
• при фиксированных пропускной способности каналов связи ЗС-СР и
качестве передачи в т раз снизить мощность передатчиков земных станций,
либо в 4т раз уменьшить диаметр их антенн, что позволяет существенно
удешевить наземный сегмент сети.
Благодаря возможности многократного использования одинаковых полос
частот в различных лучах, применение многолучевых приемных антенн
позволяет повысить эффективность использования полосы частот. Эта возможность
реализуется при помощи пространственного разделения (разделения по
направлению прихода) сигналов, перекрывающихся в частотной области.
Эффективность пространственного разделения может быть оценена в зависимости от
формы диаграммы направленности конкретной антенны и величины углового
разноса между источниками разделяемых сигналов. Наличие боковых лепестков
ДН не позволяет реализовать в диапазонах радиочастот пространственное
разделение в чистом виде, т.е. использовать во всех приемных лучах одну и ту же
полосу частот. На практике не допускается использование одинаковых сигналов
в соседних лучах, а возможно применение одинаковых частот, пространственно
разнесенных не менее чем через один луч. Но даже и в этом случае к уровню
боковых лепестков многолучевых бортовых антенн предъявляются существенно
более жесткие требования, чем к однолучевым антеннам. Эффективность
многократного использования полосы частот определяют отношением числа лучей к

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 85
Рис. 1.1.11.1. Покрытие зоны обслуживания восемью лучами
Рис. 1.1.11.2. Гексагональная решетка
числу используемых разных полос частот (это отношение называется
коэффициентом многократного использования частоты).
Пространственное расположение отдельных лучей при их относительно
небольшом числе выбирается таким образом, чтобы обеспечить полное покрытие
области обслуживания заданной конфигурации. На рис. 1.1.11.1 для примера
показано покрытие зоны обслуживания восемью лучами. Коэффициент
многократного использования частоты в рассматриваемом примере равен двум. При
большом числе лучей их центры располагаются в узлах гексагональной решетки,
Которая строится на основе покрытия плоскости равносторонними
треугольниками. Правильная гексагональная решетка приводит к формированию области
обслуживания, близкой по форме к правильному шестиграннику (рис. 1.1.11.2).
На практике соседние лучи перекрываются, как правило, на уровне -3 дБ таким
образом, чтобы обеспечить сплошное покрытие области обслуживания. Число

1 86 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
лучей, формирующих область обслуживания на базе правильной гексагональной
решетки, равно 1 + Зп(п - 1), где п = 1, 2, 3...
Если угловое расстояние между центрами соседних зон обслуживания равно
а, то ширина ДН используемых лучей, обеспечивающих сплошное покрытие
области обслуживания по уровню не менее -3 дБ, должна быть равна:
a/cos30° = 1,1547a.
В ситуациях, когда форма области обслуживания сильно отличается от
правильной, возможно исключение из решетки части периферийных лучей таким
образом, чтобы максимально приблизиться к требуемой конфигурации области
обслуживания. У каждого луча решетки число соседних лучей не превышает
шести, поэтому для исключения использования одинаковых частот в смежных
лучах понадобится 7 различных частот и коэффициент многократного
использования частоты для гексагональной решетки равен т/1. Дополнительно,
применяя поляризационное разделение, величину этого коэффициента можно
увеличить до значения т/А.
Таким образом, применение многолучевых приемных бортовых антенн
необходимо в первую очередь при построении высокоскоростных сетей связи,
например, широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания, а также в
ситуациях, когда энергетические и массо-габаритные характеристики
аппаратуры пользователей жестко ограничены, например, в сетях VSAT, сетях
персональной подвижной спутниковой службы, сетях сбора информации. Возможность
эффективного использования частотного ресурса сетей связи весьма
привлекательна для сетей персональной подвижной службы I-диапазона, в котором
доступная в соответствии с Регламентом полоса частот не превышает нескольких
десятков МГц.
Заметим, что отмеченные выше преимущества многолучевых бортовых
приемных антенн с фиксированными лучами могут быть реализованы, когда земные
станции разделены между зонами обслуживания достаточно равномерно, а
трафик от зон обслуживания примерно одинаков. В противном случае, когда,
например, подвижные пользователи, перемещаясь в пределах области
обслуживания, могут концентрироваться в части зон, указанный выигрыш в пропускной
способности и полосе частот снижается, а в пределе, когда весь трафик сети
может сосредоточиться в одной из зон обслуживания, - выигрыш по сравнению с
системой, использующей глобальный луч, отсутствует. В подобных случаях, при
относительно небольшом числе мобильных абонентов, возможно использование
узких сканирующих лучей, каждый из которых осуществляет обслуживание
одного из абонентов. Примером такой системы является американская система начала
80-х годов TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System), которая
предназначена для управления и информационно-телеметрического обеспечения
группировки низкоорбитальных космических аппаратов [1.1.11.1, 1.1.11.2]. В этой
системе использована 30-элементная ФАР, позволяющая при угловом размере
области обслуживания около 26° формировать сканирующие приемные лучи
шириной 26°/ Jm ~ 5°. Количество приемных лучей определяется числом
комплектов аппаратуры формирования лучей и в рассматриваемой системе равно 20. Это
позволяет одновременно обслуживать до 20 пользователей. Функции ФАР рас-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 87
пределены между космическим и наземным сегментами системы: приемные
элементы установлены на борту ретранслятора, а аппаратура формирования лучей
размещена на Земле. Каждый приемный элемент связан с наземной аппаратурой
по отдельному частотному каналу. Описанный подход позволил обеспечить
обслуживание динамично перемещающихся пользователей в зависимости от их
расположения в пространстве. В процессе функционирования системы
приемные лучи могут перекрываться, поэтому необходимо дополнительно разделять
сигналы пользователей по частоте или форме, но при этом частотный выигрыш
не может быть реализован.
Рассмотрим теперь каналы СР-ЗС. При использовании на СР глобального
передающего луча каждая ЗС анализирует групповой информационный поток,
передаваемый ко всем станциям области обслуживания, и селектирует
предназначенную для неё информацию по присвоенному ей индивидуальному частотному,
временному или кодовому признаку. Если информация для каждой из т
равномерно распределенных по области обслуживания станций может одновременно
передаваться с максимальной скоростью R, пропускная способность глобального
луча составит mR. При использовании m-лучевой передающей антенны
коэффициент усиления каждого зонального луча увеличится в т раз по сравнению с
глобальным, но ограниченный энергетический ресурс ретранслятора должен быть
разделен между т лучами, поэтому ЭИИМ и соответственно пропускная
способность каждого зонального луча будут такими же, что и у глобального. Если
передаваемая информация носит многоадресный (циркулярный) характер, т.е.
предназначена для всех станций области обслуживания, по каждому зональному
лучу параллельно передается один и тот же информационный поток со
скоростью mR. Очевидно, что в рассматриваемом случае многолучевая передающая
антенна не обеспечивает выигрыша в пропускной способности по сравнению с
глобальным лучом, а с учетом реализационных потерь приводит к проигрышу. По
полосе занимаемых частот многолучевая антенна приводит к проигрышу в число
раз, равное количеству используемых частот. По этим причинам в
широковещательных сетях, в частности, сетях спутникового телевидения многолучевые
передающие антенны для повышения пропускной способности не используются.
Увеличение пропускной способности широковещательных сетей может быть
достигнуто лишь наращиванием энергетических ресурсов ретранслятора.
Возникающее при этом противоречие между массо-габаритными характеристиками СР
и возможностями средств доставки на орбиту может быть разрешено
последовательным выводом в рабочую точку нескольких менее мощных ретрансляторов,
каждый из которых «освещает» определенную часть области обслуживания или
передает на всю зону обслуживания часть из общего числа предназначенных для
трансляции программ.
При передаче адресной информации, предназначенной для одной или
нескольких близкорасположенных станций, возникает иная ситуация. Если
разделить групповой информационный поток между передающими лучами таким
образом, чтобы в каждый зональный луч направлялась только информация,
предназначенная для станций обслуживаемой им зоны, многолучевая
передающая антенна обеспечивает выигрыш по пропускной способности в т раз по
сравнению с однолучевой. Однако этот выигрыш может быть реализован лишь при

188 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
использовании коммутации, основные разновидности которой более подробно
рассмотрены в разделах 1.1.11.2 и 1.1.11.3.
При использовании одного дискретно сканирующего луча, благодаря
возможности полностью использовать весь энергетический ресурс ретранслятора в этом
луче, его пропускная способность составит m2R, а средняя скорость передачи
информации в каждую из зон равна mR, что в случае передачи адресной
информации приводит к выигрышу в пропускной способности в т раз по сравнению с
глобальным лучом, чего, как отмечено выше, не наблюдается при использовании
«прыгающего» луча в качестве приемного.
В процессе функционирования сети «информационное тяготение» между
зонами по разным причинам может изменяться, что порождает проблему
перераспределения связных ресурсов ретранслятора в соответствии с текущим трафиком.
Основным достоинством «прыгающего» луча является простота
перераспределения пропускной способности ретранслятора между зонами обслуживания,
достигаемая путем распределения времени экспонирования каждой из зон в
кадре экспонирования пропорционально требуемой пропускной способности.
Однако схеме с прыгающим лучом присущи и серьезные недостатки:
• Отсутствует возможность многократного использования частоты,
поскольку в рассматриваемом случае зоны обслуживаются последовательно
во времени единственным лучом и ни о каком пространственном
разделении частот речи быть не может. Это обстоятельство может служить
препятствием при создании сетей сверхвысокой пропускной способности из-
за отсутствия требуемой широкой полосы частот в диапазонах,
определенных Регламентом радиосвязи.
• Для обслуживания всей области необходим единственный
приемопередатчик с полосой пропускания, равной пропускной способности сети. При
требуемой высокой пропускной способности препятствием для
использования «прыгающего» луча может явиться отсутствие достаточно
широкополосных приемопередатчиков.
• При высокой пропускной способности ретранслятора ощутимыми
становятся служебные затраты, связанные со временем переключения луча с
одной пространственной позиции на другую.
Указанные причины приводят к тому, что один дискретно сканирующий
передающий луч может быть использован лишь в сетях с относительно невысокой
пропускной способностью (не более 150-200 Мбит/с) в ifa-диапазоне.
С другой стороны, многолучевая передающая антенна в значительной
степени лишена перечисленных недостатков «прыгающего» луча, однако в этом
случае существенно усложняется проблема перераспределения связных ресурсов
ретранслятора между параллельно работающими передающими лучами.
Возможен комбинированный вариант построения бортовой передающей антенны,
в котором для экспонирования т зон обслуживания используется п < т
«прыгающих» лучей, каждый из которых сканирует по т/п зонам обслуживания. Подобный
подход позволяет приблизиться к компромиссу между достоинствами
многолучевой антенны и «прыгающего» луча. Например, американский геостационарный СР
ACTS (Advanced Communications Technology Satellite) оборудован передающей

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
189
-• вход 1
-♦ вход 2
V
Облучатели
-♦ вход 3
Отражатель
Рис. 1.1.11.3. Многолучевая антенна
отражательного типа
Г
Облучатели
>-
V
>-
К
о
м
м
У
т
А
Т
О
Р
вход
Отражатель
Рис. 1.1.11.4. Антенна отражательного типа
с прыгающим лучом
антенной /fa-диапазона, каждый из восьми лучей которой дискретно сканирует
по восьми направлениям [1.1.11.3]. При этом формируется в общей сложности 64
зоны обслуживания. Пропускная способность каждого луча составляет 150 Мбит/с,
что обеспечивает пропускную способность ретранслятора 1,2 Гбит/с.
Конструктивно многолучевые бортовые антенны с фиксированной
пространственной ориентацией лучей выполняются на основе общего отражателя (или
линзы) и решетки, состоящей из смещенных относительно фокуса зеркала
антенны облучателей (рис. 1.1.11.3). Вынос облучателя из фокуса приводит к
отклонению луча от электрической оси антенны, но при этом увеличивается
ширина луча, растет уровень боковых лепестков и снижается коэффициент
использования поверхности антенны. Считается, что приемлемые
характеристики могут быть получены, если допускать отклонение лучей антенны от её
электрической оси не более чем на 5 значений ширины диаграммы направленности
лучей [1.1.11.4]. Отсюда следует, что трудно обеспечить число лучей
многолучевых антенн более 100. В случае необходимости использования большего
количества лучей можно оборудовать ретранслятор несколькими многолучевыми
антеннами (на практике двумя), причем для обеспечения лучшей развязки лучи от
разных антенн при покрытии области обслуживания чередуются в шахматном
порядке. В таблице 1.1.11.1 для примера приведены данные об антеннах
некоторых проектов ССС [1.1.11.5].
Для формирования прыгающего луча возможно использование ФАР, либо
многолучевой антенны с коммутируемой решеткой облучателей (рис. 1.1.11.4).
1.1.11.2. Бортовая обработка сигналов
Под бортовой обработкой обычно понимают выполнение ретранслятором
следующих функций:
• регенерация и буферизация сигналов;
• бортовая коммутация;

190
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.1.11.1
Основные характеристики проектов коммерческих ССС
Система
Орбита
Число СР
Диаметр антенн
СР,м
Число лучей
Ширина луча, град
Пропускная
способность, Гбит/с
Терминалы
Наименьший
размер антенны
терминала, м
Диапазоны
Astrolink
GEO
5
-1,1
96
0,8
7,7
Фиксир
-
Ка
Cyberstar
GEO
3
-0,9
72
-1
4,9
Фиксир
0,7
Ка
Eurosky-
way
GEO
5
-0,9
32
~1
-
Фиксир
Ка
East
GEO
-
-
Фиксир
0,7
и
носимые
Ka,L
West
GEO
12
~1,5
64
0,6
6
Фиксир
0,7
Ка
Spaceway
GEO
20
-0,9
24
-1
4,4
Фиксир
Ка
ACeS
GEO
2
2X12
2X70
Фиксир

Носимые
L
• формирование приемных и передающих лучей антенных систем при
использовании бортовых ФАР;
• обработка информации в интересах командно-измерительных систем.
Регенерация и буферизация сигналов
Под регенерацией подразумевается демодуляция принятых радиосигналов,
их обработка на видеочастоте, включая помехоустойчивое
декодирование-кодирование, и модуляция радиосигналов, предназначенных для передачи по каналам
ЗС-СР.
Важное преимущество бортовой регенерации сигналов перед непосредственной
ретрансляцией заключается в том, что шумы каналов ЗС-СР при регенерации
практически не проникают в каналы ЗС-СР и не переизлучаются. При
непосредственной ретрансляции результирующе отношение сигнал/шум в составном
канале ЗС-СР-ЗС определяется выражением A.1.9.1). Если характеристики всех
уплотняемых в приемопередатчике СР каналов одинаковы, отношение сигнал/
шум в каналах «вверх» — h\ и «вниз» — h\ связаны между собой следующей
зависимостью:
в
A.1.11.2)
Наиболее экономно энергоресурсы СР при непосредственной ретрансляции
используются, если в каналах ЗС-СР обеспечивается выполнение условия
h\ ^> AI • В этом случае из A.1.11.12) следует h\ = h\ . Такой подход приемлем и

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 191
используется, когда в ССС задействованы большие ЗС, энергетика которых не
является жестко лимитированной.
В сетях VSAT энергоресурсы ЗС и СР жестко ограничены в равной степени,
а требуемое отношение сигнал/шум h2 = h\= h\ может быть определено из
уравнения:
решение которого:
h\ = h\ = h\ A + JT+B). A.1.11.3)
При использовании равнонапряженных каналов связи ЗС-СР и СР-ЗС
отношение сигнал/шум должно быть выше порогового, причем это превышение
пропорционально базе В используемых для передачи радиосигналов. Это, конечно,
не означает, что при оптимальном приеме демодулятор в большей степени
подвержен воздействию более широкополосного шума (вероятность ошибочного
приема, как известно, определяется отношением сигнал/шум в информационной
полосе частот передаваемого сигнала). Просто при непосредственной
ретрансляции действует иной механизм, а именно: при расширении полосы частот
передаваемого полезного сигнала необходимо расширять полосу пропускания
приемопередающего тракта ретранслятора, что влечет за собой увеличение мощности
переизлучаемого шума и, соответственно, снижение мощности передаваемого
полезного сигнала. Если, например, при передаче используется ФМ-4 и
безызбыточное кодирование (В = 1), то h\ = h\ = 2,41/^ , а при кодировании сверточным
кодом (В = 2) — h\=h\= 2J3h2n . При этом суммарный энергетический запас
C,8-4,4) дБ расходуется на компенсацию проникновения шумов канала ЗС-СР
в канал СР-ЗС 3 дБ и отбора мощности передатчика ретранслятора @,8-1,4) дБ.
Если при непосредственной ретрансляции мощность шума на входе
демодулятора ЗС увеличивается за счет переизлучения шумов линий «вверх», то
бортовая демодуляция сигналов допускает проникновение шумов канала ЗС-СР
лишь в виде ошибочного декодированных символов. Если р{ и р2 вероятности
ошибочного приема двоичных символов в линиях «вверх» и «вниз»
соответственно, то результирующая вероятность ошибки р при передаче по составному
каналу ЗС-СР-ЗС будет равна:
р = 1 - A -pt)(i -р2) =рх +Р2-Р\Р2 -Pi +Р2-
Таким образом, при бортовой регенерации складываются не спектральные
плотности мощности шума, а вероятности ошибки. Бортовая регенерация сигналов
обеспечивает энергетический выигрыш перед непосредственной ретрансляцией
примерно 3 дБ, что позволяет реализовать одно из следующих преимуществ:
• при фиксированной пропускной способности сети и достоверности
передачи использовать более простые и дешевые ЗС с примерно в 2 раза
меньшими ЭИИМ или добротностью;
• при фиксированных параметрах ЗС и достоверности передачи повысить
пропускную способность сети в 2 раза;

1 92 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
• при тех же параметрах ЗС и пропускной способности сети увеличить
отношение сигнал/шум на ~3 дБ и существенно (на несколько порядков)
повысить достоверность передачи.
При бортовой регенерации практически полная развязка каналов ЗС-СР и
СР-ЗС дает возможность выбирать рациональную структуру сигналов на линиях
«вверх» и «вниз» независимо. Например, в каналах связи ЗС-СР в целях
снижения пиковой мощности и, соответственно, стоимости передатчиков ЗС
целесообразно использовать ЧРК (или комбинацию ЧРК-ВРК), а в каналах СР-ЗС
оптимально применение ВРК, поскольку при временном разделении отсутствуют
интермодуляционные искажения в групповом тракте ретранслятора и заметно
увеличивается коэффициент использования бортовых энергоресурсов по
сравнению с другими способами передачи.
Бортовая регенерация позволяет также использовать в радиолиниях «вверх»
и «вниз» разные способы модуляции и кодирования. Например, в каналах ЗС-СР
в целях упрощения бортовых демодуляторов и декодеров может оказаться
целесообразным использование относительной ФМ и сверточных кодов, а в каналах
СР-ЗС — использование фазовой манипуляции и каскадных либо турбокодов.
Эффективным средством обеспечения высокой достоверности передачи
информации при переменных условиях связи является использование каналов с
обратной связью [1.1.11.6], в частности, каналов с переспросом {ARQ —
Automatic Repeat Request}. Передаваемые пакеты кодируются малоизбыточными кодами,
обнаруживающими ошибки. При обнаружении на приемной стороне ошибок по
обратному каналу передается запрос на повторную передачу недостоверного
пакета. Процесс продолжается до тех пор, пока на приемной стороне не будет
зафиксировано отсутствие ошибок (правильный прием, либо не обнаруживаемая
используемым кодом кратность ошибки). Процедура переспроса позволяет
адаптироваться к условиям связи — при ухудшении помеховой обстановки
автоматически снижается скорость передачи информации, а достоверность передачи
поддерживается примерно на неизменном уровне.
Бортовая регенерация и буферизация сигналов позволяют использовать
процедуру с переспросом независимо для линий «вверх» и «вниз». При этом
обеспечивается экономия связных ресурсов ретранслятора, благодаря разгрузке каналов
СР-ЗС от передачи заведомо недостоверной информации. Одновременно ЗС
разгружаются от повторных передач правильно переданной на борт СР информации.
Бортовая регенерация сигналов позволяет возложить на ретранслятор
реализацию протоколов множественного доступа к каналам ЗС-СР и СР-ЗС. В этом
случае при доступе к каналам связи оптимальным образом сочетаются отмеченные
в разделе 1.1.10 преимущества централизованных ПМД с меньшими задержками,
характерными для распределенных протоколов. Реализация управления связными
ресурсами сети не исключает поддержки со стороны центральной ЗС сети, на
которую возлагаются такие функции высшего уровня иерархии принятия решений,
как перенацеливание лучей бортовых антенн в соответствии с общим состоянием
сети, перезагрузка других программ работы бортового процессора обработки
сигналов, в том числе модификации протоколов множественного доступа,
перераспределения излучаемой мощности и полосы частот между лучами и т.д.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 93
При бортовой регенерации сигналов в сочетании с бортовой буферизацией
возможно организовать информационный обмен между ЗС, работающими с
различными скоростями передачи/приема. Если при непосредственной
ретрансляции такой обмен возможен лишь при работе по двухскачковой схеме с
использованием центральной земной станции, осуществляющей мультиплексирование-
демультиплексирование цифровых потоков, то выполнение этих функций на
борту ретранслятора позволяет в 2 раза снизить задержку передачи и более
эффективно использовать энергетические и частотные ресурсы ретранслятора,
поскольку отпадает необходимость передавать одну и ту же информацию дважды.
Бортовая коммутация
Как уже было отмечено выше, применение бортовых многолучевых приемных
и передающих антенн обеспечивает значительный выигрыш в эффективности
использования энергетического и частотного ресурсов спутниковых
радиоканалов по сравнению с использованием глобальных лучей при условии, что каждый
индивидуальный сигнал передается только в ту зону обслуживания, где
расположен его получатель. Это требует организации перекрестных связей между
зонами обслуживания и, соответственно, между обслуживающими эти зоны
приемными и передающими лучами, что достигается посредством коммутации.
Различают коммутацию на радиочастотах (СВЧ или ПЧ) и видеочастоте.
Очевидно, что коммутация на видеочастоте может быть реализована лишь при
наличии бортовой регенерации сигналов.
Коммутация лучей на радиочастотах может быть статической или
динамической. Упрощенная структурная схема ретранслятора, поддерживающего
статическую коммутацию приемных и передающих лучей (при использовании 3
приемных и 3 передающих лучей) приведена на рис. 1.1.11.5.
Полоса частот каждого из п приемных лучей разбивается на одинаковые по
ширине неперекрывающиеся подполосы, число т которых равно числу
передающих лучей. На выходе бортовых приемников каждого из п приемных лучей
установлена система из т полосовых фильтров, каждый из которых жестко
подключен к соответствующему выходному лучу. Подключение i-то приемного луча
к^'-му передающему осуществляется выбором ЗС, находящимися в зоне
обслуживания i-го приемного луча, полосы частот АД Это осуществляется
переключением рабочей частоты передатчиков ЗС (transponder hopping), т.е. при
фиксированной коммутации лучей используется частотное разделение между
передающими лучами, а коммутация в рассматриваемом случае осуществляется
преимущественно на ЗС. Очевидно, что нормальное функционирование сети
возможно лишь при жесткой синхронизации всех ЗС. Это исключает
одновременную попытку доступа станций разных приемных лучей к одному и тому же
передающему лучу, т.е. между приемными лучами, подключаемыми к
одноименным передающим лучам, используется временное разделение. Фиксированной
коммутации лучей присущ ряд недостатков:
• общее число полосовых фильтров на борту СР равно m • п, что не
позволяет использовать большое число лучей из-за трудности технической
реализации;

194
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Приемные лучи
Д/з
1_,ПрЛ,
>-
дл
2-Я
дл
2->3
дл
2->2
ПрЛ2
► >-
ПРМ,
ДЛ ДЛ Д/з
3-й
3->1
3->3
ПрЛ3
► Н
ПРМ,
ПФ,(А/,)
ПФ2(Д/2)
ПФ3(Д/з)
пф4(Д/,)
ПФ5(Д/2)
ПФ6(Д/3)
пф7(Д/,)
ПФ8(Д/2)
•► ПФ9(Д/3)
Передающие лучи
ПрЛ — приемный луч
ПЛ — передающий луч
ПРМ — приемник
ПФ — полосовой фильтр
ПРД — передатчик
А/) — полосы частот в каналах «вверх»
Af* — полосы частот в каналах «вниз»
V V
V V
ПРД2
V V V
ПРД,
/Чпл! /\пл2 /\пл3
\
1-Я
3-Я
2->1
д/;
д/;
д/;
\
2^2
1->2
3->2
дл*
ДЛ'
ДЛ'
\
3->3
2->3
1->3
ДЛ*
ДЛ*
ДЛ*
Рис. 1.1.11.5. Статическая коммутация лучей

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 95
• необходимость использования передатчиков ЗС с прыгающей рабочей
частотой увеличивает стоимость ЗС и обслуживания пользователей;
• недостаточная гибкость перераспределения трафика между приемными и
передающими лучами, например, если (рис. 1.1.11.5) 4-й приемный луч
«тяготеет» к 3-му передающему лучу, то из-за требований жесткой
синхронизации 2-й приемный луч неизбежно будет «тяготеть» к 1-му
передающему, а 3-й — ко 2-му;
• при статической коммутации отсутствует возможность многоадресной
(циркулярной) передачи сообщений к пользователям, расположенным в
разных зонах обслуживания передающих лучей.
На рис. 1.1.11.6 приведена упрощенная структурная схема ретранслятора,
обеспечивающего бортовую коммутацию приемных и передающих лучей. Основой
схемы коммутации является СВЧ коммутационная матрица — СКМ {MSM
-Microwave Switch Matrix}, представляющая собой совокупность т входных и п
выходных СВЧ магистралей. Каждая входная магистраль, на которую нагружен
выход одного из приемных лучей, связана с выходными магистралями через
быстродействующие ключевые схемы. В качестве ключей обычно используются
pin-диоды [1.1.11.7]. Поскольку практически все современные СР с
непосредственной ретрансляцией работают по схеме с двойным преобразованием частоты,
коммутация радиосигналов обычно осуществляется на более низкой
промежуточной частоте. Очередность замыкания и размыкания ключей контролируется
блоком управления, формирующим управляющие ключами сигналы в
соответствии с программой цикла коммутации, хранящейся в регистре памяти. При
доступе ЗС к приемным лучам используется ВРК, причем структура кадров во всех
приемных лучах должна быть одинаковой, а длительность кадров должна быть
равна длительности цикла программы коммутации. Использование временного
разделения в приемных и передающих лучах предопределило название
рассматриваемого режима работы — ВРК с бортовой коммутацией {SS-TDMA — Satellite
Switched Time Division Multiple Access}. При использовании современных
быстродействующих СВЧ ключей время переключения коммутационной матрицы не
превышает A-2) мкс [1.1.11.8], что позволяет коммутировать до 1000 слотов в
кадрах длительностью B0-30) мс. Важным достоинством динамической
коммутации лучей по сравнению со статической является возможность быстрой смены
программ бортовой коммутации лучей по командам центральной станции сети.
Для этого используется 2 регистра памяти цикла программы коммутации. Один
из регистров является рабочим и задает коммутационной матрице текущую
программу работы, а другой в то же время может загружаться новой программой.
Это обеспечивает значительную коммутационную гибкость сети. Важно и то, что
при динамической коммутации без проблем обеспечивается режим
многоадресной и циркулярной передачи, поскольку выход приемного луча при помощи
соответствующей команды может быть подключен к любому числу передающих
лучей. Относительным недостатком динамической коммутации является
несколько больший уровень служебных затрат, что обусловлено необходимостью
синхронизации кадров в приемных лучах как между собой, так и с циклом
программы коммутации.

196
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1->3
1->2
1-Й
2-Я
2->3
2->2
ПрЛ1
ПрЛ2
ПрЛ3
3->2
3-Я
3-*3
ПрЛ — приемный луч
ПЛ — передающий луч
ПРМ — приемник
ПРД — передатчик
ПРМ,
ПРМ9
ПРМо
1
5
9
A-
B-
C-
Программа
■> 1)
->2)
■>3)
4 A-
8B-
коммутации
■♦2)
■♦3)
3 C —► 1)
}
J
7
2
6
Блок управления
A
B
C
-»3)
->2)
Коммутационная матрица
(!) 0 ©
-►B
-W3
ПРД2
ПРД,
/\ /\ /\
пл2 пл3
3->1
2->1
2->2
1->2
3^2
1
3-»3
2-^3
1-»3
с. 1.1.11.6. Динамическая коммутация лучей
При коммутации на видеочастоте возможно использование следующих
разновидностей коммутаторов:
• коммутаторов каналов;
• коммутаторов пакетов;
• комбинированных коммутаторов;
• коммутаторов ячеек (ATM коммутаторов).

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 1 97
Выбор конкретного типа коммутатора во многом определяется свойствами
обслуживаемого трафика.
С точки зрения эффективности использования полосы частот каналов связи
коммутаторы каналов предпочтительны в ситуациях, когда преобладающую
нагрузку на сеть составляют непрерывные потоки реального времени с
фиксированной скоростью, особенно когда не требуется частая реконфигурация каналов.
Кроме того, легко решается проблема борьбы с информационными перегрузками
сети путем ограничения доступа в сеть избыточных вызовов. С другой стороны,
коммутаторы каналов крайне неэффективны при передаче пульсирующих
потоков нереального времени.
Коммутаторы пакетов привлекательны при построении сетей интегрального
обслуживания, обеспечивающих совместную передачу потоков реального и
нереального времени. Однако эффективность и качество передачи непрерывных
потоков оказывается ниже, чем при коммутации каналов, из-за необходимости
индивидуальной адресации каждого пакета и интерференции одновременно
передаваемых потоков, что проявляется в случайных задержках пакетов и в потере
части допущенных в сеть пакетов.
В некоторых случаях интегрального обслуживания оптимальную
архитектуру бортового коммутатора представляют комбинированные коммутаторы,
состоящие из коммутаторов каналов и коммутаторов пакетов, обслуживающих
различные виды трафика независимо. Однако соотношение между пакетно- и
канальнокоммутируемым трафиком обычно плохо известно или вообще
неизвестно априори, что обуславливает высокую степень риска при реализации
такого подхода.
Быстрые коммутаторы пакетов одинаковой длины (ячеек) в настоящее время
наиболее привлекательны с точки зрения наиболее эффективного использования
пропускной способности каналов связи, которое достигается благодаря
статистическому осреднению требований к скорости передачи от источников
информационных потоков различных типов. Широкое использование аналогичного
подхода в наземных цифровых сетях интегрального обслуживания существенно
облегчает объединение спутниковых и наземных сетей.
1.1.11.3. Бортовая коммутация пакетов
При пакетной передаче земные терминалы преобразуют входной трафик в
пакеты, предназначенные для передачи по спутниковому каналу. С целью
упрощения бортовой аппаратуры все пакеты имеют одинаковый объем (длину). Каждый
пакет снабжается заголовком, содержащим, в частности, адрес (номер)
передающего луча, в который должен быть направлен данный пакет. Бортовой приемник
усиливает и демодулирует принятый сигнал, декодирует пакеты и направляет их
в коммутатор, который в соответствии с размещенными в заголовках адресами
осуществляет маршрутизацию пакетов между передающими лучами. Пример
бортовой коммутации пакетов схематично изображен на рис. 1.1.11.7.
При выборе длины пакета необходимо исходить из компромиссных
соображений — при увеличении длины снижается относительный уровень служебных

198
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Рис. 1.1.11.7. Пример информационного обмена при бортовой коммутации
затрат, но при этом растут задержки передачи и требуется больший объем
памяти в аппаратуре пользователей и ретранслятора. В общем случае заголовок
пакета содержит п3 значащих и пш проверочных символов. Информационная часть
пакета включает в себя пИ информационных и пп проверочных символов.
Коэффициенты (эффективность) использования пропускной способности канала
связи определим как отношение числа информационных символов к общему числу
символов в пакете:
Л =
1
Язп + ПИ + Пп 1/г+П3 /(ПИГ3) '
где г и г3 — соответственно скорости кодов, используемых для кодирования информационной
части пакета и заголовка.
Поскольку ошибки при передаче заголовков могут приводить к полной
потере пакета, то заголовки кодируются более мощными помехоустойчивыми
кодами, чем информационные части пакетов. Коэффициент использования
пропускной способности канала связи не должен быть ниже 0,75. Положив г3 == ОД
г = 0,8, получим, что Г| = 0,75 соответствует значение п3/пп = 0,04. Значащие
символы заголовка формируют адрес отправителя пакета, адрес получателя пакета

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
199
Пакет
128 символов 128 символов
F2,5 мкс) ^ ^ F2,5 мкс)
Заголовок
Субпакет 1
2048 символов
Субпакет 2
Aмс)
Субпакет 15
Служебная
часть
< ►
Адрес
отправителя
4 >
Адрес
получателя
Избыточные символы
17 символов 17 символов 17 символов
77 символов
Рис. 1.1.11.8. Структура пакета в сети ACTS
и служебную часть (состояние, приоритет, режим передачи и т.д.) При наличии
нескольких тысяч пользователей и нескольких десятков приемных и
передающих лучей количество значащих символов заголовка составит п3 ~ 4(Ъ-50, что
свидетельствует о том, что приемлемый общий объем пакетов находится
ориентировочно в пределах 1,5-2 кбит. Рассмотрим в качестве примера структуру
пакетов в сети связи на ретрансляторе ACTS (рис. 1.1.11.8). Пакеты имеют объем
2048 символов и разбиты на 16 субпакетов объемом 128 символов каждый.
Первый субпакет содержит заголовок, а остальные 15 являются информационными.
Терминалы передают со скоростью 2,048 Мбит/с, следовательно, длительность
пакета и субпакета в каналах «вверх» составляет 1 мс и 62,5 мкс.
Информационные субпакеты кодируются одинаковым помехоустойчивым кодом независимо
друг от друга, что позволяет упростить бортовые декодеры. Антенная система
ретранслятора формирует 8 фиксированных приемных и 8 «прыгающих»
передающих лучей, каждый из которых может занимать 8 пространственных
положений, формируя в сумме 64 зоны обслуживания. В каждой зоне обслуживания
размещается не более 2048 пользователей, поэтому их индивидуальные адреса
содержат 17 символов F символов — номер зоны обслуживания плюс И
символов — адрес в пределах зоны).
При бортовой коммутации возможны конфликтные ситуации, возникающие,
когда пакеты, принятые одновременно по двум или более приемным лучам,
адресуются в один и тот же передающий луч. Для разрешения конфликтов
столкнувшиеся пакеты запоминаются в бортовом буферном накопителе. При этом на
входах передающих лучей образуется очередь пакетов случайной длины, что

200 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
приводит к задержкам передаваемых пакетов и возможности потери части
принятых пакетов из-за переполнения буферного накопителя [1.1.11.12].
Рассмотрим основные варианты построения бортовых коммутаторов.
Коммутатор с общей для каждого приемного луча памятью на входе
показан на рис. 1.1.11.9. В общем случае на т входов коммутатора, каждый из которых
соединен с отдельным приемным лучом, поступают синхронные потоки пакетов,
являющиеся результатом демодуляции, декодирования и мультиплексирования
потоков, принимаемых по всем каналам приемного луча. Потоки пакетов от т
приемных лучей поступают в т буферных накопителей, в которых организована
дисциплина обслуживания «первым пришел — первым обслужен» (FIFO).
Управление процессом коммутации осуществляется при помощи т
контроллеров выходных лучей. Пакет, достигший начала очереди, инициирует передачу по
шине управления запроса, направляемого ко всем контроллерам выходных
лучей. Запрос содержит адрес выхода коммутатора (предающего луча), куда
должен быть направлен соответствующий запросу пакет. Поскольку запросы от
каждого входа коммутатора передаются по отдельным шинам управления,
конфликты при их передаче отсутствуют. Контроллер селектирует из т потоков
запросов предназначенные ему запросы и заносит их в собственную очередь
запросов. Когда запрос достигает начала очереди, контроллер передает по
соответствующей шине управления сигнал, инициирующий передачу пакета по
информационной магистрали. Передаваемый пакет одновременно поступает на т
адресных фильтров, соединенных с выходами коммутатора. Каждый адресный
фильтр последовательно анализирует адреса выходных лучей, содержащиеся в
заголовках передаваемых пакетов, и пропускает на свой выход только те пакеты,
на которые он настроен. Таким образом, при использовании общей памяти на
входе коммутация осуществляется в два этапа: на первом анализируется запрос,
однозначно связанный с одним из пакетов, а на втором — сам пакет передается
в выходной канал, когда соответствующий запрос достигнет начала очереди
запросов в контроллере.
Коммутатор с раздельной памятью на входе показан на рис. 1.1.11.10.
Существенным недостатком коммутатора с общей памятью на входе является плохое
использование пропускной способности каналов связи «вниз». Пакет,
поступивший в общую очередь, вынужден ожидать, пока не будут переданы все пакеты,
стоящие перед ним в очереди, к которой он присоединился. При этом возможны
ситуации, когда передающий луч, в который адресован данный пакет, свободен,
но его передача блокируется находящимися перед ним в очереди пакетами,
адресованными в другие лучи. От указанного недостатка свободен коммутатор с
раздельными буферными накопителями для передающих лучей на его входе.
Потоки пакетов от приемных лучей параллельно поступают на т входных
информационных магистралей. На входах т2 буферных накопителей (по одному на
каждую пару приемный-передающий луч) установлены адресные фильтры,
пропускающие пакеты, адресованные в передающий луч, на который они
настроены. Одновременно адресные фильтры по шине управления информируют
соответствующие контроллеры выходных лучей о поступлении каждого
очередного пакета. Контроллер управляет процессом считывания пакетов из т
очередей в выходную информационную магистраль. При этом могут быть реализованы

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 201
ПрЛ,
ПРМ
БН,
ПрЛ2
ПрЛ3
шина управления
ПРМ2
ПРМ3
>
—►
БН2
БН3
АФИ
АФ21
4
АФ„
информационная магистраль
Он
АФо.
а
о
ПРД2
ПЛ,
АФ,
АФ9
АФо.
ГО
Он
I
ПРД3
пл9
ПЛо
ПрЛ — приемный луч
ПЛ — передающий луч
ПРМ — приемник
ПРД — передатчик
БН — буферный накопитель
АФ — адресный фильтр
Рис. 1.1.11.9. Бортовая коммутация пакетов с использованием
общей памяти на входе коммутатора

202
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
ПЛ«
пл,
I
ПрЛ — приемный луч
ПЛ — передающий луч
ПРМ — приемник
ПРД — передатчик
БН — буферный накопитель
АФ — адресный фильтр
->-
ПРМ,
ТТтл П
11рЛ2
— V
/
ПРМ2
ПрЛ3
->-
ПРМ3
информационная
Hi JL
АФ„
1
БН„
АФ21
||
БН21
Jj,
АФ31
11
БН31
-->
■+
О
АФ12
1
БН12
АФ22
||
БН22
АФ32
ПТ
магистраль
4
->
*
Оч
5
Kohtpoj
ПРД2
АФ,з
1
БН13
\[
АФ23
ьн23
АФ3з
II
БН33
<
н
->
>
У
ПРДз
со
<v
(-1
Kohtpoj
ПЛо
Рис. 1.1.11.10. Бортовая коммутация пакетов с использованием
раздельной памяти на входе коммутатора

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
203
ПрЛ2
ПРМ9
ПрЛ3
ПРМо
1
>
АФ9
АФ,
БН9
БНо
ПРД2
ПРДо
IUL
ПЛ9
ПЛЧ
ПрЛ — приемный луч
ПЛ — передающий луч
ПРМ — приемник
ПРД — передатчик
БН — буферный накопитель
АФ — адресный фильтр
Рис. 1.1.11.11. Бортовая коммутация пакетов с использованием
раздельной памяти на выходе коммутатора
различные дисциплины обслуживания входных очередей. Возможно
использование асинхронно-циклического обслуживания, при котором БН (за
исключением пустых) обслуживаются в определенном списочном порядке. Учитывая, что
вероятность потери пакета на борту является критическим параметром,
перспективной является дисциплина обслуживания с динамическим приоритетом,
отдающая в каждый тактовый момент времени предпочтение БН, содержащему
наиболее длинную очередь пакетов.
Коммутатор с раздельной памятью на выходе изображен на рис. 1.1.11.11.
В этом случае потоки пакетов от всех приемных лучей мультиплексируются на
входе коммутатора, а результирующий поток передается по общей
высокоскоростной бортовой информационной магистрали к т адресным фильтрам, селекти-

204 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
рующим пакеты в соответствии с адресами передающих лучей, в отдельные для
каждого передающего луча БН. По сравнению с предыдущими рассмотренными
вариантами данная схема обладает двумя недостатками:
• необходимость использования высокоскоростной бортовой
информационной магистрали с пропускной способностью не менее суммарной
пропускной способности ретранслятора (вместо т параллельных магистралей в т
раз меньшей пропускной способности при буферизации на входе
коммутатора), что при современном уровне развития технологии может
приводить к определенным техническим проблемам;
• меньшая гибкость использования пропускной способности каналов
«вниз», проявляющаяся в невозможности реализации приоритетного
обслуживания потоков пакетов разных приемных лучей.
Важным достоинством коммутаторов с буферизацией на выходе является
существенно меньший требуемый объем бортовой памяти (особенно при большом
числе приемных и передающих лучей), что делает их весьма привлекательными
для использования в ССС, использующих бортовую коммутацию пакетов.
Оценим задержки пакетов в коммутаторе с раздельной памятью на выходе.
Допустим, что на т входов коммутатора, каждый из которых соединен с
отдельным приемным лучом, поступают потоки пакетов, являющиеся результатом
мультиплексирования потоков, принимаемых по всем каналам приемного луча.
Примем, что потоки в приемных лучах статистически независимы и одинаковы
в том смысле, что являются потоками Бернулли, а вероятность возникновения
пакета в каждом временном слоте равна р. Каждый пакет равновероятно
адресован к одному из выходных лучей, а последовательные пакеты маршрутизируются
независимо. При сделанных допущениях при расчете средней задержки пакетов
в коммутаторе можно воспользоваться соотношением A.1.10.15):
- = A\s)[2 + B"(s) - 2B\s)] + A"(s)[l - B\s)]
2[i+A\s)-B\s)][l-B'(s)]X
A.1.11.3)
где A(s) — производящая функция распределения числа пакетов, генерируемых за время
пребывания в системе пакета, поступившего в пустой буферный накопитель, B(s) — производящая
функция распределения числа пакетов, генерируемых за время передачи пакета по выходному каналу
связи.
Рассмотрим рис. 1.1.11.12. Считывание пакетов из БН и начало их передачи
может происходить только в синхронные моменты времени, разделенные
промежутком времени Т, поступление пакетов возможно в моменты времени,
отстоящие друг от друга на Т/т. Если пакет поступает в момент времени, отстоящий
от ближайшего следующего синхронного момента вывода на отрезок kT/m, то за
время его обслуживания ГA + k/m) может быть сгенерировано не более т + k - 1
новых пакетов, а распределение at вероятностей того, что на интервале времени
Т( 1 + k/m) возникнет i пакетов, в силу сделанных допущений оказывается
биномиальным:
+ k- \ ~i

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 205
моменты для
считывания
k-1
/
{ w www
моменты для
записи
kT/m
Рис. 1.1.11.12. К определению задержек пакетов
в коммутаторе с общей средой
А условная производящая функция этого распределения равна:
m + k-l
l + k-1
Отсюда сразу найдем нужную нам функцию B(s):
Безусловная производящая функция A(s) получается путем осреднения по
всем возможным моментам поступления пакета в пустой накопитель, которые,
очевидно, равновероятны:
Ak(s) =
£ A - s)]m + k'2 £
— 1
т т
m
k =
3m- 1
2m
-P
A.1.11.4)
г

206 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
2Р2 A.1.11.5)
s)]m-1 A.1.11.6)
т
т т
В"(\)=™—±р2 A.1.11.7)
т
Подставляя найденные значения Л'A), A"(i), В\\\В"(У) в A.1.11.3) и
учитывая, что X ^р/Ту получим следующее выражение для нормированного
значения задержки пакетов:
Ъш -' 1 2ш2 + 6т - 2 5т2 - бттг + 1
2
х _ тп Зтп* бтп* A.11.11.8)
На рис. 1.1.11.13 показана зависимость среднего времени задержки пакета в
коммутаторе с раздельной памятью на выходе от его загрузки р = XT (кривая 2),
рассчитанная по соотношению A.1.11.8). Максимальная загрузка коммутатора
равна 1. При фиксированной загрузке коммутатора среднее время задержки
пакетов возрастет при увеличении числа входов/выходов коммутатора вследствие
увеличения статистической неопределенности моментов возникновения новых
пакетов и приближения характеристик суммарного потока пакетов на входе
коммутатора к пуассоновскому. На этом же рисунке приведены аналогичные
зависимости для коммутатора с общей для каждого приемного луча памятью на входе
коммутатора (кривая 1), полученные имитационным моделированием.
Сравнение показывает, что коммутатор с общей памятью на входе имеет значительно
худшие характеристики оперативности, а его пропускная способность при
достаточно большом числе входов/выходов не превышает 0,586 [1.1.11.9], что на
40% меньше, чем при использовании коммутатора с буферизацией на выходе.
Коммутаторы с раздельной буферизацией на входе с точки зрения
оперативности и пропускной способности имеют практически такую же эффективность,
что и коммутаторы с буферизацией на выходе. Требования к объему буферной
памяти определяются допустимой вероятностью потери пакета. В качестве
грубой верхней оценки вероятности потери за счет переполнения емкости буферной
памяти можно использовать соотношение [1.1.11.10]:
где iV — объем буферного накопителя (в пакетах), р — загрузка памяти (отношение скорости
записи информации в память к скорости ее считывания).

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
207
т —>оо
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Рис. 1.1.11.13. Среднее время задержки пакетов
при разных методах коммутации
1 — коммутатор с общей памятью на входе
2 — коммутатор с раздельной памятью на выходе
Из A.1.11.9) следует, что вероятность потери не зависит от абсолютного
значения скорости поступающего на вход информационного потока, а полностью
определяется загрузкой р. Например, при загрузке р = 0,9 и допустимой
вероятности потери пакета Рпот *= 10~6 потребуется память емкостью около 100 пакетов,
а при Рпот = 10~9 требуемый объем составит не менее 160 пакетов вне
зависимости от скорости записи данных. В коммутаторе с раздельной памятью на входе
необходимо использовать в т раз больше блоков памяти, чем в коммутаторе с
выходной буферизацией, работающих практически при одинаковой загрузке.
Это значит, что для обеспечения одинаковой вероятности потери пакета в
коммутаторе с раздельной входной буферизацией потребуется суммарный объем ЗУ
в число входов/выходов коммутатора больший, чем в аналогичном коммутаторе
с буферизацией на выходе.
Указанные обстоятельства свидетельствуют в пользу применения на
практике бортовых коммутаторов пакетов с раздельной памятью на выходе. При этом
высокие требования к пропускной способности информационной магистрали в
подобных коммутаторах могут быть обеспечены с применением ВОЛС. Это
позволит реализовать пропускную способность коммутатора до 10 Гбит/с.

208 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1.7.71.4. Способы борьбы с информационными перегрузками в ГССС
При использовании бортовой коммутации пакетов статистический характер
передаваемых информационных потоков и тяготения передающих и приемных
узлов друг к другу может приводить к информационным перегрузкам сети, т.е.
появлению ситуаций, когда в части каналов скорость поступления информации
на вход превышает их пропускную способность. При этом часть
предназначенных для передачи пакетов теряется из-за переполнения соответствующих
буферных накопителей, либо претерпевает неприемлемо большую задержку: при
использовании накопителей большой емкости, позволяющих «сгладить»
нестационарность входного трафика. Перегрузок сети можно было бы избежать,
выбрав пропускную способность каждого передающего луча ретранслятора,
ориентируясь на пиковое значение суммарного трафика в сети, то есть исходя из
наименее благоприятной ситуации, когда все передающие узлы сети адресуют
свои пакеты приемным узлам, находящимся в зоне обслуживания одного и того
же передающего луча. Однако при этом связные ресурсы ретранслятора
используются крайне неэффективно: коэффициент использования пропускной
способности каждого луча составит в среднем \/т и преимущества использования
многолучевые передающих антенн исчезают. Поэтому на практике ГССС не
гарантированы от возникновения информационных перегрузок и возникает
проблема управления перегрузками, т.е. предотвращения потенциально возможных
и устранение уже возникших перегрузок.
Можно выделить два способа управления информационными перегрузками:
• управление информационными потоками;
• адаптация параметров сети.
Под процедурами управления потоками обычно понимаются правила допуска
внешнего трафика в сеть. Сеть не может разрешить бесконтрольный допуск всего
предлагаемого пользователями трафика, так как это может привести к тяжелым
информационным перегрузкам и даже блокировке всей сети в целом. Сложность
проблемы заключается в том, что перегрузки могут возникать в любом узле сети,
а управлять потоками целесообразно на входе в сеть. В противном случае
возникают ситуации, когда допущенные в сеть пакеты, пройдя цепочку узлов и
каналов, и затратив при этом определенную часть ресурсов сети, будут потеряны в
одном из транзитных узлов, так и не дойдя до получателя. В ГССС частичное
управление информационными потоками при доступе к каналам ЗС-ГСР
происходит автоматически: каждый из них не может пропустить через себя больше
пакетов в единицу времени, чем позволяет его пропускная способность. Однако
такое локальное управление не гарантирует каналы ГСР-ЗС от перегрузок,
поскольку не исключена концентрация передаваемого по каналам ЗС-ГСР
трафика в небольшом числе каналов ГСР-ЗС.
В отличие от управления информационными потоками, при котором
пользовательский трафик «подгоняется» под структурные характеристики сети,
адаптация параметров предусматривает изменение характеристик сети под текущие
параметры пользовательского трафика. Например, в сетях с разветвленной мно-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 209
гоузловой топологией перегрузки отдельных каналов могут не допускаться
путем использования алгоритмов адаптивной маршрутизации пакетов,
выравнивающих загрузку всех каналов сети, что позволяет минимизировать вероятность
перегрузки и задержки передачи пакетов. В ГССС, имеющих простую
радиальную топологию, возможно перераспределение пропускной способности
ретранслятора между передающими лучами в соответствии с текущими требованиями
пользователей.
Управление информационными потоками
В зависимости от того, используется ли в процессе управления обратная связь
от получателей или сети к отправителям трафика, методы управления
информационными потоками можно подразделить на предупредительные и реагирующие.
При предупредительном управлении информация о текущем состоянии сети
не используется, а просто делается попытка предупредить потенциально
возможные информационные перегрузки сети на основе анализа запросов
пользователей на установление соединения, то есть защититься от перегрузки раньше, чем
она случилась. В процессе предупредительного управления сначала выносится
решение о предоставлении или нет связных ресурсов сети пользователю,
сделавшему запрос на установление соединения. Это решение базируется на основе
анализа запроса, включающего сведения о требуемых параметрах качества
информационного обслуживания и список характеристик (дискриптор) трафика,
включающий в себя значения максимальной скорости передачи, средней
скорости передачи, коэффициента пульсаций, средней длительности интервалов
стационарности и т.д. В результате анализа запроса и оценки наличия того или иного
количества свободных связных ресурсов сети выносится решение о возможности
установления соединения. Если соединение установлено, то контролируется
соответствие реальных характеристик передаваемого трафика заявленным в
дескрипторе.
Основным недостатком предупредительного управления является то, что
после установления соединения управление отсутствует, а все решения
принимаются на основе только априорной информации и не учитывают реальных
характеристик трафика. В результате рассматриваемый способ управления
оказывается весьма грубым. Более того, исчерпывающие характеристики
индивидуальных информационных потоков и суммарного трафика в сети обычно
очень сложны и в значительной степени неизвестны, поэтому предсказать
будущее поведение сети с приемлемой точностью практически невозможно и
приходится ориентироваться на наименее благоприятную ситуацию, что в результате
приводит к неэффективному использованию связных ресурсов сети. Если для
наземных сетей, базирующихся на ВОЛС, указанные недостатки мало
существенны, поскольку ресурсы каналов связи этих сетей в значительной степени
избыточны и вопрос их рационального использования не столь актуален, то для
спутниковых каналов использование только предупредительного управления
информационными перегрузками недопустимо расточительно.
Реагирующее управление информационными потоками базируется на
замкнутом контуре управления, в котором скорость генерирования информационного

210 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
потока отправителем регулируется получателем или сетью при помощи передачи
в обратном направлении информации о состоянии сети. Важно заметить, что при
реагирующем управлении устранение перегрузки начинается лишь после того,
как она произошла, путем попыток снизить степень перегрузки до приемлемого
уровня. Типичным примером реагирующего управления является метод
скользящего окна, используемый, в частности, в интернетовском протоколе
транспортного уровня TCP/IP. При использовании метода «скользящего окна»
принимающая сторона при безошибочном приеме очередного пакета подтверждает этот
факт посылкой на передающую сторону сигнала подтверждения (положительной
квитанции). Если передающая сторона не получает подтверждения, делается
вывод о наличии перегрузки и объем передаваемых пакетов скачкообразно
уменьшается. В случае положительного результата объем передаваемых пакетов
плавно увеличивается до максимально допустимого значения, либо до значения,
соответствующего очередной перегрузке.
Метод «скользящего окна» требует достаточно больших служебных затрат, и
его применение при передаче высокоскоростных информационных потоков
неэффективно, в том числе и в ГССС. Более того, для одновременного
поддержания нескольких тысяч соединений потребуется бортовой процессор слишком
высокой производительности. Поэтому более приемлем механизм периодической
передачи на ЗС информации о состоянии и загруженности каналов на входе и
выходе бортового коммутатора. Эта информация может содержаться либо в
специальных контрольных пакетах, передаваемых ретранслятором ко всем ЗС сети,
либо включаться в служебную часть информационных пакетов. Эффективность
реагирующего управления в сильной степени зависит от битовой длины каналов
связи, определяемой произведением Стр — пропускной способности канала на
задержку распространения и показывающей количество двоичных символов,
находящихся в пространстве между передающей и приемной сторонами. Важно и
отношение средней длительности интервала стационарности информационных
потоков к времени распространения. Очевидно, что при заданной задержке
распространения увеличение пропускной способности канала и уменьшение
длительности интервалов стационарности снижают эффективность реагирующего
управления.
Использование информации о состоянии бортового коммутатора земными
станциями возможно двумя способами — сбросом избыточных пакетов или
маркировкой передаваемых пакетов.
При сбросе избыточных пакетов ЗС на основе анализа служебной
информации о состоянии буферных накопителей ретранслятора определяет долю
входного трафика, которую необходимо селективно сбросить, чтобы устранить
возникшие перегрузки (способ селекции — это алгоритм, определяющий, каким
пакетам отдавать преимущество при передаче). При возникновении перегрузки
ЗС снижает интенсивность входного потока пакетов путем стирания части
приходящих пакетов. Соотношение между интенсивностью потока на входе ЗС X и
интенсивность потока на входе канала ЗС-СР А* можно установить,
воспользовавшись функцией усечения/(s): X* =f(s)X, где s — полученное от ретранслятора
значение состояния канала СР-ЗС. Если состояние канала ниже некоторого
заранее определенного порога, то f(s) = 1 и сброс пакетов не осуществляется.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 211
В противном случае /(s) < 1 в соответствии с конкретным значением s.
Интенсивность потока сброшенных пакетов равна Х[1 — /($)], а вероятность потери
пакета Р3 = 1 —f(s). Результирующая вероятность потери в рассматриваемом
случае будет равна:
При маркировке передаваемых пакетов ЗС:
• разбивает пакеты на два приоритетных класса, используя выбранный
способ селекции;
• помечает каждый пакет признаком высшего или низшего приоритета;
• передает все пакеты на ретранслятор, который обслуживает поступающие
пакеты в соответствии с их маркировкой, представляя пакетам высшего
класса абсолютный приоритет при записи в буферный накопитель и
относительный при передаче.
Введение приоритетов возможно потому, что поступающие пакеты могут
иметь различные требования к качеству обслуживания. В ряде случаев потери
пакетов не столь опасны, поскольку потерянные пакеты с помощью протоколов
более высокого уровня могут быть вновь запрошены и переданы (некритичный
к задержкам трафик) или потеря части пакетов не приводит к заметному
снижению качества информационного обслуживания (часть речевого и видео
трафика). В этом случае указанным видам трафика может быть присвоен низший
приоритет. При возникновении перегрузки часть входных пакетов маркируется в
качестве низкоприоритетных. Все пакеты передаются по каналу ЗС-СР на борт
ретранслятора. Низкоприоритетные пакеты обрабатываются только при наличии
свободного пространства в буферном накопителе (БН). В случае полного
заполнения накопителя низкоприоритетные пакеты начинают стираться, освобождая
место для вновь поступающих высокоприоритетных. Интенсивность потока
высокоприоритетных пакетов X* связана с суммарной интенсивностью пакетов на
входе ЗС через маркировочную функцию/E): X* =f(s)X, а интенсивность
пакетов низкого приоритета — X[i -f(s)].
Очевидно, что возникновение перегрузок приводит к избыточной потере
пакетов, причем рассмотренные способы реагирующего управления не снижают
общую долю потерянных при перегрузке пакетов. Просто эта проблема
переносится с борта ретранслятора на ЗС, где можно использовать более мощные
аппаратные и программные средства и имеется гораздо больше информации о
свойствах входного трафика, что позволяет принимать более эффективные
решения, чем допускать потери любых пакетов на борту ретранслятора. Более того,
на ЗС возможно использовать буферные накопители значительной емкости, что
позволяет часть пакетов, допускающих большие задержки, не стирать, а хранить
в БН до момента устранения перегрузки.
При отсутствии задержки передачи в контуре управления в качестве
информации о состоянии бортового коммутатора можно было бы использовать
текущую длину очереди пакетов в БН. По мере роста задержки распространения эта
информация становится все менее исчерпывающей, поскольку за время хр в
накопитель поступит определенное число ранее переданных пакетов и реальное

212 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
состояние очереди на момент принятия решения будет отличаться от
переданного. Пусть, например, пропускная способность канала С= 10 Мбит/сек, а
пакеты имеют объем V= 1 кбит, тогда количество пакетов, поступивших в БН за
время т , составит Сх /V =2500, причем ошибка в оценке состояния коммутатора
может оказаться большой.
Простейшей функцией усечения является скачкообразная функция.
Существуют два значения функции, соответствующие нормальному состоянию и
состоянию перегрузки. Когда значение состояния (число пакетов в БН) превышает
наперед заданный пороговый уровень, ЗС фиксирует состояние перегрузки и
начинает снижать интенсивность поступления пакетов в канал связи. Возможно
использование и более сложных функций усечения, например многоскачковых
функций (функций лестничного типа). Если функция усечения однозначна, из-
за наличия задержки распространения процесс управления может носить
колебательный характер. Пусть, например, канал сильно загружен. Тогда содержимое
БН обязательно превысит заданный порог и ЗС начнет сбрасывать пакеты,
приводя трафик к номинальному уровню. При этом содержимое БН возвращается
к нормальному значению, что заставляет ЗС прекратить усечение входного
трафика. Затем описанный цикл повторяется. Чтобы избежать колебаний, возможно
использование функции усечения гистерезисного типа (рис. 1.1.11.14). Имеются
два пороговых значения: S{ соответствует выходу из состояния перегрузки, а52-
входу в это состояние. Поскольку маркирующая функция играет роль,
аналогичную функции усечения, все сказанное выше относится к ней.
Оценим влияние задержки распространения на эффективность управления
информационными потоками. За время распространения сигнала обратной связи
тр в очередь поступят пакеты, уже находящиеся в канале в момент оценки
состояния канала, что приводит к снижению точности управления. Длина очереди
пакетов в БН представляет собой дискретный случайный процесс с вполне
определенным интервалом корреляции. Естественно допустить, что если задержка
распространения превышает величину интервала корреляции длины очереди, то
использование в качестве параметра, определяющего состояние загруженности
канала, выборочного значения длины очереди пакетов в БН не имеет смысла,
поскольку в этом случае связь между сигналом обратной связи и управляющим
воздействием будет отсутствовать. В качестве грубой оценки интервала
корреляции длины очереди может быть взято среднее значение длительности периода
занятости БН, равное при передаче пакетов фиксированного объема тп = A - р),
где тп = V/C — время передачи пакета по каналу связи, С — пропускная
способность канала связи, V — объем пакетов. Следовательно, условие
целесообразности использования реагирующего управления по выборочным значениям длины
очереди будет выглядеть как:
р (i_p) C(l-p)' Tp(l-p)'
Типичным значением загрузки р является значение 0,8-0,9. Тогда, например,
при объеме передаваемых пакетов 1 кбит, пропускная способность канала связи
не должна превышать D0-80) кбит/с, а тр/тп < E^-10). С другой стороны, в со-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
213
Рис. 1.1.11.14. Скачкообразная функция усечения гистерезисного типа
временном ГССС с бортовой коммутацией пакетов предусматривается
использовать каналы с пропускной способностью десятки и сотни Мбит/с, в которых
значение тр/тп составляет тысячи и десятки тысяч. Следовательно, наличие
большой задержки распространения не позволяет осуществить в ГССС
оперативное управление информационными потоками с учетом «тонкой» структуры
на интервалах стационарности. Тем не менее, нестационарный характер трафика
в ССС позволяет успешно осуществлять реагирующее управление в
статистическом смысле, отслеживая изменения интенсивности информационных потоков в
сети. Это обусловлено тем, что длительность интервалов стационарности
передаваемого трафика составляет десятки секунд и минуты, что существенно
больше времени распространения.
Перераспределение пропускной способности ретранслятора
между передающими лучами
Перераспределение энергетического ресурса (пропускной способности)
ретранслятора между передающими лучами может быть обеспечено разными способами:
• при помощи бортовой активной фазированной решетки;
• путем использования на борту т передатчиков разной мощности, которые
при помощи соответствующей коммутации могут подключаться к
произвольным передающим лучам таким образом, чтобы к лучам с большим
входящим трафиком были подключены передатчики большей мощности;
• с использованием достаточно большого количества одинаковых усилителей
мощности, которые при помощи систем коммутации на их входах и выходах

214
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
AT,
Результаты анализа
характеристик трафика
УУ
АТ9
БФЛ,
БФЛ9
УМ9
А — передающая антенна
УМ — усилитель мощности
БФЛ — блок формирования луча
AT — аттенюатор
УУ — устройство управления
2 — сумматор
Рис. 1.1.11.15. Перераспределение излучаемой мощности между
передающими лучами при помощи ФАР
(матрица Батлера) объединяются в т групп, питающих передающие лучи
таким образом, чтобы количество усилителей в каждой группе было
пропорционально входящему трафику луча, к которому эта группа подключена.
Отметим, что при любом из перечисленных подходов полоса пропускания
используемых усилителей мощности должна быть не уже полосы частот,
занимаемых сетью, что при высокой пропускной способности может приводить к
проблемам технической реализации.
Конфигурация бортовой АФАР, реализующей перераспределение
энергоресурсов между лучами, показана на рис. 1.1.11.15. На вход активной ФАР поступают
промодулированные сигналы Лх - Лт одинаковой амплитуды, предназначенные
для передачи соответственно по лучам 1 ~ т. Аттенюаторы с регулируемым за-

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 215
туханием ослабляют входные сигналы в соответствии с требуемой скоростью
передачи (чем ниже скорость передачи, тем в большей степени ослабляется
входной сигнал). Блоки формирования лучей представляют собой набор из т
частотнонезависимых линий задержки, характеристики которых подобраны
таким образом, чтобы обеспечить максимум излучения в нужном направлении.
Каждый из усилителей мощности усиливает т компонент сигналов,
предназначенных для передачи по разным лучам, и излучает групповой сигнал при помощи
антенны с глобальным лучом (лучом, полностью покрывающим область
обслуживания). Заметим, что возможность перераспределения излучаемой мощности
между лучами достигается ценой ужесточения требований к характеристикам
усилителей мощности. Поскольку каждый из усилителей работает в многосиг-
нальном режиме (одновременно усиливает компоненты т сигналов,
предназначенных для передачи по разным лучам) необходимо, чтобы:
а) полоса пропускания каждого из усилителей соответствовала суммарной
полосе частот /s, занимаемой всеми передающими лучами;
б) линейность передаточной и стабильность амплитудно-фазовой
характеристик усилителей были настолько высокими, чтобы неизбежно
возникающие при работе в многосигнальном режиме интермодуляционные
помехи не приводили к заметному снижению отношения сигнал/шум.
В целом, недостатки работы нелинейного элемента в многосигнальном
режиме в рассматриваемом случае проявляются в большей степени, чем при
использовании общего передатчика при непосредственной ретрансляции и ЧРК,
поскольку в отличие от указанной ситуации необходимо одновременное усиление
сигналов возможно существенно разного уровня. Это дополнительно порождает
проблему подавления слабого сигнала сильным. Поэтому трудно ожидать, что
необходимый запас выходной мощности окажется менее 3 дБ, а это значит, что
применение ФАР оказывается оправданным, если процедура перераспределения
энергоресурсов ретранслятора обеспечит выигрыш в пропускной способности не
менее 100%.
При использовании усилителей с разной выходной мощностью возникает
задача разбиения суммарного энергоресурса ретранслятора в ряд выходных
мощностей передатчиков. Эта задача может быть решена достаточно корректно лишь
при наличии каких-либо априорных сведений относительно статистических
характеристик трафиков в сети. Рассмотрим возможный подход к решению этой
задачи. Пусть функционирование сети может быть смоделировано следующим
образом: ось времени допустимо разбить на последовательность
соприкасающихся отрезков времени (интервалов стационарности), имеющих примерно
одинаковую среднюю длительность. На каждом из интервалов стационарности
статистические характеристики трафика неизменны, но скачкообразно изменяются
при смене интервалов, причем характеристики трафика на текущем интервале
статистически не зависят от характеристик на предыдущих интервалах. Такую
модель принято называть кусочно-стационарной. Пусть требуемая суммарная
скорость передачи информации R одинакова для всех интервалов
стационарности, а требуемая скорость передачи по каждому лучу определяется
независимыми выборками из равномерного распределения вероятностей.

216
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Задачу распределения энергоресурсов ретранслятора между передатчиками в
сделанной постановке проще всего решать методом статистических испытаний:
а) для каждого j-ro испытания (j-ro интервала стационарности) взять
выборку из т случайных числе из равновероятного распределения,
б) упорядочить полученные числа в ряд по признаку невозрастания (или
неубывания):
в) вычислить требуемую относительную скорость передачи информации по
лучу в г-ом испытании:
г) вычислить среднюю по множеству испытаний требуемую относительную
скорость передачи по лучам:
к п
Hi
A
Очевидно, что относительное распределение суммарной мощности по
передатчикам должно совпадать с относительным распределением требуемой
скорости передачи по лучам:
В таблице 1.1.11.2 приведено полученное экспериментально распределение
мощностей передатчиков, ориентированное на среднее значение трафика в
передающих лучах, для т = 4, 8 и 16. Отметим, что полученное распределение
существенно неравномерно: отношение максимальной мощности к минимальной
равно приблизительно числу лучей (усилителей мощности).
Таблица 1.1.11.2
Соотношение между относительной выходной мощностью передатчиков
при перераспределении пропускной способности лучей
с помощью коммутируемых передатчиков разной мощности
т
4
8
16
Относительная мощность передатчиков в порядке убывания
0,4170
0,2291
0,1200
0,0583
0,2989
0,1975
0,1117
0,0507
0,1913
0,1669
0,1040
0,0434
0,0928
0,1377
0,0962
0,0361
-
0,1089
0,0884
0,0288
-
0,0807
0,0808
0,0215
-
0,053
0,0732
0,0142
-
0,0262
0,0656
0,0071

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов 21 7
Следствием случайного характера входящего трафика является
возникновение ситуаций, когда требуемая скорость передачи информации по лучам
превосходит их пропускную способность даже и при использовании описанных
механизмов перераспределения энергоресурсов ретранслятора. Это приводит к
частичной потере передаваемой информации. Для снижения информационных
потерь пропускную способность приходится выбирать с некоторым запасом
Информационные потери могут быть количественно оценены следующим
образом:
1. Величина R^/C^ = p представляет собой информационную загрузку сети,
а обратная ей величина 1/р может интерпретироваться как коэффициент
запаса по пропускной способности. Очевидно, что из
следует:
^ = El £l: = i ^z
С ID ТУ r\ T? '
v l\y /vy U /vy
где i?2 — среднестатистические значения интенсивности трафика, направляемого в г-ый луч.
2. Для каждого интервала стационарности j и луча г вычислить:
д
11 Rz Rx P'
где Rjj — текущее значение требуемой пропускной способности, определяемое
посредством случайной выборки,
3. Определить текущие информационные потери следующим образом:
Ig = {Ay при Аг>->0
#1 [0 при А2><0
4. Вычислить средние относительные информационные потери путем
осреднения по лучам и интервалам стационарности:
т К
где К — длина серии испытаний (количество рассмотренных интервалов стационарности).
С целью оценки эффективности способов распределения пропускной
способности ретранслятора рассмотрим три варианта решения этой задачи:
1. Равномерное фиксированное распределение мощности ретранслятора по
всем лучам. В этом случае ^/(^ р) = 1 /(rap).

218
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
2. Перераспределение с использованием т передатчиков разной мощности,
выбираемой в соответствии со статистикой, приведенной в таблице 1.1.11.2.
3. Перераспределение с использованием т групп переменного объема из
большого числа одинаковых усилителей мощности.
Результаты статистического эксперимента для 8 лучей приведены в таблице
1.1.11.3.
Таблица 1.1.113
Средние относительные информационные потери при разных способах
перераспределения пропускной способности
р
0,7
0,8
0,9
0,95
Номер варианта
i
0,0352
0,0722
0,1198
0,1720
0,1981
2
0,0097
0,0265
0,0564
0,1006
0,1269
3
0
0
0
0,0093
0,0404
На рис. 1.1.11.16 представлены зависимости информационных потерь от
загрузки сети, наглядно демонстрирующие преимущества способов
перераспределения энергоресурсов ретранслятора перед фиксированным распределением.
Например, при допустимом уровне относительных информационных потерь 1%
использование передатчиков с разной мощностью и групп одинаковых
усилителей разного объема позволяет потенциально при прочих равных условиях
повысить пропускную способность сети в рассматриваемом примере соответственно
на 40% и 70%. Наилучшие результаты дает использование групп одинаковых
усилителей мощности. Это справедливо при большом числе усилителей (малом
дискрете перераспределения мощности между лучами). Приведенные на рисунке
характеристики получены при использовании 4 усилителей на луч. Однако,
особенно при большом числе лучей, неизбежные аппаратурные потери, связанные в
первую очередь с необходимостью суммирования мощности от многих
усилителей, могут «съесть» значительную часть потенциального выигрыша. Применение
усилителей разной мощности требует наличия априорных сведений о статистике
трафика в сети. Отсутствие или неточность таких сведений не оставляет ничего
другого, как фиксированно и равномерно распределить пропускную способность
между лучами.
Поскольку при изменении скорости передачи пропорционально изменяется
полоса занимаемых сигналом частот, эффективное использование частотного
ресурса возможно при его согласованном перераспределении путем смены в
каждом из передающих лучей тактовых и несущих частот (рис. 1.1.11.17). Тем не
менее, перераспределение пропускной способности между передающими лучами
приводит к снижению кратности использования частот.

1.1. Спутниковые сети связи с использованием геостационарных ретрансляторов
219
10"
10-
т = 4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1,0
Рис. 1.1.11.16. Информационные
потери при различных
способах распределения
ресурсов между лучами
ретранслятора
1 — одинаковая пропускная
способность лучей,
2 — коммутируемые усилители
разной мощности,
3 — коммутация маломощных
усилителей с помощью матрицы
Батлера.
fl!
-Р*
д/2
Д/з
/з"
шшт
^г
Д/2*
А/з*
Рг/с. 1.1.11.17. Перераспределение полосы частот между лучами
fiifi ) ~~ несущая частота z-ro передающего луча
Afi — полоса частот, занимаемая 2-ым передающим лучом
/i —суммарная полоса частот БРТК ретранслятора

220 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таким образом, проблема борьбы с информационными перегрузками в ССС
стоит значительно острее, а решается существенно сложнее, чем в наземных
сетях связи, и задача экономного использования дорогостоящих связных
ресурсов ретрансляторов должна решаться комплексно с использованием известных
методов.
1.2. СЕТИ СВЯЗИ НА БАЗЕ НЕГЕОСТАЦИОНАРНЫХ
РЕТРАНСЛЯТОРОВ
В настоящее время наряду с ГССС, много лет успешно функционирующими
в режиме коммерческой эксплуатации, на начальном этапе предоставления услуг
связи и в процессе проектирования находятся множество ССС нового типа,
которые потенциально могут обеспечить своим пользователям более широкий
спектр услуг с более высоким качеством. Это ССС на негеостационарных
орбитах (НССС), включая низкоорбитальные сети — LEO, в состав орбитальных
группировок которых входят от десятков до сотен КА. Последние успехи в
области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить
массовое производство космических аппаратов данного типа.
Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным
абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных районах, в районах
Крайнего Севера и приполярных областей, а также совершенствование конструкции
и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в
совокупности с применением новых информационных технологий значительно
повысили интерес к этим сетям связи. Даже в странах с развитой инфраструктурой
связи около 35% потребностей в услугах связи могут обеспечить только НССС.
Необходимо отметить, что, например, создание необходимой структуры на базе
волоконно-оптических линий связи только в одном штате Калифорния (США)
потребует 15 млрд. долларов, а суммарный объем капитальных вложений на
переход от медных кабелей на стекловолокно составит в США около 700 млрд.
долларов [1.2.1].
Современные условия характеризуются непрерывным расширением рынка и
качества новых услуг связи (в настоящее время потенциальная прибыль
персональных и подвижных спутниковых служб оценивается величиной в 60 млрд.
долларов в год [1.2.2]), которые в сочетании с отсутствием развитой инфотеле-
коммуникационной структуры большинства стран мира обуславливают
актуальность решения задачи по использованию новых нетрадиционных технологий при
сравнительно небольших финансовых затратах. Одним из решений этой задачи
является использование НССС.
Ранее НССС широко использовались исключительно в военных целях и реже —
в научных. Но в последние годы мировому сообществу были успешно
продемонстрированы технологические преимущества данных сетей. Правда, этого нельзя
сказать об использованных в них бизнес-моделях (в частности, из нескольких
компаний, развернувших низкоорбитальные спутниковые сети, НССС LEO Iri-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 221
dium и Globalstar воспользовались для защиты от кредиторов соответствующими
статьями закона о банкротстве).
Как уже упоминалось в разделе 1.1., ГССС имеют такие существенные
недостатки, как:
1. Большое время распространения радиосигналов между абонентами (около
250 мсек), что приводит к появлению эффекта эха. Эта же причина объясняет
и высокую стоимость наземных станций ГССС (особенно станций-шлюзов
при передаче информационных потоков на скоростях свыше 2 Мбит/с) из-
за необходимости обеспечения требуемых энергетических характеристик
космических радиолиний. Каждая ЗС представляет в этом случае
достаточно громоздкую сложную конструкцию, для размещения которой не
всегда легко отыскать место (особенно в городе) и обеспечить её сопряжение
с наземными сетями связи. Это привело к тому, что ГССС обладают
высокой стоимостью эксплуатации, требуют использования мощных
передатчиков, используют в основном стационарные ЗС с зеркальными
параболическими антеннами, имеют ограничения по мобильности абонентов. К тому
же и стоимость терминалов составляет свыше нескольких тысяч долларов.
2. Пространственный дефицит для размещения новых СР на
геостационарной орбите (в частности, из-за необходимости обеспечить требования
электромагнитной совместимости различных ССС).
3. Невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах и др.
Этих недостатков нет у НССС, либо они выражены в меньшей степени.
Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС являются:
• меньшая высота орбит КА (от 700-1500 км - у LEO, до 10000-20000 км -
у МЕО, и, как следствие, существенно меньшая задержка распространения
сигналов;
• небольшие энерго- и массогабаритные характеристики КА. Например,
масса низкоорбитальных КА, как правило, не превышает 250-750 кг;
• высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность
времени радиовидимости (например, в LEO средняя продолжительность
времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи
составляет только 6-7 минут). Вследствие этого в конце 80-х годов точное
предварительное позиционирование антенн абонентов было сложно
реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью фазированных
антенных решеток;
• высокие доплеровские сдвиги частот (около +/-40 кГц в 1-диапазоне);
• использование более высоких, чем для ГССС, углов возвышения антенн
терминалов, например 20°-40°, что обеспечивает надежность связи около
99,9%, и др.
Другие отличия LEO НССС от ГССС приведены в таблице 1.2.1. (в таблице
Условно LEO разбиты на два класса: небольшие (весом до 125 кг) и большие
(весом до 500-700 кг).
Первыми широкомасштабными системами НССС были российские МЕО-систе-
ма с тремя спутниками на эллиптической орбите «Молния» [1.2.3] и LEO-система

222
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.2.1
Основные качественные характеристики НССС и ГССС
Характеристика
Параметры орбиты
Диапазон частот
Масса, кГ
Число спутников
Сложность системы
Цена построения, запуска
и использования
Небольшие LEO
Около 2000 км
около 500 МГц;
1,6 и 2,5 ГГц
40-125
2-48
Низкая
Низкая
Большие LEO
от 750 до 1300 км
1,6 и 2,5 ГГц
350-500
12-66;
Teledesic - 288
Высокая
Очень высокая
Геостационарные
36000 км
19 и 29 ГГц
до 1200
1-12
В целом высокая
Высокая и очень
высокая
Технические характеристики системы
Необходимая мощность
Терминал
Тип антенны
Ограничения
по перемещению
Низкая
Ручной
Слабонаправленная
(штыревая)
Средние
Низкая
Ручной
Слабонаправленная
(штыревая)
Высокие
Высокая
Стационарный
Направленные
зеркальные
антенны
Очень высокие
Условия распространения радиоволн
Чувствительность
к затуханию в дожде
Степень проникновения
через листву
Степень проникновения
в здания
Интерференция из-за
многолучевости
Шумовые характеристики
Низкая
Высокая
Низкая
Средняя
Высокие
Средняя
Низкая
Низкая
Высокая
Средние
Высокая
Низкая
Очень низкая
Высокая
Средние
Доступный сервис
Определение
местоположения
Фиксированный терминал
Мобильный терминал
Передача данных
Передача речи
Стоимость терминала, $
Месячная абонентская
плата
Да
Да
Да
Да
Да
50-500
Низкая
Да
Да
Да
Да
Да
более 1000
Высокая
Да
Да
Да
Да
Да
Более 2000
Высокая

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
223
Рис. 1.2.1. Зона обслуживания НССС Indium
X
Рис. 1.2.2. Орбитальная группировка
НССС Globalstar
«Стрела» [1.2.4]. В тот же период времени аналогичные системы появились и за
рубежом. Первой коммерческой являлась LEO-система Iridium [1.2.5]. Каждый
из 66 спутников Iridium действует как коммутатор, маршрутизируя вызовы
непосредственно с одного на другой. Поэтому два пользователя телефонов НССС
Iridium, находящиеся в любой точке мира, могут связываться между собой
независимо от какой-либо наземной инфраструктуры через межспутниковые линии
связи. На рис. 1.2.1 представлена зона обслуживания этой системы, состоящая
из множества парциальных зон обслуживания каждого СР.
Для уменьшения стоимости и сложности сети связи в НССС Globalstar [1.2.6]
(стала предоставлять услуги в конце 2000 г.) используется меньшее число К А в
орбитальной группировке (рис. 1.2.2), а абонентский трафик направляется от

224 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
спутников-ретрансляторов к станциям-шлюзам и далее по наземной
телекоммуникационной инфраструктуре.
Орбитальные группировки (ОГ) НССС Indium и Globalstar были выбраны
таким образом, чтобы в зоне видимости абонента находился один или более
спутник-ретранслятор. Системы другого класса, например Orbcomm и «Гонец»
[Gonetz] [1.2.4,1.2.7], предоставляют более дешевый, ориентированный на
передачу данных, сервис по доставке сообщений в режиме нереального времени.
Если спутршк отсутствует в зоне радиовидимости наземного терминала, то
данные, предназначенные для передачи, хранятся в его запоминающем
устройстве до момента входа спутника в его зону видимости и только после этого
передаются.
Несмотря на сложности развертывания указанных систем и не совсем удачный
первый опыт их коммерческой эксплуатации (например, Indium), несколько НССС
будут запущены в течение ближайших нескольких лет. Наиболее амбициозным
из класса LEO-проектов является НССС Teledesic [1.2.8], в которой будут
использоваться межспутниковые линии связи для передачи данных со скоростью
64-155 Мбит/с. Европейский же проект фирмы Alcatel — НССС Skybridge
[1.2.9] не предусматривает использование межспутниковой ретрансляции и
бортовой обработки сигналов.
Реализация сложных механизмов коммутации и слежения на каждом спутнике
приводит к увеличению стоимости услуг связи и снижению надежности.
Поэтому для удешевления проекта Alcatel решила сохранить архитектуру
ретрансляции, традиционную для ГСР, а также использовать в системе только iCw-диапа-
зон, что снижает потери энергии сигнала при распространении через атмосферу.
В НССС ICO [1.2.10], которая относится к классу МЕО — среднеорбиталь-
ных систем, задержка и её вариация имеют промежуточные значения между
значениями для LEO и GEQ Это обстоятельство свидетельствует о
привлекательности систем МЕО для предоставления интегральных услуг связи. Корпорация
Hughes также намеревается вывести на орбиту один спутник МЕО в качестве
«орбитального резерва» для своей ГССС Spaceway [1.2.11], зону обслуживания
которой составляет Северная Америка (Spaceway должна стать платформой для
широкополосной версии DirecPC со скоростью передачи до 6 Мбит/с, при этом
в ней не будет эхо-сигналов). Orbital Sciences в своей системе OrbLink [1.2.12]
для охвата всей поверхности Земли будет также использовать спутники МЕО с
передачей в У-диапазоне C8 и 48 ГГц).
Данная часть книги посвящена анализу НССС, методам и моделям их
исследования.
1.2.1. Основные особенности построения и проблемы
проектирования негеостационарных спутниковых сетей связи
Кроме указанных в предыдущем разделе, НССС имеет и ряд других
особенностей.
Параметры орбиты К А в НССС во многом определяют потребительские
свойства сети связи, размеры и вес персональных спутниковых терминалов. Одним

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 225
из параметров орбиты низкоорбитального КА является угол наклонения орбиты —
угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли. Чем меньше этот
угол, тем уже зона обслуживания НССС. Зона видимости (зона, из любой точки
земной поверхности которой виден КА) в каждый момент времени имеет форму
круга с центром в подспутниковой точке, а её размер зависит от высоты орбиты.
Для низкоорбитальных КА радиус зоны видимости составляет несколько тысяч
километров, например для высоты 1000 км радиус равен около 3000 км. С
увеличением угла наклона орбиты зона видимости расширяется в направлении
севера и юга от экватора. Для обеспечения глобальной связи целесообразно
использовать полярные (с наклонением 90 градусов) и околополярные орбиты —
это орбиты, проходящие через условную ось вращения Земли. Для обеспечения
региональной связи или связи в большинстве густонаселенных районов мира
достаточно использовать орбитальные группировки с наклонением орбиты
менее 90 градусов — такие орбиты используются в системах Globalstar (наклонение
52 градуса), «Гонец» (наклонение 83 градуса) и др.
Время, в течение которого можно наблюдать низкоорбитальный КА, для
большинства НССС не превышает 15 минут. Поэтому для обеспечения
непрерывной связи между абонентами необходимо создание такой орбитальной
группировки, при которой достигается непрерывность зоны видимости для сети
космических аппаратов. Чтобы обеспечить связь между абонентами не только
внутри зоны видимости одного КА, но и на всей зоне обслуживания НССС,
необходимо обеспечить связь между различными КА в орбитальной группировке
НССС с применением либо межспутниковых линий связи, либо наземных
шлюзовых (базовых) станций. В последнем случае эти станции выполняют также и
функции средств сопряжения с наземными сетями связи. Очевидно, что для
обслуживания абонентов на всей поверхности Земли необходимо большое число
спутников. Например, при использовании орбит с высотой от 700 до 1500 км
необходимо иметь от 70 до 40 спутников соответственно, так как с увеличением высоты
орбиты требуемое количество спутников в орбитальной группировке уменьшается
из-за возрастания зоны видимости. Это приводит, в общем, к снижению стоимости
вывода всей орбитальной группировки НССС и стоимости предоставляемых
услуг связи. Однако в этом случае, во-первых, усложняются и удорожаются
наземные пользовательские терминалы за счет увеличения длины линий связи, а во-
вторых, возрастает сложность БРТК, так как при увеличении зоны
обслуживания (и, соответственно, числа абонентов, одновременно находящихся в зоне
обслуживания одного КА) возрастают служебные затраты (в конечном счете,
мощности и полосы частот) на организацию информационного обмена. В то же время
при увеличении высоты орбиты снижаются служебные затраты на обеспечение
непрерывности соединений (сеансов связи) между пользователями НССС.
Таким образом, число спутников в орбитальной группировке НССС является
результатом компромисса между стоимостью, возможностями и географией
оказания услуг связи, с одной стороны, и простотой и ценой спутникового
терминала, с другой. Проблеме выбора параметров орбитальной группировки НССС
посвящено достаточное количество работ, и в 1.2.3 приводятся обобщающие
результаты исследований основных системных параметров каждого типа
орбитальных структур.

226 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В настоящее время окончательно не определены место и роль НССС в
системах связи различных стран и регионов, в рамках их национальных программ
построения телекоммуникационной инфраструктуры информатизации. Это
объясняется, в частности, тем, что [1.2.1.12, 1.2.1.13]:
а) нет большого опыта производства и коммерческой эксплуатации
многофункциональных и широкомасштабных НССС;
б) первые коммерческие проекты НССС появились в момент уже
сложившегося рынка услуг, предоставляемых спутниковыми системами связи,
построенными на базе ГСР, а также на начальном этапе наземных систем
сотовой связи. Сейчас уже очевидно, что необходимо было проведение
широких маркетинговых исследований для определения круга
потенциальных пользователей (абонентов) НССС. Однако, поскольку процесс
проектирования и ввода в эксплуатацию НССС достаточно длительный
(как показывает мировой опыт, он занимает около десяти лет), то
существует большая вероятность изменений на рынке услуг связи. Эти
обстоятельства определяют высокий риск внедрения новых спутниковых
технологий и ввода их в коммерческую эксплуатацию. В частности, допущенные
просчеты в маркетинговых исследованиях для НССС Iridium,
технологические основы которой были перенесены из проектов Министерства
обороны США, привели к неудачам: в параметры бизнес-модели
системы были заложены неоправданно большое число корпоративных
клиентов и высокие тарифы на единственную услугу связи, которую могла
предоставить эта система. И даже десятикратное снижение этих тарифов уже
в процессе коммерческой эксплуатации не спасло систему от
финансового краха;
в) методы детального анализа и проектирования коммерческих НССС
развиты недостаточно. Это приводит в конечном счете к невозможности
достаточно точного расчета экономической эффективности НССС, к
ошибочным решениям при построении БРТК и всей системы в целом и др.
Однако даже в таких неопределенных условиях стремление многих фирм-
производителей спутниковых систем связи захватить новый рынок
потенциальных потребителей привело к появлению в конце 90-х годов множества
отечественных и зарубежных проектов НССС [1.2.5-1.2.12]. В разделе 1.2.2. проведено
достаточно полное исследование, результатом которого является сравнительный
анализ преимуществ и недостатков НССС со спутниковыми сетями других
типов. В определенной степени эти результаты позволяют определить место и роль
НССС в будущей телекоммуникационной инфраструктуре.
Очевидно, что вновь создаваемые НССС должны быть интегрированы в
сложившуюся структуру телекоммуникационных систем, не противоречить их
принципам построения и стандартам информационного взаимодействия. Эта
интеграция должна быть выполнена на нескольких уровнях: структурном,
логическом, физическом и др. Необходимо также сказать, что технический облик
космических аппаратов, БРТК и принципы построения НССС могут существенно
отличаться от тех, которые оптимальны, если бы проектирование НССС
выполнялось вне зависимости от уже существующих систем ФСС и ПСС.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 227
Вследствие необходимости создания единого информационного пространства
спутниковых систем связи ГССС и НССС перед разработчиками встают задачи
разработки концепции, принципов и методов технической реализации такой
интеграции. Эти исследования должны затрагивать, например, такие типовые для
ССС задачи, как: использование необходимых диапазонов частот из выделенных
международными регламентирующими органами полос, выбор типа и числа
антенных систем БРТК, необходимость обработки сигналов на борту и
использования мощных вычислителей, нужны ли межспутниковые линии связи (например,
между космическими аппаратами НССС, между КА НССС и геостационарным
ретранслятором), или целесообразно обеспечить информационный обмен в НССС
с использованием региональных наземных станций; какие методы и протоколы
многостанционного доступа и разделения каналов связи использовать в различных
радиолиниях НССС и т.д. Отметим, что вне зависимости от топологии сети связи,
в любой из них будут присутствовать наземные управляющие станции (или только
координирующие, или также выполняющие функции шлюзов с наземными сетями
связи). Имеется большое количество работ, которые посвящены выбору числа
таких станций и точек их размещения на земной поверхности. Однако в качестве
управляющих параметров оптимизации в них использовались топологические
характеристики, определяемые только баллистическими параметрами ОГ
(кратность зон радиовидимости этих наземных станций и спутников-ретрансляторов,
длительность сеансов связи и т.п.). Поэтому решение этой задачи в отсутствие
параметров информационного обмена, таких как наличие служебного трафика от
спутников-ретрансляторов к данным станциям, размещение информационно-
справочных баз данных на борту ретрансляторов или на наземных станциях,
объемы этих баз данных, выбор быстродействия вычислительных средств (бортовых
или наземных) и выбор пропускной способности фидерных (между данными
станциями и спутниками-ретрансляторами) линий связи не позволяет считать
решение этой задачи законченным. Исследования в разделе 1.2.6 в какой-то
степени компенсируют недостатки известных исследований других авторов.
Реализация каждой концепции приводит к вполне определенному техническому
облику космических аппаратов НССС. Очевидно, что каждая концепция
построения НССС эффективна только во вполне определенной области её применения.
При проектировании НССС решение задач, достаточно традиционных и
«стандартных» для спутниковых геостационарных систем связи, существенно
усложняется. Более того, возникает ряд новых проблем и задач. Это связано,
прежде всего, с ограничениями:
а) на концептуальном уровне, поскольку существующие сети и системы
связи уже занимают определенные позиции на рынке потребителей, а срок
развертывания ССС достаточно продолжительный. Необходимо отметить,
что проектировщики существенно ограничены в выборе типа
ракетоносителей, с использованием которых производится вывод всей О Г;
б) на техническом уровне: высокая динамика изменения топологии сети,
низкий энергетический потенциал радиолиний при работе на персональный
терминал с ненаправленной антенной, эффект Доплера, многолучевость
распространения, эффект «дальний-ближний», неоднократный разрыв каналов

228 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
связи в течение времени соединения при переходе абонентов из зон
обслуживания одних лучей в другие, от одного ретранслятора к другому и др.
При проектировании БРТК КА НССС перед разработчиками встают
множество проблем, таких как, например:
— выбор антенных систем, числа лучей и их формы; какие применять
протоколы многостанционного доступа в служебных (запросных) каналах
связи и методы разделения (уплотнения) информационных каналов;
— какие использовать алгоритмы управления информационными потоками;
— использовать ли комбинированное построение системы: с
управляющими наземными региональными станциями, с межспутниковой
ретрансляцией или без неё и др.
Поэтому решение проблемы эффективного использования мощности и
полосы в НССС и построения системы информационного обмена требуют
нетрадиционных решений. Например, на наземных станциях ГССС, выполняющих
функции шлюзов с другими сетями связи, применяется мультиплексирование
множества потоков от различных абонентов, в то время как в НССС каждый
абонент, по сути, является отдельной наземной станцией, территориально разнесенной
от других станций. Или, например, решение задачи выбора протоколов
многостанционного доступа и маршрутизации в НССС, использующих
межспутниковые линии связи для ретрансляции, должно быть проведено только совместно, в
отличие от ГССС, где проблема маршрутизации присутствует в существенно
усеченном виде либо вовсе отсутствует. В наземных же сетях связи задачи
маршрутизации успешно решаются, однако проблема многостанционного доступа
практически отсутствует, поэтому известные результаты проектирования
наземных сетей связи не могут быть прямо применены к их использованию в НССС
и т.д. Более того, отдельный, но достаточно распространенный на практике класс
протоколов многостанционного доступа к радиоканалам связи Aloha имеет
отрицательное свойство приводить радиоканал к состоянию неустойчивого
функционирования, которое характеризуется резким снижением пропускной
способности. Поэтому важно знать и использовать методы, которые устраняют или
снижают до приемлемого минимума этот недостаток. В данной части книги
анализируются эти проблемы.
Даже из небольшого перечня задач видно, что концепции построения и
технический облик НССС и космических аппаратов должны отличаться от известных
для ГССС и наземных телекоммуникационных систем. В то же время
математический аппарат и методы комплексных исследований НССС развиты
недостаточно. В связи с этим имеющихся в литературе результатов исследований,
подтвержденных практикой, явно недостаточно. Вследствие этого, если сравнить
концепции построения проектируемых или заявленных ранее проектов НССС,
видно, что каждая из этих систем уникальна по своим принципам построения.
Более того, принципы построения этих систем взаимоисключающие, а
некоторые базовые технические решения, принятые к реализации на начальных этапах
системотехнического проектирования, были просто неоправданны. Это говорит,
в частности, и о том, что до настоящего времени нет глубоких концептуальных
проработок построения НССС, недостаточно полно разработана система полу-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 229
чения качественных и количественных оценок тех или иных альтернативных
вариантов построения сетей.
Необходимо, правда, отметить, что в настоящее время в вопросах оценки
топологических характеристик НССС, баллистики, построения орбитальной
группировки и выборе её параметров имеется достаточное число моделей и результатов, в
частности, по расчету длительности зон видимости, влиянию несфазировашюсти
КА на орбите на вероятность наличия зон видимости и др. [1.2.1.1-1.2.1.4]. Эти
модели и результаты были разработаны и получены, а также непрерывно уточнялись,
начиная с запуска первых искусственных спутников Земли. Поэтому расчет этих
показателей в общем не вызывает затруднений. Но эти имеющиеся результаты не
полностью объясняют концептуальное построение НССС, особенно в части
организации информационного взаимодействия и предоставления услуг связи, а также не
облегчают выбор ряда технических параметров всей НССС и БРТК. Весьма
вероятно (за исключением, пожалуй, НССС Odyssey [1.2.1.5] и Teledesic) все различного
назначения орбитальные группировки известных проектов строились, исходя во
многом из имеющегося опыта использования НССС в других приложениях,
особенно военного назначения, а также наличия определенного класса ракетоносителей,
но совсем не из результатов оптимизации по обобщенному критерию
эффективности. На начальных этапах проектирования НССС для определения технического
облика сети желательно иметь достаточно простые аналитические или гибридные
(имитационные и аналитические) модели для получения количественных оценок
основных параметров сетей. В разделе 1.2.5. предложена одна из таких моделей.
Традиционно в качестве обобщающих показателей эффективности спутниковых
систем связи и передачи информации используются пропускная способность или
прибыль, стоимость создания и эксплуатации, либо относительные величины.
Пропускная способность сети связи наиболее часто определяется как [1.2.3-1.2.12]:
• либо максимально возможный трафик, пропущенный системой с
заданным качеством,
• либо максимальное число каналов, одновременно функционирующих в
сети связи, которые обеспечивают заданное качество обслуживания.
Традиционно в виде косвенной характеристики пропускной способности
используют также и вероятностно-временные характеристики информационного
обмена: задержку доставки или передачи информации, задержку предоставления
каналов связи, вероятность блокировки каналов связи и др. [1.2.1.6-1.2.1.11].
Все эти показатели будут использованы в данной части книги.
1.2.2. Преимущества и недостатки ССС,
использующих негеостационарные орбитальные
группировки ретрансляторов
Негеостанционарными группировками спутников-ретрансляторов являются
СР, размещенные на круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также
на эллиптических орбитах. Разновидности орбит ретрансляторов, используемых
в ССС, показаны на рис. 1.2.2.1.

230
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Орбитальные
группировки
Геостационарные
(GEO)
Нестационарные
Эллиптические
(ЕЕО)
Низкоорбитальные
(LEO)
h = G00-1500) км
Среднеорбитальные
(МЕО)
h = A0-20) тыс. км
Рис. 1.2.2.1. Орбиты спутников связи
Эллиптические орбиты ЕЕО {Elliptical Earth Orbit} привлекательны для
избирательного покрытия одного из земных полушарий. На рис. 1.2.2.2. показана
12-часовая эллиптическая орбита, покрывающая, за исключением
приэкваториального пояса, северное полушарие. Высота точки перигея орбиты выбирается
минимально возможной с учетом дестабилизирующего влияния остаточной
атмосферы Земли и составляет примерно 500 км. Поскольку скорость движения
СР по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он быстро пересекает
на низких высотах южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 90
градусов в течение длительного времени «зависает» над северным. Высота точки
апогея 12-часовой эллиптической орбиты сопоставима с высотой
геостационарной орбиты и составляет примерно 40000 км. Для непрерывного покрытия
полушария во времени достаточно трех спутников, длительность сеанса связи с
каждым из которых равна 8 часов. Орбиты с аналогичными параметрами впервые
были использованы для советских радиовещательных спутников раннего
поколения «Молния», поэтому их часто называют орбиты типа Молния (Molniya
Orbit). Наряду с отмеченными достоинствами, эллиптическим орбитам присущи и
существенные недостатки: значительное изменение дальности в течение сеанса
связи, большой доплеровский сдвиг частоты, необходимость использования на
ЗС следящих антенных систем, сложность и высокая стоимость вывода тяжелых
спутников связи на орбиты с большим углом наклонения.
Заслуживает внимания также и баллистическая структура системы
«Кентавр», предложенная российскими разработчиками [1.2.2.1]. Баллистическая
структура системы обеспечивает реализацию эффекта псевдогеостационарности
(неподвижности спутника) над широтой около 63 градусов. Эффект
обеспечивается развертыванием четверки спутников на особых двенадцатичасовых высоко-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
231
Рабочая часть орбиты 1 6
11
Рис. 1.2.2.2. Эллиптическая орбита
эллиптических орбитах. Каждая четверка спутников является одним базовым
сегментом системы. В базовом сегменте обеспечивается синхронизация
включения/выключения бортовых ретрансляторов на апогейных участках орбиты. Так
как на этих участках спутники практически неподвижны относительно земной
поверхности, для аппаратуры потребителя создается эффект непрерывного
положения космической станции в одной точке. Один базовый сегмент
обеспечивает две зоны неподвижности (позиции), что, по сути, эквивалентно
развертыванию двух геостационарных спутников связи. Полная автономность сегментов
позволяет последовательно развертывать новые сегменты (без взаимной
синхронизации) в интересах новых пользователей, в целях расширения зон
обслуживания или повышения пропускной способности.
Фактически данная система использует новый природный ресурс — два кольца
псевдогеостационарности ретранслятора (Северное и Южное полушарие) над
широтой 63 градусов, что в совокупности близко к объему геостационарной орбиты.
Данный класс орбитальных группировок имеет следующие особенности:
• использование нового природного ресурса — псевдогеостационарной
орбиты, реализующей принципы геостационарной, но на широтах 63°;
• значительные углы видимости на территориях выше широты 35°, где
расположены государства с максимальным объемом трафика — Европа, США,
Канада, а также Россия и страны СНГ. Как следствие этого — устойчивая
работа в условиях пересеченной местности и городской застройки;
• возможность поэтапного развертывания широкомасштабной системы
спутниковой связи с практически глобальным покрытием, запуска в
коммерческую эксплуатацию уже на первом этапе с относительно небольшими
начальными финансовыми вложениями;
• возможность использования РН легкого класса, отсутствие квот и
очередей на запуски спутников системы.
Высота круговых орбитальных группировок на низких орбитах LEO лежит в
пределах от 700 до 1500 км. Ограничение снизу обусловлено наличием остаточной

232 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
атмосферы Земли, а сверху — околоземными радиационными поясами Ван Ал-
лена, снижающими надежность и долговечность главным образом первичных
источников питания, а также радиоэлектронной аппаратуры. Как ранее уже
отмечалось, низкоорбитальные ретрансляторы принято подразделять на небольшие
(Little LEO) и большие (Big LEO).
Простые и дешевые малые ретрансляторы в НССС используются для
низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений, в том числе и речевых
в цифровой форме. Интерактивный режим информационного обмена не
предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают
некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного
сегментов сети и, соответственно, предоставляемых информационных услуг. В
процессе функционирования вследствие воздействия различных дестабилизирующих
факторов параметры орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить
полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных
сетях передача сообщений обычно осуществляется в режиме электронной почты
и сводится к следующему: пользователь-отправитель цифрового сообщения
набирает его на своем терминале и включает его в режим прослушивания. Формат
сообщения предусматривает включение в его служебную часть адресов
отправителя и получателя, а также информации об объеме сообщения. Когда, спустя
некоторое время ожидания tOM > 0, терминал оказывается в зоне обслуживания
одного из ретрансляторов группировки, он получает от ретранслятора значения
частот информационных каналов и ответного канала и передает свои сообщения
на спутник с использованием протоколов множественного доступа Р- или S-Alo-
ha. При передаче более объемных сообщений могут быть использованы
протоколы с предоставлением каналов по требованию. Правильно принятое сообщение
демодулируется ретранслятором и заносится в бортовую память. Далее, в
течение некоторого времени переноса tn > О, сообщение физически переносится
ретранслятором до тех пор, пока в зоне его обслуживания либо не окажется
терминал пользователя-получателя, на который оно и «сбрасывается», либо земная
координирующая станция, которая осуществляет ретрансляцию данного
сообщения по наземной сети связи или через другой спутник-ретранслятор, время
пролета которого к терминалу получателя меньше, чем данного ретранслятора. Для
обеспечения нормального функционирования сети каждый ретранслятор должен
непрерывно обновлять и пополнять текущий список адресов пользователей,
находящихся в данный момент времени в зоне его обслуживания (такой подход
часто называют сетью со «скользящими» зонами обслуживания). Время
ожидания сеанса связи toyK > 0 может колебаться от нескольких миллисекунд до
нескольких минут. Время переноса tn^0 лежит в пределах от миллисекунд (если
отправитель и получатель находятся в зоне обслуживания одного и того же
ретранслятора) до нескольких часов. Упрощенные прототипы рассматриваемых
сетей на базе малых низкоорбитальных ретрансляторов начали
эксплуатироваться еще со второй половины 60-х годов, например система Courier (США).
Аналогичная система чуть ранее была создана и в бывшем СССР [1.2.4]. С целью
привлечения пользователей подобных систем необходимо повышать их
оперативность и расширять круг информационных услуг. Оперативность может быть
резко увеличена путем использования межспутниковых каналов (линий) связи

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 233
(ISL Inter-Satellite Links). В пределах зоны обслуживания возможна
организация телефонных каналов. Однако наличие в подобных системах «скользящей»
зоны обслуживания не гарантирует представления телефонного канала даже
паре близкорасположенных пользователей и необходимую длительность
установления соединения. Примерами сетей, использующих малые ретрансляторы,
являются системы Гонец, Orbcomm, Starsys.
Большие низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС,
обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания
сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного
обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к
реальному. При этом во избежание возникновения «брешей» в области обслуживания
необходимо с весьма высокой точностью поддерживать расчетные баллистические
параметры орбитальной группировки, что возможно лишь при периодической
коррекции этих параметров в процессе эксплуатации сети. Для этого каждый
^транслятор снабжается системой коррекции орбиты (двигательная установка +
еоответствующий запас топлива + подсистема приема, распределения и исполнения
команд), а наземный сегмент дополняется командно-измерительными станциями.
В основе построения ССС на базе больших низкоорбитальных
ретрансляторов лежит принцип, аналогичный используемому в наземных сотовых сетях
связи. Область обслуживания сети разбивается на ряд фиксированных зон
обслуживания. Геометрические размеры и размещение зон обслуживания на
поверхности Земли определяются концепцией построения сети, в частности
параметрами орбитальной группировки ретрансляторов. Каждый из пользователей
сети «приписывается» к конкретной зоне обслуживания. В любой момент
времени каждая зона обслуживается как минимум одним из ретрансляторов
группировки. Динамика движения спутников по орбитам и вращение Земли
приводят к тому, что одна и та же зона обслуживается в различные интервалы времени
разными ретрансляторами. В результате возникает необходимость в
реконфигурации каналов связи сети, поскольку часть каналов «разрывается» и заменяется
вновь организуемыми каналами. Реконфигурация каналов отрицательно
сказывается на качестве информационного обмена, и следует стремиться к
минимизации частоты этих событий. Количественной оценкой частоты реконфигурации
каналов связи является средняя (или, что менее объективно, максимальная)
продолжительность сеанса связи ретранслятора с зоной обслуживания.
„ Первые проекты глобальных НССС появились в конце 70-х — начале 80-х
годов. Предлагались достаточно сложные группировки с ретрансляторами на
орбитах разной высоты и наклонения (в пределах одной сети). Позднее
общепризнанными стали О Г с ретрансляторами, размещенными на орбитах одинаковой
высоты и наклонения, с равномерным распределением плоскостей орбит в
пространстве, а ретрансляторов — в пределах каждой плоскости. Основными
параметрами подобных группировок являются:
• высота орбиты — h;
• угол наклонения орбитальных плоскостей — /';
• количество орбитальных плоскостей — пп;
• число спутников в каждой орбитальной плоскости — пс;
• общее число спутников в группировке п = пи' пс.

234
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Наземная межзоновая сеть связи
зона обслуживания
зона обслуживания
зона обслуживания
Рис. 1.223. Организация мезоновой связи при помощи наземных каналов
СР ~ спутник-ретранслятор, Б С - базовая станция,
АЛ - абонентская линия, ВФЛ - внутризоновая фидерная линия
Одной из ключевых проблем при разработке НССС является организация
межзонового информационного обмена, необходимого для поддержания связи между
пользователями, находящимися в разных зонах обслуживания. Для этого
необходима межзоновая сеть связи (МСС). Вне зависимости от способа организации каналов
связи между зонами к МСС предъявляются следующие основные требования:
• топология сети должны быть разветвленной настолько, чтобы
обеспечивать приемлемо малые задержки при передаче;
• топология сети должна быть максимально устойчивой во времени, иначе
возникает необходимость реконфигурации каналов связи МСС, что
существенно ухудшает качество связи.
Рассмотрим основные преимущества и недостатки возможных вариантов
организации межзоновой сети связи.
1. С использованием наземных (кабельных, волоконно-оптических,
радиорелейных) каналов связи (рис. 1.2,2.3). В этом случае в каждой зоне обслуживания
размещается наземная базовая станция (БС), соединенная с обслуживающим
контролируемую ею зону спутником внутризоновой фидерной линией. Основным

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 235
достоинством рассматриваемого варианта является возможность использования
простых и относительно дешевых спутников с непосредственной ретрансляцией.
Для организации фидерной линии БС и СР должны быть оборудованы
следящими антенными системами с узкими сканирующими лучами. Пространственное
разделение узконаправленных фидерных линий позволяет использовать в них
одинаковые диапазоны частот. Концептуально рассматриваемый вариант
наиболее близок к наземным сотовым сетям связи: ретрансляторы, соединенные с
соответствующими Б С фидерными линиями, выполняют функции «высоких
антенн» сотовой сети. Информационный обмен между пользователями, например,
при коммутации сообщений осуществляется следующим образом. Отправитель
передает по абонентской линии сообщение на обслуживающий его зону
ретранслятор, который по фидерной линии пересылает его без обработки в БС-зоны, БС
демодулирует и декодирует сообщение, выявляет адрес получателя и
принадлежность его к одной из зон обслуживания сети. Если получатель находится в
пределах зоны обслуживания данной БС, то БС по фидерной линии возвращает
его тому же ретранслятору, который и доводит его до получателя. В противном
случае Б С определяет другую станцию, контролирующую зону обслуживания
получателя, выбирает оптимальный маршрут и пересылает к ней сообщение по
наземной сети. Аналогичные процессы происходят при коммутации пакетов и
каналов с той разницей, что при коммутации каналов подобным образом
обрабатываются запросы (вызовы) на установление канала связи. Топология МСС в
рассматриваемом случае не зависит от времени, поэтому установленные соединения
«разрываются» только при реконфигурации абонентских и фидерных линий.
Сложность и стоимость космического сегмента сети среди возможных вариантов
минимальные, а сложность наземного сегмента — максимальная.
2. Использование для связи между базовыми станциями ретрансляторов
группировки (рис. 1.2.2.4). В этом случае, как и в предыдущем, возможно
использование спутников с непосредственной ретрансляцией, но поскольку они
передают не только внутри-, но и межзоновый трафик, их пропускная способность
должна быть выше. Дополнительно ретранслятор оборудуется для замыкания
межзоновых линий тремя-четырьмя приемными узкими сканирующими лучами.
БС также усложняются, поскольку они поддерживают фидерную линию и 3-4
межзоновых линий (БС должны быть оборудованы 4-5 узкими сканирующими
лучами). Наземные каналы исключаются. Маршрутизация информационных потоков
осуществляется в базовых станциях. Канал связи между парой пользователей,
расположенных в разных зонах обслуживания, образуется цепочкой
абонентских, внутризоновых и межзоновых фидерных линий. В рассматриваемом случае
требуется частая реконфигурация всех линий, поэтому вероятность «разрыва»
установленного соединения, если не приняты специальные меры, достаточно
велика (особенно для «длинных» каналов).
3. Использование для связи между зонами обслуживания межспутниковых
каналов (линий) связи (МЛС) (рис. 1.2.2.5). В этом случае необходимость в
использовании БС отпадает, поскольку все их функции возлагаются на ретрансляторы.
Очевидно, что для этого необходимы ретрансляторы с полной обработкой
(демодуляция-модуляция, коммутация на видеочастоте). Связность между зонами обслу-

236
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
СР
СР
БС
зона обслуживания
БС
зона обслуживания
БС
зона обслуживания
Рис. 12.2.4. Организация мезоновой связи с использованием ретрансляторов
группировки и базовых станций
СР — спутник-ретранслятор, БС — базовая станция, АЛ — абонентская линия,
ВФЛ — внутризоновая фидерная линия, МФЛ — межзоновые фидерные линии
СР
СР
Рис. 1.2.2.5. Организация мезоновой связи при помощи межспутниковых линий связи.
СР — спутник-ретранслятор, БС — базовая станция, АЛ — абонентская линия,
МЛС — межспутниковые линии связи

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
237
орбитальные плоскости
Рис. 1.2.2.6. Топологии сети межзоновой связи
живания обеспечивается тремя-четырьмя межспутниковыми каналами на каждый
ретранслятор. Динамика взаимного перемещения ретрансляторов группировки
небольшая и реконфигурация межспутниковых каналов требуется только вблизи
точки пересечения орбитальных плоскостей. Поэтому вероятность «разрыва»
установленного соединения существенно ниже, чем в предыдущем рассмотренном случае.
Топология МСС при использовании 3- и 4-межспутниковых каналов (меж-
Йоновых линий) показана на рис. 1.2.2.6.
Качественные характеристики возможных способов организации в
межзоновой связи приведены в таблице 1.2.2.1.
Таблица 1.2.2.1
Характеристики возможных способов организации межзоновой связи
Способ межзоновой связи
Наличие наземных каналов связи
Наличие базовых станций
Наличие межспутниковых каналов связи
Сложность и стоимость космического сегмента
Сложность и стоимость базовых станций
Сложность и стоимость наземного сегмента
Вероятность разрыва установленного соединения
Через БС
и наземные
каналы
+
+
Низкая
Низкая
Высокая
Низкая
Через БС
иСР
+
Средняя
Высокая
Средняя
Высокая
Через СР
+
Высокая
Низкая

238 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В пользу круговых ОГ на низких и средних орбитах по сравнению с
геостационарными обычно приводятся следующие аргументы:
1. Поскольку затухание сигналов в свободном пространстве прямо
пропорционально квадрату расстояния, относительно небольшая дальность связи
при прочих равных условиях позволяет существенно снизить требования
к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и
ретрансляторов. Это дает возможность, в частности, поставить на рынок новые
привлекательные информационные услуги — высокоскоростную персональную
фиксированную спутниковую связь и глобальную персональную
подвижную связь по ценам, приемлемым для широкого круга пользователей.
2. Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие
задержки распространения, что позволяет организовать интерактивный
режим информационного обмена пользователей в масштабе времени,
близком к реальному (при использовании ГСР задержка распространения
составляет 250-270 мс).
3. Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью
Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах
возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности.
Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле
возвышения 10° простирается по широте в пределах +/-70°, а при увеличении
минимально допустимого угла возвышения до 30° сокращается до +/- 50° .
Оценим влияние высоты орбиты СР на требования к энергетическим
характеристикам абонентских терминалов и ретрансляторов. Рассмотрим рис. 1.2.2.7.
Зафиксируем угловой размер зоны обслуживания а — угол обзора зоны из
центра Земли. Пусть ретранслятор неподвижен относительно зоны обслуживания и
его подспутниковая точка совпадает с центром зоны. Тогда, с использованием
соотношений элементарной тригонометрии, легко получить:
— угол обзора зоны обслуживания со спутника:
а
180°-^-2arctg
где h — высота орбиты ретранслятора,
— максимальная дальность связи:
h
а
j
A.2.2.1)
Рассмотрим две орбиты с высотами h1 и h2 (h2 > h^) с соответствующими
параметрами г1? Р1 и г2, Р2 Относительный энергетический проигрыш более
высокой орбиты за счет увеличения дальности связи составит (г2/г{J. С другой
стороны, при увеличении высоты орбиты уменьшается угол обзора зоны
обслуживания со спутника, что приводит к необходимости использования ан-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
239
Рис. 1.2.2.7. Геометрические соотношения при оценке
энергетических затрат
тенн с лучшими характеристиками направленности. Поскольку эффективная
площадь приемных антенн и коэффициент усиления передающих обратно
пропорциональны квадрату ширины диаграммы направленности, то величина
относительного выигрыша равна (Pi/C2J, a результирующий проигрыш составит
A.2.2.3)
Результаты расчетов по приведенным соотношениям для двух значений
углового размера зоны обслуживания а = 20° и 4° приведены в таблице 1.2.2.2.
Приведенные в таблице значения энергетического проигрыша абонентских
линий рассчитаны относительно орбиты минимальной высоты и оказываются
меньше единицы. Таким образом, при сделанных допущениях, увеличение
высоты орбиты не только не сопровождается энергетическим проигрышем, но и
обеспечивает незначительный выигрыш, величина которого растет по мере
увеличения высоты орбиты и размеров зон обслуживания. Увеличение дальности связи
компенсируется необходимостью использования более сложных и громоздких
бортовых антенн с высоким коэффициентом усиления.
Таблица 1.2.2.2
Сравнительные характеристики различных ОГ
Тип орбиты
Высота орбиты [км]
Угол обзора зоны
обслуживания со
спутника [град]
Максимальная
дальность связи [км]
Энергетический
проигрыш [раз/дБ]
а = 20°
а-4°
а = 20°
а = 4°
а = 20°
а = 4°
Низкая
700
109
35
1360
740,2
1/0
1/0
1100
85,6
22,8
1630
1126
0,886/
-0,53
0,982/
-0,08
1500
69,5
16,8
1943
1524
0,83/
-0,81
0,977/
-0,1
Средняя
5000
24,5
5,1
5220
5003
0,744/
-1,28
0,97/
-0,13
10000
12,5
2,55
10173
10003,5
0,736/
-1,33
0,969/
-0,14
15000
8,4
1,7
15122
15005
0,734/
-1,34
0,969/
-0,14
ГЕО
35875
3,5
0,71
36267
35925
0,733/
-1,35
0,969/
-0,14

240 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
При достаточно малых угловых размерах зон обслуживания, используя
разложения:
sin(x) ~ tg(x) ~ х при х < 1
arctg(x) =5 ПрИ х > 1,
получим:
A.2.2.4)
Мы рассмотрели энергетику абонентских линий в предположении
неподвижности ретрансляторов относительно зон обслуживания. На практике
негеостационарные спутники последовательно пересекают эти зоны, проводя с их
абонентами сеансы связи. При использовании бортовых антенн с фиксированной
диаграммой направленности формируется так называемый «скользящий» луч и
для покрытия зоны обслуживания в течение сеанса связи ширину диаграммы
направленности приходится увеличивать примерно в 2 раза (рис. 1.2.2.8.а), что
приводит к энергетическому проигрышу по сравнению с ГСР на - 6 дБ.
Исключить этот проигрыш позволяет применение сканирующих бортовых антенн. В
течение сеанса связи приемо-передающий луч антенны отслеживает перемещение
спутника относительно зоны обслуживания таким образом, чтобы луч был
постоянно нацелен в центр зоны (рис. 1.2.2.8.6). При смене зон обслуживания луч
ретранслятора скачкообразно перенацеливается в центр следующей
обслуживаемой зоны. Такое решение называют квазистатическим покрытием зон обслужи-
Рис. 1.2.2.8. Покрытие зон обслуживания негеостацинарными ретрансляторами
а — покрытие «скользящим» лучом, б — квазистатическое покрытие; 1 и 2 —
точки входа/выхода в/из зону обслуживания, соответственно

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
241
Рис. 1.2.2.9. К определению задержек
распространения
эания. При этом необходимо использование сканирующих бортовых антенн на
основе ФАР и АФАР, что приводит к заметному усложнению и удорожанию
антенных систем ретрансляторов.
С использованием соотношений A.1.3.7), A.1.3.12) и A.2.2.4) выразим
угловой размер зоны обслуживания через параметры абонентских линий связи:
4650
A.2.2.5)
1"де/[ГГц] — рабочая частота, Ра [Вт] и Gn - соответственно мощность передатчика и коэффициент
усиления передающей антенны пользовательских терминалов, h^ — пороговое отношение сигнал/
шум, L — результирующие потери полезного сигнала на трассе распространения, Т [°К] — шумовая
Температура приемной системы ретранслятора, С [кбит/с] — пропускная способность абонентской
линии.
Оценим задержки распространения сигналов. Рассмотрим рис. 1.2.2.9.
Непосредственно из геометрических построений следует, что дальность связи равна:
— при использовании спутников с непосредственной ретрансляцией и
межзоновой связью через базовые станции:
— при использовании для межзоновой связи МЛС:
r=2rt + (я- 1)г3,
где п — расстояние между зонами обслуживания абонентских терминалов, установивших
соединение, выраженное в числе зон.
Расстояния rv r2, г3 (длина межспутникового канала) определяются
следующими соотношениями:

242
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
r3sin(|)
COS
а
r2 =
r3 =
^ + arctg
,sin(ot
A.2.2.6)
cos(у)
а
где а = 90° - у - arcsin -——rr cos(y) — угловой размер зоны обслуживания, у — минимально
допустимый угол возвышения ретранслятора над зоной обслуживания
Результаты расчетов максимальной дальности связи и задержки для у = 10° и
типовых значений высот орбит приведены в таблице 1.2.2.3.
Таблица 1.223
Дальности связи г [км] и задержки распространения сигналов т [мс]
Высота орбиты h [км]
Угловой размер зоны
обслуживания
Межзоновая связь
через БС
и ретрансляторы
группировки
Межзоновая связь
через МЛС
а [град ]
Г1
Г2
Г3
''min
'max
^min
^max
'min
'max
^min
^max
0
_
-
-
-
0
20037
0
67
-
-
-
-
700
17,4
1239
2155
2147
3878
32428
13
108
2478
23,948
8,3
80
1500
27
2248
3648
3695
7496
38384
25
128
4496
26,667
15
89
10,000
57,5
11,212
14018
15743
42424
114,478
141
382
22424
69653
78
232
35,875
70
41,000
73184
-
-
-
-
82,000
155,184
270
517
Данные таблицы позволяют заключить следующее:
• использование средних орбит при межзоновой связи через БС
обеспечивает задержки (максимальные), сопоставимые с задержками в глобальных
ССС через ГСР (соответственно, 382 и 517 мс);

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 243
• среднеорбитальные группировки, использующие МЛС, обеспечивают
задержку, сопоставимую с задержкой в региональных ССС через ГСР B30
и 270 мс, соответственно);
• использование низких орбит позволяет уменьшить максимальную
задержку распространения в 4-6 раз по сравнению с геостационарной орбитой.
Низкоорбитальные группировки, использующие МЛС, обеспечивают
наименьшие задержки, причем их величина слабо зависит от высоты орбиты и
составляет 80-90 мс. При использовании низких орбит задержка распространения
пропорциональна расстоянию между приемной и передающей сторонами, что с
учетом «тяготения» сетевого трафика к концентрации в одной или соседних
зонах обслуживания обеспечивает средние задержки распространения,
существенно меньшие максимальных. С другой стороны, при увеличении числа спутников
в группировке (снижении высоты орбиты) растет аппаратурная задержка
(задержка обработки), возникающая в узлах сети. Наиболее жесткие требования
предъявляются к задержкам интерактивного трафика. Так, в соответствии с
рекомендациями МККТТ, задержка передачи в спутниковой телефонии не должна
превышать 400 мс. Для других спутниковых служб допускаются существенно
большие задержки. Таким образом, с точки зрения задержек передачи
предпочтительны низкоорбитальные группировки (особенно для глобальной
телефонии), способные обеспечить наибольшее качество интерактивной связи. Тем не
менее среднеорбитальные и геостационарные группировки все же
«укладываются» в рамки предъявляемых требований, поэтому критерий задержки
распространения не позволяет выявить однозначно предпочтительный вариант
построения сети.
Угол возвышения (видимости) ретранслятора у является важным
параметром, определяющим эффективность связных ресурсов. Как уже отмечалось,
уменьшение у приводит к увеличению потери энергии сигналов в атмосфере и
росту шумовой температуры приемных систем. При малых у возрастает
вероятность затенения ретранслятора окружающими пользовательский терминал
предметами, а при использовании приемо-передающих антенн терминалов с
широкими диаграммами направленности условия связи дополнительно в
значительной степени ухудшаются из-за эффекта многолучевое™
распространения, проявляющегося в том, что на вход приемника пользователя помимо
«прямого» сигнала в случайных фазовых соотношениях поступают сигналы,
отраженные от земной поверхности и расположенных на ней предметов. Эти
предметы могут рассматриваться как ретрансляционная помеха «прямому»
сигналу. Аналогично, на вход ретранслятора поступают основной сигнал и
сигналы, рассеянные поверхностью Земли.
В сетях персональной фиксированной службы через ГСР энергетические
потери, обусловленные атмосферным затуханием и ростом шумов,
компенсируются использованием абонентских антенн с высоким коэффициентом
усиления. При этом благодаря узким диаграммам направленности минимизируется
влияние многолучевости. Затенения ретранслятора окружающими предметами
в большинстве случаев можно избежать выбором приемлемого места установки
стационарной пользовательской антенны. Поэтому в рассматриваемом случае

244
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
вполне приемлема работа при углах возвышения 10 градусов и более, что в
принципе позволяет создавать практически глобальные (с областью
обслуживания в пределах +/-70° по широте) сети персональной фиксированной
службы на базе ГСР.
В сетях персональной подвижной спутниковой связи принципиально
необходимо использовать антенны пользовательских терминалов с достаточно
широкими диаграммами направленности, а мобильность пользователей не позволяет
избежать негативного влияния затенения. В результате огибающая принимаемого
сигнала претерпевает быстрые (обусловленные многолучевостью) и медленные
(обусловленные затенением) изменения, что приводит к существенному
снижению помехоустойчивости. Например, работа в городских условиях при у = 10° и
весьма высокой допустимой вероятности ошибочного приема двоичного символа
р = 1Q-3 Тре5ует обеспечения отношения сигнал/шум h2 ~ 2500 [1.2.2.4]. Это на
три порядка больше, чем при оптимальном приеме ФМ-сигналов с постоянной
амплитудой. При увеличении минимально допустимого угла возвышения
появляется возможность использования слабонаправленных пользовательских
антенн, ориентированных в верхнюю полусферу. Это позволяет существенно
ослабить влияние многолучевости и затенения, а также снизить требования к
мощности передающего устройства. Считается, что величина у для подвижных
терминалов должна быть не менее 25-30°. При этом можно в первом
приближении не учитывать особенностей подвижной связи.
Ниже в таблице 1.2.2.4 [1.2.2.4] сведены указанные преимущества и
недостатки каждого типа спутниковых сетей связи, а в таблице 1.2.2.5 — типовые
технико-экономические характеристики.
Таблица 1.2.2.4
Преимущества и недостатки каждого типа ССС
LEO
МЕО
GEO
1- Минимальны задержки
распространения сигналов,
не превышающие 20 мс
для одной зоны
обслуживания и для глобальных
сетей — величины порядка
80-130 мс, что
сопоставимо с задержками в
наземных сетях.
2. Наиболее плавная
деградация характеристик сети
при частичных или
полных отказах
ретрансляторов, что обусловлено их
большим количеством и
незначительным вкладом
каждого из них в
общесетевые ресурсы.
Задержки
распространения ощутимы в большей
степени (около 100 мс) и
могут достигать 400 мс,
однако их величина не
превышает наиболее жестких
требований,
регламентируемых ITU для телефонии.
Отказы ретрансляторов
ощутимо ухудшают
характеристики
информационного обслуживания
пользователей.
Задержки распространения
(около 270 мс) отвечают
требованиям телефонии при
построении региональных
сетей и не удовлетворяют
при построении
глобальных (более 400 мс).
Отказ ретранслятора
приводит к полной деградации
сети, что в ответственных
случаях требует
использования «горячего» резерва.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
245
Таблица 12.2.4 (продолжение)
LEO
МЕО
GEO
3. Наиболее простая и
дешевая полезная нагрузка
каждого ретранслятора, что
проявляется в основном в
возможности использования
антенных систем с
меньшим числом более широких
лучей, более простых
бортовых коммутаторов.
4. Возможность
обеспечения высокого
минимального угла возвышения для
пользователя,
находящегося в любой точке земной
поверхности, что
достигается увеличением числа
ретрансляторов ОГ при
соответствующем
упрощении каждого из них.
5. Незначительный размер
зоны обслуживания каждого
ретранслятора диаметром
порядка нескольких тысяч
километров, что приводит
к необходимости
использования в ОГ большого
числа спутников (от
нескольких десятков до
нескольких сотен).
6. Необходимость
использования большого числа
базовых станций (до
нескольких сотен), либо
межспутниковых линий связи, что
приводит к удорожанию
сети.
7. Небольшая длительность
сеансов связи
пользователя с каждым
ретранслятором (от 3 до 14 минут), что
приводит к
необходимости частой
реконфигурации каналов связи ("hand-
off"), снижению качества
обслуживания и
существенным служебным затратам
пропускной способности.
Достаточно сложная и
громоздкая полезная
нагрузка каждого ретранслятора
при значительно меньшем
общем их количестве в О Г,
что не приводит к
усложнению космического
сегмента сети
Возможность
обеспечения высокого
минимального угла возвышения для
пользователя,
находящегося в любой точке земной
поверхности.
Для глобального покрытия
земной поверхности
достаточно 10-20
ретрансляторов.
Число базовых станций
(станций управления и
координации) около 10-15.
Длительность сеансов
связи составляет около 100
минут, что в
значительной степени снимает
проблему реконфигурации
каналов связи.
Наиболее сложная и
громоздкая полезная
нагрузка каждого
ретранслятора при минимальном
общем их количестве в ОГ,
что не приводит к
усложнению космического
сегмента сети.
Невозможность
обеспечения больших углов
возвышения в высоких широтах
(более 70°), что делает
проблематичным создание
глобальных сетей подвижной
связи.
Для практически
глобального покрытия зоны
обслуживания достаточно 3-6
ретрансляторов.
Минимальное число
базовых станций.
Пользователи непрерывно
находятся в зоне
видимости «своего»
ретранслятора, нет необходимости в
построении системы
обеспечения непрерывности
соединений ("hand over",
"handoff") .

246
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.2.2.4 (продолжение)
LEO
МЕО
GEO
8. Небольшой срок службы
ретрансляторов (не более
5-7 лет), обусловленный
частой сменой «дня» и
«ночи» на низких
орбитах, что требует
дополнительных материальных
затрат на восполнение
ОГ.
9. Необходимость
компенсации быстрого изменения
параметров радиоканалов
из-за высокой скорости
движения СР (задержки
распространения, доплеровско-
го сдвига частоты, затухания
сигналов на трассе
распространения, угла
возвышения) в связи с высокой
скоростью перемещения СР
относительно земных
терминалов, что усложняет и
удорожает аппаратуру
связи пользователей и
ретрансляторов.
10. Незначительный
коэффициент использования
связных ресурсов сети в связи с
тем, что низкоорбитальные
группировки
принципиально обеспечивают
глобальное или почти глобальное
покрытие земной
поверхности, в то время как
пользователи располагаются на
ней крайне неравномерно,
занимая лишь часть суши и
судоходные акватории
мирового океана.
11. Значительный риск
проектов НССС в связи с
отсутствием опыта их разработки,
производства и
эксплуатации.
Срок службы
ретрансляторов составляет более 10
лет. Редкая цикличность
«день — ночь»
Нестабильность
параметров используемых
радиоканалов проявляется в
существенно меньшей степени,
что упрощает
аппаратуру связи.
Благодаря большой высоте
орбиты имеется
возможность более полного
использования пропускной
способности ретрансляторов
путем избирательного
покрытия земной
поверхности сканирующими лучами
бортовых ФАР.
Средний риск проектов,
поскольку имеется
возможность использования
хорошо себя проявивших и
проверенных на практике
технологий
геостационарных ретрансляторов.
Срок службы
ретрансляторов составляет более 10
лет. Редкая цикличность
«день — ночь»
Параметры радиоканалов
практически стабильны,
отсутствие доплеровско-
го сдвига снижает
стоимость и сложность
приемников.
Неподвижность
ретранслятора относительно
земной поверхности
позволяет наиболее точно учесть
контуры области
обслуживания и обеспечить
максимальное использование
связных ресурсов путем
централизованного их
распределения в соответствии
с требованиями
пользователей. На наземных
станциях не требуются
системы слежения и
автосопровождения
ретранслятора.
Риск разработки
минимальный.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
247
Таблица 1.2.24 (продолжение)
LEO
МЕО
GEO
12. Неэффективное
использование выделяемых
частотных диапазонов и
проблематичность их
использования различными
системами.
13. Низкая стоимость
выведения ретранслятора на
низкую орбиту
14. Низкая стоимость
ретранслятора и,
соответственно, низкий уровень
потерь из-за аварии
15. Низкий уровень
воздействия радиации на
ретрансляторы, но невозможность
размещения О Г на
орбитах 1500-5000 км A-го
радиационного пояса Ван-
Аллена)
16. Высокий уровень
«космического мусора» на
орбитах
17. Низкая стоимость
ретранслятора и ракетоносителя
18. Сложный и
дорогостоящий наземный сегмент
системы
19. Приемлемая стоимость
персонального терминала
20. Приемлемый вес
персонального терминала
Неэффективное
использование выделяемых
частотных диапазонов и
проблематичность их использования
различными системами.
Средняя стоимость
выведения О Г
Высокий уровень потерь
затраченных финансовых
средств из-за аварии
Приемлемый уровень
воздействия радиации на
ретрансляторы, но
невозможность размещения О Г на
орбитах 13000-20000 км
из-за сильного
воздействия радиации во 2-м поясе
Ван-Аллена
Малый уровень
«космического мусора»
Средний уровень
стоимости ретранслятора и
ракетоносителя
Низкая стоимость
наземного сегмента системы
Приемлемая стоимость
персонального терминала
Приемлемый вес
персонального терминала
Возможность
многократного использования
диапазонов частот различными
системами путем
пространственного разделения.
Высокая стоимость
выведения ретранслятора на
геостационарную орбиту
Высокий уровень потерь
из-за затраченных
финансовых средств из-за аварии
Низкий уровень
воздействия радиации на
ретрансляторы
Приемлемый уровень
«космического мусора»
Высокая стоимость
ретранслятора и ракетоносителя
Низкая стоимость
наземного сегмента системы
Недорогой персональный
терминал
Большие массо-габариты
персонального терминала
В таблице принято следующее выделение текстом:
— достоинство;
— ближе к достоинству, чем к недостатку;
— недостаток.

248 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1.2*3. Параметры орбитальных группировок
При построении негеостационарных орбитальных группировок используются
круговые орбиты одинаковой высоты и наклонения с равномерным
распределением плоскостей орбит в пространстве и спутников в каждой плоскости. При
этом угол между смежными плоскостями Аф = 180°/пп, а угловое расстояние
между спутниками в каждой плоскости Д\|/ = 360°/г?с. Не нарушая общности,
рассмотрим группировки, использующие полярные орбиты, а вопрос о выборе угла
наклонения рассмотрим отдельно в дальнейшем. При использовании полярных
орбит область наибольшего разрежения спутников находится в
приэкваториальном поясе, а «пучности» — в приполярных областях. Возможны два варианта фа-
зировки орбитальных плоскостей (рис. 1.2.3.1):
• случайная (некорректируемая) с произвольным и с, возможно,
изменяющимся во времени сдвигом спутников в различных орбитальных
плоскостях (СФ);
• фиксированная (ФФ) со сдвигом спутников в смежных плоскостях на
угол А\|//2.
Очевидно, что фиксированная фазировка позволяет минимизировать общее
число спутников для сплошного покрытия земной поверхности при обеспечении
заданных вероятностно-временных характеристик информационного обмена.
Однако при случайной фазировке упрощается развертывание и эксплуатация
орбитальной группировки, особенно в тех случаях, когда СР имеют небольшую
массу, малое энергопотребление и низкую точность ориентации.
Независимо от способа фазировки параметры орбиты должны быть выбраны
таким образом, чтобы в любой момент времени обеспечить возможность
предоставления информационных услуг пользователю, находящемуся в любой точке
заявленной зоны обслуживания.
Установим связь между параметрами группировки и угловым размером зоны
обслуживания а. Угловое расстояние между двумя точками на сфере
определяется следующим соотношением:
5(Pt, Р2, ф1? ф2) = arccos[sinp1smp2cos((p1 -ф2) + cosP1cosP2], A.2.3.1)
где Pj, <pj, р2, ф2 — сферические координаты рассматриваемых точек @ < Р < 180° - полярное
расстояние, -180° < ф < 180° — долгота).
При случайной фазировке наименее благоприятная ситуация с точки зрения
покрытия земной поверхности возникает при нулевом сдвиге между спутниками
смежных орбитальных плоскостей. Непосредственно из рис. 1.2.3.1.а следует, что
при случайной фазировке угловой размер зоны обслуживания может быть
получен из A.2.3.1) подстановкой fit = 90° + А\|//2, ц>х = 0, р2 = 90 - А\|//2, ф2 = Аф:
а = агссо8[со82(А\|//2)созАф - sin2(A\|//2)]
С учетом того, что центры смежных зон обслуживания находятся в вершинах
квадрата, имеем:

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
249
а) случайная
б) фиксированная
Рис. 1.2.3.1. Способы фазировки орбитальных плоскостей не геостационарных
группировок ретрансляторов
а = arccos[cos2(90°/^n)cosA80%n)-sin2(90°//2n)]
A.2.3.2)
При фиксированной фазировке центры смежных зон обслуживания должны
находиться в вершинах равностороннего треугольника. При заданном числе
орбитальных плоскостей пс и соответствующем угловом разносе смежных
плоскостей Дф = 180°/пп угол разноса спутников в каждой плоскости может быть
определен из уравнения:
5(90° + А\|//2, 90 - Ду/2, 0, 0) = 5(90 - Д\|//2, 90°, 0, Дф).

250 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Это выражение, с учетом A.2.3.1) и известного тригонометрического
соотношения cos2.r = cos2x - sin2jcr, сводится к уравнению:
cosA\|/ = cos(A\j//2)cosAcp.
Решение этого уравнения имеет следующий вид:
Число спутников в каждой орбитальной плоскости равно:
пе'Ш ,A-2.3.4)
J Avj/ L
где запись ]х[ обозначает ближайшее целое число, большее х.
Теперь можно уточнить угловой разнос спутников в орбитальной плоскости
(с учетом того, что число ретрансляторов должно быть целым) А\|/ = 360°/ггс и
определить угловой размер зоны обслуживания, воспользовавшись очевидным
равенством:
а/2 = 5(90° + А\|//2, 90°, 0, ф*) = 8(90°, 90°, ф*, Дф).
Откуда вспомогательная величина ф* определится из уравнения:
С08(А\|//2)С08ф* = СО$(Дф - ф*).
А угловой размер зоны обслуживания равен:
а = 2[Аф - ф*] =
sinAcP 11, A.2.3.5)
• (cosA\|/ /2 - 2cosA\|/Vj
= I Лф — arccos —
[ Wl + cosA\|/ /2 • (cosA\|/ /2 - 2cosA\|/)
где Avj/ - 360°/яс, Дф - 180°/яп.
В таблице 1.2.3.1 приведены результаты расчетов угловых размеров зон
обслуживания. При известном угловом размере зоны обслуживания и заданном
минимальном угле возвышения ретрансляторов у требуемая высота орбиты
определяется выражением:
h = r\ C0SY l], A.2.3.6)
3Lcos(x + y) J
где:
Га — при использовании фиксированных зон обслуживания,
X = <^
[а /2 — при использовании скользящих зон.
Угол обзора зоны обслуживания со спутника при фиксированных зонах равен
Р = 90° - а - у, а при скользящих зонах — C = 180° - а - 2у.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
251
Таблица 123.1
Угловые размеры зон обслуживания
пп
СФ
ФФ
п
а
«с
п
а
4
8
32
62.8
8
32
55.91
5
10
50
50 49
9
45
46.93
6
12
72
4? 18
И
66
38.82
7
14
98
36 ?1
13
91
33.11
8
16
128
317?
14
112
29.8
9
18
162
?8?1
16
144
26.3
10
20
200
?5 40
18
180
23.53
И
22
242
231
20
220
21.3
12
24
288
?1 18
21
252
19.88
13
26
338
19 56
23
299
18.26
14
28
392
1816
25
350
16.88
15
30
450
1695
27
405
15.7
16
32
512
15.9
28
448
14.92
17
34
578
14.96
30
510
13.98
18
36
648
14.13
32
576
13.16
19
38
722
13.39
33
627
12.61
20
40
800
12.72
35
700
11.94
Основные параметры низкоорбитальных группировок ретрансляторов в
диапазоне высот 700-1500 км и углов возвышения 10-40 градусов приведены в таблицах
1.2.3.2 (для фиксированных зон обслуживания) и 1.2.3.3 (для скользящих зон).
Сравнение данных таблиц 1.2.3.2 и 1.2.3.3 позволяет заключить, что
использование фиксированных зон обслуживания, несмотря на отмеченные выше
достоинства такого подхода, при заданном угле возвышения у требует заметно более
объемных (в 3-4 раза) орбитальных группировок. Так, например, при
организации фиксированных зон обслуживания, у = 10° и независимом фазировании
орбитальных плоскостей требуется не менее 200 спутников на орбите высотой
около 1330 км, а при организации скользящих зон — всего 50.
С учетом важности критерия минимизации общего числа ретрансляторов на
практике проектируются сети с плавающими (дискретно-плавающими) зонами
обслуживания. Использование случайной фазировки орбитальных плоскостей
требует при прочих равных условиях большего числа ретрансляторов, причем
эта разница увеличивается с ростом числа орбитальных плоскостей. Однако
необходимое увеличение объема группировки не превышает 10-12%, поэтому с
учетом небольшой сложности и меньшей стоимости развертывания нефазиро-
ванных группировок возможны оба подхода и, в конечном счете, все
определяется технической политикой и средствами разработчиков.
Период обращения спутника по круговой орбите определяется третьим
законом Кеплера:
С уменьшением высоты h возрастает скорость «скольжения» зон
обслуживания и в большей степени проявляется эффект Доплера. Скорость перемещения
подспутниковой точки по земной поверхности (скорость «скольжения» зоны
обслуживания) равна:
120пг3/Т0 [км/час].
Для низкоорбитальных группировок эта скорость лежит в пределах от
24400 км/час (при h = 700 км) до 20800 км/час (при h = 1500 км), а для средне-

252
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1232
Основные параметры низкоорбитальных группировок
(фиксированные зоны обслуживания)
СФ
фф
у = 10°
у^20°
у = 30°
у-10°
у = 20°
у = 30°
пппс
h [км]
Р [град]
пп пс
h [км]
Р [град]
пппс
h [км]
Р [град]
h [км]
Р [град]
пппс
h [км]
Р ГгРад]
пппс
h [км]
Р [град]
14-28
746
62
20-40
746
57
20-40
1140
47
13-23
753
62
19-33
737
57
20-35
1048
48
13-26
843
60
19-38
800
57
19-38
1223
47
12-21
866
60
18-32
781
57
19-33
1127
47
12-24
964
59
18-36
862
56
18-36
1317
46
11-20
973
59
17-30
850
56
18-32
1198
47
11-22
1120
57
17-34
935
55
17-34
1428
45
10 18
1157
56
16-28
931
55
17-30
1298
46
10-20
1328
55
16-32
1021
54
-
—
9 16
1416
54
15-27
1002
54
16-28
1423
45
-
-
-
15-30
1122
53
-
-
_
-
-
-
14-25
1115
53
-
-
-
-
-
-
14-28
1244
52
-
-
-
-
-
-
13-23
1255
52
-
-
-
-
-
-
13-26
1396
50
-
-
-
-
-
12 - 21
1432
50
-
-
-
орбитальных примерно 700 км/час. Столь высокая скорость приводит к
чрезвычайно быстрому изменению топологических свойств сети и требует затрат
существенной части связных ресурсов на оперативное обновление базы данных о
текущей принадлежности терминалов пользователей к конкретным зонам
обслуживания. Для идентификации абонентов сети требуется выполнение весьма
сложных процедур, поэтому особенностью НССС является достаточно большое
время установления соединения, достигающее нескольких десятков секунд.
Максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания
(максимальная длительность сеанса связи) зависит от угловых размеров зоны:
Гтах ^ W360 [МИН].
Зависимость длительности сеанса связи от высоты орбиты, полученная с
использованием данных таблиц 1.2.3.1 и 1.2.3.3, приведена на рис. 1.2.3.2. При ис-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
253
Таблица 1.233
Основные параметры низкоорбитальных группировок
(скользящие зоны обслуживания)
СФ
фф
у =10°
у = 20°
у = 30°
у = 40°
у =10°
у = 20°
у ^30°
у = 40°
ПиПс
h [км]
Р [град]
"пЯс
h [км]
Р [град]
ПиПс
h [км]
Р [град]
пп Пс
h [км]
Р [град]
h [км]
Р [град]
ипяс
/г [км]
Р [град]
ЯпИс
/г [км]
Р [град]
пппс
h [км]
Р [град]
7 14
743
124
10-20
744
115
14-28
737
102
20-40
702
87
611
832
121
9 16
780
114
13-23
742
102
18-32
730
87
6 12
957
118
9 18
860
112
13-26
809
100
17-34
851
87
5-9
1151
113
8-14
930
ПО
12-21
826
100
17-30
785
86
5 10
1313
ПО
8-16
1017
108
12 • 24
896
100
16-32
917
84
-
-
_
7 13
1083
107
11-20
902
99
16-28
848
85
-
-
-
7 14
1239
104
11-22
1003
97
15-30
992
83
-
-
_
611
1379
101
10-18
1027
96
15-27
903
84
-
-
-
-
-
-
10-20
1138
95
14-28
1081
82
-
-
-
-
-
-
9-16
1193
94
14-25
988
83
_
-
-
-
-
—
9-18
1314
92
13-26
1188
80
-
-
_
-
-
-
8-14
1420
90
13-23
1089
82
_
-
-
-
-
-
-
-
-
12-24
1318
79
-
-
_
-
-
-
-
-
_
12-21
1214
80
-
_
-
-
-
-
_
-
-
11-22
1479
77
-
-
-
-
-
-
-
-
-
11-20
1328
79
пользовании низких орбит максимально возможная длительность сеанса связи
оказывается относительно небольшой и даже при малых допустимых углах
возвышения не превышает 10-14 минут, поэтому проблема реконфигурации
абонентских и фидерных линий (переключение пользовательского терминала с
одного ретранслятора на другой) проявляется в наибольшей степени.

254
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Гтах [мин]
14
12
10
700
у= 10°
900
1100
1300
1500 h [км]
Рис. 1.23,2. Зависимость максимальной длительности сеанса связи
от высоты орбиты
Моделирование, проведенное для НССС Iridium с целью определения
кратности покрытия земной поверхности, показало, что при углах радиовидимости
более 10° в приэкваторной зоне обслуживания (от 30° с.ш. до 30° ю.ш.) вероятность
однократного покрытия с нулевым временем ожидания будет равна 0,973-
0,974, а двукратное покрытие обеспечивается на территориях севернее 70° с.ш.
При возрастании углов радиовидимости (более 20°) вероятность двукратного
покрытия приэкваториальной области составляет только 0,5-0,6 [1.2.3.1].
Поэтому для обеспечения устойчивой связи в высокоширотных районах в состав
орбитальной включаются одна-две дополнительные плоскости с небольшим
числом КА, но с более высоким наклонением. Теоретически, эти орбитальные
структуры должны перекрывать всю территорию Земного шара. Однако при
небольшом числе КА в дополнительных плоскостях не могут быть обеспечены
высокие вероятностно-временные характеристики обслуживания. В
заключение этой части укажем на известный факт, что спутниковые системы с
размещением на наклонных орбитах обеспечивают большую плотность покрытия в
густонаселенных районах по сравнению с размещением ретрансляторов на
полярных орбитах.
Оценим вероятность установления непрерывного (сплошного) соединения в
предположении, что пользователи, установившие связь, расположены на
траектории движения подспутниковой точки ретрансляторов по земной поверхности
(т.е. оценим эту вероятность сверху), а в момент установления связи
пользователи с равной вероятностью находятся в любой точке своих зон обслуживания.
Рассмотрим сеть, использующую МЛС. Тогда, при условии, что соединение
имеет требуемую длительность х, вероятность того, что оно окажется непрерывршм,

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
255
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
700
tc = 1,5 мин
у =10°
у = 20°
900
1100
1300
1500 h [км]
Рис. 1.233- Зависимость вероятности непрерывного соединения
от высоты орбиты
равна 1 —
, а искомая безусловная вероятность установления
непрерывного соединения — Рс получится осреднением по распределению его
длительности. Пусть устанавливаемые соединения имеют экспоненциальное
распределение длительности со средним значением tc, тогда:
4J-
\2 _£
-dx =1-2:
1-
х
A.2.3.7)
Зависимость вероятности установления непрерывного соединения от высоты
орбиты при tc= 1,5 мин, полученная с использованием A.2.3.7) и рис. 1.2.3.2,.
приведена на рис, 1.2.3.3, из которого следует достаточно слабое влияние
высоты низких орбит на Рс. В то же время эта вероятность оказывается небольшой
даже тогда, когда средняя длительность соединения заметно меньше
длительности сеанса связи. Заметим, что нами получена верхняя оценка Рс для сетей,
использующих МЛС. В сетях же, использующих в качестве ретрансляторов
наземные Б С, вероятность непрерывности соединения может быть существенно
меньше из-за возможности «разрыва» не только абонентских, но и фидерных
линий. Поэтому, если не приняты специальные меры, доля
преждевременно разомкнутых каналов становится неприемлемо большой. Способы же
обеспечения непрерывности соединений отвлекают заметную часть связных
ресурсов сети.

256 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В проектах сетей, использующих средние орбиты, предпочтение отдается
синхронным 6-часовым орбитам (высота ~ 10350 км), что дает определенные
преимущества, т.к. через каждые четыре витка спутник проходит над поверхностью
Земли повторяющуюся траекторию. При этом максимальная длительность
сеанса связи составляет около 116 мин при у = 10° и 95 мин при у = 20°, а вероятности
установления непрерывного соединения (при tc= 1,5 мин) равны соответственно
0,98 и 0,97, что в значительной мере упрощает проблему реконфигурации
каналов и снижает затраты сетевых ресурсов на ее решение по сравнению с низкими
орбитами. Поэтому с этой точки зрения среднеорбитальные группировки
обладают преимуществом.
1.2.4. Маршрутизация информационных потоков
в НССС и её особенности
1.2.4.1. Основные принципы маршрутизации
Одной из задач, требующих решения в сетях связи, является управление
информационными потоками. К этому классу задач относится маршрутизация.
Маршрутизация означает доставку информации от источника к адресату через
сеть связи (этот же термин используется и при объединении сетей с
использованием мостов и шлюзов). К настоящему моменту проведено большое число
исследований и экспериментов по проблеме маршрутизации в вычислительных
сетях. Ранние исследования были направлены на изучение проблемы в
низкоскоростных узкополосных сетях связи, в частности ARPANET, для случаев
линий связи с низкой надежностью, ограничениями на производительность и
объем памяти аппаратно-программных средств [1.2.4.1-1.2.4.8].
В отличие от наземных сетей связи топология НССС и характеристики
информационных потоков изменяются чаще, а величина этих изменений в течение
даже нескольких десятков секунд может быть очень существенной. Практически
каждый СР орбитальной группировки функционирует в нестационарном
режиме в течение витка вокруг Земли, так как зоны его радиовидимости постоянно
изменяются, а распределение пользователей НССС по земной поверхности
существенно неравномерное. Поэтому решение задачи управления
информационными потоками и сетью связи в НССС является более сложным, чем в наземных
сетях, и будет постоянно актуальным для данного класса сетей. Рассмотрим
основные элементы маршрутизации сообщений в сетях связи.
Маршрутизация включает в себя две основные компоненты: определение
оптимальных маршрутов между источником и адресатом и передача информации
по выбранному маршруту. Алгоритмы маршрутизации содержат, как правило,
следующие процедуры:
• измерение и оценивание параметров сети;
• принятие решения о рассылке служебной информации;

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 257
• расчет таблиц маршрутизации, представляющих собой матрицы, в строках
которых, в зависимости от используемого алгоритма, может находиться
адрес узла-назначения, длина пути, номер ближайшего узла и т.п.;
• реализация принятых маршрутных решений.
Определение маршрута может базироваться на различных показателях (или
метриках), в качестве которых чаще всего выступают длина маршрута (в числе
участков переприема), длина очереди, задержка доставки информации, пропускная
способность, надежность и др. или их комбинации. Программные реализации
алгоритмов маршрутизации рассчитывают показатели маршрута для определения
оптимальных, в выбранной метрике, маршрутов от источника к пункту назначения.
Теоретической основой маршрутизации является решение задачи поиска
маршрутов между вершинами во взвешенном графе. В этом случае моделью сети
связи является ориентированный граф G(V,E), в котором узлы представлены
вершинами V, а множество каналов (линий) связи — ветвями (дугами, ребрами)
Е. Каждой ветви присваивается вес (положительное число, не зависящее от
времени), равный стоимости пропуска трафика по данной линии связи. В общем
случае допускается, что граф является полным, тогда если между
произвольными узлами нет прямой линии связи, то этой ветви присваивается бесконечная
стоимость. В этих терминах проблема маршрутизации формулируется как поиск
пути с минимальным весом между каждой парой узлов, при этом вес маршрута
вычисляется как сумма весов каждой линии связи, входящей в маршрут.
Допустим, что Pkij — один из маршрутов между узлами i и j. Тогда стоимость этого
маршрута (или расстояние между узлами г и j) рассчитывается как:
= У
где wm — вес маршрута т.
Поиск кратчайшего маршрута заключается в минимизации этой функции по всем
возможным маршрутам, поэтому расстояние кратчайшего пути определяется как:
Эта задача решается с использованием двух основных методов:
1. Метод Форда-Фалкерсона, который в дальнейшем был модифицирован с
использованием основного уравнения динамического программирования Белл-
мана и получил название метод Беллмана-Форда (БФ) с его вариациями,
например, методом рельефов [1.2.4.11,1.2.4.13]. Этот алгоритм в теории графов
относится к классу алгоритмов нахождения расстояния от одной вершины ко всем
остальным [1.2.4.12]. Вычисления основаны на знании в каждом узле вектора
расстояний и расчете маршрута до каждого узла через расстояния между
узлами-соседями следующим образом:
Dj(O) = О
D\(t) = min(Dj t(t) + dik(t)) v &e Nf(t\ t > 0

258 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Первые две строки в этом выражении определяют начальные условия
функционирования при первом включении узла в сеть, dik — вектор расстояния между
узлами г nj, на пути, проходящем через узел k в момент времени t, N{(t) —
количество возможных маршрутов от узла г до k в момент времени L
В современных сетях связи используются несколько практических вариантов
реализации протоколов маршрутизации, которые основаны на расчете вектора
расстояния - RIP, IGRP, BGP, EIGRP и другие [1.2.4.14-1.2.4.16, 1.2.4.22].
Основное преимущество алгоритмов вектора расстояний — их простота.
Действительно, в процессе работы маршрутизатор общается только со своими
соседями, периодически обмениваясь с ними копиями своих таблиц маршрутизации,
объем которых может быть достаточно большим. Получив информацию о
возможных маршрутах от всех соседних узлов, маршрутизатор выбирает путь с
наименьшей стоимостью и вносит его в свою таблицу. Достоинством этого
алгоритма является быстрая реакция на «хорошие» сетевые новости, например, на такие
события, как «Появление в сети нового маршрутизатора», а недостатком — очень
медленная реакция сети на «плохие» сетевые новости: при выходе из строя или
отключении узлов.
2. Алгоритм Дийкстры [1.2.4.10]. Практические реализации в сетях связи,
основанные на использовании этого алгоритма, — это протоколы IS-IS, SPF, OSPF,
PNNI [1.2.4.14,1.2.4.17]. Этот алгоритм является базой для протоколов вектора
состояния канала. Каждый узел отсылает всем узлам сети только небольшую
часть маршрутной таблицы, которая описывает состояние только его
собственных каналов. В упрощенной форме принципы работы маршрутизаторов в
соответствии с этими протоколами можно сформулировать в виде нескольких
процедур: получить информацию о своих узлах-соседях, узнать стоимость пути до
каждого из соседей (т.е. узнать о состоянии каналов), сформировать
пакет-объявление и разослать этот пакет всем соседям, построить с использованием
алгоритма Дийкстры дерево кратчайших расстояний до всех остальных узлов и
внести полученные результаты в таблицу маршрутизации.
Для использования этого метода требуется информация о топологии всей
сети связи, поэтому данный алгоритм обычно не является в классическом виде
распределенным алгоритмом маршрутизации, хотя каждый узел вычисляет маршрут
самостоятельно, но оперирует с полностью одинаковыми данными о топологии
всей сети. Критическим моментом при реализации этого алгоритма является
обеспечение оперативной и корректной доставки информации о топологии сети
во все узлы. Поэтому, например, при использовании в сети протокола OSPF
[1.2.4.17] информация о любом изменении рассылается по сети лавинообразно.
При разработке алгоритмов маршрутизации учитываются следующие
показатели эффективности: оптимальность, простота и низкие непроизводительные
затраты, живучесть и стабильность, быстрая сходимость, гибкость.
Оптимальность характеризует способность алгоритма маршрутизации
выбирать наилучший маршрут, т.е. такой маршрут, при передаче информации по
которому целевая функция достигает значение экстремума. Наилучший маршрут
зависит от выбранной метрики и от «веса» каждой линии связи, используемого
при проведении расчета.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 259
Желательно, чтобы алгоритмы маршрутизации были как можно более
простыми. В этом случае для их реализации требуются минимальные затраты
программного обеспечения и производительности маршрутизаторов.
Алгоритмы маршрутизации должны:
• обладать живучестью, под которой понимается обеспечение выполнения
основных функций в случае отказов аппаратуры, перегрузок маршрутов
(или каналов связи) и возникновения некорректных действий;
• быстро сходиться, т.е. при изменении ситуации в сети значение
контролируемого параметра должно вести себя устойчиво вблизи некоторого
равновесного значения, близкого или равного оптимальному. Алгоритмы
маршрутизации, которые сходятся медленно, могут привести к образованию
петель (циклов) или к выходу из строя сети;
• обладать устойчивостью (быть робастными) и гибкостью, быстро и точно
адаптироваться к изменениям в сети, например, к изменениям полосы
пропускания каналов связи сети;
• быть масштабируемыми, т.е. нормально функционировать при
произвольном числе узлов в сети;
• быть справедливыми, т.е. для передачи пакетов одного и того же класса
сервиса должны выделяться и одинаковые сетевые ресурсы;
• быть стабильными и функционировать без нежелательных колебательных
процессов. Незначительные изменения в сети должны приводить к
незначительным изменениям в маршрутизации.
Алгоритмы маршрутизации могут быть классифицированы по следующим
типам [1.2.4.14-1.2.4.16,1.2.4.22]:
1. Централизованные или децентрализованные (распределенные).
2. Статические или динамические.
3. Одномаршрутные или многомаршрутные.
4. Одноуровневые или иерархические.
5. С интеллектом в главной вычислительной машине или в маршрутизаторе,
внутридоменные и междоменные.
Централизованные и децентрализованные. При использовании
централизованных алгоритмов выбор маршрутов осуществляется в центральном узле сети,
а при распределенной маршрутизации — в каждом узле сети. При реализации
централизованных методов маршрутизации каждый узел сети синхронно (в строго
запланированные моменты времени) или асинхронно (при выполнении только
определенных условий) передает служебные сообщения о своем состоянии в
центральный узел. На основании этой информации центральный узел определяет
наилучшие маршруты передачи информации между всеми узлами сети. В общем
случае загрузка каналов связи служебной информацией при централизованной
схеме маршрутизации выше, чем при децентрализованной. Как правило, это
приводит и к повышенной задержке доставки служебной информации к
центральному узлу. Время реакции сети (т.е. время, необходимое для принятия решения
в центральном узле и его доведения до каждого узла сети) на любое
существенное изменение состояния каналов связи и узлов сети обычно выше, чем при

260 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
децентрализованной схеме. К недостатку централизованной маршрутизации
следует отнести и повышенную вероятность потери управления в сети из-за выхода
из строя центрального узла. Основными достоинствами централизованной
маршрутизации являются возможность построения оптимальных маршрутов между
всеми узлами сети и простота реализации каждого узлового маршрутизатора.
При реализации децентрализованной схемы маршрутизации информационных
потоков в сети расчет маршрутов производится каждым узлом. Все узлы
обмениваются служебной информацией между собой. Любое изменение состояния
произвольного узла достаточно быстро становится известным для соседних с
ним узлов. Вследствие этого время реакции сети в этом случае, как правило,
ниже, чем при централизованной схеме. Для реализации децентрализованной
маршрутизации необходимо иметь в каждом узле программно-аппаратные средства,
которые бы не только выполняли измерение тех или иных параметров трафика
или состояния узла, но и могли бы рассчитывать маршруты доставки
информации к каждому узлу сети. Таким образом, централизованные алгоритмы
маршрутизации предпочтительнее использовать в ССС с небольшим числом спутников
в орбитальной группировке, или при достаточно устойчивом трафике (например,
в ГССС), или при нежестких требованиях к оперативности доставки
информации, или при избытке пропускной способности каналов связи.
Статические и динамические (адаптивные) алгоритмы. Маршруты,
находящиеся в статических таблицах, устанавливаются администратором сети до
начала маршрутизации и, как правило, не зависят от трафика в каналах связи.
Содержание маршрутных таблиц не изменяется, или эти изменения происходят
достаточно редко (такие алгоритмы получили название квазистатических) в
процессе функционирования сети. Алгоритмы, использующие статические
маршруты, довольно просты при реализации и эффективно функционируют в случаях,
когда трафик сети относительно предсказуем (устойчив), а топология сети
достаточно простая. Так как статические алгоритмы маршрутизации не могут
оперативно реагировать на изменения в сети, они, как правило, считаются
непригодными для современных сетей.
Большинство используемых на практике алгоритмов маршрутизации —
динамические. Динамические алгоритмы маршрутизации отслеживают изменения в
сети в масштабе реального времени и учитывают их при расчете маршрутов.
Если в корректирующих сообщениях указывается, что в сети произошли какие-то
изменения, то программы маршрутизации пересчитывают маршруты и
рассылают эти результаты коррекции по сети в каждый узел, инициализируя в них
пересчет таблиц маршрутизации. Адаптивные алгоритмы, в свою очередь,
разделяются на локальные и распределенные. Иногда динамические алгоритмы
маршрутизации интегрируются со статическими. Такие алгоритмы получили
название «гибридные».
Область применения статических алгоритмов маршрутизации, вероятно,
ограничивается геостационарными ССС и НССС, которые используются, в
основном, для организации информационного обмена между мощными ЗС
фиксированной связи, трафик которых достаточно устойчив в течение суток или
достаточно точно прогнозируем. Очевидно, динамические алгоритмы должны

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 261
быть использованы в НССС, особенно с большим числом СР в орбитальной
группировке, в которых для передачи информации используется и
межспутниковая ретрансляция. Вероятно, что элементы динамической маршрутизации
найдут свое применение и в перспективных ГСР с обработкой сигналов на борту
при построении бортовых схем коммутации и перераспределения пропускной
способности каналов связи на линиях «вниз».
Одномаршрутные и многомаршрутные протоколы. Некоторые сложные
протоколы маршрутизации обеспечивают множество маршрутов к одному и
тому же пункту назначения. Одномаршрутные алгоритмы не могут делать этого.
Преимущества многомаршрутных алгоритмов очевидны — они могут
обеспечить более высокую пропускную способность и надежность доставки
информации. Особенно это важно в ССС военного назначения и при передаче особо
важных сообщений, вероятность и достоверность доставки которых
чрезвычайно высоки.
Отдельные алгоритмы маршрутизации оперируют в «плоском»
пространстве, в то время как другие используют иерархии маршрутизации. В
одноуровневой системе маршрутизации все маршрутизаторы равны по статусу. В
иерархической системе маршрутизации маршрутизаторы делятся на два или более
класса. Маршрутизаторы наивысшего иерархического уровня образуют так
называемую базу маршрутизации. Представляется, что наиболее вероятно
применение иерархических схем маршрутизации в объединенных (комбинированных)
ССС на базе как геостационарных, так и негеостационарных ССС
(высокоэллиптических и низкоорбитальных). В этом случае в НССС можно выделить три
уровня иерархии, вытекающих из структурного построения. Например, когда
пропускная способность каналов связи между СР ГССС и НССС высокая, на
геостационарные или высокоэллиптические ГСР могут быть возложены функции
маршрутизаторов высшего уровня, в то время как СР НССС будут выполнять
функции маршрутизаторов низшего уровня. И наоборот, при высокой
пропускной способности межспутниковых линий связи НССС и недостаточной скорости
линий связи «СР НССС — СР ГССС», функции маршрутизаторов высшего
уровня целесообразно возложить на ретрансляторы НССС.
Некоторые алгоритмы маршрутизации построены так, что узел-источник
определяет весь маршрут до узла назначения. Обычно это называют
маршрутизацией от источника. В сетях с маршрутизацией от источника промежуточные
маршрутизаторы функционируют как устройства хранения и пересылки пакета к
следующему узлу. При реализации других алгоритмов транзитные
маршрутизаторы определяют маршрут следования каждого сообщения самостоятельно. В
первом случае, указанном выше, интеллект маршрутизации находится в
узле-источнике. Во втором случае интеллектом маршрутизации наделены маршрутизаторы
всех узлов сети.
Компромисс между маршрутизацией с интеллектом в узле-источнике и
маршрутизацией с интеллектом во всех маршрутизаторах сети достигается путем
сопоставления оптимальности маршрута с уровнем служебных затрат трафика.
Системы с интеллектом в узле-источнике чаще выбирают наилучшие маршруты,

262 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
т.к. они, как правило, находят все возможные маршруты к пункту назначения,
прежде чем пакет будет действительно отослан. Затем они выбирают наилучший
маршрут, основываясь на определении оптимальности данной конкретной
системы. Однако определение всех маршрутов, как правило, обеспечивается за счет
значительных объемов вычислений и затрат производительности программно-
аппаратных средств узлов. Алгоритмы данного типа могут быть эффективно
использоваться как в ГС С С, так и в НССС.
Алгоритмы маршрутизации могут действовать либо в пределах доменов, либо
как в пределах доменов, так и между ними. Поэтому оптимальный алгоритм при
внутридоменной маршрутизации не обязательно будет оптимальным
алгоритмом при междоменной маршрутизации. Области эффективного применения
данных алгоритмов примерно те же, что и иерархических.
При реализации алгоритмов маршрутизации могут возникать ситуации,
получившие название «пинг-понг» (когда информационный пакет, как теннисный
мяч, постоянно курсирует между двумя соседними узлами сети), а также
ситуации, характеризующиеся появлением циклов (петель) в маршруте следования
пакетов. Некоторые из решений, позволяющие избавиться от этих недостатков,
приведены в [1.2.4.18,1.2.4.19,1.2.4.20,1.2.4.21]: «правило расщепления горизонта»
позволяет предотвращать образование петель между соседними
маршрутизаторами, а метод корректировки отмены маршрута способен распознать и крупные
петли, охватывающие несколько узлов. Аналогичными свойствами обладает и
алгоритм диффузионного обновления DUAL (Distibuted Update Algorithm)
[1.2.4.15].
Наиболее часто при расчете маршрутов используются следующие показатели
(метрики): длина маршрута, надежность, задержка, ширина полосы пропускания,
нагрузка (загрузка), стоимость.
Длина маршрута является наиболее общим показателем маршрутизации.
Некоторые алгоритмы (протоколы) маршрутизации позволяют назначать
отдельные цены (стоимость) на каждый канал сети. В этом случае длиной маршрута
является сумма расходов, связанных с каждым каналом, включенным в маршрут.
Другие протоколы маршрутизации определяют «количество переприемов», т.е.
показатель, характеризующий число транзитных передач, которые пакет должен
совершить на пути от узла-источника до узла назначения.
Надежность, в контексте алгоритмов маршрутизации, относится к
надежности каждого канала сети. Часто под этим термином понимается информационная
надежность, измеряемая вероятностью ошибки при передаче одного бита.
Некоторые каналы сети могут отказывать чаще, чем другие. Отказы одних каналов
сети могут быть устранены легче или быстрее, чем отказы других каналов.
Поэтому при назначении оценок надежности могут быть приняты в расчет любые
факторы надежности.
Под задержкой маршрутизации обычно понимают промежуток времени
между моментом передачи информации от узла-источника до ее приема в узле
назначения. Задержка зависит от многих факторов и может быть рассчитана,
например, исходя из полосы пропускания промежуточных каналов сети, длин
очередей в каждом узле маршрута, загрузки всех промежуточных каналов сети
и от физического расстояния, на которое необходимо переместить пакет. За-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 263
держка является наиболее общим и полезным показателем, поскольку её
значение зависит практически от всех перечисленных основных параметров сети.
Полоса пропускания является оценкой максимально достижимой пропускной
способности канала, однако маршруты, проходящие через каналы с большей
полосой пропускания, не обязательно будут лучше маршрутов, проходящих через
менее быстродействующие каналы. Например, если более быстродействующий
канал почти все время занят, то фактическое время, необходимое для отправки
сообщения в пункт назначения, для этого быстродействующего канала может
оказаться больше.
Загрузка относится к степени занятости какого-либо элемента сети
(например, маршрутизатора). Загрузка может быть рассчитана разнообразными
способами, в том числе по коэффициенту использования главного процессора и числу
пакетов, обработанных в секунду.
В приведенном выше описании и классификации алгоритмов маршрутизации
не отражены особенности функционирования радиосетей связи, которые
существенно усложняют процедуры маршрутизации, разработанные для наземных сетей.
Эти особенности связаны со способами излучения, распространения и приема
радиосигналов, а также небольшим временем «жизни» топологии каналов связи
негеостационарных ССС, особенно низкоорбитальных сетей вследствие высокой
скорости движения спутников-ретрансляторов (под временем «жизни» топологии
понимается интервал времени сохранения неизменной топологии сети связи).
В зависимости, в основном, от целевого назначения НССС на спутниках-
ретрансляторах при межспутниковой ретрансляции могут использоваться
ненаправленные, слабо- или высоконаправленные антенные системы. Излученный
ретранслятором радиосигнал при использовании ненаправленных или
слабонаправленных антенн может поступить на входы приемников нескольких
ретрансляторов-соседей, которые находятся в зоне радиовидимости данного
ретранслятора (широковещательный характер радиоканалов — это, пожалуй, одно из
главных отличий от наземных систем связи в контексте маршрутизации).
Зона радиовидимости ретрансляторов определяется направленными
свойствами бортовых приемо-передающих антенно-фидерных систем, мощностью
передатчиков, диапазоном используемых частот, высотой орбит и др. Очевидно,
например, что при малой высоте орбит из-за кривизны поверхности Земли зона
радиовидимости меньше, чем при большей высоте орбит. При высоте орбит от
800 до 1400 километров время «жизни» топологии составляет примерно от трех
до десяти минут.
В перспективных проектах, особенно коммерческого приложения,
рассматриваются интегрированные сети связи, которые представляют собой объединение
спутниковых и наземных сетей связи. Спутниковый сегмент представляет собой
объединенную сеть геостационарных, высокоэллиптических, средне- или
низкоорбитальных сетей спутников-ретрансляторов. Возможные маршруты
информационных потоков в таких системах включают в себя как межспутниковые каналы
связи (между низкоорбитальными спутниками, между низко- и
высокоорбитальными ретрансляторами, между высокоорбитальными ретрансляторами), так и каналы
связи спутник-ретранслятор — наземная станция и каналы связи наземных сетей.
Очевидно, что и алгоритмы маршрутизации, которые должны использоваться

264 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
в различных сегментах этих сетей, будут различными. Конечно, желательно, с
целью упрощения программно-аппаратных средств, использовать в таких
интегрированных сетях одну универсальную схему выбора маршрута. В этом случае во
всех сегментах сети будут измеряться и рассчитываться одни и те же показатели,
на базе которых и определяются оптимальные в выбранной метрике маршруты
(и это будут наилучшие маршруты). Но поскольку различные сегменты таких
сетей проектируются и изготавливаются различными
фирмами-производителями, а также с учетом указанных выше особенностей маршрутизации в
спутниковых радиосетях связи, все же вряд ли можно рассчитывать на реализацию такого
универсального решения.
Изменения топологии и характеристик трафика в НССС хотя и
высокодинамичные, но в большей своей части являются предсказуемыми. В частности:
• зоны радиовидимости и топология орбитальной сети связи вполне
детерминированы, так как ретрансляторы движутся по орбитам с постоянными
и практически неизменными баллистическими параметрами. Поэтому
местоположение СР и зон радиовидимости с другими ретрансляторами
орбитальной группировки может быть рассчитано заранее;
• орбитальные группировки для НССС коммерческого применения, как
правило, в пространстве представляют собой регулярную структуру.
Например, НССС Iridium представляет собой развертку цилиндра с
детерминированной решетчатой структурой;
• моменты появления трафика в линиях связи «вверх» для каждого СР
вполне предсказуемы, так как заранее известны моменты появления
каждого СР над каждым географическим районом Земли;
• над полюсами в орбитальной группировке НССС возникают большие
скопления (пучности) ретрансляторов. В этом случае в зоне радиовидимости
каждого СР может находиться более десятка ретрансляторов других орбит
и др.
Учет всех этих особенностей позволяет существенно снизить сложность
решения задачи маршрутизации и разработать достаточно эффективные
алгоритмы маршрутизации в НССС [1.2.4.23-1.2.4.27]. В настоящее время разработаны
два основных алгоритма маршрутизации — DT-DVTR (Discrete Time Dynamic
Virtual Topology Routing) и VN (Virtual Node). Алгоритм DT-DVTR
основывается на периодичности и регулярности изменений топологии О Г. Длительность
одного витка вокруг Земли для каждого КА разбивается на интервалы
стационарности, на которых топология НССС неизменна. На каждом интервале задача
маршрутизации решается одним из известных методов с разработкой
соответствующих таблиц маршрутизации, набор которых для всех возможных интервалов
стационарности хранится на борту каждого КА.
В основе алгоритма VN лежит понятие виртуальной топологии НССС,
которая представляет собой суперпозицию виртуальных узлов и физической
(реальной) топологии орбитальной группировки. Околоземное пространство разбито
на ряд соприкасающихся областей. В течение определенного периода времени
каждому виртуальному узлу сопоставлен определенный физический спутник,
находящийся в одной из этих областей. Во время пребывания КА в этой области

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 265
виртуальная топология НССС считается неизменной. Как только спутник
покидает эту область, данному виртуальному узлу ставится в соответствие другой
спутник, который входит в эту область и которому передается вся информация,
необходимая для работы данного виртуального узла. Таким образом, в данном
случае расчет маршрутов ведется в виртуальной топологии НССС.
В нескольких проектах (например, Astrolink, Spaceway, Skyway)
предполагается применение технологии ATM. Для маршрутизации в этих НССС
разработана ATM-версия алгоритма DT-DVTR. В этом случае каждая пара соседних КА
сгруппирована в виртуальный путь VPC (Virtual Path Connection) и бортовой
процессор КА при расчете маршрутов работает, исходя из меток этого VPC.
Таким образом, результаты последних исследований показывают, что в целом
алгоритм маршрутизации в НССС должен быть комбинированным: основу
алгоритма должна составлять адаптивная схема определения маршрута (на
которую возлагается коррекция маршрутов в зависимости от технического состояния
сети) с существенной детерминированной составляющей (на которую
возлагается расчет зон радиовидимости и параметров топологии сети).
Из приведенного выше описания видно, что каждый тип алгоритмов
маршрутизации может быть эффективно использован при заданных исходных данных
только во вполне определенной области. Разнообразие исходных данных и
целевых функций, которые определяют технический облик ССС, а также
недостаточное число известных результатов исследования этой проблемы в НССС не
позволяют однозначно определить эти области. Поэтому в следующих разделах
проводится детальный анализ основных алгоритмов маршрутизации, результаты
которого позволяют конкретизировать области применения алгоритмов
маршрутизации в НССС с учетом специфики функционирования радиосетей связи.
1.2.4.2. Волновые алгоритмы маршрутизации
Рассмотрим влияние основных системных параметров НССС с низкой
пропускной способностью межспутниковых линий связи на оперативность доставки
информации при использовании в межспутниковых каналах связи волнового
алгоритма маршрутизации и случайных протоколов доступа к радиоканалу. Такие
сети связи могут использоваться для мониторинга окружающей среды (земной
поверхности, атмосферы, космического пространства) и передачи сообщений о
стихийных бедствиях, взрывах, пожарах, нештатных аварийных ситуациях
технических систем, отдельных сообщений военного характера, транспортных
систем и т.п., т.е. в тех случаях, когда объемы передаваемых сообщений небольшие,
оперативность доставки информации составляет секунды, но требуется
обеспечить практически стопроцентную вероятность доставки сообщения к
потребителю — в центр управления, диспетчерский пульт и т.п. Источниками сообщений
в сети являются, как правило, всевозможные датчики или телеметрические
системы, установленные на наземных, воздушных или космических объектах. В
качестве антенных устройств передающей аппаратуры этих датчиков
используются, как правило, всенаправленные штыревые антенны с коэффициентом
усиления около 0,7.

266 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
С учетом характера и типа передаваемого трафика при отсутствии точной фа-
зировки между ретрансляторами в орбитальной космической группировке НССС,
а также в целях снижения стоимости сети связи в бортовых радиотехнических
комплексах негеостационарных спутников-ретрансляторов в качестве
приемопередающих антенных систем целесообразно использовать также
слабонаправленные антенны и применять полудуплексный режим передачи. Такие исходные
данные, в свою очередь, определяют использование волновых (или лавинных)
алгоритмов маршрутизации в таких системах.
При использовании волнового алгоритма маршрутизации передача
сообщений осуществляется следующим образом. Каждое сообщение (пакет) состоит из
служебной и информационной части. Служебная часть содержит уникальный
идентификационный номер. Из-за широковещательного характера
распространения радиосигналов и нескольких путей их прихода в приемник конкретного
СР возможны ситуации, когда на один и тот же СР несколько раз поступает одно
и то же сообщение. Поэтому номер принятого ретранслятором сообщения
сравнивается с номерами сообщений, принятых ретранслятором ранее и хранящихся
в запоминающем устройстве. Если при таком сравнении выясняется, что в
запоминающем устройстве ретранслятора уже содержится номер данного пакета, то
этот принятый пакет не подлежит дальнейшей передаче (ретрансляции) и
уничтожается. В противном случае номер сообщения заносится в базу данных и пакет
переизлучается на соседние ретрансляторы.
Как было указано ранее, для снижения стоимости бортовой аппаратуры и
экономии полосы частот на спутниках целесообразно использовать один
приемопередающий комплект, работающий в полудуплексном режиме для приема и
передачи сообщений как от датчиков контролируемых систем, так и от соседних
спутников-ретрансляторов НССС.
Поскольку в системах мониторинга интенсивность информационного потока
невысокая, а объемы передаваемых сообщений незначительные, то в качестве
протокола многостанционного доступа в межспутниковых каналах связи
целесообразно применять протокол нетактированная (чистая) Aloha
Проведем анализ вероятностно-временных характеристик доставки
информации в предположении, что если во время приема служебной части пакета на вход
приемника спутника-ретранслятора не поступали другие пакеты, то данный
пакет считается принятым правильно (в литературе такой успешный прием
пакетов также называется «захват»). В противном случае данный пакет независимо
от кратности наложения сигналов будет захвачен только с вероятностью р.
В НССС с использованием ненаправленных бортовых антенн и волнового
алгоритма маршрутизации вероятность ситуации одновременного поступления
одного и того же пакета (сигнала) на ретранслятор от разных его соседей,
находящихся в зоне его радиовидимости, достаточно высокая. Это приводит к конфликтной
ситуации и может вызвать потерю данного сообщения, если не предусмотрены
специальные механизмы. Для устранения этого недостатка на ретрансляторах
целесообразно, например, вводить принудительную случайную задержку
переретрансляции принятых пакетов. Использование данного механизма уменьшает
интервал уязвимости каждого пакета, т.к. в этом случае снижается вероятность
конфликтов (наложений) пакетов.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 267
Для волновых алгоритмов характерно то, что даже при небольшой
интенсивности входного трафика сеть связи может быстро перейти в режим высокой загрузки,
что приводит к резкому снижению производительности сети. Для устранения
этого недостатка целесообразно, например, использовать метод ограничения
длины маршрута следования сообщений (числа переприемов). Применение данного
механизма в первую очередь необходимо для ненаправленного метода волновой
маршрутизации, когда на спутниках-ретрансляторах используются
ненаправленные антенные системы. Поскольку в низкоскоростных НССС с ограниченным
энергетическим потенциалом космических радиолиний и скоростью передачи
информации в каналах связи в несколько сотен бит в секунду время захвата сигналов
(или время установления синхронизации) достаточно большое, а вероятность
совпадения моментов времени переизлучения принятых сигналов
ретрансляторами-соседями высокая, то без применения специальных методов
производительность системы связи окажется низкой.
Одним из путей повышения пропускной способности сети связи в этом
случае является использование направленного излучения пакетов и, соответственно,
реализации так называемого алгоритма маршрутизации «локализованной
направленной «волны» с применением направленных бортовых антенн
ретрансляторов. В этом случае вычисление направления последующей передачи
(излучения) пакетов можно реализовать двумя способами:
1. Вычислять направление распространения «волны» от узла-источника к
узлу-получателю только в узле-источнике, а при последующих
ретрансляциях по сети осуществлять передачу через луч антенной системы,
направление которого, например, диаметрально противоположно направлению
приема данного пакета (естественно, за исключением последней
ретрансляции — когда последний транзитный узел знает, что его соседом является
узел-получатель).
2. Определять направление дальнейшей передачи сообщений в каждом узле
ретрансляции сети. В этом случае каждый ретранслятор должен знать
собственные координаты и координаты всех узлов (ретрансляторов) сети
связи. Отметим здесь, что в данном случае нет необходимости предъявлять
высокие требования к точности навигационной системы, с
использованием которой определяются координаты ретрансляторов.
Как уже ранее отмечалось, строгий анализ вероятностно-временных
характеристик НССС возможно провести только с использованием имитационного
моделирования.
Имитационное моделирование было проведено при следующих исходных
данных и допущениях. Орбитальная группировка НССС состояла из 45
спутников-ретрансляторов, расположенных на 9 круговых орбитах высотой около 1500
км по 5 спутников на каждой орбите, равномерно разнесенных по длине орбиты.
Все орбиты имели одинаковое наклонение 83 градуса. При отсутствии
стабилизации орбитальной структуры (т.е. фазировки между ретрансляторами)
возможно смещение (дрейф) спутников в каждой плоскости и нарушение
первоначальной топологии сети связи. При проведении имитационного моделирования
данная ситуация учитывалась путем задания случайного смещения ретранслятора

268 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
относительно равномерно распределенных орбитальных позиций. При
разработке имитационных моделей отдельно не имитировался каждый источник
первичной информации, а рассматривались входящие информационные потоки от
географических районов земной поверхности, размеры которых были приняты
равными зоне видимости спутников с Земли.
При исследовании ненаправленного алгоритма волновой передачи
сообщений вероятность приема сообщений от спутника-ретранслятора центрами сбора
сообщений (наземными станциями), находящимися в этих районах, была
принята равной вероятности приема сообщений на спутниках-ретрансляторах при
передаче пакетов по межспутниковым линиям связи. При моделировании
направленного волнового алгоритма каждый географический район имитировался
одной наземной станцией. Данное допущение является возможным, так как все
центры сбора информации (наземные станции), расположенные в этом
географическом районе, принимают все сообщения идентично.
Результаты имитационного моделирования, а именно: значения средней
задержки — Г (в секундах) и вероятность доставки сообщений (процент доставки
сообщений) — Рд для ненаправленной и направленной передачи пакетов с
использованием двух-, четырех- и восьмилучевых бортовых антенных систем с
вычислением направления передачи на каждом спутнике в зависимости от
суммарной интенсивности входного трафика X представлены на рис. 1.2.4.1-1.2.4.8.
На рис. 1.2.4.1-1.2.4.3 приведены зависимости средней задержки доставки
сообщений от величины интервала поступления сообщений в сеть связи (^-~~1) от
абонентов при различной принудительной средней величине розыгрыша
момента переретрансляции принятых сообщений т равными 0,1 и 2 секунды. В
качестве параметра на этих графиках приведено число лучей передающей антенной
системы спутников-ретрансляторов. На этих графиках зависимости для режима
ненаправленного излучения отмечены индексом «н».
На рис. 1.2.4.4 представлен график изменения средней задержки передачи
пакетов при различной дальности связи в межспутниковых линиях (от 5 до 7 тысяч
километров) для 4- и 8-лучевых антенных систем на ретрансляторах.
На рис. 1.2.4.5-1.2.4.6 представлены графики процента доведения сообщений
до абонента-получателя в зависимости от интервала поступления сообщений в
сеть связи (величины, обратной интенсивности входного трафика). В качестве
параметров на этих графиках представлены число направлений излучения
«волны» и размеры зон радиовидимости в межспутниковых линиях связи. Для
большей наглядности приведен рис. 1.2.4.8, который повторяет в других осях
координат рис. 1.2.4.6.
Зависимость на рис. 1.2.4.7. показывает изменение средней длины маршрутов
при различных алгоритмах излучения «волны».
Из приведенных зависимостей видно, что с ростом интенсивности входного
трафика средняя задержка передачи сообщений возрастает, но при достижении
определенного уровня входного трафика сеть связи деградирует. Это выражается
в снижении пропускной способности НССС из-за резкого увеличения
вероятности конфликтов и падения вероятности доставки сообщений до
абонентов-получателей. Так, при критических загрузках, равных 1 сообщению в A0-20) секунд,
вероятность доставки находится в диапазоне 0,65-0,9. При увеличении же числа

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
269
Т [с] л
N =2
I I I I I I I I
12 -
11
20
1 1А [с]
Рис. 1.2.4.1. Зависимость средней задержки от среднего интервала межд
поступлениями сообщений при т= 0 с
Г [с]
19
18
17
16
15
14
13
-I 1 I I I L_
N =2
80
60
40
20
1^ i A [c]
Рис. 1.2.4.2. Зависимость средней задержки от среднего интервала между
поступлениями сообщений при т= 1 с

270
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Л-
1 1Д [с]
Рис. 1.2.43. Зависимость средней задержки от среднего интервала
поступления сообщений при г = 2 с
Г [с]
16
15
14
13
12
11
10
80
60
40
20
"t*" 1/Я. [с]
Рис. 1.2.4.4. Зависимость средней задержки от среднего интервала
поступления сообщений при различном числе направлений
излучения «волны» и дальности связи

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
271
100
90
80
70
60
50
-
■ -^
^^*ii**»%t<^ *******
—^
-
т-1 с
-
^\ Nn = 2
^ Я
80
60
40
20
1 Х/Х [с]
Рис. 1.2.4.5. Зависимость вероятности доставки от интенсивности
при различном числе направлений излучения «волны»
рд,%
100
90
80
70
60
50
• 103 км
•103]
80
60
40
20
1Д [с]
Рис. 1.2.4.6. Зависимость вероятности доставки сообщений
от размеров зоны радиовидимости

272 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
лучей антенной системы значения критической загрузки сети связи уменьшаются.
Например, при использовании 4- или 8-лучевой передающей антенной системы
и х = 0 секунд уже при интенсивности передачи одно сообщение в 15 секунд
наступает резкая деградация сети связи, в то время как при меньшем числе лучей
она еще не наступает (рис, 1.2.4.1). При введении случайной принудительной
задержки переизлучения пакетов в каждом ретрансляторе, равной две секунды,
предельная загрузка для 4- и 8-лучевой антенной системы составляет одно
сообщение в 40 секунд, в то время как при использовании двухлучевой антенной системы
она равна одному сообщению в 10 секунд, т.е. оказалась в четыре раза выше.
Введение случайной задержки, как и ожидалось, приводит и к увеличению
вероятности доставки сообщений, однако платой за достижение этого результата
является рост задержки доставки сообщений. Например, при росте случайной
задержки от нуля до двух секунд вероятность доставки сообщений до адресатов
повысилась при интенсивности передачи, равной одному сообщению в 20 секунд,
следующим образом:
• для ненаправленного алгоритма — с 0,65 до 0,725;
• для двухлучевой системы — с 0,9 до 0,91;
• для четырехлучевой системы — с 0,72 до 0,875;
• для восьмилучевой системы — с 0,68 до 0,775.
При тех же условиях средняя задержка доставки сообщений возросла
следующим образом:
• для ненаправленного алгоритма — с 14,2 до 24 секунд (при среднеквадра-
тическом отклонении (С.К.О.) от 6,5 до 11,9 секунды);
• для двухлучевой системы — с 15,3 до 21 секунды (при С.К.О. от 7,2 до 11,3
секунды);
• для четырехлучевой системы — с 12,8 до 17 секунд (при С.К.О. от 5,7 до
9,5 секунд);
• для восьмилучевой системы — с 12,5 до 16 секунд (при С.К.О. от 5,6 до 9,3
секунд).
Необходимо заметить, что в двух последних вариантах система находилась в
режиме деградации.
На рис. 1.2.4.2 также приведена зависимость, когда на
спутнике-ретрансляторе использовалась двухлучевая передающая антенная система, а направление
передачи сообщений определялось только в узле-источнике и не корректировалось
в ретрансляторах при дальнейшей передаче по сети (на этом и всех остальных
рисунках данного раздела — это пунктирные кривые). Сравнение зависимостей
показывает, что этот метод значительно уступает методу, когда направление
передачи вычисляется в каждом транзитном узле-ретрансляторе. Например, в
первом случае уже при интенсивностях 1 сообщение в 30 секунд система
функционирует в режиме перегрузки, в то время как во втором случае даже при
интенсивности входного трафика одно сообщение в 20 секунд режим перегрузки
еще не наступил (рис. 1.2.4.2).
Зависимости средней задержки от интенсивности входного трафика при
различных дальностях радиосвязи в межспутниковых линиях при использовании

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
273
ГЦ
4,6
4,4
4,2
4,0
3,8
3,6
-
т = 0 с
Nri = 8
___
^N я
80
60
40
20
1 \/Х [с]
c. 12.4.7. Зависимость средней длины маршрута от интенсивности
при различном числе направлений излучения «волны»
IV /о i
100
95
90
85
80
/ / /Х ^ = 200
(/
/
Хл = 40 с
i i i
\
\
\-> = 80 с
—i ►
Рис. 1.2.4.8. Зависимость вероятности доставки сообщений
от размеров зоны радиовидимости

274 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
на ретрансляторах 4- и 8-лучевых антенных систем на рис. 1.2.4.4 показывают,
что в выбранной орбитальной группировке существуют оптимальные значения
дальности радиосвязи — R (рисунки 1.2.4.4, 1.2.4.6 и 1.2.4.8). Например, для че-
тырехлучевой системы передачи оптимальное значение R равно около 6000 км.
Это объясняется тем, что при R = 5000 км из-за меньшей связности сети средняя
длина пути сообщения в сети выше, чем при R = 6000 км. В тоже время при R =
7000 км длина пути сообщения в сети еще меньше, однако в этом случае
вероятность конфликтов при приеме пакетов возрастает из-за увеличения числа
соседей каждого спутника. По вероятности доставки сообщений лучшие результаты
обеспечиваются при применении двухлучевой антенной системы и дальности
связи в межспутниковых линиях не более 5000 км.
Результаты, приведенные на рис. 1.2.4.7, показывают, что при №i = 8, Аг1 = 20 с
и т = 0 с средняя длина маршрута резко падает. Этот эффект объясняется тем,
что протокол Aloha, используемый при межспутниковой ретрансляции,
переходит при Аг1 = 20 с в нестабильный режим, при возникновении которого
вероятность успешной передачи пакета стремительно падает (вероятность доставки
сообщений Рд — рис. 1.2.4.5 и рис. 1.2.4.6 — также резко снижается). Практически
успешно доставляются сообщения от узла-источника только к его соседним
узлам, которые являются получателями данного пакета.
Таким образом, применение волновых алгоритмов маршрутизации в НССС
имеет множество отличительных от наземных сетей особенностей. Одной из этих
особенностей является широковещательный режим передачи пакетов по сети и,
как следствие, наличие проблем, связанных с реализацией протокола
многостанционного доступа. Это в результате приводит к снижению пропускной способности
НССС. В то же время использование направленных свойств бортовых
приемопередающих антенн и регулировка дальности связи (размеров зоны
радиовидимости) придает новые свойства алгоритмам маршрутизации в спутниковых сетях
и позволяет оптимизировать характеристики НССС по пропускной способности.
1.2.4.3. Адаптивная маршрутизация
Для обеспечения высокой эффективности информационного обмена в
высокопроизводительных НССС, а именно: снижения задержки доведения
сообщений и увеличения вероятности доставки информации, — необходимо
использовать отличные от волновых алгоритмы управления информационным обменом
и в первую очередь использовать более эффективные алгоритмы
маршрутизации. Как отмечалось, весь класс алгоритмов маршрутизации можно разделить на
фиксированные и динамические с централизованным или распределенным
управлением. Очевидно, что для большинства сетей связи с динамической
топологией нецелесообразно использовать фиксированные алгоритмы
маршрутизации. В классе динамических алгоритмов маршрутизации выберем для
исследования следующие [1.2.4.26]:
• по кратчайшему пути с адаптацией к изменению топологии;
• по минимуму задержки доставки сообщений;
• адаптивный алгоритм краткосрочного прогнозирования.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 275
Решение задачи маршрутизации в НССС должно быть выполнено совместно
с решением задач управления информационными потоками, а именно: с выбором
протоколов многостанционного доступа в различных сечениях системы. В
качестве таких протоколов целесообразно рассмотреть следующие [1.2.4.1-1.2.4.3]:
• модифицированный протокол Aloha с захватом;
• протокол глобального расписания с централизованным или с
распределенным управлением.
Вначале проведем исследование вероятностно-временных характеристик НССС
с адаптивными алгоритмами маршрутизации. Сравнительный анализ большого
числа известных различных стратегий и алгоритмов также проведем с помощью
имитационного моделирования, т.к., в дополнение к ранее сказанному,
аналитическое исследование сети связано с необходимостью анализа статистически
зависимых систем массового обслуживания. Вследствие этого получить
выражение в явном виде даже при большом числе упрощений не удается.
Задачу исследования количественных оценок характеристик НССС можно
провести путем сравнительного анализа адаптивных и неадаптивных алгоритмов
маршрутизации. Из большого числа адаптивных алгоритмов выберем два
достаточно известных и хорошо исследованных в наземных сетях связи алгоритма из
класса распределенных (или децентрализованных):
• алгоритм маршрутизации, аналогичный применяемому в наземной сети
ARPANET, который полезен как эталон, с которым можно сравнивать
другие алгоритмы [1.2.4.1] по минимуму среднего времени доставки пакетов;
• алгоритм маршрутизации на базе краткосрочного прогнозирования
[1.2.4.28].
При использовании первого алгоритма все узлы сети периодически
обмениваются собственными оценками минимального времени, необходимого для
доставки сообщений к адресату. В каждом узле к полученным значениям времени
добавляется рассчитанное в этом узле время доставки сообщений к каждому
соседнему узлу и т.д.
При применении второго алгоритма каждый узел-ретранслятор оперирует не
с измеренными задержками передачи сообщений, а с их оценками, полученными
в результате экспоненциального сглаживания (фильтрации). В ходе проведения
сравнительного анализа также определим оптимальные параметры каждого из
рассматриваемых алгоритмов.
Адаптивный алгоритм маршрутизации по критерию минимума
задержки доставки сообщений
Целевой функцией данного алгоритма является минимизация среднего
времени доставки сообщений в НССС и требуемого объема памяти БРТК
спутников-ретрансляторов.
Предположим, что входящий трафик является однопакетным. При выборе
маршрута следования сообщений естественным представляется передавать
каждый пакет по такому пути, который обеспечивает пакету минимальное время

276 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
доставки до адресата при условии, что в узлах сети принята дисциплина
обслуживания по принципу «первый пришел — первым обслужен» (бесприоритетная
дисциплина FIFO) . Однако во многих работах показано, что такой алгоритм
выбора направлений передачи пакетов приводит к увеличению времени задержки
пакетов и не является оптимальным [1.2.4.2]. Чтобы устранить этот недостаток,
необходимо при выборе направления передачи каждого пакета прогнозировать
время задержки в сети не только данного пакета, но и тех пакетов, которые будут
переданы и после него. Любой алгоритм маршрутизации, как известно,
использует ту или иную метрику (или, другими словами, «вес» каждого канала связи).
Например, в [1.2.4.2] предложено вычислять значение веса любой радиолинии
связи следующим образом:
где pj = -i , Xj — интенсивность информационного потока в 7-ой спутниковой радиолинии,
nfoj) ~ Длина очереди bj-om ретрансляторе в момент времени £•, 1/]ц. — среднее время передачи
пакетов в j-ои радиолинии; 1/ц • = V/R, где V — длина пакета, R — скорость передачи пакетов
в^-ой радиолинии.
Величина A/|л.-)(гг-(^) + 1) в A.2.4.1) равна времени задержки пакета в^-ом
ретрансляторе при условии, что пакет поставлен в конец очереди из nXt)
пакетов, ожидающих обслуживания. При небольшой интенсивности
информационных потоков вес всех каналов связи примерно равен времени ожидания
обслуживания. Поэтому в этом случае направление передачи каждого пакета
выбирается, практически, исходя из минимизации времени доставки только
данного пакета. Учет прогнозируемого времени задержки пакетов (прогнозирование
«вперед»), которые окажутся в очередях после пакета, для которого в данный
момент определяется маршрут, оказывает влияние только при достаточно
высоких загрузках каналов (сказывается влияние члена 1 - р •). Если канал связи
включен в кратчайший путь для слишком большого числа пакетов, то возрастает
и загрузка р;, но вес, рассчитанный в соответствии с A.2.4.1), предохраняет
данный канал от перегрузки. Таким образом, в данном алгоритме учитываются
статистические свойства нагрузки. Для реализации данного метода можно
использовать, например, метод рельефов [1.2.4.2]. Как было ранее отмечено, этот метод
относится к групповым распределенным методам динамического управления.
В сети связи при использовании метода рельефов выполняются две следующие
основные операции: формируется рельеф и выполняется его коррекция. В
каждом узле г формируется матрица \Щт\, 1 ^ тп < L, где L — число узлов сети.
Элементы этих матриц определяются следующим образом. Обозначим через Тт —
минимальное из значений суммарных весов путей в сети из узла г в узел т. Тогда:
где 5(/) — номер узла, с которым узел г соединяется направлением (радиолинией) 1-, Величина Тт
вычисляется как:
Trm = mmZr. A.2.4.2)

1.2, Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 277
Значения Тгт согласно A.2.4.2) корректируются через заданный интервал т,
после чего передаются на все соседние с данным ретранслятором спутники
нссс.
Адаптивный метод краткосрочного прогнозирования
Так как параметры информационных потоков и процессов в сетях связи, на
основе которых функционируют адаптивные алгоритмы маршрутизации,
измеряются на конечном интервале и поступают в узлы с запаздыванием, то они в
определенной степени не соответствуют текущему состоянию сети связи:
трафику в каналах, задержкам, длинам очередей, помеховой обстановке и др. Поэтому
в этих алгоритмах для повышения их эффективности используют адаптивные
методы краткосрочного прогнозирования, суть которых излагается ниже.
Поступающие в каждый узел значения измеренных задержек передачи
сообщений можно представить в виде временного ряда tt. В качестве модели этого
ряда целесообразно использовать следующую [1.2.4.28]:
где et ~ случайный некоррелированный процесс с нулевым математическим ожиданием и
конечной дисперсией, ^ — детерминированная функция, случайный процесс или их комбинация.
Zt влияет только на значение синхронного ей члена ряда, т.е. tv a ^ — определяет значение
нескольких членов ряда. Под ^ будем понимать оценку задержки передачи сообщений между
произвольными соседними узлами. Величина ^ называется уровнем временного ряда измеренных задержек
в момент t, а закон эволюции уровня во времени — трендом. Прогнозная модель — это модель,
аппроксимирующая тренд. Краткосрочный прогноз обеспечивается при выполнении ряда
предпосылок, в частности, того, что автокорреляционная функция временного ряда должна быстро
затухать, т.е. влияние более поздней информации должно сильнее отражаться на прогнозируемой
оценке, чем влияние более ранней информации.
Ценность информации в зависимости от возраста можно учесть с помощью
геометрически убывающих весовых коэффициентов (это взвешенная регрессия).
Введя веса квадратов ошибок, параметры регрессивных кривых отыскиваются из
условия:
£p%._j-yr_I-(a1,a2,...,afI)]2,0<P<l
min
где Т — текущий момент времени, tT_{ — фактическое значение задержки (оценка задержки в
каждом узле) в момент Т - i, г/(...)~ значение подбираемой функции в момент Т - i.
Веса ошибок для более ранних моментов времени уменьшаются по закону
убывающей геометрической прогрессии. В этом случае функция ценности
информации имеет экспоненциальную форму в отличие от прямоугольной в случае
простого или кусочно-линейного метода построения регрессионных кривых.
Такое взвешивание ошибок обеспечивает лучшее соответствие регрессионной
кривой к более свежим (поздним) данным, т.к. веса уменьшаются экспоненциально
в зависимости от давности измеренных задержек. Как правило, наилучшие
значения р устанавливаются экспериментально. Положительным свойством такой
модели является то, что если при выборе типа кривой регрессии была допущена
ошибка, то в данной модели она частично компенсируется.

278 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Простейшая адаптивная прогнозная модель основывается на вычислении
экспоненциальной средней. В этом случае экспоненциальное сглаживание
временного ряда задержек передачи информации между произвольными узлами
осуществляется по рекуррентной формуле:
St = att + $St_{ A.2.4.3)
где St — значение экспоненциальной средней задержки между выбранными узлами в момент
времени t,
а — параметр сглаживания, 0<а<1 , р = 1 - а
tt — временной ряд задержек передачи информации между двумя произвольными
соседними узлами сети связи.
Выражение A.2.4.3) можно представить в виде:
V,: + P% A-2.44)
i = 0
где N — количество членов ряда (длина памяти),
So — величина, характеризующая начальные условия для первого применения формулы
A.2.4.3).
Как видно, экспоненциальное сглаживание является простейшим вариантом
самообучающейся модели. Вычисления A.2.4.3) просты и выполняются
итеративно и требуют меньше арифметических операций, чем скользящая средняя, а
массив прошлой информации сведен до одного значения.
Для составления прогноза необходимо иметь начальное значение 50. Чтобы
уменьшить влияние начального значения (которое может быть выбрано
ошибочно, или оно неизвестно), в [1.2.4.28] предложена модификация процедуры
сглаживания:
= [а^AаM']Г^аAау1 A.2.4.5)
где S't = aS0.
t
Когда сумма коэффициентов У^осA — а)г будет примерно равна 0,995, сле-
2 = 0
дует вернуться к обычному экспоненциальному сглаживанию A.2.4.3), A.2.4.4).
При заданном значении а можно заранее определить, на каком шаге следует
вернуться к обычной модели.
Следующей задачей при реализации данного алгоритма является выбор
значения постоянной сглаживания а, которая характеризует скорость реакции модели
на изменения уровня процесса и определяет способность системы сглаживать
случайные отклонения. Ниже будут представлены зависимости, полученные с
использованием имитационной модели, которые позволили определить
оптимальное значение.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 279
Структура низкоорбитальной сети связи, на которой исследовались
описанные выше алгоритмы маршрутизации, представляла собой орбитальную
группировку из 36 ретрансляторов, расположенных на шести круговых орбитах по
шесть ретрансляторов на каждой орбите с наклонением около 83° и высотой
около 1500 км. В модели было принято, что при организации информационного
взаимодействия каждый из спутников-ретрансляторов в такой орбитальной
структуре имел не более четырех соседей.
Моделировались следующие алгоритмы маршрутизации:
• по кратчайшему пути;
• по минимуму задержки доставки сообщений;
• адаптивного краткосрочного прогноза.
Информационные потоки, которые циркулировали в сети связи, были
приняты пуассоновскими. Для всесторонней оценки эффективности алгоритмов
необходимо проводить исследования при высоких загрузках и нестационарных
условиях функционирования сети. Поэтому моделировались следующие варианты
загрузки каналов связи НССС и неоднородность входного трафика:
Вариант 1: равномерная загрузка входящим трафиком
ретрансляторов-источников и ретрансляторов — адресатов сообщений — сообщения
информационного потока поступали в сеть с равной
вероятностью на каждый из ретрансляторов, а выбор адресата происходил
также равновероятно,
Вариант 2: неравномерная загрузка ретрансляторов — источников
сообщений. В этом случае интенсивность информационных потоков,
поступающих в сеть через различные ретрансляторы, была
различной, однако выбор адресатов (спутников-ретрансляторов, в зоне
радиовидимости которых находится наземный пункт-адресат)
был равновероятным. Неоднородность информационного трафика
моделировалась следующим образом. Все ретрансляторы были
разбиты на три группы: первая группа — из восемнадцати
ретрансляторов, а вторая и третья — по девять. Соотношение между интен-
сивностями входящих в сеть информационных потоков Х- между
данными группами было принято равным 1:2:10, соответственно.
Вариант 3: неравномерная загрузка как ретрансляторов-источников, так и
ретрансляторов-адресатов. Это наиболее тяжелый режим
функционирования сети связи, однако он и наиболее близок к реальной
ситуации. В этом случае и поступление сообщений в сеть через
различные ретрансляторы, и выбор адресатов (ретрансляторов,
которым предназначено сообщение) были неравномерными.
Причем и для источников сообщений (ретрансляторов, через которые
сообщения поступают в сеть), и для адресатов соотношение
между интенсивностями между теми же тремя группами было также
принято равным 1:2:10.
Емкости запоминающих устройств ретрансляторов были приняты
неограниченными, длина пакетов (объем сообщений) — 1 кбит, информационная скорость

280 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
в каналах связи была равной 2,5 кбит/с, т.е. суммарная информационная скорость
передачи всех четырех передающих каналов составила 10 кбит/с. Таким образом,
суммарная информационная скорость приемных и передающих каналов одного
ретранслятора была 20 кбит/с. Время передачи одного пакета равнялось 400 мс.
Результаты моделирования
На рис. 1.2.4.9 представлены полученные зависимости средней задержки и
среднеквадратического отклонения (с.к.о) а от суммарной загрузки системы X
для указанных выше вариантов 1, 2 и 3 (на графиках они отмечены
соответственно 1, 2 и 3). На графиках видно, что для наиболее реального режима
функционирования НССС (вариант 3) пропускная способность сети связи вдвое
меньше по сравнению со случаем равномерной нагрузки узлов.
На рис. 1.2.4.10 приведены зависимости для НССС с алгоритмом по
минимуму задержки доставки сообщений для случая, когда время измерения задержки
передачи сообщений в каждом узле Гоц было равно времени коррекции
управляющей информации Гкор. Из сравнения зависимостей на рис. 1.2.4.9 и 1.2.4.10
видно, что при равномерной нагрузке (а также и при неравномерной для
варианта 2 при интенсивностях информационных потоков не более 20 сообщений в
секунду) выигрыш адаптивного метода маршрутизации по сравнению с
алгоритмом кратчайшего пути незначительный: около 30 мс — по средней задержке и
около 200 мс — по ее среднеквадратическому отклонению. Необходимо отметить,
что эти зависимости построены для случая, когда не учитывался факт рассылки
служебной информации по сети, т.е. прохождение служебного трафика по
каналам связи не моделировалось.
Полученное небольшое значение выигрыша объясняется также и тем, что время
получения оценки задержки и значение интервала коррекции были одинаковыми:
Гоц = Гкор, а время коррекции управляющей информации небольшое: Гкор = 1 с,
т.е. для случая, когда достоверность оценки измеренной задержки была невысокой.
Поэтому в этом случае алгоритм, фактически, реагировал даже на слабые
кратковременные всплески интенсивности информационного потока в каждом канале.
На рис. 1.2.4.11 показаны аналогичные зависимости для НССС с адаптивным
алгоритмом маршрутизации при неравномерной загрузке источников (вариант 2),
но при длительности интервала измерения задержки в каждом канале
ретрансляторов на порядок большего, чем интервал коррекции: 10 • Т . Результаты,
приведенные на этом рисунке, показывают, что при неравномерной загрузке
источников информации и при интенсивностях B0-40) сообщений в секунду
выигрыш адаптивного алгоритма составляет около 100 мс по средней задержке и
около 2 секунд — по а. В то же время при загрузке около 50 сообщений в секунду
адаптивный алгоритм проигрывает около 0,8 с по средней задержке алгоритму
кратчайшего пути.
Полученные на рис. 1.2.4.11 зависимости также не учитывают факт передачи
служебной информации. При существенной неравномерности нагрузки на узлы
сети связи — вариант 3 на рис. 1.2.4.12 — адаптивный алгоритм, если не
учитывается факт загрузки каналов служебной информацией, дает существенный
выигрыш. В частности, при интенсивности суммарного информационного потока,

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
281
i
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
1,0
Г [с]
-
-
-
-
-
3
А
с.к.о [с] j
1 4
О
10
20
30
40
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
50 X [сооб/с]
Рг/с. 1.2.4.9. Зависимости средней задержки и с.к.о.
от интенсивности информационных потоков
2,25
2,00
1,75
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
Г [с]
2
Г
>—
У
■ =^
с.к.о [с] j
/1 2 сек
/У/ 1сек "
/A//i 05 сек "
о
10
20
30
40
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
50 X [сооб/с]
Рис. 1.2.4.10. Зависимости средней задержки и с.к.о.
от интенсивности информационных потоков

282
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
Г [с]
с.к.о [с]
20
3 сек
1 сек
5 сек
30
40
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
50 X [сооб/с]
Рис. 1.2.4.11. Зависимости средней задержки и с.к.о.
от интенсивности информационных потоков
Г [с]
с.к.о [с] и
4,0 _
3,0 -
2,0 -
1,0
30
40
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
50 X [сооб/с]
Рис. 1.2.4.12. Зависимости средней задержки и с.к.о.
от интенсивности информационных потоков

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 283
близкой к 50 сообщениям в секунду, алгоритм кратчайшего пути дает
бесконечную задержку сообщений, в то время как адаптивный алгоритм обеспечивает
задержку 5,45 с, а а = 3,78 с при Гкор = 1 с и Гоц = 10 Гкор = 10 с. В то же время, при
Гкор = 3 с и Гкор = 5 с адаптивный алгоритм ухудшает характеристики до Т= 6,9 с
и Т = 6,3 с соответственно.
Наилучшие результаты из исследованных алгоритмов обеспечил алгоритм
краткосрочного прогнозирования, причем при простейшей модели сглаживания —
соотношение A.2.4.3). Поведение задержки доставки сообщений (без учета
передачи служебной информации) в зависимости от параметра сглаживания а и
загрузки представлено на рис. 1.2.4.13 и 1.2.4.14 при существенной
неравномерности входного трафика (вариант 3). Из этих зависимостей следует, что данный
алгоритм даже при интенсивности следования сообщений 50 сообщений/с
обеспечивает устойчивое функционирование, в то время как неадаптивный алгоритм
кратчайшего пути не обеспечивает функционирование сети уже при 40
сообщений/с. Так, например, при X = 25 сообщений/с алгоритм кратчайшего пути
обеспечил показатели Т= 2,87 сио = 2,96 с, а НССС с адаптивным алгоритмом
краткосрочного прогнозирования Г=1,1 с и а= 1,4 с, т.е. выигрыш составляет при
относительно малых загрузках (до X = 30 сообщений/с) от 2 до 5 раз при Гкор = 1 с.
Очевидно, что при использовании адаптивных алгоритмов существует
оптимальное значение времени коррекции служебной информации, т.к. при малых
значениях Т сеть связи будет существенно загружена передачей служебной
информации, в то время как при больших Гкор будет существенной инерционность
адаптивного алгоритма. Зависимости для адаптивного алгоритма
краткосрочного прогнозирования с учетом передачи служебной информации по каналам связи
НССС представлены на рис. 1.2.4.15. Из этих графиков видно, что учет факта
передачи по каналам связи служебной информации приводит к существенному
ухудшению характеристик сети с адаптивным алгоритмом. Так, например, при
X = 30 сообщений/с и без учета передачи служебной информации задержка была
равна Т = 1,2 с, в то время как при значениях Т t = 11 си учете служебных
затрат на функционирование адаптивного алгоритма она стала Г= 4,6 с. Однако
и в этом случае данный алгоритм обеспечивает выигрыш около двух секунд (на
рис. 1.2.4.15 штриховой линией для сравнения показана зависимость для
алгоритма кратчайшего пути). Отметим также, что эти зависимости были получены
при отношении объемов информационных и служебных сообщений, равном 15:1,
а сбор статистики осуществлялся по факту прохождения 2000 сообщений через
сеть связи.
Полученные результаты сравнительного анализа при равномерной загрузке
каналов сети связи показали, что НССС с адаптивными алгоритмами уступают
по оперативности доставки НССС с алгоритмом кратчайшего пути. В то же
время при существенной неравномерности загрузки сети связи адаптивный
алгоритм краткосрочного прогнозирования при оптимальных параметрах
управления (а и Гкор) обеспечивает выигрыш по отношению к неадаптивному алгоритму
около полутора раз. Задержка доставки сообщений существенно зависит от
распределения нагрузки по узлам сети связи. Так, для исследованной
орбитальной группировки сети связи при равномерной загрузке узлов пропускная
способность сети составляет около 54 сообщений в секунду, в то время как при

284
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
1,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 а
Рис. 1.2.4.13. Зависимости средней задержки
от коэффициента а
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
' Т[с]
-
тк
а
= 0,001
с.к.о [с] i
1:
-
-
20
30
40
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
- 1,5
1,0
0,5
50 А/[соо6/с]
Рис. 1.2.4.14. Зависимости средней задержки и с.к.о.
от интенсивности информационных потоков

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
285
J
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
' Г [с]
\
*••
-
X
а
N
= 30 пак/с
= 0,001
в*
у'
с.к.о [с] i
-
/
* }
' /
5
8
- 3,5
- 3,0
- 2,5
- 2,0
- 1,5
10 11 12 13 14 15 Гкор[с]
Рис. 1.2.4.15. Зависимости средней задержки доставки пакетов
и с.к.о. от длительности интервала коррекции
неоднородной загрузке — только около 24 сообщений в секунду. При этом время
изучения (узнавания) 60% топологии сети связи (т.е. 60% от всех узлов)
составило около 10 секунд (при предельной загрузке), а 70% топологии сети — около
300 секунд.
1.2.5. Исследование вероятностно-временных характеристик
сети с различными алгоритмами построения системы
информационного обмена
В настоящее время основным и наиболее точным методом исследования
вероятностно-временных характеристик НССС является имитационное
моделирование. В имеющихся публикациях большинство исследований авторов были
направлены в основном на изучение эффективности баллистического построения
различных орбитальных группировок и отдельных топологических
характеристик НССС [1.2.5.1-1.2.5.6]. Однако аналитические методы исследования
эффективности информационного обмена (или взаимодействия) в НССС в
настоящее время развиты недостаточно.
Основные трудности связаны с разработкой взаимосвязанных моделей
динамически изменяющейся топологии сети и вероятностно-временных
характеристик информационного обмена при использовании различных алгоритмов

286 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
управления потоками, протоколов доступа, алгоритмов маршрутизации и др.
Для НССС задача усложняется особенно в тех случаях, когда сеть построена на
базе несфазированных спутников-ретрансляторов (или ретрансляторов без
стабилизации параметров орбитальной группировки). Необходимо отметить, что
характеристики большого числа различных алгоритмов маршрутизации
достаточно полно исследованы при анализе наземных сетей передачи информации. Но
в наземных проводных системах связи проблема многостанционного доступа
отсутствует. В то же время характеристики методов (протоколов) множественного
доступа достаточно полно исследованы при расчете параметров спутниковых
сетей связи на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Но в этих сетях
задача маршрутизации является, как правило, вырожденной. При исследовании
же НССС обе эти задачи необходимо решать одновременно. Более того, именно
в НССС иногда нельзя даже качественно предсказать ряд наилучших решений
при одновременном использовании того или иного протокола доступа и алгоритма
маршрутизации. Например, нет никакой уверенности, что использование в
радиосети связи какого-либо «лучшего» алгоритма маршрутизации и «не лучшего»
протокола доступа будет эффективнее, чем использование другого алгоритма
маршрутизации и «лучшего» протокола доступа.
Необходимо также отметить, что при проведении имитационных
экспериментов при исследовании вероятностно-временных характеристик
информационного обмена требуемая величина машинного такта (минимального интервала
моделирования) выбирается в пределах одной-десяти миллисекунд для того, чтобы
исследовать процессы распространения сигналов, времени их обработки,
синхронизации и др. Величина же интервала времени для получения устойчивой
статистики по топологическим характеристикам НССС (например, зонам
радиовидимости) должна быть не менее нескольких суток. В результате время
имитационного эксперимента или даже время просчета одной
экспериментальной точки становится неприемлемо большим.
Поэтому желательно иметь хотя бы приближенный аналитический метод
расчета, когда часть параметров модели рассчитывается по формульным
соотношениям в явном виде, а только часть исходных данных и параметров, если и
определяется с помощью имитационного моделирования, то на существенно более
простой модели. Такая постановка задачи приводит к вероятностной модели
НССС, в которой целесообразно, например, величины, связанные с вероятностно-
временными характеристиками информационного обмена (т.е. именно те
процессы, которые определяют минимальную величину машинного такта при
моделировании), рассчитывать аналитически. Если это удается сделать, то у
разработчиков сети связи появляется возможность увеличить на несколько порядков
величину машинного такта моделирования для определения топологических
характеристик НССС, таких как длительность сеансов связи, вероятность
одновременной видимости двух ретрансляторов и т.д., и, в результате, существенно
снизить объемы имитационных экспериментов.
В качестве одного из возможных решений данной задачи можно предложить
следующий, основанный на реализации вышеизложенной идеи [1.2.5.7].
Разобьем решение задачи на два этапа: на первом этапе решим задачу построения
модели топологии сети с использованием адекватной баллистической модели ор~

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 287
битальной группировки, а на втором — определим вероятностно-временные
характеристики информационного обмена.
Таким образом, первая задача заключается в определении вероятности
существования совместных зон радиовидимости космических аппаратов между собой.
Вычислив эти вероятности, реальную баллистическую группировку НССС
можно представить в виде вероятностного графа, в котором ветви (ребра) — каналы
связи между вершинами (узлами) — спутниками-ретрансляторами —
существуют с некоторой вероятностью (средним по времени функционирования),
определяемой временем существования взаимных зон радиовидимости на интервале
моделирования. Если на втором этапе использовать такую «стационарную»
топологию реальной орбитальной группировки, то определение
вероятностно-временных характеристик информационного обмена существенно упрощается.
Рассмотрим более детально этот подход.
Проведем анализ вероятностно-временных характеристик НССС,
расположенных на круговых и, в общем случае, несинхронных орбитах. В качестве
показателей эффективности информационного обмена в сети связи могут быть
использованы средняя задержка доставки сообщений, средняя длина маршрута,
вероятность успешной передачи сообщений или другие, традиционные для сетей
массового обслуживания (к которым можно отнести и НССС) вероятностно-
временные характеристики.
Примем следующую математическую модель НССС. Структуру сети
представим в виде полного неориентированного графа — G(M), где М — множество
вершин графа (под вершиной понимается один из узлов НССС —
спутник-ретранслятор). Топологию графа определим матрицей смежности Р = \\py\\, где р^ —
вероятность того, что i-ый и j-ый ретрансляторы имеют общую зону
радиовидимости, ограниченную дальностью радиосвязи R*. Другими словами, вероятности
Ру являются средними по времени функционирования НССС. Введем матрицу
тяготения Q = \\д^\\, где #« ~ вероятность того, что сообщение, принятое i-ым
ретранслятором от, например, наземного абонента, находящегося в зоне
радиовидимости i-ro космического аппарата, предназначено 7-ому ретранслятору, при-
м
чем должно выполняться условие: V* qtj = 1. Это условие физически выража-
ет тот факт, что все сообщения могут возникать только в узлах сети и не могут
быть в ней потеряны.
В качестве алгоритма маршрутизации сообщений в межспутниковых каналах
вначале рассмотрим волновой алгоритм, подробно описанный и исследованный
в разделе 1.2.4.2, который достаточно просто реализуется и может применяться
для повышения вероятности доставки сообщений, рассылки в отдельных
случаях циркулярной и служебной информации и т.п. При волновом методе
маршрутизации каждое сообщение, принятое в z-ом узле ретрансляции, передается всем
соседним с ним узлам (ретрансляторам). Поэтому все сообщения, принятые в i-ом
узле, увеличивают интенсивность информационных потоков в каждой выходящей
из узла линии связи на величину интенсивности входного потока сообщений
в г-ом узле: на величину X*, так как каждое сообщение, принятое от абонентов

288 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
зоны радиовидимости i-ro узла, должно обязательно пройти через все радиолинии
сети связи. Последнее справедливо, если в сети связи отсутствуют ограничения
на число транзитных участков переприемов, пройденных каждым сообщением, а
также при использовании метода доступа, обеспечивающего обязательную
передачу сообщений между произвольным ретранслятором и всеми его соседями.
При принятых допущениях внешний (транзитный) трафик, поступающий в
произвольный узел от соседних ретрансляторов, равен: KsiX*, где Ksi — среднее
число соседних с z'-ым ретрансляторов, г Ф]. Тогда выходной трафик произвольного
/-го ретранслятора равен:
4 k = !
где pki — вероятность того, что у /-го ретранслятора в произвольный момент времени окажется
соседом &-ый ретранслятор, т.е. в этот момент ретрансляторы находятся в зоне взаимной
радиовидимости.
Если же в каждом узле ретрансляции уничтожаются сообщения-дубликаты, то
значение к1вых в A.2.5.1) необходимо разделить на (Ksi - 1).
Определим среднее число соседних с i-ым ретранслятором космических
аппаратов. Для этого рассмотрим два произвольных ретранслятора, движущихся
по круговым орбитам с высотой гх и г2 (гх = R3 + #•, где R3 — радиус Земли, Ht —
высота орбиты i-го ретранслятора), наклонением ф1 и ф2, начальными фазами сц
и а2 и периодами обращения Гоб1 и Гоб2, соответственно. В этом случае периоды
обращения рассчитываются по известной формуле [1.2.5.8]:
где jj, = 3,986 • 105 км3/с2 — гравитационная постоянная Земли, г = 1,2.
Обозначим фазу каждого ретранслятора на орбите через 9 • = wfi + ap где
w{ = 2n/Tofc. Исследование баллистики ретрансляторов можно проводить в
различных системах координат: сферических, декартовых и др. Например, связь
между сферическими и декартовыми координатами ретрансляторов определяется
через известные соотношения [1.2.5.9]:
г2 = х2 + у2 + z2 х = г sinB этф
ф = arctg(x/z/) у = г sinG cos ф
0 = arccos(z/r) z = r cos 9
В этом случае квадрат расстояния между двумя произвольными
ретрансляторами определяется как:
R2 = \т\ + г\ - 2r1r2(sm91 8т92со8Аф + cosBi cos92)] A.2.5.2)
где Аф =ф! - ф2.
Из этого выражения следует, что:

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 289
Кг Г2 + Г2 _ /?2\ -. 1
1 — sin01sin02cosA9 /cos02 \+ 2пп} A.2.5.3)
lrxr2 J J J
где: R* — дальность связи в межспутниковых линиях, п = 0,1,2...
Из предыдущих выражений можно получить соотношение для расчета
моментов времени начала и окончания зон радиовидимости произвольных
ретрансляторов:
tjm = arccos
r2 _
2г4г„
A.2.5.4)
где j и j — номера рассматриваемых ретрансляторов.
Решая полученное уравнение численным методом, получаем множество
решений {£г}, где i=l,2 ... Kjm, причем 0 < t{ < rn7m, где Гц^ — наименьшее общее
кратное периодов обращения ретрансляторов j и т, соответственно, К-т —
количество зон взаимной радиовидимости за период Гп>я, а суммарное время
пребывания рассматриваемых ретрансляторов в зонах совместной радиовидимости
АТщт вычисляется как:
A.2.5.5)
где Atj = tKi + tni, tKi и tni — времена окончания и начала i-ой зоны радиовидимости рассматриваемой
пары ретрансляторов, которые рассчитываются по A.2.5.4), причем должно выполняться
неравенство tKi < ATUjm.
Для определения того, является ли конкретное значение t{ в A.2.5.4) началом
или концом зоны радиовидимости, можно поступить следующим образом.
Необходимо положить £• = t{ + 5, где 5 < Гобг, и проверить выполнение неравенства:
R2* < [r\ + r\ ™ 2r1r2(sin01 8т02со8Аф + cos01 cos02)]
Если неравенство выполняется, то tt = tHi, в противном случае t{ = tKi.
При определении корней уравнения A.2.5.4) следует иметь в виду то, что если
выполняется неравенство:
{г} + rj- R2*) /BЧт) - sm{wmt + a,
то зона радиовидимости ретрансляторов отсутствует, т.е. уравнение A.2.5.4) не
имеет корней.

290 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
После того как определены все значения TUjm и Kjm, можно рассчитать
количество зон радиовидимости г-го ретранслятора со всеми остальными
космическими аппаратами — Kf
где Ку — количество зон радиовидимости г-го и j-ro ретрансляторов на периоде их
повторения Tnjm,
Vns — наименьшее общее кратное всех периодов повторения зон радиовидимости всех
ретрансляторов с г-ым ретранслятором,
Q. — множество ретрансляторов, имеющих совместные зоны радиовидимости с г-ым
ретранслятором.
Далее можно определить среднее число соседних ретрансляторов для г-ro,
которое определяется по следующему соотношению:
М д_
KiY^,k*i A.2.5.6)
je П Ш
где Щ — число зон радиовидимости /-го и &-го ретрансляторов продолжительностью Tik, где Tik
определяется по A.2.5.5).
Тогда вероятность того, что у г-го ретранслятора в произвольный момент
времени окажется соседом k-ът ретранслятор, рассчитывается как:
Pik = ATik/Tm. A.2.5.7)
На этом первый этап решения задачи завершен. Теперь можно перейти к
расчету интенсивностей информационных потоков в каждой радиолинии связи. Для
наглядности проведем анализ сети связи, в которой в межспутниковых каналах
используется несколько модификаций протокола доступа Aloha.
Вначале проведем анализ при использовании протокола многостанционного
доступа — чистая Aloha Рассмотрим j-ыи космический аппарат. На вход его
приемника поступают информационные пакеты от соседних с ним ретрансляторов
с интенсивностью 5;, значение которой определяется как:
м
sr
i= I
Будем считать, что если хотя бы один из ретрансляторов, соседних с г-ым (в число
его соседей может входить и^'-ый), успешно принял пакет от г-го ретранслятора,
то г-ый ретранслятор прекращает передачу данного пакета. Обозначим через G;
суммарный трафик на входе приемника j-ro ретранслятора (с учетом повторно
передаваемых пакетов из-за конфликтов, наложений, искажений). Примем поток
пакетов от каждого ретранслятора иуассоновским. В этом случае вероятность
того, что при передаче пакета от г-го ретранслятора на всех соседних с ним
ретрансляторах произойдут конфликты, равна:
м
Рг]{\ - exp(-2G7)), j*ije П.
i= i

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
291
Тогда Gj определяется как:
м
gj=sj+gj П PikA"
Обобщая предыдущие соотношения для всей сети в целом, получим следующую
систему из М нелинейных уравнений для определения интенсивностей G-, 1 < г < М:
М
м
м м
M
МММ
Z Z Z
7=1 /=7+1 m = /+
M
Рассчитав значения суммарного трафика к каждому ретранслятору,
определим интенсивности частных входных трафиков от каждого ретранслятора для
произвольного у-го спутника. Рассмотрим два случая: однократной и
многократной передачи пакетов. При однократной попытке передачи пакета, которая
оказалась успешной, интенсивность входного трафика, принятого 7-ым
ретранслятором от z'-го ретранслятора, равна: Х^ = PyXiBblxe~2Gj.
При условии, что допускается несколько повторных передач пакетов, которые
вступили в конфликт, интенсивность вычисляется как:
м
м
k =
k =
, A.2.5.8)
где значения е 2Gj и A - е 2Gj) ~~ это вероятности успешной и конфликтной передачи пакета,
соответственно.

292 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Соотношения A.2.5.8) необходимо использовать для вычисления средней
длины маршрута пакета.
Рассмотрим теперь случай использования протокола многостанционного
доступа Aloha, который допускает одновременный прием до К сообщений от
различных ретрансляторов-соседей при заданных требованиях на достоверность
передачи информации. Такой протокол можно реализовать с применением,
например, псевдошумовых сигналов для модуляции несущей, выбрав
соответствующим образом их базу. Если К = М, то конфликтов (искажений) сообщений
при приеме пакетов не будет. Поэтому средняя задержка сообщений в
произвольном /-ом ретрансляторе определяется, как и в системе массового
обслуживания с пуассоновским потоком сообщений на входе (т.к. каждый узел,
погруженный в сеть связи, ведет себя как независимая система массового
обслуживания, на вход которой поступает пуассоновский поток), постоянным
временем обслуживания и одним обслуживающим прибором (передатчиком)
[1.2.5.1]:
I
1 С
1-р,.
где / — длина пакета (объем сообщения), С — скорость передачи сообщений по каналу связи, при
которой удовлетворяются заданные требования к вероятности ошибки на символ, рг — загрузка
передатчика /-го ретранслятора, определяемая как произведение интенсивности входного потока
пакетов на время передачи пакета по радиоканалу.
Если же К < М, то в этом случае возможны конфликты при приеме пакетов
и средняя задержка определяется следующим образом. Приведем вначале
соотношения для одного ретранслятора и М соседей при использовании протокола
тактированная Aloha. Допустим, что фактический трафик (трафик с учетом
повторно передаваемых пакетов) от всех ретрансляторов одинаков, т.е. G = Gt■, = G
за время передачи одного пакета (это время равно 1/С секунд). Вероятность
бесконфликтной передачи пакета определяется в этом случае как [1.2.5.1]:
м
G)M-', A.2.5.9)
где G\\ - G)Ml — вероятность того, что на интервале 1/С передавали сообщения i
ретрансляторов, а (М - г) — не передавали,
Сгм = М\/[И(М - г)!] — число сочетаний из М элементов по г.
Если используется протокол чистая Aloha, то длительность интервала
искажения пакета равна двум и в A.2.5.9) необходимо заменить показатель степени
с М на 2М. При использовании, например, протокола Aloha с захватом, когда
после вхождения в синхронизм при приеме пакета в течение времени t = Г/С (I -
длительность синхропреамбулы пакета) допускается наложение произвольного
числа пакетов, интервал искажения пакета равен t < t = l/С, поэтому
пропускная способность линии связи в этом случае может быть значительно выше.
Таким образом, нормированный (относительно времени передачи пакета)
поток сообщений от произвольного ретранслятора равен:

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 293
К-1
S =G V C^G*A-G)M-'. A.2.5.10)
Средняя задержка передачи произвольного пакета определяется по
достаточно известной методике, например из [1.2.5.1], со следующими изменениями.
Среднее число передач одного пакета до успешного его приема вычисляется из
выражения: 1 + Е = G/5, где Е — среднее число повторных передач на один
первичный пакет. Поэтому получим:
- 1. A.2.5.11)
Переходя теперь от рассматриваемого частного случая к сетевой ситуации,
можно записать соотношение для определения суммарного трафика от
произвольного i-го ретранслятора — G-.
К-1
Gt)Ksm-^ A.2.5.12)
причем G- > Xim.
Отметим, что в этом случае Xim должна быть отнормирована к длительности
интервала передачи пакета. Подставляя найденные значения G в соотношение
A.2.5.11), определим G. После этого можно использовать известное выражение
для расчета средней задержки передачи пакета в произвольном ретрансляторе
[1.2.5.1]:
Т= т?7^г + 1 + * + е\2т + i(l + L±l)], A.2.5.13)
где t = 2т + 1/С[1 + (L + 1)/2], L — длительность рандомизированного интервала, на котором
производится розыгрыш момента повторной передачи пакета.
Для расчета средней сетевой задержки передачи пакетов определим среднее
значение длины маршрута, проходимого пакетом от ретранслятора-источника до
ретранслятора-получателя. Средняя длина маршрута (среднее число транзитных
участков или межспутниковых линий связи) определяется как [1.2.5.1]:
п = ^, A.2.5.14)
У
где X — полный трафик в сети, который определяется как сумма трафиков каждой
радиолинии Хх,
N М
^ = Z Е ^ ~ полный внешний (входной) трафик, поступающий в сеть,
./ = 1 k = 1
Ijk ~ среднее значение трафика, поступающего в сеть из узла^' и предназначенного узлу k,
N — число линий связи в сети.

294 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таким образом, для полносвязной низкоорбитальной сети связи средняя
сетевая задержка доставки сообщений вычисляется как:
м «
т = п\^ -If. П251^\
i = 1
Если же сеть связи часть времени в процессе функционирования не является
полносвязной (эта ситуация может возникнуть в сетях связи, построенных на
базе несфазированных космических аппаратов, или в сетях, принципиально не
являющихся сетями глобальной связи), то оценку средней задержки доставки
сообщений можно получить следующим образом.
Определим вероятность того, что ретрансляторы г nj находятся в зоне
взаимной радиовидимости, как: р = 1 -рож = АТу/Тщ, где АТу — время пребывания
ретрансляторов в зонах взаимной радиовидимости на периоде их повторения
Тщ, рож — вероятность ожидания зоны взаимной радиовидимости.
Среднее время ожидания зоны взаимной радиовидимости г-го и^-го
ретрансляторов можно определить с использованием следующего выражения:
В этом выражении используются те же обозначения, что и в формуле A.2.5.5).
Тогда среднее значение задержки передачи пакетов в канале (if)
определяется как:
Если же в НССС используется алгоритм маршрутизации по кратчайшему (в
выбранной метрике) пути, например, по минимуму числа переприемов (или
транзитных участков, проходимых сообщением) в межспутниковых линиях, то расчет
вероятностно-временных характеристик можно провести следующим образом.
Рассчитав топологические характеристики НССС, в частности вероятности Ру по
A.2.5.7), можно использовать один из известных алгоритмов нахождения
кратчайшего пути, например алгоритм Дийкстры [1.2.5.10]. Тогда его модификация для
использования в НССС заключается в том, чтобы в качестве веса каждой линии
связи при выборе кратчайших маршрутов использовать величины, обратные
вероятностям связи ретрансляторов — Ру, т.е. линии связи с меньшим временем
существования будут иметь больший вес (штраф или стоимость — в терминах алгоритмов
маршрутизации). В этом случае алгоритм заключается в поиске пути между
произвольными ретрансляторами с минимальным весом. Такие численные процедуры
достаточно хорошо разработаны, поэтому в данном случае они обсуждаться не будут.
Проведенные контрольные расчеты по изложенной методике показали, что
характер полученных зависимостей средней задержки доставки сообщений в НССС
аналогичный для большинства сетей массового обслуживания. Результаты ими-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 295
тационного моделирования показали, что погрешность предложенного метода при
расчете указанных выше показателей для средних загрузок не превышала 5-10%,
что вполне достаточно для инженерных расчетов.
В заключение приведем также результаты, полученные при использовании
данного метода при сравнительном анализе средней задержки передачи
информации в НССС с волновым алгоритмом маршрутизации и алгоритмом выбора
кратчайшего пути. Моделирование проводилось при следующих исходных
данных: длительности передачи пакетов в межспутниковой линии связи, равных 2
и 3 секунды; дальности связи в межспутниковых линиях, равной 1000 км для
орбитальной группировки из 96 ретрансляторов, размещенных на 6 орбитах по
16 ретрансляторов на каждой, высоте орбит около 1500 км и разносе долготы
восходящих узлов 30 градусов. В качестве протокола многостанционного
доступа использовался протокол чистая Aloha Результаты показали, что выигрыш в
средней задержке доставки пакетов в НССС с использованием алгоритма
маршрутизации по кратчайшим маршрутам по сравнению с волновым алгоритмом
наблюдался только при низких интенсивностях входного трафика (и,
соответственно, загрузках) — менее трех пакетов в секунду. Этот достаточно
неожиданный, по сравнению с наземными сетями связи, результат объясняется тем, что
при больших интенсивностях входного трафика в НССС с рассматриваемыми
алгоритмами маршрутизации в сети наступает перегрузка каналов связи,
функционирующих при поддержке протокола чистая Aloha (как известно, пропускная
способность данного протокола не превышает 18%). Вследствие этого все
преимущества алгоритма кратчайшего пути были ликвидированы недостатками
низкопроизводительного протокола многостанционного доступа. Это
подтверждает сделанное ранее предположение об обязательном совместном анализе
эффективности алгоритмов управления информационными потоками (в
исследованном случае — алгоритмов маршрутизации) и протоколов многостанционного
доступа в радиосетях связи.
Таким образом, изложенный выше приближенный метод анализа
низкоорбитальных сетей связи позволяет оценить влияние основных системных
параметров НССС на вероятностно-временные характеристики информационного
обмена в таких сетях связи.
1.2.6. Варианты организации адресно-маршрутной
базы данных в НССС и выбор её параметров
Как уже отмечалось, в настоящее время существует несколько концепций
построения низкоорбитальных систем спутниковой связи, которые укрупнённо
можно представить двумя из них:
• с использованием межспутниковых каналов связи для обеспечения
информационного взаимодействия между территориально-разнесенными абонентами;
• без межспутниковых линий связи. В этом случае информационное
взаимодействие строится на базе наземных координирующих станций и
наземных телекоммуникационных средств.

296 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
В данном разделе рассмотрим математические модели и исследования
низкоорбитальных сетей связи, соответствующие первой концепции. При
проектировании таких НССС одной из проблем является организация
адресно-маршрутной базы данных (АМБД) реляционного типа. Функции, которые возложены на
эту базу данных, заключаются в хранении и коррекции следующей информации:
• координат абонентов для определения их местоположения;
• идентификаторов абонентов;
• признаков абонентов (например, запретов на установление соединений с
определенными абонентами, запрет на установление соединений в
заданные часы суток и т.д.).
Запросы от абонентов к базе данных и её коррекция выполняются в НССС,
например в следующих ситуациях:
• при попытке установить соединение, когда запрос вызывающего абонента
посылается в базу данных для определения местоположения вызываемого
абонента и установления соединения;
• при перемещении мобильных абонентов в другие регионы;
• при вводе в НССС новых абонентов или исключении из числа
пользователей конкретных абонентов и т.д.
Таким образом, на практике в каналах связи НССС, наряду с основным
информационным трафиком, циркулирует служебная информация в виде запросов
абонентов к АМБД, ответных сообщений и корректирующей информации.
Организовать такую базу данных можно несколькими способами, которые
для их реализации требуют применения различных аппаратно-программных
средств и пропускной способности каналов связи. Укажем на два крайних
способа, реализовать на практике которые нецелесообразно, а чаще и невозможно:
1) размещение АМБД только в одном узле (спутниковом или наземном) сети
связи, 2) организация АМБД и размещение числа её копий в каждом узле сети
связи. Первое, и очевидное, стремление разработчиков сводится к тому, чтобы
разместить копию или часть реляционной АМБД как можно ближе к каждому
абоненту. Такое решение приведет к высокой оперативности коррекции
информации в базе данных и к тому, что служебный трафик будет циркулировать
только в ограниченных сегментах НССС. Однако число копий или фрагментов
АМБД в этом случае существенно возрастает и в глобальных НССС может
достигнуть нескольких десятков или сотен. Если же число баз данных уменьшать,
то снижаются программно-аппаратные затраты на её поддержание, но время
установления соединений для каждого абонента возрастает, оперативность
коррекции информации в БД снижается из-за загрузки каналов связи передачей
служебной информации. Таким образом, очевидно, что имеется оптимальное (в смысле
выбранного критерия) число узлов сети для размещения этой базы данных.
Размещать АМБД можно как на борту спутников-ретрансляторов, так и на
наземных координирующих станциях, которые для глобальных НССС должны
быть расположены в нескольких регионах мира. При организации БД на борту
спутников-ретрансляторов при большом числе абонентов в НССС может
оказаться, что требуемый объём запоминающего устройства (а следовательно, энергопо-

1,2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 297
требление и массогабариты необходимого оборудования БРТК) не может быть
реализован при современном уровне развития ракетно-космической технологии.
Таким образом, возникает оптимизационная задача по организации адресно-
маршрутной базы данных в НССС и исследовании влияния параметров каждого
варианта на эффективность функционирования сети связи.
Актуальность решения данных задач определяется и тем, что в существующей
литературе нет математических моделей, которые бы позволили оценить
эффективность каждого из способов с учетом вероятностно-временных характеристик
информационного обмена в НССС. Необходимо, правда, отметить и то, что в
основном все результаты по решению данной задачи в настоящее время получены
на имитационных моделях [1.2.6.1-1.2.6.4], но они являются неполными, так как
в качестве показателей эффективности в них были выбраны только
баллистические (топологические) характеристики без учета вероятностно-временных
характеристик информационного обмена. Сложность полноценного анализа при
решении поставленной задачи объясняется теми же причинами, которые были
уже приведены в разделе 1.2.5. Поэтому желательно иметь достаточно простой
метод анализа, который бы позволял получить количественную оценку
эффективности каждого варианта с учетом вероятностно-временных характеристик
информационного обмена, а также пропускной способности каналов связи НССС
и требуемых объемов программно-аппаратных средств на реализацию АМБД.
Один из методов, который позволяет решить эту задачу, излагается ниже.
В качестве исследуемых вариантов организации адресно-маршрутной базы
данных рассмотрим следующие [1.2.6.5]:
• размещение глобальной АМБД на каждом спутнике-ретрансляторе НССС;
• размещение на спутниках-ретрансляторах непересекающихся по
контексту АМБД;
• размещение АМБД по спутникам-ретрансляторам с заданной кратностью
содержимого;
• размещение АМБД по наземным станциям с заданной кратностью
содержимого.
В качестве модели орбитальной группировки НССС примем, например,
топологию, аналогичную сети связи Iridium. В качестве показателей
эффективности вариантов построения АМБД будем использовать следующие
характеристики программно-аппаратных средств и параметров информационного обмена
в НССС:
• объём запоминающих устройств, требуемых для размещения базы данных;
• интенсивность служебного трафика (сообщений запросов, ответов и
коррекции базы данных) в межспутниковых каналах связи НССС;
• отношение запросного и информационного трафиков в каналах связи сети;
• среднюю длину маршрутов служебных сообщений в сети связи.
В качестве алгоритма маршрутизации сообщений в сети используем алгоритм
построения кратчайшего пути, а именно: модифицированный алгоритм Дийкст-
ры, когда маршрут выбирается по минимальному числу транзитных участков с
выбором двух последних по минимуму загрузки каналов связи.

298 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Предположим, что в межспутниковых линиях связи НССС применяется
временное уплотнение (мультиплексирование) (TDM) речевых потоков и потоков
данных с гибкой (динамической) границей деления временного кадра.
В качестве вероятностно-временных показателей будем использовать:
• среднюю сетевую задержку передачи информации;
• вероятность блокировки каналов связи и потери речевых сообщений в
межспутниковых линиях связи;
• среднюю задержку передачи сообщений служебного трафика.
В качестве математического аппарата исследований используем аппарат
теории массового обслуживания.
Кратчайшие маршруты определим с помощью вычислительной процедуры, а
расчет показателей выполним по аналитическим соотношениям.
Орбитальная группировка, близкая к первоначальному варианту НССС Irid-
ium, на плоскости может быть представлена прямоугольной сеткой, полученной
семью сечениями цилиндра плоскостями, перпендикулярными его оси, и пятью
сечениями плоскостями, включающими ось G0 спутников-ретрансляторов,
каждый из которых имеет по четыре межспутниковых линий связи).
Распределенная по всем СР глобальная БД
В этом случае по межспутниковым линиям связи циркулируют
информационные сообщения и сообщения по обновлению БД (запросы к БД передаются
только от наземных абонентов к СР, в зоне радиовидимости которых они находятся).
Введем следующие обозначения:
п — число СР в сети связи,
пс — число СР, находящихся над сушей,
S — множество СР, находящихся над сушей,
WPijW ~ матрица тяготений, каждый элемент которой равен вероятности того,
что сообщение глобального трафика от абонентов зоны z-го СР
предназначено абонентам, находящимся в зоне радиовидимости /-го СР,
Q — множество кратчайших маршрутов между всеми узлами сети,
х — коэффициент локализации трафика в зоне произвольного ретранслятора,
Lc — интенсивность информационных сообщений от абонентов в зоне
радиовидимости произвольного ретранслятора,
Lr — интенсивность обновлений БД от абонентов г-ого СР
Lg — интенсивность запросов и ответов к (и от) БД от f-oro СР. Будем
считать, что при каждой попытке установить соединение абонент
обращается к БД. Поэтому эта интенсивность равна интенсивности
информационных сообщений,
Vm — длина информационных сообщений,
N — объем единицы БД для одного абонента,
Nc ~ число абонентов в сети связи,
Nai — число абонентов в зоне радиовидимости г-го СР,
Vg — длина сообщения-запроса и ответа к (от) БД,

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 299
Vr — длина сообщения по обновлению БД,
Qj — множество кратчайших маршрутов (остовных деревьев в графе с
корнями в вершинах графа (СР, расположенных над сушей),
W — множество линий связи в системе.
Примем, что маршрутизация сообщений осуществляется по кратчайшим
маршрутам — путям с минимальным числом переприемов (транзитных участков).
Определим информационную и служебную части трафиков.
Информационный поток в каждой межспутниковой линии связи (тп)
определим как:
£2>£U Q, A.2.6.1)
i k
где Xk^mny = Vp • A - x) -pki , L^ — интенсивность информационного потока от наземных
абонентов в зоне &-го СР.
Для этой же линии связи (тп) служебный трафик по обновлению БД
составит величину:
ZХт {тп)е Qi; iG s' A-2-6-2)
Таким образом, полный трафик в линии (тп) равен:
%> (L2.6.3)
причем (mn)e Q; (mn)e Qt; (k, i,j) e S .
Если (тп)е С1{, то в A.2.6.3) отсутствует второе слагаемое.
Суммарные информационный и служебный трафики по межспутниковым
линиям связи вычисляются как:
^и = £*&„,, 0»я)е W A.2.6.4)
(тп)
^об„ = ^ебямЛтп)* W A.2.6.5)
(тп)
Поскольку для данного варианта в межспутниковых линиях связи трафик
запросов отсутствует, то:
(тп)
Интенсивности трафиков в каналах связи абоненты-СР в зоне произвольного
/-го ретранслятора определяются как:
— информационного — L{!\ ieS;
— запросов к БД - Lf = I(c°, ieS.
— обновлений БД — Ц1\ г е S;

300 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Интенсивности трафиков в каналах связи СР-абоненты определяются как:
— информационного: xL® + У]Цк) • A - х)Ры, k^i; keS
k
— ответного: L^ = L%\ i e S.
Пусть центр управления расположен в зоне радиовидимости т-то СР.
Вследствие этого трафик вниз у этого СР будет увеличен (по сравнению с другими
ретрансляторами) на величину трафика по обновлению БД, т.е. на величину:
&, i e 5, или при L^ = ifp = Lr, ieSJeS— на величину пс Lr.
Таким образом, отношение интенсивностей информационного и служебного
трафиков в сети равно:
A.2.6.6)
Т ~г'
или, при одинаковой информационной активности и мобильности абонентов:
где Х%ш и ЯЕобн определяются по A.2.6.4) и A.2.6.5) соответственно.
Отношение объемов передаваемых трафиков равно:
Vr
Но так как Vr = Vg = Va = Vt , то предыдущее выражение можно представить
в виде:
V
г\ = m . Г)
°2 Т, °v
Среднее число промежуточных ретрансляций запросов к БД для данного
варианта равно единице, а требуемый объем ЗУ каждого СР для размещения БД
определяется как:
V=NcN[6aUT].
Суммарный объем ЗУ для размещения РБД равен:
Ух = nV= nNc- N [байт].

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 301
Распределение по СР непересекающихся по контексту БД
Объем БД на произвольном СР в данном случае равен:
где Nc /n — количество адресов, размещенных в БД произвольного ретранслятора.
Рассмотрим произвольный i-ый ретранслятор, находящийся над сушей, т.е.
принадлежащий множеству S. Вероятность того, что адресно-маршрутная
информация об абоненте-получателе (при поступлении запроса от абонента-источника,
находящегося в зоне радиовидимости этого СР) находится в БД данного СР, равна:
Следовательно, внешний трафик обращений (запросов) к БД от данного i-ro
СР равен:
Требуемая БД может находиться равновероятно на одном из остальных
ретрансляторов группировки. Тогда интенсивность запросов к БД от
произвольного i-ro из оставшихся (п - 1) СР равна:
где 1/(и - 1) — вероятность передачи запроса от i-ro Kj-му СР.
Интенсивность ответного трафика будет равна интенсивности запросного
трафика, т.е.:
Кроме этого трафика, от i-ro СР (г е 5) направляются сообщения по
обновлению БД (интенсивность этого потока от абонентов зоны радиовидимости равна
ЦР) , т.е. внешний трафик по обновлению БД от этого СР равен:
Трафик такой же интенсивности направляется и к наземному центру
управления, расположенному в зоне, например, i-ro СР:
а интенсивность информационного потока к БД произвольного ретранслятора
сети будет:
)

302 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Интенсивность информационного трафика в межспутниковых линиях связи,
в линиях связи абоненты-СР и СР-абоненты для произвольного i-ro СР (i^S)
определяется, как и для варианта 1 с использованием соотношений A.2.6.1) и
A.2.6.4). Отношение интенсивностей информационного и служебного трафиков
в сети равно:
О
причем i e S,
где: Л.£и — суммарный информационный трафик в межспутниковых каналах, определяемый в
соответствии с A.2.6.4),
^овп(тп) = X
(тп) (тп) i j,j^i (mn) i j,j^i
где (тп) е Ц г е 5, ^>обн = —Lj
(ттги) г
где i — номер СР, в зоне радиовидимости которого расположен центр управления.
Полный трафик в произвольной линии связи (тп) равен:
Отношение объемов информационного и служебного трафиков определяется,
как и ранее, по A.2.6.6), а среднее число промежуточных ретрансляций запросов
к БД равно:
п = 1 +
Распределение БД с заданной кратностью по СР
В этом случае объем запоминающего устройства для размещения БД на
одном произвольном ретрансляторе определяется по следующему соотношению:

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 303
Вероятность того, что адрес абонента-получателя находится в БД
произвольного г-го СР, равна:
где k — кратность БД.
Внешний трафик от г-го СР (г е S) по запросам к БД вычислим как:
А,заш = I^-(l-Pi). A.2.6.7)
При реализации рассматриваемого варианта всего существуют [n/k] групп
БД, где [а] ближайшее большее целое, k — размер группы (или кратность БД).
Если запрос равновероятно может быть послан к одной из групп, то
интенсивность обращения к каждой группе БД от г-го СР будет:
Запрос к произвольной группе следует в БД того СР, который находится
ближе всего (по числу переприемов) к СР, пославшему запрос. Пусть запрос
направляется от г-го СР, а адресно-маршрутная информация об абоненте- получателе
хранится в /-ой БД (где / — номер группы БД). Пусть эта база данных размещена
на k ретрансляторах с номерами а •, ас (запрос будет послан к ближайшему узлу,
например с номером ас). Тогда имеем трафик запросов от г-го СР к БД,
размещенных на других СР:
I'-'
,ie 5,A.2.6.8)
(И-О
где: j — ближайший к i-му СР из первой группы, т — ближайший к г-му ретранслятор из [n/k] группы.
Всего в системе уравнений [n/k] членов.
Трафик ответов из БД равен трафику запросов, поэтому:
^отв/7 = ^зага/ ге Sfj — ближайший к г-му СР из первой группы.
(всего [n/k] членов) A.2.6.9)

304 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Трафик по обновлению БД определим следующим образом:
где j принадлежит к первой группе (здесь j отлично от^' в A.2.6.8)).
Трафик по обновлению базы данных центра управления НССС, расположенного
в зоне радиовидимости, например q-ro СР, от г-го СР определяется, как и ранее:
(тп) i
Вычисление остальных показателей эффективности проводится по тем же
соотношениям, что и для вариантов 1 и 2.
Вариант размещения БД по наземным станциям.
Кратность базы данных равна k
В этом случае интенсивность трафика в линиях связи абонент-СР в зоне
произвольного г-го СР, расположенного над сушей, равна:
• информационного потока — L$
• запросного потока — L^
• запросов по обновлению БД — L^\
а в линиях связи СР-абоненты:
• информационного потока — xL$ + \*LWA —х)р^
j
• потока ответных сообщений — L$ = L$, ie. S
• потока по обновлению БД (если в зоне г-го СР расположена наземная
станция, с размещенной на ней БД):
Информационный трафик для данного варианта рассчитывается, как и для
предыдущих вариантов.
Рассмотрим поток запросов к БД от г-го СР, в зоне которого расположена,
например, ЗС с номером г. Вероятность того, что информация для поступившего
запроса от абонента, расположенного в зоне радиовидимости г-го СР, находится
в БД г-ой ЗС, равна: k/N3C, где k — кратность БД. Следовательно, интенсивность
исходящего трафика запросов от г-го СР будет равна:
Xi33iU = I|} • A - k/N^), если в зоне СР есть наземная станция,
ХЬап = L*py если в зоне СР нет наземной станции.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 305
При k = 1 (что соответствует случаю уникальных БД) этот трафик
равновероятно распределяется по <W3C - 1) БД, размещенных на ЗС, которые находятся
в зонах радиовидимости ретрансляторов. Обозначим множество этих СР через
Sv т.е. Ste S. Тогда:
Если k>2, то справедливо соотношение, аналогичное A.2.6.7), —
интенсивность обращений к каждой группе БД (число членов каждой группы — k, а число
групп - -г ):
Если i <£ Sx (но i e 5), то предыдущее соотношение выглядит как:
Далее справедливы соотношения A.2.6.8) с заменой в них п на Л^зс — для i e 5,
i € 5j, а для случая i^S^ но i G 5:
N3C
где j — номер (адрес) ближайшей ЗС к г-му СР из каждой группы БД.
Трафик ответов равен трафику запросов, поэтому справедливы соотношения,
аналогичные A.2.6.9).
Трафик в межспутниковых каналах по обновлению БД определяется как:
где; определяется, как и в A.2.6.8).
Трафик по обновлению БД центра управления, расположенного в зоне
радиовидимости q-ro СР от i-ro СР (ге 5, ie S{), равен:
(тп) i

306
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Таблица 1.2.6.1
Основные характеристики вариантов организации распределенной базы данных
для коэффициентов локализации трафика х = 0,7
вар.
1
2
3
3
4
4
4
4
4
4

Кратность
БД
2
3
2
2
2
3
3
3
"зс
10
22
6
10
22
6
^Еслуж
6,9
9,41е2
7,23е2
6,22е2
6,14е2
5,99е2
5,71е2
4,67е2
5,13е2
4,56е2
У*
5,6е9
8е7
1,6е8
2,4е8
1,1е9
5,1е8
1,9е9
1,7е9
7,6е8
2,8е9
X
^Еслуж
1,54
0,28
0,345
0,387
0,35
0,32
0,39
0,42
0,35
0,45
уЕинформ
^Еслуж
3,07/239,7
0,56/43,5
0,69/53,8
0,77/60,4
0,70/54,9
0,64/49,8
0,77/60,2
0,84/65,6
0,7/54,5
0,89/69,9
У^ср/зс
8е7
1,1е6
2,3е6
3,4е6
1,6е7
7,3е6
2,7е7
2,4е7
1,1е7
4е7
п
1
5,7
4,61
4,1
4,06
3,99
3,95
3,33
3,56
3,27
^Тсл^Е
3,86е10
7,52еЮ
11,57еЮ
14,93еЮ
6,87е11
3,09е11
10,64е11
7,85е11
3,91е11
12,67е11
Таблица 1.2.6.2
Основные характеристики вариантов организации распределенной базы данных для
коэффициентов локализации трафика х = 0,3
№
вар.
1
2
3
3
4
4
4
4
4
4

Кратность
БД
2
3
2
2
2
3
3
3
^зс
10
22
6
10
22
6
6,9
9,41е2
7,23е2
6,22е2
6,14е2
5,99е2
5,71е2
4,67е2
5,13е2
4,56е2
у*
5,6е9
8е7
1,6е8
2,4е8
1,1е9
5,1е8
1,9е9
1,7е9
7,6е8
2,8е9
Хинформ
^Еслуж
2,3
0,42
0,52
0,58
0,53
0,48
0,58
0,63
0,52
0,67
у
уХинформ
^служ
4,6/358,8
0,83/65,1
1,03/80,4
1,16/90,3
1,05/82,2
0,95/74,4
1,15/90,1
1,25/98,1
1,04/81,5
1,34/104,6
FlCp/3c
8е7
1,1е6
2,3е6
3,4е6
1,6е7
7,3е6
2,7е7
2,4е7
1,1е7
4е7
п
1
5,7
4,61
4,1
4,06
3,99
3,95
3,33
3,56
3,27
X V
3,86е10
7,52еЮ
11,57еЮ
14,93еЮ
6,87е11
3,09е11
10,64е11
7,85е11
3,91е11
12,67е11
Остальные показатели качества данного варианта определяются по тем же
соотношениям, что и для предыдущих вариантов, с необходимыми изменениями:
2(пс
2псь;
для пс > N3C.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 307
Отдельные результаты расчетов выбранных показателей эффективности
представлены в таблицах 1.2.6.1 и 1.2.6.2: для коэффициентов локализации
трафика х = 0,7 их= 0,3» соответственно. Расчеты выполнены при следующих,
типичных для НССС и наземных сетей сотовой связи, исходных данных:
• интенсивность трафика информационных сообщений от одного абонента
Lc ^ 10~5 сообщений в секунду;
• интенсивность обновлений базы данных одним абонентом сети Lr= 10~8
сообщений в секунду;
• длина (объем) информационных пакетов Vm = 128 Байт;
• объем запросных пакетов и ответных сообщений из базы данных
Vr = Vq = 64 Байт;
• 1С1 = 1<?1Д = 10-8,л^с = ю6.
Из полученных результатов следует, что без ограничений на емкость
запоминающих устройств спутников-ретрансляторов наилучшие значения показателей
качества обеспечивает первый вариант построения адресно-маршрутной БД.
Далее по эффективности следуют четвертый вариант (причем повышение
кратности БД увеличивает значения показателей), третий и второй варианты,
соответственно. Однако второй вариант обеспечивает выигрыш в объёме запоминающих
устройств спутников-ретрансляторов. Следует отметить, что при реализации
четвертого варианта организации адресно-маршрутной БД нецелесообразно
иметь большое число наземных станций для размещения БД. В частности, при
увеличении числа наземных станций с 6 до 22 все выбранные для исследования
показатели качества ухудшаются. Если же существуют ограничения на емкость
запоминающих устройств спутников-ретрансляторов, то четвертый алгоритм
обеспечит лучшие показатели.
1.2.7. Обеспечение устойчивости протоколов случайного
многостанционного доступа в НССС
В настоящее время в большом числе ССС используются протоколы чистая
Aloha и тактированная Aloha. Популярность этих протоколов объясняется тем,
что при применении протокола чистая Aloha между наземными терминалами
пользователей не нужно обеспечивать синхронизацию при доступе к каналу
связи СР, протоколы реализуются достаточно просто, эффективны при большом
числе пользователей, активность которых невысока, а объемы передаваемой
информации незначительны. Поэтому данные протоколы используются либо в
запросных каналах связи ССС при передаче запросных сообщений на
предоставление информационных каналов связи, либо в ССС, канал связи которых
функционирует в широковещательном режиме.
Однако известно, что с ростом интенсивности потока пакетов в радиоканале
связи, в котором применяются протоколы Aloha, канал связи переходит в режим
неустойчивого функционирования [1.2.7.1], причем для этих протоколов
вероятность перехода в этот режим отлична от нуля при любой произвольной
интенсивности поступления пакетов в канал связи. Режим неустойчивого функциони-

308 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
рования характеризуется большим числом конфликтов и высокой задержкой
передачи пакетов. В результате этого пропускная способность спутникового
канала (или спутниковой системы связи), в запросных каналах которой
применяются протоколы Aloha, существенно снижается. Иногда это состояние канала
или системы называют деградацией канала или системы. Поэтому необходимо
применять специальные процедуры, которые бы исключали этот эффект или
уменьшили бы степень его влияния на снижение пропускной способности. Эти
процедуры называются алгоритмами стабилизации протокола Aloha.
Как показано в [1.2.7.1, 1.2.7.2], среднее число успешных передач пакетов
определяется вероятностью успешной передачи пакетов Русп, которая вычисляется,
например, для протокола тактированная Aloha как:
Русп - G(n)e'^"\ A.2.7.1)
где: G(n) — среднее число попыток передач пакетов в одном «окне» (тайм-слоте), когда канал
связи находится в состоянии п. Под состоянием канала п понимается количество земных станций
(наземных терминалов), имеющих п информационных пакетов, предназначенных для повторной
передачи (т.е. для этих пакетов первая попытка передачи была неудачной из-за перекрытия по
времени (наложений) с пакетами других наземных станций).
Выражение A.2.7.1) достигает максимума при G(n) = 1. Поэтому
большинство известных алгоритмов построено на основе методов, максимизирующих
именно это соотношение. В частности, для поддержания G(n) = 1 большая группа
применяемых на практике методов стабилизации протокола Aloha динамически
изменяет вероятность передачи пакетов в последующих тайм-слотах. Реализация
данного типа алгоритмов осложняется тем, что число п, как правило, неизвестно
на каждой наземной станции из-за отсутствия передачи управляющей
информации между ними. Оценку значения п можно получить с использованием
информации, получаемой наземными станциями по каналу обратной связи (по каналу
«вниз» — от СР к ЗС). Все реализации данного типа алгоритмов, по сути,
увеличивают вероятность передачи пакета, когда появляется свободный тайм-слот,
и уменьшают её при определении конфликта.
Другая часть известных алгоритмов основана на ограничении загрузки канала
связи вверх при превышении числа конфликтных передач пакетов выше
некоторого порогового значения. Этот тип алгоритмов может быть реализован путем
уменьшения числа наземных станций, имеющих доступ к каналу связи.
Для обеспечения устойчивой работы протокола Aloha известен также и
псевдобайесовский алгоритм [1.2.7.2]. Но для его реализации недостаточно иметь
ограниченную обратную связь, когда каждая станция узнает об успешной или
неуспешной передаче только своего пакета. Для реализации псевдобайесовского
алгоритма каждая станция должна знать также и общее число искаженных
пакетов. Это число пакетов иногда в литературе называют задолженностью системы.
Одним из распространенных методов стабилизации протоколов Aloha
является так называемое замедление по двоичной экспоненте, которое успешно
применяется в локальных сетях с протоколом Ethernet. Суть этого метода
заключается в следующем. Если пакет безуспешно передается г раз, то вероятность его
передачи в последующих тайм-слотах полагается равной 2~г (для передачи
пакета равновероятно выбирается один из 2г тайм-слотов, следующих после неуспеш-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 309
ной попытки). При первоначальной же передаче пакета выбирается первый бли-
ясайший тайм-слот. Такая стратегия построена на предпосылке о том, что когда
предпринимается первая попытка передачи пакета, то на наземной станции
неизвестно о задолженности пакетов во всех других станциях, а поэтому нет
никаких оснований для принудительной задержки первоначальной передачи данного
пакета. При появлении же последовательности конфликтов возрастает оценка
задолженности, что приводит к снижению текущей вероятности повторной
передачи пакета в ближайшем тайм-слоте для данной наземной станции. Однако в
этой новой ситуации и наземная станция начинает получать меньше (реже)
информации по обратной связи о величине задолженности, приведенной к одному
тайм-слоту. Поэтому в условиях такой априорной неопределенности
целесообразно действовать достаточно осторожно и разумно увеличивать оценку
задолженности во всё большей степени после каждого очередного конфликта.
Необходимо отметить, что все известные алгоритмы данного класса теоретически
также неустойчивы, однако при конечном числе наземных станций и определенной
интенсивности передачи пакетов они позволяют из неустойчивого режима
функционирования протокола Aloha перейти в устойчивый режим и, в конечном
счете, повысить пропускную способность канала связи (или системы связи).
Функционирование систем связи, в том числе и спутниковых,
характеризуется крайне неравномерной нестационарной загрузкой каналов, связанной с
наличием часов наибольшей нагрузки (ЧНН) в течение дня. А для
негеостационарных спутниковых систем связи, в частности низкоорбитальных, такой режим
функционирования является практически штатным, так как в данных системах
связи зона радиовидимости каждого спутника-ретранслятора постоянно
изменяется и пересекает регионы с различной плотностью населения. В частности, при
выходе спутника из региона с низкой плотностью населения и входе в регион с
высокой плотностью населения на вход запросных каналов спутника поступает
групповой поток запросов на предоставление каналов связи, т.е. из состояния
низкой загрузки канал практически мгновенно переходит в режим большой
загрузки или даже перегрузки.
Для наземных систем связи, как было сказано выше, успешно применяются
специальные методы, позволяющие сглаживать отрицательные моменты
функционирования систем связи в данном режиме. Однако эти методы, вернее их
параметры, для ССС не являются оптимальными, поскольку в этом случае, в
отличие от наземных систем, где задержки распространения сигналов небольшие,
задержки распространения радиосигналов существенно выше.
Проведем исследование и определим оптимальные параметры, например,
алгоритма с замедлением по экспоненте на примере низкоорбитальной системы
связи с размещением спутников-ретрансляторов на орбитах с высотой около
1500 км. Параметрами исследуемого алгоритма являются начальное значение
интервала времени, на котором разыгрываются моменты повторных попыток
передачи запросных пакетов Гр, и коэффициент замедления К.
Для исследования примем следующий алгоритм функционирования и
построения системы информационного обмена. Пусть на спутнике-ретрансляторе
организован один запросный канал, который функционирует под управлением протокола
тактированная Aloha, причем прямой канал связи (от абонента к ретранслятору)

310 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
и обратный канал связи (от ретранслятора к абоненту) функционируют на одной
частоте. В этом случае временная ось разбивается на тайм-слоты, часть из которых
предназначена для передачи запросов от абонентов к ретранслятору, а часть —
для передачи квитанций от ретранслятора к абонентам (квитанциями могут быть
сами переданные сообщения). Пусть, например, эти тайм-слоты чередуются, т.е.
все нечетные тайм-слоты предназначены для передачи запросов, а четные — для
передачи квитанций, т.е. режим функционирования запросного канала —
полудуплексный. Такое построение запросного канала характерно для недорогих
низкоорбитальных спутников-ретрансляторов с небольшой пропускной
способностью, малой массой и, естественно, с ограниченным энергетическим и частотным
ресурсом.
Детальный анализ нестационарных или динамических систем традиционно
проводится с использованием имитационного моделирования. В качестве
исходных данных примем следующие:
• распределение интервалов времени между запросными пакетами
экспоненциальное;
• начальное значение рандомизированного интервала (выраженного в числе
интервалов, равных времени передачи пакетов) повторных попыток в
экспериментах Тр = 5, 10 и 20 минимальных тактов моделирования (один
машинный такт соответствует интервалу передачи запросного пакета плюс
время его распространения от абонента до СР);
• диапазон варьирования коэффициентов «замедления» К от 1,5 до 3,0;
• используем две модели входного потока пакетов: стационарный пуассо-
новский поток и нестационарный поток (кусочно-стационарный, который
будем моделировать групповым поступлением пакетов).
Задержку передачи запросных пакетов будем измерять от момента первой
передачи пакета до момента его успешного приема на ретрансляторе.
Имитационные эксперименты, проведенные при пуассоновском потоке
запросных сообщений, показали, что без стабилизации протокола Aloha
пропускная способность в канале связи не превышала 0,25 (теоретический предел 0.36),
но уже при групповом поступлении пакетов с объемом группы в 30 пакетов
протокол переходил в неустойчивое состояние и канал связи начинал
функционировать в режиме перегрузки (т.е. загрузка канала возрастала выше 1).
При использовании же механизма стабилизации протокола «замедление но
экспоненте» наблюдается существенное увеличение производительности. На
рис. 1.2.7.1-1.2.7.3 представлены полученные зависимости задержки передачи
запросов от загрузки запросного канала связи. В качестве параметров на графиках
представлены Гр и К. Из полученных зависимостей следует, что существует
оптимальное значение коэффициента замедления К. При К = 1,5 и небольших
значениях Гр вероятность конфликта при повторных и последующих передачах
оказывается достаточно высокой и, несмотря на использование алгоритма
стабилизации, запросный канал связи переходит в режим неустойчивого
функционирования (задержка на графиках стремится к бесконечности). При
увеличении Гр порог устойчивости функционирования смещается в сторону больших
значений А,, т.е. производительность канала связи повышается. Например, при

1.2, Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
311
80
70
60
50
40
30
20
10
0
#-2,0
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36
Рис. 12.7А. Задержка передачи запросных пакетов
i
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-
-
-
-
-
rp=io
1 1 1
i К - 3,0
IK 2,
// К =1,5
///
У / JK-2,O
^У
S 1 1 1 ►
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36 X
Рис. 1.2.72. Задержка передачи запросных пакетов

312
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Гр»20
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36 X
Рис. 12.73. Задержка передачи запросных пакетов
80
70
60
50
40
30
20
10
X = 0,357
#=2,0
#=1,5
0,28
10
15
20 Тп
Рис. 1.2.7.4. Задержка передачи запросных пакетов

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
313
100% —
50%
0%
К =2,0
V^-50
5000
1
|
12000 | "t
100%
50%
0%
К =2,0
Угр=100
\Ч\
\i\
5000
12000
Рис. 1.275. Переходной процесс при групповом поступлении
запросов при Тр = 15
увеличении 7^ с 5 до 20 пропускная способность возросла с 0,34 (рис. 1.2.7.1) до
0,354 (рис. 1.2.7.3). Вместе с этим, при увеличении коэффициента замедления от
2 до 3 снижение производительности связано с ростом задержки передачи
запросов, но не вследствие увеличения числа конфликтных передач, а из-за
увеличения времени ожидания повторных и последующих передач запросов. Из этих
зависимостей видно, что оптимальными значениями параметров алгоритма
являются К = 2 и Тр= 10.
На рис. 1.2.7.4 представлены зависимости среднего времени передачи
запросов при входном трафике 0,357 (это максимальный трафик, при котором прото-

314
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
100% —
50% — -
0%
Х-2,0
"И
5000
F-Лп
1
.lnA
12000| *
100% —
50% -
12000| "t
Рис. 1.2.7.6. Переходной процесс при групповом поступлении
запросов при Тр = 20
кол функционировал устойчиво) и изменении К от 1,5 до 3. Эти зависимости
отражают то, что с ростом К наблюдается смещение минимального значения Гр
в область более низких значений 7^ вследствие существенной нелинейной
зависимости от Гр и К. Число запросных передач пакетов при оптимальном К
изменялось от 2,23 до 1,84 при изменении 7^ от 5 до 20.
Таким образом, приведенные выше результаты показывают, что
использование стабилизационных алгоритмов в протоколе тактированная Aloha приводит
к увеличению пропускной способности канала связи примерно на 40%.
Нестационарность входного трафика запросов моделировалась как групповое
поступление пакетов (размеры группы 50 и 100 пакетов) дополнительно к стацио-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 315
тарному трафику с интенсивностью А, = 0,357. Длительность интервала
стабилизации будем рассчитывать от момента возникновения нестационарности до момента
перехода канала в устойчивый (стационарный) режим. В частности, на рис. 1.2.7.5
представлены полученные в ходе экспериментов изменения величины трафика
в запросном канале при К=2иТр= 15 (именно эти значения параметров оказались
оптимальными с точки зрения максимизации пропускной способности) при
поступлении группы в 50 и 100 пакетов. Момент поступления группы пакетов
отмечен на оси абсцисс вертикальной чертой (на графике весь интервал
наблюдения равнялся по длительности 11600 тактам моделирования, а момент
нестационарности вводился в момент такта моделирования с номером 5000). На
Ьси ординат показаны уровни загрузки запросного канала @%, 50% и 100%). Из
этой диаграммы видно, что интервал стабилизации примерно равен 600.
Аналогичные зависимости для значения длительности рандомизированного интервала
повторной передачи запросных пакетов, равного 7^ = 20, представлены на
рис. 1.2.7.6.
Таким образом, в реальных системах ССС, в которых применяются
протоколы Aloha, необходимо использовать алгоритмы стабилизации, которые
позволяют существенно повысить пропускную способность каналов связи, причем
оптимальные параметры этих алгоритмов отличаются от значений параметров для
наземных каналов связи. В частности, при использовании протокола
тактированная Aloha и алгоритма «замедление по экспоненте» оптимальными значениями
параметров алгоритма для НССС являются К = 2 и Гр = 10 — для случая
достаточно равномерной загрузки и Г = 15 — при существенно нестационарном
входном трафике.
1.2.8. Оптимизация параметров алгоритмов
резервирования при обеспечении
непрерывности соединений
и переназначения каналов связи
Одной из задач, которую необходимо решать в подвижных системах связи,
является задача обеспечения непрерывности соединений при переходе
подвижных абонентов из зоны обслуживания одного ретранслятора в зону
обслуживания другого ретранслятора [1.2.8.1-1.2.8.5]. В низкоорбитальных
спутниковых сетях связи актуальность решения этой задачи повышается вследствие
быстрого изменения топологии сети из-за движения
спутников-ретрансляторов. Типичным средним значением зоны радиовидимости для высоты орбит
ретрансляторов до 1500 км можно считать 5 минут. Следствием «короткой
жизни» топологии сети является наличие большого числа соединений,
которые установлены через один ретранслятор, а заканчиваются, когда в зоне
радиовидимости абонента уже находится другой ретранслятор. Поэтому в
НССС должны быть предусмотрены специальные процедуры, которые бы не
допускали разрыва установленных соединений (или минимизировали бы
вероятность этого события).

3 1 6 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Если абонент, участвующий в соединении, выходит из зоны
радиовидимости спутника-ретранслятора, то этот момент может определяться несколькими
различными способами. Все способы можно классифицировать как
централизованные или децентрализованные. При централизованном способе реализация
известных различных алгоритмов основана на выполнении практически одной
и той же последовательности процедур, которая заключается в следующем.
Центральный узел зоны обслуживания (это может быть региональная
управляющая наземная станция или спутник-ретранслятор) имеет постоянно
корректируемую базу данных, в которой хранятся координаты местоположения
абонентов, участвующих в информационном взаимодействии. В этом случае
именно центральный узел рассчитывает моменты выхода абонентов из зоны
радиовидимости спутника-ретранслятора. Для обеспечения неразрывности уже
установленного соединения (сеанса) между двумя абонентами перед моментом
окончания зоны радиовидимости центральный узел зоны должен
зарезервировать пропускную способность каналов связи на другом
спутнике-ретрансляторе, который входит в зону радиовидимости абонента (абонентов), и образовать
через него новое физическое соединение. Как правило, запросам на
предоставление требуемого ресурса для обеспечения непрерывности уже установленных
соединений устанавливается более высокий относительный приоритет по
отношению к запросам на установление первичного соединения. Если требуемый
ресурс пропускной способности (в зависимости от метода уплотнения каналов
связи это может быть частотный канал, временной слот или разрешение на
активизацию — при использовании кодового разделения) на ретрансляторе
имеется, то он резервируется под новое виртуальное соединение. Выделенный
ресурс на ретрансляторе помещается в этот момент в список занятых ресурсов
(недоступных для других запросов). В противном случае, при прочих равных
условиях, разрыв соединения неизбежен. Однако при правильном
использовании системы приоритетов можно минимизировать вероятность этого события.
При реализации децентрализованных способов обеспечения непрерывности
соединения аналогичные процедуры выполняются самими абонентами,
участвующими в информационном обмене.
Однако независимо от способа реализации алгоритма (процедуры)
обеспечения непрерывности соединения необходимо решить задачу, которая
заключается в выборе оптимального интервала начала резервирования необходимого
ресурса, максимизирующего пропускную способность сети связи. С одной
стороны, значение этого интервала должно быть как можно меньше, поскольку в
этом случае непроизводительное использование ресурса минимизируется.
Очевидно, что резервирование ресурса (выделение несущей частоты, временного
слота и др.) под новое виртуальное соединение уменьшает общую пропускную
способность ретранслятора на величину запрашиваемого ресурса до момента
установления этого соединения. С другой стороны, этот интервал должен быть
достаточно продолжительным для того, чтобы с заданной вероятностью
гарантировать выделение требуемого ресурса. Например, при экспоненциальном
распределении длительности соединений вероятность того, что это соединение
завершится на интервале t, пропорциональна длительности этого интервала
(другими словами, вероятность того, что запрашиваемый ресурс будет иредос-

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов 317
тавлен на интервале t, в общем случае пропорциональна длительности этого
интервала).
Определим оптимальное значение этого интервала из анализа вероятностно-
временных характеристик процессов информационного обмена с учетом
динамики изменения топологии и пропускной способности каналов связи спутников-
ретрансляторов.
В качестве математического аппарата исследования используем теорию
массового обслуживания и имитационное моделирование, поскольку при
исследовании динамики информационного обмена аналитические выражения для
показателей качества в явном виде можно получить только для простейших
моделей.
Задачу формализуем следующим образом [1.2.8.6]. Пусть имеется
низкоорбитальная группировка, состоящая из N спутников-ретрансляторов (высота орбит
h км, орбиты круговые, на каждой орбите по М СР, разнос долготы восходящих
узлов g, наклонение орбит d), которая обслуживает совокупность наземных
абонентов. Будем считать, что орбитальная группировка обеспечивает глобальное
покрытие земной поверхности с заданной кратностью. На каждом спутнике-
ретрансляторе организовано К каналов связи на линии вниз для обслуживания
предложенного наземными абонентами трафика, поступающего с
интенсивностью А,пр. Количественно определим пропускную способность одного спутника-
ретранслятора как максимальный трафик ^обсл вызовов/с, обслуженный с
заданным качеством: с заданными достоверностью Рош, вероятностью блокировки
каналов связи Рбл и средней задержкой передачи информации Т с. Будем считать,
что в структуре НССС существуют множество наземных региональных
управляющих станций, которые выполняют функции управления информационным
обменом в заданном регионе. Требуется определить такое значение длительности
интервала резервирования, при котором пропускная способность НССС
максимальна.
Примем распределение предложенного входного трафика от наземных
абонентов пуассоновским с интенсивностью А, , а в качестве функции
распределения длительности соединений (сеансов связи) используем экспоненциальное
распределение с параметром \1. Обозначим через tri длительность зоны
радиовидимости i-го спутника-ретранслятора для произвольного наземного абонента.
Значение этих величин определяется из расчета баллистики движения
космических аппаратов, заданных углов места приемных антенн абонентов и ширины
диаграммы направленности передающей антенны (антенн)
спутников-ретрансляторов. Таким образом, длительность соединения для абонента через
ретранслятор СРг ограничена величиной tri. Каждый спутник-ретранслятор будем
моделировать iC-канальной системой массового обслуживания, на вход которой
поступают два информационных потока: поток первичных запросов на
установление соединения и поток запросов на выделение каналов связи для уже
установленных соединений. Примем, что второй поток имеет относительный
приоритет. В качестве протокола множественного доступа для передачи запросов
первичного потока примем протокол тактированная Aloha Для пояснения
информационного взаимодействия ниже на рисунке показаны основные процессы
и временные интервалы.

318
Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
CPi
с
tc — длительность сеанса между m-ым и &-ым абонентами
tfi — длительность зоны радиовидимости /-го СР
ср/
tj — длительность зоны j-го СР
На данном рисунке приняты следующие обозначения:
t3i — момент передачи запросного пакета на установление соединения между
m-ым и тс-ым абонентами через CPi,
tHCi — момент предоставления канала связи CPi для проведения сеанса между
m-ым и 4-ым абонентами,
tKi — конец зоны радиовидимости i-го СР для ш-го абонента,
tm — начало интервала резервирования спутниковых ресурсов,
tr — длительность интервала резервирования,
tkcj — момент окончания сеанса между m-ым и 4-ым абонентами через СР/,
tcj — «остаточная» длительность сеанса между m-ым и 4-ым абонентами через
СР/,
tHj — начало «остаточной» длительности сеанса между m-ым и 4-ым
абонентами через СР/.
Количественно определим пропускную способность ретранслятора С как:
где Рр — вероятность разрыва соединения между произвольными абонентами вследствие конечной
длительности зоны радиовидимости и непредоставления канала связи при обеспечении
непрерывности соединений, Р6п — вероятность блокировки (непредоставления) канала связи для
первичного потока запросов на установление соединения, s ~ весовой коэффициент, который характеризует
более высокий штраф (цену) за разрыв уже установленных соединений по сравнению с отказами
запросам первичного потока.
Отдельные результаты имитационного моделирования представлены ниже на
рис. 1.2.8.1 и 1.2.8.2. Моделирование проведено при различных значениях средней
длительности сеансов связи tc и следующих, типовых для проектов НССС,
исходных данных: высота орбит спутников-ретрансляторов h = 1500 км, число каналов
связи на одном ретрансляторе К = 30, загрузка каналов связи — р = X^/iiKt^ 0,8;
значение коэффициента s принято равным трем.

1.2. Сети связи на базе негеостационарных ретрансляторов
319
0,0 -
20
- 93
Рис. 1.2.8.1. Зависимость вероятности отказа в установлении соединений Р6л,
вероятности разрыва соединения Рр и обслуженного трафика С от величины
интервала резервирования А при средней длительности сеансов tc = 100 с
Со/
, /о
20
- 93
Рис. 1.2.8.2. Зависимость вероятности отказа в установлении соединений Р^л,
вероятности разрыва соединения Рр и обслуженного трафика С от величины
интервала резервирования А при средней длительности сеансов tc = 200 с

320 Часть 1. Основные принципы построения спутниковых сетей связи
Полученные результаты моделирования показали, что:
1. Существует оптимальное значение длительности интервала
резервирования, при котором пропускная способность каналов связи НССС
максимальная.
2. При принятых типовых исходных данных значение интервала
резервирования находится в диапазоне от 10 до 15 секунд, увеличиваясь при росте
длительности соединений.
3. При малых значениях интервала резервирования (до 5 секунд)
определяющими являются потери пропускной способности из-за разрыва
соединений. При увеличении интервала резервирования свыше 10-15 секунд
вероятность разрыва соединений существенно меньше, чем вероятность
блокировки.
Очевидно, что при уменьшении загрузки каналов связи оптимальное
значение длительности интервала резервирования также уменьшается.
Важность применения исследованных в данном разделе алгоритмов
прогнозирования при обеспечении непрерывности соединений в НССС согласуется с
результатами, полученными в [1.2.8.7]. Сравнительный анализ алгоритма,
использующего элементы прогнозирования, с алгоритмом без прогнозирования и
с протоколом установления соединений, применяемым в IP-сетях, показал, что
его вероятность неразрывности соединения и обеспечения требуемого QoS на
порядок выше.

Часть 2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ССС В НОВЫХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
И ИНФРАСТРУКТУРАХ
2.1. МЕСТО И РОЛЬ СПУТНИКОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
В ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
СТРУКТУРАХ СОВРЕМЕННОГО ОБЩЕСТВА
2.1 .1. Области применения ССС
Области применения ССС определяются национальными государственными
и общественными интересами, с одной стороны, и их способностью эффективно
и экономично обеспечивать эти интересы, с другой. Также следует учитывать
возможности альтернативных технологий связи (если такие существуют).
В настоящее время имеются различные точки зрения на область применения
ССС: от перспективы утраты важности спутниковой связи и вещания в
ближайшем будущем из-за бурного роста наземных сетей до создания и развития
глобальных сетей персональной спутниковой связи, широковещания, передачи
данных, видеоконференций, спутниковой навигации и т.д.
В этой ситуации важно получить качественные и количественные оценки
эффективности ССС, а также, исходя из множества различных факторов и
аспектов, попытаться определить роль спутниковой связи сегодня и в будущем.
Области применения ССС, как и любой крупномасштабной технической
системы, в различных сферах общества определяются политическими,
экономическими, социальными, техническими и корпоративными интересами.
Спутниковым системам отводится важная роль в формировании
национальных и глобальной информационных структур, а также во всех сферах
деятельности государств. При реализации ССС каждое государство руководствуется
внешними и внутриполитическими интересами. ССС рассматриваются
правительствами стран как стратегический ресурс, приобретение и эффективное
использование которого являются задачами национального масштаба. Из общих
задач, решаемых с использованием ССС, можно выделить следующие:
• обеспечение национальной безопасности;
• беспрепятственное распространение открытой информации о
жизнедеятельности государства;

322 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• сохранение и развитие контактов граждан;
• развитие образования, науки, техники и культуры;
• обеспечение доступа граждан, предприятий и организаций, органов
государственного управления к национальным и международным
информационным ресурсам по различным сферам согласованной деятельности;
• обеспечение информационной безопасности;
• взаимодействие в области чрезвычайных ситуаций, стихийных бедствий и
катастроф, своевременное информирование по этим вопросам и
информационное сопровождение при их ликвидации;
• создание условий взаимовыгодного использования информационных
ресурсов различных государств,
• координация действий в борьбе с терроризмом, организованной
преступностью, наркобизнесом и др.
Практически во всех странах в вопросах регулирования использования
радиочастотного спектра в законодательном порядке установлены приоритеты на
предоставление этого природного ресурса радиослужбам, обеспечивающим
безопасность человеческой жизни, правительственную связь, оборону и безопасность
государства, охрану правопорядка, экологическую безопасность, предотвращение
катастроф техногенного характера. При распределении орбитально-частотного
ресурса государственные органы руководствуются следующими приоритетами,
которые, как правило, также подкреплены соответствующими законодательными
актами на использование:
• национальных спутниковых сетей связи;
• ССС международных организаций (Интерспутник, Intelsat, Eutelsat,
Inmarsat и т.п.), членом которых является данное государство;
• ССС, находящихся под юрисдикцией иностранных государств,
координация сетей которых с сетями связи данного государства завершена.
В военных же доктринах развитых стран ССС занимают ключевые позиции.
В частности, космические силы играют центральную роль в происходящей
военной революции благодаря их исключительным возможностям по сбору,
обработке и распределению потоков информации. Поэтому группировки спутников
связи, наблюдения и сети передачи данных являются неотъемлемыми средствами
информационного противоборства развитых стран.
Сорокапятилетняя история развития ССС насчитывает пять характерных
этапов:
1. 1957-1965 г.г. Подготовительный период, который начался в октябре 1957 г.
после запуска Советским Союзом первого в мире искусственного спутника
Земли, а спустя месяц и второго. Это произошло в разгар «холодной войны» и
стремительной гонки вооружений, поэтому, естественно, спутниковые технологии
становились в первую очередь достоянием военных. Рассматриваемый этап
характеризуется запуском ранних экспериментальных ИСЗ, в том числе и
спутников связи, которые преимущественно выводились на низкие околоземные
орбиты. Первый геостационарный спутник-ретранслятор TELSTAR был создан в
интересах армии США и выведен на орбиту в июле 1962 года. В тот же период

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 323
времени была разработана серия американских военных спутников связи SYN-
СОМ (Synchronous Communications Satellite). Первые два спутника были
запущены на геосинхронные эллиптические орбиты. Геостационарный ИСЗ этой
серии SYNCOM-3 был выведен на орбиту в феврале 1963 г. и явился прототипом
первого гражданского коммерческого ГСР INTELSAT-1 (другое название EARLY
BIRD), ставшего первым СР международной организации Intelsat (International
Telecommunications Satellite Organization), учрежденной в августе 1964 года. В этот
период коммерческие услуги спутниковой связи еще не были доступны, но
возможность производства, запуска и успешной связи через ИСЗ на околоземной
орбите была доказана экспериментально.
2. 1965-1973 г.г. Период развития глобальных ССС на основе геостационарных
ретрансляторов. 1965 год ознаменован запуском в апреле геостационарного СР
INTELSAT-1, положившего начало коммерческого использования спутниковой
связи. Ранние спутники серии INTELSAT обеспечивали трансконтинентальную
связь и в основном поддерживали магистральные каналы связи между
небольшим количеством национальных шлюзовых земных станций, обеспечивающих
интерфейс с национальными наземными сетями общего пользования.
Магистральные каналы обеспечивали соединения, по которым передавался телефонный
трафик, ТВ сигналы и обеспечивалась телексная связь. В целом ССС Intelsat
дополняла и резервировала существовавшие на тот момент подводные
трансконтинентальные кабельные линии связи. До начала 70-х годов практически все
существовавшие ССС использовались для передачи международного телефонного
трафика и вещания телевизионных программ. Большинство СР размещалось на
геостационарной орбите, связь велась в диапазоне 6/4 ГГц, а для покрытия
территории возможно большей площади использовались бортовые антенны с
широким глобальным лучом. Аппаратура связи и методы передачи были полностью
аналоговыми. При передаче аналогового ТВ сигнала для обеспечения более
высокой помехоустойчивости использовалась частотная модуляция, причем одна
телевизионная программа полностью занимала ствол ретранслятора. При
передаче аналоговых речевых сигналов использовалось частотное
мультиплексирование {FDM — Frequency Division Multiplexing}. Для уплотнения телефонных
линий в магистральном канале применялась двухступенчатая модуляция ЧМ-
ЧМ (в этом случае каждый аналоговый речевой сигнал модулирует по частоте
свою поднесущую, а затем промодулированные поднесущие суммируются и
групповой сигнал модулирует по частоте несущее колебание). Дуплексный
режим обеспечивался частотным разделением каналов приема и передачи {FDD —
Frequency Division Duplex}. При многостанционной работе через СР
использовалось частотное разделение магистральных каналов. Таким образом, частотное
мультиплексирование при всех его недостатках, рассмотренных в разделе 1.1.9,
использовалось во всех сечениях сети. Ретрансляторы, такие как INTELSAT I,
II, III, представляли собой, по сути, электронные зеркала. Они принимали
сигнал от ЗС, преобразовывали несущую частоту, усиливали сигнал и посылали
обратно на всю свою область обслуживания. Поскольку возможности средств
вывода СР на орбиту были весьма скромными по сравнению с современным
уровнем, а мощные и экономичные усилители и первичные источники питания

324 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
отсутствовали, то энерговооруженность и, соответственно, пропускная
способность СР первых поколений были незначительными.
3. 1973-1982 г.г. Этап широкого распространения региональных и
национальных ССС. В течение этого периода достаточно интенсивно разворачивались
региональные, например, Eutelsat, Aussat и национальные спутниковые сети связи,
например, Skynet в США, основными услугами которых по-прежнему были
телефония и телевидение, а также в незначительном объеме передача данных. Но
теперь эти услуги предоставлялись большому числу наземных терминалов, а в
некоторых случаях передача осуществлялась непосредственно на
пользовательские терминалы. На этом этапе исторического развития ССС была создана
международная организация Inmarsat, развернувшая глобальную сеть связи
Inmarsat, основной целью которой было обеспечение связи с морскими судами,
находящимися в плавании. В дальнейшем Inmarsat распространила свои услуги
на все разновидности подвижных пользователей.
4. 1982-1990 г.г. Период стремительного развития и распространения малых
земных терминалов. В 80-е годы успехи в области техники и технологии
ключевых элементов ССС, а также реформы по либерализации и демонополизации
отрасли связи в ряде стран позволили использовать спутниковые каналы в
корпоративных деловых сетях связи, получивших название VSAT. Сначала эти сети
при наличии каналов связи со средней пропускной способностью (не более 64
кбит/с) предоставляли единственную информационную услугу — передачу
данных, несколько позднее была реализована цифровая передача речи, а затем и
видео. Сети VSAT позволили устанавливать компактные земные станции
спутниковой связи в непосредственной близости от пользовательских офисов, решив
тем самым для огромного числа корпоративных пользователей проблему
«последней мили», создали условия комфортного и оперативного обмена
информацией, позволили разгрузить наземные сети общего пользования. Постоянный
стимул к увеличению пропускной способности спутниковых каналов связи
привел к разработке и практическому применению многолучевых бортовых антенн
с 3-10 независимыми полуглобальными, зональными и узкими
приемопередающими лучами, например, на спутниках INTELSAT-IV, V A981г.); ECS-1 A983г.)
и др. Рост пропускной способности каналов связи привел к необходимости
эффективного использования выделенной для спутниковой связи полосы частот. С
этой целью сначала стало использоваться на практике поляризационное
разделение сигналов, позволяющее удвоить степень использования выделенной
полосы частот, а позднее, с внедрением в практику бортовых многолучевых антенн
с большим количеством узких лучей, появилась возможность пространственного
разделения сигналов, позволяющего использовать выделенную полосу частот
многократно. По мере роста числа земных терминалов с низкими или средними
требованиями к скорости передачи, но генерирующих пульсирующий трафик,
возникла необходимость в разработке эффективных способов использования
связных ресурсов ретрансляторов. Основная идея многочисленных
предложенных методов сводится к коллективному использованию сетевых ресурсов с
предоставлением пользователю нужной ему части пропускной способности (полосы
частот) сети только тогда, когда он испытывает в этом потребность {BOD —

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 325
Bandwidth On Demand}. Была, например, реализована передача способом «один
канал на несущую» {SCPC — Single Channel Per Carrier}, позволяющая, в частности,
эффективно перераспределять полосу частот ретранслятора между ЗС, а также
цифровая интерполяция речи {DSI — Digital Speech Interpolation},
предусматривающая заполнение пауз в цифровом речевом сигнале, которые составляют с
каждой стороны около 60% длительности разговора, информацией»от других
источников. Были реализованы различные варианты протоколов множественного
доступа к каналам связи, позволившие эффективно перераспределять
пропускную способность сети между терминалами в соответствии с их текущими
потребностями. Прогресс в технологии антенных систем обеспечил снижение их массы
и стоимости, а также повышение точности наведения и автосопровождения, что
в свою очередь позволило более экономно использовать энергоресурсы
ретрансляторов. В результате перечисленных достижений значительно увеличился
энергетический потенциал космических радиолиний, возросла пропускная
способность каналов связи. Наиболее используемым постепенно стал частотный
диапазон 14/12 ГГц. Большое число земных терминалов ССС, каждый из
которых мог запросить связь с любой точкой области обслуживания, привело к
необходимости коммутации приемных и передающих лучей бортовых антенн, что
позволило обеспечить полносвязную топологию сетей. Сначала использовалась
статическая коммутация лучей путем скачкообразной перестройки частот
приема/передачи земных станций, например, на ретрансляторах INTELSAT-V и BSB.
Позднее произошел переход на более эффективную бортовую коммутацию лучей
(SS-TDMA) при помощи СВЧ коммутационной матрицы, например, на INTEL-
SAT-VI.
5. Использование «интеллектуальных» спутников связи. С первой половины
90-х годов ССС вступили в количественно и качественно новый этап своего
развития. Большое количество глобальных и региональных спутниковых сетей
связи находились в стадии эксплуатации, производства или проектирования.
Технология спутниковой связи стала областью значительного интереса и деловой
активности. В этот период времени наблюдался взрывной рост быстродействия
микропроцессоров общего назначения и объемов полупроводниковых
запоминающих устройств при одновременном повышении надежности, а также
уменьшении энергопотребления и стоимости этих компонентов. Полупроводниковая
электроника космического применения должна быть радиационноустойчивой,
что достигается специальными технологическими приемами и тщательным
экранированием радиоэлектронных схем. Появление радиационноустойчивых
микропроцессоров с тактовой частотой A-4) МГц и быстродействующих схем
оперативной памяти объемом A05-106) Мбит послужило технологической основой
для практической реализации действительно «интеллектуальных» БРТК с
возможностями и характеристиками, которые на первый взгляд представлялись
просто фантастическими [2.1.1.10]. Радиационноустойчивые микросхемы
намного дороже своих аналогов в обычном исполнении, а их производство весьма
ограничено, поэтому возникали опасения, что это станет фактором, сдерживающим
и замедляющим широкое использование перспективных СР с полной бортовой
обработкой сигналов [2.1.1.11, 2.1.1.12]. Маркетинговые исследования свидетель-

326 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
ствовали о высоком и постоянно растущем интересе потенциальных
пользователей к номенклатуре и качеству информационных услуг, в первую очередь таких,
которые требовали широкополосных каналов связи. В то же время достигнутые
успехи в области спутниковой связи, главным образом рост пропускной
способности каналов, использование цифровых методов передачи любых видов
сообщений, в том числе и аналоговых по своей природе, свидетельствовали о
принципиальной возможности создания на основе СР масштабных широкополосных
сетей интегрального обслуживания, способных удовлетворить прогнозируемый
спрос пользователей. Все это сулило разработчикам, производителям и
операторам ССС весьма радужные перспективы. Требования пропускной способности
перспективных ССС и достаточно высокая занятость относительно узкой
полосы частот (около 500 Мгц) iCw-диапазона предопределили для ССС следующего
поколения выбор диапазонов 30/20 и 50/40 ГГц.
Экспериментальная проверка концепции построения широкополосных
перспективных ССС была проведена в середине 90-х годов с использованием
геостационарных СР — европейского OLYMPUS и американского ACTS.
Спутник OLYMPUS был одним из первых экспериментальных ИСЗ ifa-диа-
пазона. Этот спутник связи не обеспечивал бортовую обработку и не был в
полной мере широкополосным, но он продемонстрировал возможность надежной
связи в диапазоне 30/20 ГГц, перспективность использования точечных
приемопередающих лучей и позволил провести ряд экспериментов в области VSAT
технологий.
Другой областью применения ССС, которой коснулись в этот период
революционные преобразования, явилось телевизионное вещание. Переход на
цифровые способы передачи телевизионного сигнала позволил при улучшении
качества изображения уплотнять в стандартном стволе ретранслятора до 6-10 ТВ
программ, вместо одной при аналоговой передаче. Разработка спутников
непосредственного вещания {DBS — Direct Broadcast Satellite} позволила принимать
большое количество программ на недорогие и компактные индивидуальные
пользовательские терминалы, работающие только на прием.
Развитие ССС происходило в острой конкурентной борьбе с наземными
технологиями связи, которая велась с переменным успехом. Развитие ВОЛС,
осуществляемое такими компаниями, как Bell Labs, Corning и рядом других,
привело к развертыванию в 80-90-х годах крупномасштабной наземной сети ВОЛС.
Первый подводный волоконно-оптический кабель ТАТ-8, проложенный через
Атлантический океан и соединивший США, Великобританию и Францию, был
введен в эксплуатацию в 1988 году. За ним быстро последовали ТАТ-9 и 10
A992 г.), ТАТ-И A993 г.) и ТАТ-12 A995 г.). Не менее быстро росло и число
кабелей через Тихий океан. В направлении восток — запад был проложен кабель,
соединивший континентальную часть США (Калифорния), Гавайи, Гуам и
Японию, в направлении юг — север кабели Гавайи — Новая Зеландия и Гуам —
Австралия. Использование частотного мультиплексирования
(мультиплексирования по длине волны) и промежуточных оптических усилителей-ретрансляторов
позволяет обеспечить практически неограниченную пропускную способность
ВОЛС. В результате «удельный вес» ССС в мировых технологиях связи заметно
снизился. Например, если доля сети Intelsat в поддержке международного теле-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 327
фонного трафика составляла в конце 80-х годов около 70%, то ко второй половине
90-х годов она упала до 30% и наблюдалась тенденция к дальнейшему снижению.
В те же годы телефонные компании были полны оптимизма по поводу решения
с помощью ВОЛС проблемы «последней мили». Прокладка оптических кабелей
в каждый дом и квартиру обеспечила бы широкий спектр мультимедийных услуг
посредством передачи разнородного трафика по одной физической среде.
Параллельно предлагались альтернативные ВОЛС проекты. Система HALO
(High Altitude Long Operation) компании Angel Technologies предполагала
использование специально оборудованного самолета. Он летает над
обслуживаемой территорией на высоте около 15 км по кругу диаметром 4 км, что позволяет
обеспечить связью область диаметром 80-120 км. Для обеспечения круглосуточного
обслуживания предполагается использование посменно 3 самолетов.
Применение в качестве первичного источника энергии для питания бортовой аппаратуры
реактивных двигателей позволяет обеспечить выходную мощность передатчиков
около 40 кВт, что без труда позволяет решить проблему прохождения
радиосигналов /fa-диапазона через облачный покров и получить пропускную способность
каналов до 10 Мбит/с в обоих направлениях. Компания Sky Station собиралась
разместить огромную платформу с установленными на ней радиоаппаратурой,
двигателями, солнечными батареями и топливными элементами на высоте чуть
более 20 км. Поддерживаемая множеством заполненных гелием аэростатов,
платформа должна занимать геостационарную позицию, а срок её службы составить
5-10 лет. Предполагается обеспечивать передачу информации к пользователям
до 10 Мбит/с, а в противоположном направлении — 2 Мбит/с [2.1.1.13].
Все это привело к достаточно широкому распространению среди
специалистов мнения, что ССС прошли пик своего расцвета, а их место в мировой инфо-
телекоммуникационной структуре весьма скромно и сводится, в основном, к
вещанию ТВ-программ на головные станции сетей кабельного телевидения и
обслуживанию подвижных пользователей.
С другой стороны, в тот же период времени в мире происходили и другие
политические, технические и экономические события. Представляется, что
основными событиями, предопределившими место и роль ССС, а также области их
применения с середины 90-х годов, явились следующие:
• повсеместный рост потребности в телекоммуникационных услугах,
особенно в широкополосной передаче данных, что в значительной мере
обусловлено распространением по всему миру услуг сети Интернет и
необходимости скоростного доступа к её информационным ресурсам;
• окончание активной фазы «холодной войны»;
• демонополизация и дерегулирование отрасли связи во многих странах,
подтвержденные законодательными актами и принятыми
соответствующими документами ВТО и др.;
• запуск в 1993 году экспериментального ГСР ACTS и успешная
демонстрация возможностей современных космических технологий связи;
• запуск в 1994 году мощного спутника непосредственного вещания DBS-1
и появление на рынке компактных и относительно недорогих
пользовательских индивидуальных терминалов.

328 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Окончание «холодной войны» побудило таких «китов» аэрокосмической
отрасли военно-промышленного комплекса США, как Hughes, Lockheed Martin,
Motorola, Loral, GE-Americom и др., устремиться на рынок гражданских
коммерческих ССС. Причем пришли они на этот рынок не с пустыми руками, а
«прихватили» с собой еще недавно секретные новейшие технологии космической
связи. Правительство же США проявляло все меньше интереса к финансированию
развития и модернизации чисто военных ССС, таких как DSCS, и оказывало на
свое Министерство обороны определенное давление с целью привлечь его к
использованию в своих целях части ресурсов гражданских сетей.
Либерализация отрасли связи и рынка её услуг стимулировала ведущие
мировые аэрокосмические корпорации к обеспечению своей многопрофильности и
расширению сферы деятельности, включающей разработку ССС, производство
бортового и наземного оборудования, спутников, обеспечение запусков,
развертывание наземного сегмента, участие в совместных проектах, провайдерскую
деятельность. Это было достигнуто рядом слияний и поглощений
узкоспециализированных компаний таких, например, как Rockwell Aerospace (производство
спутников и двигателей ракетоносителей), McDonnell Douglas (производство и
запуск ракетоносителей), GE Astro-Space (производство спутников), Martin
Marietta (производство спутников и ракетоносителей) и т.д.
Образовались международные финансово-технические группы с целью
финансового обеспечения проектов и предоставления коммерческих услуг спутниковой
службы. Поменялась роль традиционных провайдеров услуг спутниковой связи,
таких как Intelsat, Inmarsat и Eurosat. Они сменили свой статус международных
организаций под юрисдикцией и при финансировании государств-учредителей
на положение приватизированных компаний с частным инвестированием.
Достаточно мощным импульсом для создания широкополосных
коммерческих сетей спутниковой связи стал, кроме возросшего спроса на эти услуги во
всех странах мира (включая и страны с высокоразвитой инфраструктурой
связи), успешный опыт эксплуатации спутника NASA — ACTS. CP ACTS публично
продемонстрировал возможности спутниковых технологий связи, таких как
полная бортовая обработка и коммутация на видеочастоте, использование
«прыгающих» точечных лучей, бортовая скоростная коммутационная матрица и т.д.,
разработанных ранее по различным программам для военных спутников связи
[2.1.1.1,2.1.1.2]. ACTS работал в ifa-диапазоне, ранее считавшимся непригодным
из-за облачного покрова Земли. Усовершенствованная антенна спутника и
мощный передатчик обеспечивали передачу данных со скоростью до 622 Мбит/с на
приемные антенны диаметром 3,5 метра или с не менее впечатляющей скоростью
45 Мбит/с на компактные 60-сантиметровые антенны пользовательских
терминалов [2.1.1.3].
В 1994 году был запущен геостационарный спутник непосредственного
телевизионного вещания DBS-1 компании Hughes. Этот шестнадцатиствольный
ретранслятор ^-диапазона с выходной мощностью каждого ствола 120 Вт
позволял вести прием ТВ-программ на индивидуальные пользовательские
приемные терминалы с антеннами диаметром 45 см, что позволяло быстро
монтировать их в непосредственной близости от пользователя, например на стене дома.
Использование цифрового представления ТВ-сигнала и эффективных алгорит-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 329
мов сжатия обеспечивало высококачественную трансляцию через спутник более
100 программ. Появление на рынке относительно недорогих приемных
установок позволило спутниковому ТВ эффективно соперничать с кабельными сетями.
Достаточно быстро стало очевидно, что планы быстрого расширения
кабельных сетей нереалистичны и пройдут десятилетия, прежде чем новые кабельные
системы окончательно вытеснят существующие низкоскоростные абонентские
линии, препятствующие широкому распространению широкополосных
интерактивных служб, требующих передачи данных на высоких скоростях. Что касается
магистральных каналов связи на базе ВОЛС, то они обеспечивают пропускную
способность до десятков и сотен Гбит/с при высоком качестве передачи. Однако
наличие потерь сигнала в волокне требует использования промежуточных
усилителей-повторителей (регенераторов передаваемых сигналов). В зависимости
от качества используемого волокна, скорости передачи информации, параметров
используемых приемо-передачиков допустимое расстояние между соседними
пунктами регенерации составляет не менее A00-400) км. Наличие в
протяженной линии большого числа последовательно соединенных усилителей,
регенераторов и коммутаторов требует для обеспечения приемлемого уровня надежности
значительной степени резервирования и широкого использования
диагностирующей и контрольно-измерительной аппаратуры. Большие дополнительные
проблемы возникают при прокладке ВОЛС по дну морей и океанов, в районах
вечной мерзлоты, по территориям, подверженным подвижкам земной коры, и т.д.
Опасность физического повреждения кабелей в этих случаях требует повышения
их механической прочности, что увеличивает стоимость кабеля, а также
заставляет прибегать к пространственному резервированию маршрутов передачи. Все
это приводит к тому, что прокладка ВОЛС требует значительных капитальных
вложений, а эксплуатационные расходы весьма велики.
По оценкам специалистов, сделанным несколько лет назад, сплошная «кабе-
лизация» при помощи ВОЛС такой, например, страны, как Япония обошлась бы
примерно в 400 млрд. долл. и продолжалась бы более 20 лет, причем
существенный вклад в общие затраты внесла бы стоимость работ по прокладке кабелей.
Аналогичная деятельность только в одном штате США Калифорния потребовала
бы примерно столько же времени и 30 млрд. долл, чего вполне хватило бы для
создания, развертывания и поддержания ССС Intelsat, охватывающей
практически весь мир [2.1.1.4].
ССС лишены указанных недостатков и обладают уникальными
особенностями, обеспечивающими их преимущество перед наземными структурами.
Спутниковая связь обладает важнейшими достоинствами, необходимыми для
построения крупномасштабных телекоммуникационных сетей:
1. С помощью ССС можно достаточно быстро сформировать сетевую
инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от
состояния наземных каналов связи.
2. Использование современных технологий доступа к ресурсам спутников-
ретрансляторов и возможность одновременной доставки информации
практически неограниченному числу пользователей значительно снижают
затраты на создание и эксплуатацию сети.

330 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
3. По одному и тому же каналу можно передавать разнородную информацию
(голос, данные, изображения, Интернет-приложения) непосредственно в
любую периферийную точку сети.
Эти достоинства спутниковой связи делают её весьма привлекательной и
высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми телекоммуникациями. В
развитых странах существует устойчивая тенденция роста загородных поселков
для финансово обеспеченных слоев общества, которые являются потребителями
самых современных услуг связи и готовы платить за эти услуги. Более того,
многие компании с территориально-распределенной структурой крайне
заинтересованы в снижении затрат на оплату услуг связи и все чаще отказываются от сетей
общего пользования, предпочитая создавать собственные более экономичные
спутниковые сети связи. Современный рынок услуг ССС изобилует широким
спектром технических решений для построения такого рода сетей.
В то же время в развивающихся странах усиливаются процессы урбанизации
и роста численности городов. Содействие проникновению передовых
телекоммуникационных технологий в развивающиеся страны может стать долговременной
стратегией, которая позволит демократизировать общество этих стран. Для этого
владельцы некоторых ССС предоставляют местным правительствам
возможность полностью контролировать земные станции, которые планируется
расположить на территории их государств, и не обязуются поставлять услуги связи
напрямую конечным пользователем, что могло бы быть расценено этими
правительствами как угроза государственным интересам.
Все это в совокупности с успехами в области микроэлектроники, создания
новых дешевых стартовых комплексов и ракетоносителей, а также положительным
опытом быстрого развертывания мощных группировок ССС определяет
необходимость и возможность широкого использования ССС.
В последние годы интенсивно развивается процесс интеграции технологий
связи и информатики в единую инфотелекоммуникационную инфраструктуру,
например, интеграция сети Интернет и сетей электросвязи. Расширение сетей
связи свидетельствует об усилении информационной ориентации развития
экономики и общества. Национальные и глобальные информационные
инфраструктуры — N11 и Gil {National, Global Information Infrastrucnture}, формируя единое
информационное пространство, обеспечивают информационную взаимосвязь и
взаимозависимость государств в различных сферах жизнедеятельности общества.
Создание единого мирового информационного пространства способствует
созданию благоприятных условий для функционирования рынков товаров, услуг,
капиталов и рабочей силы, облегчает процессы согласования в различных сферах
деятельности и т.д. Во многих государствах приняты и выполняются программы
развития национальной информационной инфраструктуры и предоставления
информационных и связных услуг. Эти программы, как правило,
предусматривают последовательную интеграцию национальных инфотелекоммуникацион-
ных структур с континентальными и глобальной инфраструктурами. Для
достижения этих целей правительства различных стран активно используют ССС и
оказывают серьезную поддержку собственным компаниям, реализующим
проекты спутниковых систем.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 33 1
При предоставлении инфотелекоммуникационных услуг должны
соблюдаться следующие базовые принципы [2.1.1.4]:
• недискриминационность (возможность равного доступа к услуге для
любого пользователя);
• виртуальность (возможность выбора пользователем оператора инфотеле-
коммуникационной сети и обеспечения этим оператором услуг по
запросу);
• мобильность (возможность равного доступа в сеть подвижным
пользователям);
• управляемость (предоставление пользователю возможности управления
услугами из предлагаемого ему перечня).
Эти принципы определяют требования к перспективным сетям связи, в
частности: по построению интеллектуальных сетей, повышению степени
интерактивности услуг, объединению фиксированной и подвижной служб и др.
Особую интегрирующую роль в формировании N11 и GII, как единого
информационного пространства, играют спутниковые средства связи, передачи данных
и вещания, позволяющие относительно быстро и недорого:
• решить проблему «последней мили» для индивидуальных пользователей
при их доступе к магистральным каналам сети;
• расширить интерфейс между пользователями и сетью, обеспечивая
подключение к сети абонентов, расположенных в отдаленных или
труднодоступных районах, что актуально для большинства регионов мира;
• обеспечить доступ в сеть подвижных пользователей;
• объединить локальные и региональные сети интегрального обслуживания,
в том числе и на базе ВО Л С, в корпоративные, национальные,
интернациональные и глобальную структуры;
• обеспечить оперативное развертывание сети связи и глобальное покрытие
заданной территории;
• быстро адаптироваться к потребностям пользователей.
Концепция создания N11 и GII общего пользования предусматривает
применение в качестве основного технического средства абонентов сети персональных
компьютеров (ПК). Подавляющий интерес у индивидуальных пользователей
вызывают мультимедийные приложения — передача речи, данных, музыки, видео,
текстовой и графической информации и др. В настоящее время
высококачественная передача речи возможна при скорости D,8-16) кбит/с. Компакт-диски,
являющиеся для индивидуальных пользователей основным носителем и
предметом обмена по сети мультимедийными приложениями, обычно предусматривают
считывание со скоростью 1,5 Мбит/с, реже до 6 Мбит/с. Наиболее
информативные приложения, такие как телевидение и графика высокого качества, требуют
передачи со скоростью F-8) Мбит/с и менее. Поэтому представляется, что в
качестве реального верхнего предела скорости обмена информацией между
аппаратурой пользователей и сетью можно считать скорость не более 10 Мбит/с, а
выбор физической среды для передачи осуществлять среди альтернативных
вариантов, способных эту скорость обеспечить, таких как ВОЛС, витая медная па-

332 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
pa, коаксиальный кабель, радиорелейная линия или спутниковые радиоканалы.
Трудно вообразить имеющееся дома или в школе оборудование или
практическое приложение, требующее канала связи со свойственной только ВОЛС
пропускной способностью порядка 1 Гбит/с и более.
При решении проблемы «последней мили» и расширении интерфейса между
пользователями и сетью другим не менее важным аргументом в пользу ССС
является их уникальная возможность коллективного использования общего
частотного ресурса спутникового канала многими абонентами сети. В наземных
сетях терминал каждого пользователя соединен с соответствующим входом
коммутатора первой ступени мультиплексирования отдельной пользовательской
линией (проводом или кабелем, гораздо реже радиолинией), которая проложена
постоянно и включена в сеть в двух фиксированных точках. Затраты на создание
«паутины» пользовательских линий составляют при развертывании сети
основную часть материальных затрат. В спутниковых же сетях в качестве
пользовательских линий используются логические каналы, организуемые для
пользователей путем выделения определенной части общей полосы частот на время
проведения сеанса связи. Спутниковая пользовательская линия быстро
«разворачивается» при поступлении запроса на установление соединения и не менее
быстро «разрывается» после окончания сеанса связи. Такая процедура
называется предоставлением канала по требованию и реализуется при помощи
протоколов множественного доступа, подробно описанных в разделе 1.1.10. В отличие
от наземных сетей, вне временных рамок сеансов связи пользователя частотный
ресурс канала им не используется и может быть предоставлен другому
пользователю, который может находиться, например, на противоположной стороне
улицы, в другом городе или другой стране. Возможность коллективного
использования связных ресурсов ССС обеспечивает их экономное расходование и
снижает тем самым стоимость сети и предоставления информационных услуг.
Простота реконфигурации логических каналов позволяет легко наращивать состав
пользователей и обеспечить совместное обслуживание фиксированных и
подвижных абонентов. Включение в состав сети абонентов, у которых наземные
пользовательские линии отсутствуют, а также подвижных абонентов может быть
осуществлено при помощи VSAT или малогабаритных переносных терминалов
[2.1.1.5-2.1.1.9].
Пропускная способность перспективных ССС в принципе позволяет
использовать их для организации магистральных каналов связи при объединении в
единую структуру территориально рассредоточенных городских, районных,
региональных или национальных наземных ШЦСИО. Такая задача возникает в связи
с тем, что формирование N11 и GII — процесс длительный и многоэтапный.
Существующая наземная инфотелекоммуникационная структура развита весьма
неравномерно как в границах отдельных регионов (областей, стран, континентов),
так и между регионами, что объясняется различными географическими условиями
и разным уровнем экономического развития разных регионов. На карте мира
можно выделить отдельные изолированные мегаполисы, развитые районы, страны,
насыщенные наземными широкополосными сетями для предоставления широкого
спектра информационных услуг. Такие образования часто называют
широкополосными островами. Эти острова, естественно, нуждаются в информационном

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 333
обмене, который и может быть обеспечен при помощи магистральных каналов,
организованных на базе ССС. Конечно, спутниковым каналам связи по
пропускной способности трудно конкурировать с ВОЛС. Тем не менее, с учетом того,
что развертывание крупномасштабной разветвленной наземной сети связи на
основе ВОЛС — процесс длительный, трудоемкий и дорогостоящий, ССС должны
сыграть важную интегрирующую роль на начальных этапах развития N11 и GII,
благодаря возможности их достаточно быстрого развертывания. В дальнейшем,
по мере созревания наземной инфотелекоммуникационной структуры ССС
будут использоваться для широковещания, многоадресных передач,
избирательного охвата информационным обслуживанием труднодоступных и
малонаселенных территорий, а также в качестве резерва для наземных магистральных
каналов связи.
Перспективные ССС нового поколения, безусловно, поддерживая
традиционные для спутниковой связи приложения, будут расширять области своего
применения, активно интегрируясь в мировую инфотелекоммуникационную
инфраструктуру и обеспечивая при этом рост количественного и качественного уровня
обслуживания пользователей. Это предъявляет к ССС ряд принципиально
новых требований:
• персонализация спутниковой связи;
• максимальное расширение спектра предоставляемых информационных
услуг и повышение их качества;
• интеграция фиксированной, подвижной и вещательной спутниковых
служб в одной ССС;
• обеспечение высокой пропускной способности спутниковых каналов связи
и ССС в целом;
• совместная эффективная передача разнородного трафика по общим
каналам связи.
Выполнение перечисленных требований позволит расширить круг
пользователей ССС, привлекая пользователей Интернета и интрасетей; клиентов
наземных сотовых сетей связи; пользователей мультимедийных приложений, в
частности, телевидения и видеопродукции по запросу; крупные компании, которым
ССС позволяет объединить и унифицировать свою телекоммуникационную
среду; новые территориально-распределенные компании, которые с использованием
ССС смогут быстро объединить свои коммуникационные ресурсы и т.д.
Можно выделить следующие традиционные и новые области применения
перспективных ССС:
• организация магистральных, внутризоновых и местных линий связи в
составе существующих национальных сетей;
• предоставление связных ресурсов для сетей передачи данных;
• развитие корпоративных сетей связи с использованием современных
VSAT-технологий;
• развитие сетей международной телефонной связи;
• распределение по территории страны государственных, региональных,
местных и коммерческих теле- и радиопрограмм;

334 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• развитие сетей передачи электронных версий периодических изданий и
рекламы;
• резервирование магистральных каналов наземных сетей;
• создание широкополосных сетей интегрального обслуживания
индивидуальных и корпоративных пользователей;
• организация сети магистральных каналов для объединения в единую ин-
фотелекоммуникационную структуру наземных локальных, городских и
районных широкополосных сетей интегрального обслуживания;
• непосредственное вещание на индивидуальные приемные терминалы
пользователей теле- и радиопрограмм;
• создание региональных и глобальных сетей подвижной и персональной
подвижной спутниковой связи, базирующихся на различных типах
орбитальных группировок ретрансляторов;
• предоставление связных ресурсов для глобальных сетей сбора
информации и мониторинга;
• организация каналов связи для удаленных подвижных пользователей
(корабли, самолеты) и других пользователей, не имеющих непосредственного
кабельного соединения с наземными сетями общего пользования.
Удовлетворение вышеперечисленных требований к перспективным ССС
возможно при активном использовании новейших технических достижений в области
спутниковой связи. Перечислим основные пути коренного улучшения
характеристик ССС и соответственно показателей качества обслуживания, способных
удовлетворить растущие требования пользователей в настоящее время и в будущем.
1. Увеличение мощности бортовых радиопередающих устройств до
предельно допустимого уровня, что является прямым путем увеличения
пропускной способности каналов связи ССС.
2. Использование на спутниках-ретрансляторах многолучевых приемных и
передающих антенных систем с большим числом лучей, что позволяет
существенно повысить пропускную способность каналов связи без
привлечения дополнительных энергетических и частотных ресурсов.
3. Реализация на борту спутников-ретрансляторов обработки сигналов как
на высокой частоте с использованием коммутационных СВЧ-матриц, так
и на видеочастоте с использованием бортовых коммутаторов пакетов,
сообщений или каналов.
4. Реализация на борту СР с обработкой сигналов на видеочастоте
протоколов канального и сетевого уровней (мультиплексирование и
демультиплексирование информационных потоков, коммутация сигналов в
сочетании с многоадресной передачей и приоритетным обслуживанием и др.)
современных сетевых технологий наземных сетей связи, например ATM.
5. Функционирование перспективных широкополосных ССС в диапазонах
Ка и Q/V, поскольку эти диапазоны менее загружены, обладают большим
частотным ресурсом и в них проще решается проблема электромагнитной
совместимости с другими радиослужбами.
6. Построение ССС с применением различных орбитальных группировок
ретрансляторов — геостационарных, низкоорбитальных и использующих

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуниксщионных структурах 335
эллиптические орбиты, выбирая группировку, наилучшим образом
соответствующую характеру решаемых прикладных задач. В частности,
применение в глобальной ССС комбинированных группировок, например, с
использованием геостационарной и низких орбит.
7. Использование межспутниковых линий связи как в низкоорбитальных
ССС, так и в ССС, использующих геостационарные ретрансляторы. Это
позволяет постепенно наращивать пропускную способность космического
сегмента ГССС, резко снизить затраты на развертывание
поддерживающей наземной инфраструктуры и повысить оперативность сетей при
помощи соответствующих протоколов маршрутизации информационных
потоков.
8. Улучшение характеристик вспомогательных систем ИСЗ-ретрансляторов,
в частности, повышение энергоотдачи солнечных батарей, увеличение
емкости и надежности аккумуляторных батарей и применение эффективных
альтернативных накопителей энергии, повышение точности и
экономичности систем коррекции орбиты и ориентации.
Одним из ключевых факторов, определяющих перспективность той или иной
ССС, может стать наличие у её создателей возможности запускать спутники-
ретрансляторы. Мировой космической индустрии не хватает стартовых
площадок и ракетоносителей. Осуществлять запуски коммерческих геостационарных
ретрансляторов во всем мире способны только четыре страны — США, Россия,
Франция и Китай. К тому же положение обостряется ограничениями,
накладываемыми правительством США на использование некоторых иностранных
ракетоносителей, и системой квот на запуски с территории США. Проблемой
является и повышение надежности запусков, поскольку их аварийность составляет
около 5%. Несмотря на реализацию проекта «Морской старт» (Sea Lunch), в
настоящее время по-прежнему ощущается дефицит средств запуска. Однако
эксперты оптимистично оценивают будущее новых ССС, поскольку услуги по
выводу на орбиту спутников являются весьма прибыльными и у различных
компаний есть большой стимул для инвестиций в соответствующую
инфраструктуру.
Важную роль, определяющую области и широту применения ССС, играют
стоимость абонентского оборудования и тарифы. При этом существенна не только
абсолютная стоимость информационного обслуживания, но и её соотношение с
ценами на аналогичный сервис, предлагаемыми операторами наземных сетей связи.
Стоимость спутникового канала связи не зависит от расстояния между
пунктами, им связанными, пропорциональна пропускной способности этого канала и
складывается из стоимости разработки, производства и запуска ретранслятора,
стоимости наземного сегмента сети и эксплуатационных расходов. Стоимость
наземного сегмента и эксплуатации в первом приближении равна полным
затратам на орбитальную группировку. Интегральным показателем, определяющим в
значительной мере полную стоимость ретранслятора, является его пропускная
способность. Другие факторы, такие как конкретное значение полосы
пропускания и ЭИИМ отдельных стволов, общее количество стволов, форма диаграмма
направленности приемных и передающих антенн, используемый диапазон частот,

336 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
применяемые технические решения, также влияют на полную стоимость
спутника-ретранслятора, но в значительно меньшей степени. В таблице 2.1.1. приведены
данные о стоимости с учетом запуска некоторых ГСР с непосредственной
ретрансляцией, введенных в эксплуатацию в первой половине 90-х годов, и
удельная стоимость спутникового канала — sc, приведенная к полосе
пропускания 1 МГц. Сведения о стоимости создания и запуска ретрансляторов,
полученные на основании зарубежных публикаций Word Space Systems Briefing (Teel
Group Corp.) и International Satellite Directory 1999, HIGHLIGHTS Space
Systems Forecast, 1998, приведены в [2.1.1.14], а технические характеристики
спутников указаны в [2.1.1.15]. Из таблицы 2.1.1. следует, что удельная стоимость
спутникового канала при использовании ГСР с непосредственной
ретрансляцией составляет в среднем 200 тыс. долл./МГц. В перспективных ССС,
использующих более совершенные технологии спутниковой связи, предполагается
значительное снижение стоимости спутниковых каналов, например, ССС следующего
поколения Astrolink в соответствии с проектом будет иметь пропускную
способность 69 Гбит/с при прогнозируемой стоимости сети 4,0 млрд. долл., a Spaceway —
75 Гбит/с при стоимости 5,1 млрд. долл. Этому соответствует удельная
стоимость спутникового канала примерно 60 и 70 тыс. долл./МГц, что в три раза
меньше, чем в сетях, построенных по традиционной технологии. Конечно, в
случае полной реализации указанных проектов затраты окажутся, как это обычно
бывает, больше заявленных. Тем не менее, снижение стоимости спутниковых
каналов в 1,5-2 раза представляется реальным.
Наибольший вклад в стоимость ВО Л С вносят затраты на прокладку кабелей
и стоимость самого кабеля, поэтому стоимость ВО Л С определяется в первую
очередь её протяженностью. На стоимость наземного магистрального канала
связи влияет также его пропускная способность, число точек подключения к нему
пользователей, особенности территории, по которой прокладывается кабель и
т.д., но это влияние проявляется намного слабее. В 90-х годах, по данным
организации Euroconsult, в мире проложены магистральные каналы связи на базе
ВОЛС общей протяженностью около 500 тыс. км, на что затрачено не менее 20
млрд. долларов [2.1.1.14]. .Из этого можно заключить, что удельные затраты на
создание ВОЛС составляют в среднем 40 тыс. долл./км. Предпочтительность
спутниковых или наземных каналов связи с экономической точки зрения
должна определяться исходя из требуемой пропускной способности, протяженности
и количества обслуживаемых пользователей.
Арендная плата SA за использование ресурсов связи спутниковых каналов
должна быть такой, чтобы как минимум амортизировать их стоимость:
Т
5А[тыс. долл.] >Sc-^-CA [Мбит/с],
* ел
где СА — арендуемая пропускная способность (полоса частот) спутникового канала, Тсл — срок
службы канала (ретранслятора), ГА — срок аренды.
Из данных таблицы 2.1.1.1. следует, например, что средняя арендная плата в
год за ствол ретранслятора с полосой пропускания 36 МГц составляет не менее
600 тыс. долл. На практике эта плата составляет A,2-1,6) млн. долл./год.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 337
Таблица 2.1.1.1
Стоимость некоторых ГСР с непосредственной ретрансляцией
Спутник
INTELSAT-VA
INTELSAT-VI
INTELSAT-VII
INTELSAT-VIIA
ANIC-E
ARABS AT-1
ARABSAT-2
PAS-2
ORION-1
Год 1-го
запуска
1985
1989
1993
1994
1991
1991
1994
1994
1994
Число
стволов X
полоса
[Мгц]
16x36
14X72
2X240
12X36
34X72
2X150
10X36
22X72
4X112
10X36
22X72
6X112
24X36
16X44
24X36
3X44
22X36
12X44
16X34
16X63
28X54
6X36
Полоса
пропускания,
[МГц]
2064
3180
2392
2616
1568
996
1320
1552
1728
Срок
службы,
[лет]
7
14
14
14
12
10
12
15
12
Стоимость
СР с учетом
запуска,
[млн. долл.]
120
300
200
200
180
100
130
200
180
Удельная
стоимость
спутникового
канала sc,
[тыс. долл/
МГц]
116
188
168
152
230
212
196
256
208
Один из самых главных вопросов — это цены на пользовательские терминалы
и тарифы за сервис. Перспективные ССС базируются на новейших достижениях
науки, техники и технологии и объективно дороги. С другой стороны, для
обеспечения коммерческого успеха их сервис должен быть финансового доступен
широкому кругу пользователей. Большинство экспертов придерживаются
мнения, что услуги ССС станут привлекательными для массового пользователя
только при условии, что цена терминала не превысит 1000 долларов. В то же
время, многие выражают скептицизм по поводу решения этой задачи [2.1.1.16]. Что
же касается тарифов, то большинство компаний — разработчиков ССС нового
поколения имеют намерения установить цены на свои услуги, сравнимые с
ценами на соответствующие услуги существующих наземных сетей связи.
Ведущими фирмами-производителями постоянно разрабатывается большое
число новых проектов ССС, однако, как показывает опыт развития спутниковых

338 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
систем, реально выйдут на рынок услуг связи всего несколько. Причем их
техническая реализация, вероятно, будет отличаться от ранее заявляемых
проектировщиками. Это связано с тем, что вопросы влияния особенностей построения
каждого типа ССС на эффективность сетевых приложений недостаточно
исследованы, а принципы построения комбинированных (интегральных, гибридных,
т.е. систем с различными орбитальными группировками и услугами связи) ССС
практически не разработаны.
2.1.2. Техническая основа для создания БРТК современных
и перспективных спутников-ретрансляторов
В начале 90-х годов возобновился интерес к спутниковым службам связи.
Перспективность внедрения этих служб в значительной мере определяется
затратами пользователей, включающими стоимость терминала и ежемесячную
абонентскую плату. Основным фактором, определяющим стоимость аппаратуры
пользователей, является плотность потока мощности полезного сигнала в точке
приема. Чем больше эта плотность, тем ниже цена антенных систем и
приемников терминалов и тем более привлекательными они становятся для
потенциальных пользователей. Более того, увеличение ЭИИМ ГСР позволяет расширить
сферу информационных услуг, привлекая новых пользователей, например
мобильных с носимыми терминалами, или требующих мультимедийных
(широкополосных) приложений на индивидуальную аппаратуру. Необходимость
значительного увеличения ЭИИМ и пропускной способности очевидна для всех
производителей ГСР.
При использовании традиционных технических решений увеличение
пропускной способности и ЭИИМ неизбежно приведет к росту объема и массы ГСР,
что в свою очередь увеличит стоимость запуска и соответственно
представляемых информационных услуг. Кроме этого, масса и размеры ГСР ограничены
возможностями соответствующих средств вывода на орбиту.
Другими факторами, обуславливающими тенденцию к росту размеров и
массы ГСР, являются необходимость использования болыиеразмерных антенн,
бортовой обработки сигналов и межспутниковых каналов связи.
Для обеспечения высокой пропускной способности требуется широкая
полоса пропускания, которая в ряде существующих ГСР обеспечивается совместным
использованием С и Ки диапазонов. Для новых информационных услуг, таких
как мультимедийные приложения для индивидуальных пользователей или
интегрированные информационные инфраструктуры на базе объединения
наземных ЦСИО и ШЦСИО, требуется значительно большая пропускная способность
и соответственно полоса частот, которая может быть обеспечена при
использовании Ка или V диапазонов. В этом случае требования к ЭИИМ существенно
возрастают.
Перечисленные обстоятельства ставят перед разработчиками и
производителями ГСР сложную научно-техническую проблему: обеспечить существенное
увеличение энерговооруженности и полосы пропускания ГСР в рамках жестких
массогабаритных ограничений при экономически целесообразных затратах на раз-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 339
работку, производство и запуск ГС Р. Успешное решение этой проблемы возможно
лишь при решении комплекса частных задач, основными из которых являются:
• разработка сетевой технологии для широкополосных интегрированных
наземных и спутниковых сетей;
• использование более эффективных солнечных батарей и аккумуляторов;
• повышение эффективности используемых усилителей мощности;
• разработка устройств и подсистем для многолучевых антенн и ФАР;
• использование при выводе на финальную орбиту и её коррекции более
эффективных двигательных установок и видов топлива;
• повышение эффективности отвода тепла от аппаратуры ГСР, создание ра-
диационно-устойчивых схем и устройств;
• использование оптических и оптоэлектронных устройств и подсистем;
• использование новых материалов в электронных компонентах бортовой
аппаратуры;
• использование новых легких и прочных композитных конструкционных
материалов.
В настоящем разделе приведены данные о технологических аспектах и
характеристиках основных подсистем БРТК, включая энергообеспечение,
современных и перспективных спутников-ретрансляторов. Поскольку технология
разработки и производства ключевых элементов БРТК обычно является фирменным
секретом и в открытой печати практически не доступна, то содержание данного
раздела базируется в основном на материалах Международного института
технических исследований, рабочие группы которого, благодаря поддержке NASA и
соответствующим соглашениям, периодически имеют доступ к части результатов
исследований и разработок ведущих мировых фирм — производителей
космического оборудования [2.1.2.1, 2.1.2.2].
2.1.2.1. Система энергообеспечения
В состав СЭ ГСР входят первичные источники электроэнергии, накопители
энергии на время неработоспособности первичных источников и устройства
распределения электроэнергии между бортовыми потребителями — РСЕ {Power
Conditioning Electronics}. В качестве первичных источников электроэнергии
используются солнечные батареи (СБ), преобразующие энергию излучения
Солнца в электрическую (рис. 2.1.2.3) [2.1.2.3]. Осредненная хронологическая
динамика изменения массы ГСР и мощности их первичных источников питания
приведена на рис. 2.1.2.1 и рис. 2.1.2.2.
Основной составляющей СБ являются полупроводниковые фотоэлементы
(ПФЭ), эффективность которых в значительной степени определяет возможность
обеспечения высокой ЭИИМ ГСР. За годы освоения космического пространства
в области увеличения к.п.д. ПФЭ достигнут значительный прогресс, что
иллюстрируется таблицей 2.1.2.1, в которой выделены лучшие образцы ПФЭ.
В середине 90-х годов началось производство высокоэффективных кремниевых
ПФЭ, обычно называемых «черными» {Sharp}. Имея к.п.д. 17-18%, эти элементы

340
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
3500 к
3000
2500
2000
1500
1000
500
i Масса ГСР (сухая)
- на орбите, [кг]
-
-
^^
/
/
/
1 1 1 ►
1970 75 '80 '85 '90 2000 год
Рис. 2.1.2.1. Динамика роста массы геостационарных ретрансляторов
i
10
9
О
О
7
6
5
4
3
2
1
0
{ Мощность солнечных батарей
(в конце срока службы), [кВт]
-
_
-
iiii
1
/
/
г
1 ►
1970 75
'80
'90
2000
Рис. 2.1.2.2. Динамика роста мощности первичных источников питания
геостационарных ретрансляторов

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 341
Рис. 2.1.2.3. Внешний вид СБ плтформы А2100 фирмы Lockheed
стали широко использоваться на спутниках связи. Вслед за этим достижением
скоро стали доступны ПФЭ на основе арсенида галлия (GaAs), имеющие к.п.д.
18-19%. Преимущества GaAs над кремнием были известны давно, однако
трудоемкость производства GaAs элементов, конкурирующих по стоимости с
кремниевыми, ограничивала их широкомасштабное использование на коммерческих ГСР.
Положение изменилось, когда была разработана технология выращивания
изолированных слоев GaAs на германиевой подложке (Spectrolab и ASED). Однако
Таблица 2.1.2.1
Эволюция эффективности полупроводниковых элементов
Год
1962
1970
1973
1976
1993
1997
2005
(прогноз)
Материал
Кремний
Кремний
Кремний
Кремний
Кремний
Арсенид галлия
на германии
3-5 слоев
материалов
Особенности технологии
Традиционная
«Фиолетовые» элементы
«Черные» (неотражающие) элементы
«Черные» элементы с ребристым покрытием
«Черные» элементы, улучшенные материалы
Двухслойные элементы
Многослойные (каскадные) элементы
К.п.д.
(%)
8-10
13,5
15,5
16,1
17-18
25,5
35

342 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
нехватка германия привела к дефициту GaAs/Ge элементов. Поэтому они в 4-5 раз
дороже кремниевых, и СБ современных ГСР содержат как кремниевые, так и GaAs
элементы. При этом учитывается, что GaAs/Ge элементы являются более радиа-
ционноустойчивыми, поэтому необходимый резерв для обеспечения
нормального энергообеспечения ГСР в конце срока службы оказывается намного выше
(кремниевые ПФЭ к концу срока службы теряют 10-15% своей эффективности).
Успех технологии производства GaAs/Ge элементов был развит при разработке
и производстве многослойных (каскадных) элементов, состоящих из 3-5 слоев
таких материалов, как GaAs, GalnP, GalnAsP, GaSb, выращенных на германиевой
подложке аналогично GaAs/Ge элементам. Подобные ПФЭ также устойчивы к
космической радиации и имеют к.п.д. около 26%.
Ожидается, что после соответствующих экспериментальных работ в
ближайшем будущем к.п.д. многослойных элементов достигнет 35%, а отработанность
технологии производства несущественно увеличит их стоимость по сравнению с
GaAS/Ge элементами.
Другой перспективной технологией создания высокоэффективных СБ является
использование концентраторов для фокусировки светового потока на Ga/As
ПФЭ. Ожидается, что такое техническое решение увеличит интенсивность
облучения ПФЭ в 7-8 раз. Одновременно подобные концентраторы способны
экранировать элементы от разрушающего воздействия космической радиации,
уменьшить площадь СБ и исключить необходимость использования точных систем
ориентации на Солнце, что обеспечит экономию массы СБ и соответственно
стоимости ГСР.
В качестве накопителей энергии на современных ГСР наиболее широко
используются никель-водородные аккумуляторы высокого давления. Поскольку
масса аккумуляторов пропорциональна их емкости, следует ожидать, что, пока
не будут найдены новые технические решения, удельный вклад аккумуляторов
в общую массу ГСР будет увеличиваться по мере возрастания генерируемой ими
мощности. Накопление энергии на борту ГСР в периоды затенения СБ является
одной из ключевых проблем и требует пристального внимания. Возможным
решением может оказаться применение литиево-ионных аккумуляторов, хорошо
зарекомендовавших себя в сотовых телефонах и «laptop» компьютерах. Однако
их способность выдерживать многочисленные циклы «заряд — глубокий разряд»
в космических приложениях требует подтверждения (подобные аккумуляторы
предполагается использовать на экспериментальных спутниках STENTOR).
Возможной альтернативой аккумуляторам при условии разработки
высококачественных подшипников и прочных легких материалов могут оказаться
механические накопители энергии на базе вращающихся маховиков.
2.1.2,2. Бортовые радиопередающие устройства
Основными производителями и поставщиками на мировой рынок (включая
и Россию) ЛБВ и УМ на ЛБВ являются Thomson — в Европе и Hughes — в
США. В Японии ЛБВ производят NEC и Toshiba, которые в основном
удовлетворяют национальные потребности.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 343
Главными целями исследований в области ЛБВ и УМ на ЛБВ космического
применения являются:
• повышение к.п.д. ЛБВ и блоков питания (БП), что в значительной степени
облегчает проблему отвода тепла от УМ;
• повышение выходной мощности;
• освоение более высокочастотных диапазонов, вплоть до 40 ГГц;
• увеличение срока службы;
• улучшение массогабаритных характеристик.
Расчетный срок службы современных бортовых ЛБВ превышает 15 лет.
Все поставщики ЛБВ производят соответствующие БП, поэтому разработчик
БРТК имеет возможность либо приобрести готовый УМ, либо ЛБВ и
объединить ее с собственным БП, либо приобрести ЛБВ и БП у разных
производителей. Например, в Европе крупнейшим производителем БП является Bosh
Telecom GmbH. К.п.д. современных БП для ЛБВ превышает 90%. Например, Hughes
продемонстрировал БП с к.п.д. 94% и проводит работы по снижению массы БП
(за счет повышения частоты преобразования) с 1,3 кг до значения менее 0,9 кг.
Увеличение к.п.д. в последние годы достигнуто в основном благодаря
появлению новых программных средств моделирования. Возможность
моделирования электромагнитных полей и проведения соответствующих расчетов в
трехмерном пространстве позволила смоделировать процессы в ЛБВ гораздо более
точно и провести оптимизацию их параметров. В будущем технологического
прорыва в области улучшения характеристик ЛБВ не ожидается, но предвидится
плавное повышение к.п.д. до 70% и более (при теоретически достижимом
значении 78%), увеличение рабочих частот и выходной мощности при снижении
массы ЛБВ и БП. Например, использование специальных спиралей и введение
дополнительного пятого коллектора позволит повысить к.п.д. примерно на 2%.
Основные характеристики современных ЛБВ приведены в таблице 2.1.2.2.
2.1.2.3. Антенны
Несмотря на то, что основные положения теории антенн уже давно известны,
процесс их проектирования в течение длительного времени был во многом
эмпирическим из-за невозможности решения математических уравнений,
описывающих функционирование антенн, строгими классическими методами.
Достижения в области программных и аппаратных средств за последние десятилетия
изменили ситуацию в лучшую сторону, существенно облегчая проектирование
наиболее общепризнанных (в первую очередь зеркальных) антенн.
В 90-е годы прогресс в области антенной техники обуславливался в основном
следующим:
• доступностью новых эффективных средств проектирования и
исследования характеристик прототипов;
• разработкой новых электронных компонентов, таких как монолитные
микроволновые интегральные схемы — ММИС {MMIC — Monolithic
Microwave Integrated Circuits} на основе GaAs и оптоэлектронных устройств;

344
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
CN
CN
I
§
о
о
ев
I
о
в?
g
w
08
Jg
Oh
С
о
V5
E
Q
lesED
Hugl
о
r^
СЛ
O>
PQ
0)
К
«
о
н
и
о
о
CN
НОЗ I
(-1
Он
1=1
году
г*
199
М
К
«
Н
Сое
о
о
CN
а
^ноз
о
С
году
1997
РЭ
к
Сое
^ tr
«о
s
ji
СО
о
со
CN
О
'^
о
CN
т—1
100
о
CN
CN
О
CN
1
Ю
О
о
CD
1
140
о
О
о
135
о
CN
О
CN
fc[ О е_
х 3
3 о ^
PQ S
т—1
ю
со
CN
Ю
CN
CD
CD
О
CD
СО
CD
CN
О
CD
CN
Ю
О
CD
О
^*
CN
CD
S
Ю
Ю
in
CD
Ю
CN
CD
R p—i
1
r^
0,8
0,85
0,85
00
o~
CN
о РпГ

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 345
• разработкой новых методов измерений;
• появлением новых конструкционных материалов, таких как «теплые»
сверхпроводники, углеволокно и др.;
• появлением новых технологических процессов производства антенн.
В спутниковой связи в качестве основных типов антенн используются
следующие.
Зеркальные антенны. В каналах связи через ГСР для ФСС и МПСС
диапазонов L, СиКи необходимы антенны с высоким коэффициентом усиления, в
качестве которых в подавляющем большинстве случаев используют ЗА с
параболическим отражателем (рефлектором). Отражатель облучается либо
непосредственно облучателем, размещенным в фокусе параболоида, либо
косвенно — через систему субрефлекторов. Среди антенн с косвенным облучением
наиболее распространены двухзеркальные антенны Кассегрена.
Фазированные антенные решетки. Вместо одного большого рефлектора
можно использовать несколько небольших антенн, запитывая их таким образом,
чтобы излучаемые (принимаемые) сигналы находились в требуемых фазовых и
амплитудных соотношениях. Формирование лучей осуществляется блоком
формирования лучей — БФЛ {BFN — Beam Forming Network}, содержащим линии
передачи, фазовращатели и аттенюаторы, а для АФАР — дополнительно
усилители мощности и малошумящие усилители.
Зеркальные антенны с ФАР в качестве облучателя C-ФАР)
Решетчатые облучатели используются для формирования ДН специальной
формы и для компенсации погрешности формы отражателя бортовых антенн. В
ранних ГС С С небольшая мощность бортовых передатчиков, отсутствие усилителей
с малым коэффициентом шума, небольшой размер бортовых антенн
предопределили использование антенн ЗС большого диаметра. Например, ЗС первых
станций сети Intelsat были оборудованы антеннами диаметром 30 метров. Поскольку
стоимость параболических антенн пропорциональна величине, лежащей в
пределах между квадратом и кубом диаметра зеркала антенны, она во многом
определяла стоимость сети в целом и предоставляемых услуг. Уменьшение антенн ЗС
может давать и дает существенный экономический эффект, который достигается
использованием мощных бортовых передатчиков, чувствительных малошумя-
щих усилителей, бортовых антенн с высоким коэффициентом усиления,
оптимальных и близких к ним способов модуляции и кодирования, переходом в Ки
и Ка -диапазоны, в которых ослаблены регламентирующие ограничения на
плотность потока мощности сигналов у земной поверхности по сравнению с
диапазоном С. В результате, например, на ЗС современных сетей VSAT используются
антенны диаметром менее метра.
Зеркальные антенны ЗС для ФСС прошли долгий путь развития и во многом
достигли совершенства, поэтому в этой области трудно ожидать радикальных
новшеств. Антенны с непосредственным облучением и антенны Кассегрена
широко доступны по приемлемым ценам. Подробные сведения о конструктивных

346
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Рис. 2.12A. TCP ECHOSTAR
особенностях антенн ЗС приведены в [2.1.2.4]. В качестве примера на рис. 2.1.2.4
приведен общий вид ГСР ECHOSTAR и его зеркальные антенны [2.1.2.3].
Абсолютное большинство ГСР современных сетей ФСС и МПСС
оборудовано параболическими антеннами с непосредственным облучением. В качестве
облучателей обычно применяются рупорные антенны. В многолучевых антеннах
используют сборку рупоров, сдвинутых относительно фокуса отражателя. В
целях экономии места два отражателя могут быть расположены друг за другом и
формировать лучи разной формы и поляризации. Например, передний
рефлектор отражает горизонтально поляризованные волны и практически прозрачен
для вертикально поляризованных, которые отражает задний рефлектор. Часто
для формирования лучей разной формы в разных диапазонах используется
общий отражатель. Например, на ГСР ITALSAT-F2 развертываемый двухметровый
отражатель при помощи смещенного облучателя в виде четырехэлементной
ФАР создает глобальный луч L -диапазона с коэффициентом усиления 23 дБ, а
смещенная сборка рупоров — систему узких лучей iCtf-диапазона для
итальянской национальной спутниковой службы. Японский COMETS (Communications
and Broadcasting Engineering Test Satellite) оборудован тремя отражателями:
рефлектором диаметром 3,6 м для межспутниковых каналов S и Ка-диапазонов;
двухметровым отражателем для ПСС диапазонов Ка и миллиметрового,
фидерных линий ifa-диапазона, линий КИС; отражателем диаметром 2,3 м для
радиовещательной службы.
Существующие сети ПСС испытывают недостаток энергетики, поэтому
значительный интерес проявляется к разработке земных и бортовых ФАР, АФАР,

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 347
а также больших многолучевых бортовых ЗА. Физические ограничения,
накладываемые современными средствами вывода на орбиту, требуют применения
развертываемых в космосе ЗА. Требования к антеннам межспутниковых каналов
связи во многом аналогичны ПСС. От бортовых антенн дополнительно требуется
обеспечение большого угла сканирования лучей, что можно обеспечить
использованием АФАР, 3-ФАР и ЗА с механически сканирующим субрефлектором.
Исследования в области антенн ССС в первую очередь нацелены на решение
следующих задач:
• разработки антенн с профилированной формой ДН, наиболее эффективно
«покрывающей» требуемую зону обслуживания;
• максимизации эффекта многократного использования частоты путем
создания антенн с минимальным уровнем боковых лепестков ДН;
• разработки способов модификации формы ДН антенны непосредственно на
орбите с целью адаптации к сетевому трафику или изменению координат ГСР;
• разработки эффективных конструкций развертываемых антенн;
• минимизации массы, погрешности отклонения формы отражателя от
расчетной, температурных деформаций и стоимости бортовых антенн.
2.1.2.4. Оптические системы и линии связи в ССС
Оптические линии связи (ОЛС) в ССС могут применяться в следующих
приложениях:
• для организации межспутниковых каналов связи (между
геостационарными, среднеорбитальными или низкоорбитальными ретрансляторами);
• для организации связи с межпланетными космическими аппаратами, а также
между спутниками-ретрансляторами и наземными станциями;
• для организации внутренних линий связи космических аппаратов.
Из уравнения радиолинии связи можно показать, что при эквивалентных
параметрах излучаемой мощности сигналов и условиях приема оптическая система
связи с апертурой приемной оптической антенны, эквивалентной антенне
радиочастотной системы связи, потенциально может обеспечить запас в отношении
сигнал/шум 10 дБ. Таким образом, используя обменные соотношения, эти 10 дБ
могут быть «разменяны» на уменьшение апертуры оптической системы,
размеров или веса аппаратуры, увеличение пропускной способности и др. по
отношению к системе связи в радиодиапазоне. Одной из главных особенностей
оптической системы по сравнению с радиосистемами являются существенно более
узкие диаграммы направленности лучей и огромные коэффициенты усиления
передающих оптических антенн (что позволяет получить большое отношение
сигнал/шум и достичь очень высокой пропускной способности линий связи).
Например, современные радиосредства позволяют реализовать в линиях связи с
межпланетными станциями скорость передачи в несколько сотен бит/с, в то время как
использование ОЛС реально обеспечит скорость не менее 1 Мбит/с. При этом
обеспечивается скрытность передачи информации и защита от организованных
помех, а также достаточно легко решается проблема ЭМС (которая остро стоит

348 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
перед, например, низкоорбитальными ССС) с другими спутниковыми системами
связи, однако приводит к существенному усложнению систем наведения и
слежения, особенно для связи между подвижными объектами. С точки зрения
перспектив развития ОЛС необходимо также отметить, что использование
радиочастотного спектра жестко регламентировано, в то время как в оптическом
диапазоне в настоящее время практически таких ограничений нет. Необходимо
сказать, что при временном уплотнении и реализации в оптической линии связи
скорости передачи 30 Гбит/с полоса частот, используемая в этой линии,
оказывается больше, чем суммарная полоса радиочастотного спектра.
Очевидно, что в первую очередь межспутниковые линии связи (МЛС) могут
быть использованы в многоспутниковых сетях связи при скоростях
информационного обмена в несколько Гбит/с или ретрансляции данных от десятков Мбит/с
до Гбит/с. Межспутниковые линии связи могут быть реализованы не только
между ретрансляторами на одной орбите, но и находящимися на различных
орбитах: низких (LEO), средних (МЕО), высокоэллиптичесих (НЕО) или
геостационарных (GEO). До настоящего времени в реализованных ССС (TDRSS,
Иридиум, COMETS) для организации МЛС используются радиолинии. В
перспективных ССС, например, в проекте ESA ARTEMIS предполагается использовать
как радио, так и оптические линии связи, а в Teledesic — только оптические
МЛС. Широкое использование оптических линий связи между космическими
аппаратами (станциями) и ЗС ограничено, так как здесь проявляется главный
недостаток — существенная зависимость (затухание) от состояния атмосферы и
погодных условий. Особенно это проявляется для ССС без МЛС, размещенных
на геостационарной или высокоэллиптических орбитах. Правда, если
допускается запоминание информации на борту, т.е. в условиях передачи нереальновре-
менных информационных потоков, то возможно дождаться благоприятной
погоды на трассе ретранслятор — ЗС и осуществить информационный обмен. Для
ССС, в которых применяются МЛС, и особенно для низкоорбитальных ССС,
данный недостаток не является определяющим, так как в этих системах с
использованием маршрутизации информационных потоков можно обойти
неприемлемые сегменты атмосферы и осуществить терминацию трафика через земные
станции, над которыми в данный момент времени благоприятное состояние
атмосферы и погодные условия. В бортовых системах ОЛС применяются уже
достаточно давно, что связано с выигрышем этих систем по сравнению с
традиционными проводными коммуникационными системами в пропускной
способности, массогабаритных характеристиках, стоимости, мощности
потребления, а также электромагнитной совместимости и радиационной стойкости по
отношению к воздействию космической радиации.
В настоящее время во всех странах мира, производящих космическую
технику, ведутся достаточно интенсивные работы по разработке технологий
оптических линий связи, которые используют два типа лазерных систем [2.1.2.7]:
• с прямым детектированием (DD) промодулированного по амплитуде (или
интенсивности (IMI)) оптического сигнала в приемнике — КИМ-АМ,
КИМ-ПМ (манипуляция несущей по поляризации), позиционно-им-
пульсная модуляция ПИМ-АМ, ВИМ-АМ;

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 349
• с гетеродинным приемником, в которых могут быть использованы те же
методы модуляции, что и в линиях связи радиодиапазона (импульсные
виды модуляции, ЧМ, ФМ и др).
Необходимо отметить, что природа оптического и радиоизлучения существенно
различная, поэтому технологии оптической связи также существенно
отличаются от технологий систем радиодиапазона. Более того, некоторые методы, которые
эффективны в радиодиапазоне, неэффективны в оптическом, и наоборот.
В качестве лазерных передатчиков систем с гетеродинным приемником
применяются лазеры с непрерывным излучением в одномодовом режиме, а для
систем DD — в многомодовом режиме (включая режим синхронизации мод,
например в твердотельном лазере на иттрий-алюминиевом гранате, активированном
неодимом Nd:YAG), а также лазеры с модуляцией добротности, в основном для
низкоскоростных О Л С.
В качестве приемных устройств ОЛС используют фотоэлектронные
умножители (динамические со скрещенными полями) и лавинные фотодиоды.
Оптические передающие антенны могут быть линзового (используются при
малых апертурах) или отражательного типа.
В Японии уже в середине 90-х годов была испытана космическая ОЛС с
пропускной способностью 1 Мбит/с между геостационарным
спутником-ретранслятором ETS-VI и ЗС. На линии «вниз» использовался лазер на основе арсенида
галлия с добавкой алюминия (AlGaAs) 0,83 мкм мощностью 13,8 мВт и
диаметром оптической системы 7,5 см, а на линии «вверх» — аргоновый лазер 0,51 мкм
мощностью 90 Вт с диаметром телескопа 1,5 м. В оптическом канале
использовалась модуляция по интенсивности излучения и метод прямого детектирования
(IM/DD). Государственные компании NASDA CRL и коммерческие фирмы
NEC и Toshiba, например, планируют создание космических ОЛС с пропускной
способностью от 300 Мбит/с (с применением лазеров 0,8 мкм) и 2,4 Гбит/с (с
применением лазеров 1,5 мкм, технология которых достаточно хорошо отработана в
наземных системах связи) до 10 Гбит/с. В настоящее время уже созданы
опытные образцы как полезной нагрузки, так и наземных терминалов, позволяющих
реализовать пропускные способности от 2 Мбит/с до 2,4 Гбит/с (проект JEM).
Европейское космическое агентство (ESA) активно ведет разработку проекта
ARTEMIS, в котором предусмотрены МЛС между геостационарным и
низкоорбитальным спутниками, причем одна из МЛС будет оптической. Оптическое
оборудование SILEX для этих спутников (производитель Matra Marconi Space, France)
имеет диаметр оптической линзы 25 см и позволяет обеспечить скорость передачи
информации в линии связи LEO-GEO 50 Мбит/с (с модуляцией по интенсивности,
длина волны 0,847 мкм, мощность ПРД 120 мВт), а в линии связи GEO-LEO —
2,048 Мбит/с (с прямым детектированием, длиной волны 0,801 мкм). Для линий
связи GEO-GEO Matra Marconi Space (U.K.) разработала более мощный (мощность
излучения 2 Вт, а потребления — 100 Вт) 0,85 мкм лазер, использующий IM/DD.
Аналогичные характеристики достигнуты и североамериканскими фирмами-
производителями: MIT Lincoln Laboratory (скорость передачи более 1 Гбит/с),
NASA JPL, Raytheon, Hughes, Boeing, TRW и Lockheed Martin с использованием
лазеров с длиной волны 0,86 и 1,5 мкм.

350 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Общей тенденцией всех разработок оптического оборудования является
переход от использования лазеров с длиной волны от 0,8 мкм к 1,06 и 1,55 мкм и
использованию оптических усилителей аналогичных для наземных оптических
линий связи на основе легированного эрбия. Весьма вероятно, что мощным
стимулом развития космических ОЛС станет практически первый же
реализованный коммерческий проект.
2.1.3. Спутниковые сети телевизионного и радиовещания
В последние два десятилетия телевидение, в том числе и спутниковое,
активно ориентируется на цифровые способы передачи, поскольку они дают более
высокое качество изображения и одновременно обеспечивают экономический
эффект для пользователей, а также дополнительные прибыли для операторов
спутниковых и кабельных вещательных сетей.
Длительное время основным препятствием для внедрения цифровой
передачи являлась сложность аналого-цифрового преобразования. Аналоговый ТВ
сигнал занимает полосу частот около 6 МГц, что в соответствии с теоремой
Котельникова требует частоты дискретизации не менее 12 МГц. Один кадр
цветного телевизионного изображения содержит более 150000 элементов (пи-
скселей — pixels). При частоте следования кадров 25-30 Гц и использовании
традиционного подхода к преобразованию в цифровую форму телевизионный
сигнал требует передачи со скоростью более 200 Мбит/с. Очевидны проблемы,
возникающие при передаче и хранении столь высокоскоростных потоков.
Например, если стандартные дискеты имеют емкость 1,44 Мбайт A1,5 Мбит), то
для хранения обычного кинофильма продолжительностью 100 минут
потребовалось бы более 100000 дискет. Скорость обмена между жестким диском и
процессором бытового компьютера составляет величину порядка 2 Мбайт/с
A6 Мбит/с), а скорость считывания с компакт диска (CD) равна примерно
1,5 Мбит/с, что значительно ниже требуемой скорости обмена. Полоса
пропускания стандартных спутниковых приемопередатчиков Ки -диапазона обычно не
превышает 72 МГц и не позволяет обеспечить ретрансляцию широкополосного
цифрового ТВ сигнала.
С другой стороны, известно [2.1.3.1], что телевизионный сигнал в
значительной мере избыточен в том смысле, что скорость передачи (полоса частот)
цифрового ТВ-потока может быть существенно сокращена без заметного снижения
качества передаваемого изображения. Используя алгоритмы уменьшения
избыточности (сжатия) телевизионного сигнала, можно снизить требуемую скорость
передачи до приемлемого уровня. Известно много способов сжатия
телевизионного сигнала. Для обеспечения совместимости телевизионной аппаратуры и
каналов передачи в 1988 году в рамках совместной деятельности Международной
организации по стандартизации ISO (International Standards Organization) и
Международной электрической комиссии IEC (International Electrotechnical
Commission) был сформирован подкомитет, получивший название MPEG (Motion
Picture Experts Group). Результатом деятельности этой группы явилась
разработка в середине 90-х годов семейства стандартов сжатия и передачи телевизи-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 351
онного сигнала, получивших одноименное название MPEG. Основными целями
разработки и внедрения стандартов были:
• снижение скорости цифрового потока до технически и экономически
приемлемого значения при сохранении высокого качества передаваемого
изображения;
• устранение разрыва между европейской F25 строк, частота кадров 25 Гц)
и американской E25 строк, частота кадров 30 Гц) телевизионными
системами;
• преодоление рассогласования между принципами формирования
телевизионного (черезстрочная развертка) и компьютерного (прогрессивная
развертка) изображений;
• согласование разных методов кодирования цвета и геометрических форм
элементов изображения, используемых в различных аналоговых
телевизионных системах.
Сжатие телевизионного сигнала обеспечивает:
• значительное сокращение требуемой скорости передачи (полосы частот);
• более высокое качество передачи изображения, проявляющееся в резком
снижении многоконтурности, шумов в виде «снега» и прочих искажений,
присущих аналоговым способам передачи;
• большую устойчивость по отношению к шумам и помехам;
• возможность использования менее мощных передатчиков;
• возможность использования более простых и дешевых приемных
устройств;
• быструю окупаемость инвестиций в производство аппаратуры, благодаря
снижению стоимости космического сегмента сети;
• увеличение числа транслируемых телевизионных каналов при неизменной
пропускной способности ретранслятора.
Можно выделить следующие виды избыточности ТВ сигнала:
• избыточность по восприятию;
• структурная избыточность;
• статистическая избыточность.
Избыточность по восприятию обусловлена особенностями человеческого
зрения. Несмотря на то что глаз человека воспринимает более 10 миллионов
цветовых оттенков, все они сводятся к комбинации трех опорных цветов: красного
(Red — R), зеленого (Green — G) и синего (Blue — В). Поэтому все датчики
цветного изображения одновременно формируют лишь три различающиеся по
интенсивности сигнала цветности: R, G и В, — а на приемной стороне в
телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируется тремя
электронными лучами, вызывающими вспышки красного, зеленого и синего
цветов. Глаз существенно более чувствителен к изменению яркости цвета, чем к
пространственному изменению его оттенков, поэтому цветовая информация может
передаваться с меньшим пространственным разрешением. Во всех стандартных
аналоговых системах цветного телевидения: NTSC (National Television System

352 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Color), PAL (Phase Alternation Line) и SECAM (Sequentid Couleur A Memoire), —
цветовое разрешение существенно понижено по отношению к яркостному. Для
этого на передающей стороне сигналы цветности R, G и В преобразуются в яр-
костный сигнал Y и два цветоразностных сигнала следующим образом:
Y= 0,299# + 0,587G + 0,1145, U=R-Y,V=B~Y. B.1.3.1)
Цветоразностные сигналы передаются с в два раза меньшим разрешением,
чем яркостный, что позволяет сократить полосу частот и удешевить системы. В
телевизионных приемниках осуществляется восстановление сигналов цветности
следующим образом:
R = F+ U, В = 7+ Ц G = Y- 0,509*7- 0Д94К
Естественно, что отмеченная особенность зрения по восприятию мелких
деталей цветного изображения используется для сокращения полосы частот и при
цифровой передаче.
Структурная избыточность возникает при преобразовании изображения в
телевизионный электрический видеосигнал, содержащий служебные сигналы
синхронизации и импульсы гашения обратного хода лучей по строкам и подкад-
рам (полям). Форма и временное положение гасящих импульсов априорно
известны, поэтому их можно не передавать, а синтезировать на приемной стороне
по сигналам синхронизации. Устранение гасящих импульсов из структуры
цифрового телевизионного сигнала позволяет снизить требуемую скорость передачи
примерно на 25% [2.1.3.1].
Статистическая избыточность определяется свойствами исходного
аналогового сигнала и способами его преобразования в цифровую форму. Этот вид
избыточности проявляется в наличии определенных корреляционных связей
между выборками сигнала. В соответствии с теорией информации сигнал
безызбыточен, если его выборки статистически независимы и распределены
равновероятно [2.1.3.2]. Целью алгоритмов уменьшения статистической
избыточности является достижение возможно меньшей скорости цифрового потока при
обеспечении требуемой точности передачи исходного аналогового сигнала и
приемлемой сложности реализации.
К настоящему времени разработаны три международных стандарта цифровой
передачи подвижных изображений, использующие сжатие цифрового
телевизионного сигнала: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 [2.1.3.3].
MPEG-1 ориентирован в основном на системы записи на компакт-диски и
низкоскоростные каналы с пропускной способностью не более 1,5 Мбит/с. В
стандарте используется развертка с разрешением в 4 раза меньшим, чем в
вещательном телевидении: 288 активных строк и 352 элемента в активной части строки.
Это обеспечивает качество изображения, близкое по качеству к используемому
в бытовой видеотехнике стандарту VHS (Video Home Systems).
MPEG-4 предназначен для использования в системах видеоконференцсвязи
по цифровым телефонным каналам связи и в низкоскоростных системах
мультимедиа. При этом кадр изображения содержит 144 активные строки и 176
элементов в активной части строки (разрешение в 4 раза меньше, чем в MPEG-1).

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 353
Для систем телевизионного вещания, в том числе спутникового, разработан
стандарт MPEG-2 (ISO/IEC 13818-2).
Устройства, осуществляющие сжатие и восстановление цифрового
телевизионного сигнала, получили название кодеков {CODEC — COderDECoder}.
Упрощенная схема, поясняющая взаимосвязь используемых при кодировании
процедур, приведена на рис. 2.1.3.1. Декодер выполняет обратное преобразование.
Входными для кодера являются сигналы цветности R, G и Б, один или
несколько сигналов звукового сопровождения, поток цифровых данных и сигнал
синхронизации.
Сигналы цветности преобразовываются (матрицируются) в яркостный
сигнал Y и цветоразностные сигналы U и V С этой целью входные аналоговые
сигналы дискретизируются со стандартной частотой 13,5 МГц, а затем квантуются
по уровню и подвергаются обработке в соответствии с соотношениями B.1.3.1).
Разрешение цветоразностных сигналов снижается вдвое путем прореживания их
выборок через одну и снижения тем самым частоты дискретизации каждого из
них до 6,75 МГц. В результате мультиплексирования скорость результирующего
цифрового потока достигает значения 216 Мбит/с.
На этапе предварительной обработки осуществляются преобразования,
облегчающие и упрощающие выполнение последующих процедур.
Основное сжатие достигается благодаря уменьшению статистической
избыточности ТВ-сигнала. Статистическая избыточность может быть в значительной степени
уменьшена путем кодирования с предсказанием, суть которого состоит в том, что
по каналу связи передается не значение выборки сигнала, а лишь разность между
его истинным значением и предсказанным тем или иным способом на основании
обработки предшествующих (а возможно и последующих) выборок значением.
Применительно к ТВ-изображению возможны построчное, межстрочное,
внутриполевое, внутрикадровое, межполевое и межкадровое предсказания,
охватывающие полный набор возможных направлений корреляции. Анализ
реальных изображений показывает, что наиболее эффективно межкадровое
предсказание, особенно когда передаются нединамичные изображения. Если же
изображение содержит динамично двигающиеся объекты, разностная
информация возникает (и должна передаваться), даже если никаких других изменений
не происходит. Объем передаваемой информации в этом случае можно
уменьшить, если ввести компенсацию движения.
В стандарте MPEG-2 используется метод компенсации движения,
основанный на разбиении изображения на блоки, являющиеся квадратными матрицами
выборок. Для яркостного сигнала блоком является квадратная матрица
размером 16x16 выборок, а для цветоразностных — 8x8 выборок. Определив
расположение блоков в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор
параметров, показывающий направление и величину его смещения (вектор
движения). По каналу связи передаются вектор движения и разность между
текущим и предсказанным блоками.
В MPEG-2 определено три типа кадров:
• опорные I-кадры (Intra frames), несущие полноценное неподвижное
изображение, а также используемые для построения кадров других типов;

354
Часть 2- Использование ССС в новых информационных технологиях
Программа 1
G
R
В
Аналогово-цифровое
преобразование
и матрицирование
Фильтрация
верхний частот
прореживанием
мих
Межкадровое
предсказание с
компенсацией движения
Восстановление
кадра
Статистическое
кодирование
Квантование
поток видеоданных
сигналы
звукового

сопровождения
Кодирование
сигналов
звукового
сопровождения
(Dolby АС-3 и др. )
поток

аудиоданных
данные
поток системных данных
мих
Обратное ДКП
ДКП
6-6,5 Мбит/с
MUX

Помехоустойчивое
кодирование
Транспортный поток
Рис. 2.1.3. 1. Последовательность базовых процедур в соответствии
со стандартами MPEG2/DVB-S
MUX — мультиплексирование

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 355
• экстраполируемые Р-кадры (Predicted frames), которые формируются на
основании ближайшего предыдущего I- или Р-кадра;
• интерполируемые В-кадры (Bi-directional frames), которые строятся на
основании интерполяции ближайшего предыдущего и последующего I- или
Р-кадров.
Если Р- или В-кадры значительно отличаются от своих «прототипов» (что
может произойти, например, при смене сюжета), то они кодируются как 1-кадры.
При кодировании с предсказанием ошибки, возникающие при построении
последовательности Р- и В-кадров, накапливаются и «сбрасываются» лишь при
поступлении очередного I-кадра, поэтому для обеспечения высокого качества
изображения частота следования I-кадров должна быть достаточно высокой. Все типы
кадров объединяются в группы GOP (GOP — Group of Pictures). Группа кадров
может быть охарактеризована двумя параметрами: числом кадров в субгруппе —
т и числом субгрупп в группе — п. Тогда общий объем группы равен / = тп
кадров разных типов. Первая субгруппа начинается I-кадром с (т - 1)
последующими В-кадрами, остальные субгруппы начинаются с Р-кадров. Типичной является,
например, группа с параметрами т = 3, п = 4, / = 12: IBBPBBPBBPBB. Если же
Р- или В-кадры значительно отличаются от своих «прототипов» (что может
произойти, например, при смене сюжета), то они кодируются как I-кадры. Таким
образом, при кадровой частоте 25 Гц интервал времени между соседними 1-кад-
рами составит не более 12/25=0,48 с, при этом полностью восстанавливается
соответствие передаваемого и принимаемого изображений. Наиболее сложно
восстанавливаются В-кадры, поэтому иногда В-кадры не используются {т = 2).
Следующий этап сжатия базируется на двумерном дискретном косинус-
преобразовании DCT (Discrete Cosine Transform), являющемся частным случаем
преобразования Фурье. Это преобразование осуществляется поблочно, для чего
ТВ-изображение разбивается на квадратные блоки (матрицы), содержащие 8
выборок (строк) по вертикали и 8 выборок по горизонтали. При этом при формате
развертки кадра 576x720 в каждом кадре содержится 576X720/64 = 6480
блоков, подлежащих дискретному косинус-преобразованию (ДКП) в реальном
масштабе времени. В результате ДКП исходная сигнальная матрица 8x8 = 64
выборок ТВ сигнала трансформируется в матрицу частотных коэффициентов ДКП
того же размера. Преобразование ДКП является полностью обратимым и само
по себе не приводит к сжатию сигнала. Однако спектр коэффициентов ДКП
имеет полезную особенность, а именно: основная энергия частотных составляющих
этого спектра сосредоточена в небольшой области вблизи нулевых частот (в
левом верхнем углу матрицы коэффициентов ДКП). Сжатие сигнала
обеспечивается благодаря передаче только тех частотных коэффициентов матрицы ДКП,
величина которых превышает некоторые пороговые значения. Коэффициенты
ниже порогового значения считаются нулевыми и по умолчанию не передаются.
Эта нелинейная процедура получила название квантования. Введение квантования,
строго говоря, ведет к потере части информации и, соответственно, к снижению
качества восстановленного в декодере изображения. Однако при рациональном
выборе параметров квантователя это снижение оказывается практически
незаметным или допустимым.

356 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Последний из алгоритмов сжатия связан со статистическим кодированием.
Основная идея такого кодирования состоит в том, что более часто
повторяющиеся коэффициенты ДКП кодируются более короткими кодовыми комбинациями
и наоборот. В результате среднее число символов, приходящихся на каждое
значение коэффициента ДКП, оказывается меньше, чем при равномерном
кодировании. Практическое применение в кодеках ТВ сигнала нашел известный код
Хаффмана [2.1.3.4].
В MPEG-2 использованы понятия уровней и профилей, которые в различных
сочетаниях представляют семейство стандартов, обеспечивающее возможность
обмена между качеством изображения и требуемой скоростью передачи
(коэффициентом сжатия).
Четыре уровня стандарта определяют качество передаваемого изображения:
1. Низкий уровень {LL — Low Level} соответствует телевидению ограниченной
четкости. Формат разложения кадра выбран 288X352 (первое число —
число активных строк в кадре, второе — число выборок сигнала в каждой
строке). Частота кадров 30 Гц.
2. Основной уровень {ML — Main Level} соответствует телевидению обычной
четкости с форматом разложения 576X720 при частоте кадров 30 Гц.
3. Высокий 1440 уровень {Н1440} соответствует телевидению высокой
четкости {HDTV — High Definition TV} с форматом разложения кадра
1152X1440 и кадровой частотой 60 Гц.
4. Высший уровень {HL — High Level} отличается от Н1440 лишь тем, что
строки дискретизируются на 1920 выборок.
Шесть профилей стандарта определяют набор процедур, обеспечивающих
сжатие ТВ сигнала:
1. Простой профиль {SP — Simple Profile}, предусматривающий использование
всех описанных выше процедур за исключением формирования В-кадров.
2. Основной профиль {МР — Main Profile}, отличающийся от простого
возможностью синтеза В-кадров.
3. Профиль, масштабируемый по отношению сигнал/шум {SNR scalable pro-
file}.
4. Пространственно масштабируемый профиль {Spatially scalable profile}
5. Высокий профиль {HP — High Profile}, масштабируемый как
пространственно, так и по отношению сигнал/шум.
6. Профессиональный профиль {422Р}, использующий кодирование
сигналов цветности по схеме 4:2:2, в котором частота выборок сигнала
цветности в два раза ниже, чем для яркостного сигнала, только в горизонтальном
направлении.
Из возможных 4 х 6 = 24 вариантов сочетаний уровней и профилей
стандартом MPEG-2 в качестве базовых выделено 12 (точки сопряжения).
В таблице 2.1.3.1 приведены эти точки с указанием максимальной скорости
передачи сжатого цифрового ТВ сигнала (Мбит/с).
Отметим, что в таблице 2.1.3.1 приведены максимальные значения скорости
цифрового потока. Варьируя параметрами кодека, можно добиться большего ко-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 357
Таблица 2.13.1
Максимальные скорости передачи сжатого цифрового
телевизионного сигнала (Мбит/с)
Уровни
4
3
2
1
-
-
15
-
1
80
60
15
4
2
-
-
15
4
3
-
60
-
-
4
100
80
20
-
5
-
-
20
-
6
Профили
эффициента сжатия. Например, комбинация MP&ML (основной профиль,
основной уровень) обеспечивает качество изображения, соответствующее
студийному, при скорости передачи 8,5 Мбит/с.
Для передачи сигналов звукового сопровождения может использоваться
несколько методов. Это MPEG Layer 3, MPEG AAC, Dolby AC или MUSICAM.
Признано, что качеству звучания компакт-дисков соответствует цифровой
сигнал, получаемый из исходного аналогового звукового при частоте
дискретизации 48 кГц и длине кодовых слов 16 бит, что требует для его передачи канала
с пропускной способностью 768 кбит/с. Такая последовательность является
исходной для кодеров сигнала звукового сопровождения. Основная идея сжатия
построена на упрощении формы звукового сигнала, производимого с учетом свойств
человеческого слуха, связанных со спектральным и временным маскированием, —
в канал передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты
слушателем. Выходная скорость кодера в зависимости от требований к качеству
лежит в пределах 32-192 кбит/с (коэффициент сжатия 4-24). Для передачи
сигналов звукового сопровождения часто используют скорость 128 кбит/с B56 кбит/с
на стереопару), что обеспечивает качество, близкое к звучанию компакт диска.
Передаваемые цифровые данные включают в себя телетекст, субтитры и
информацию от провайдера услуг, например, набор сведений о подписке на
платный канал. Скорость потока данных, который обычно называют системным
потоком, не превышает 64 кбит/с.
Существенно различающиеся по скорости потоки видео-, аудио- и системный
мультиплексируются, образуя транспортный поток, информационной единицей
которого является пакет объемом 188 Байт. Поскольку скорость транспортного
потока одной ТВ-программы равна 6-6,5 Мбит/с, а полоса пропускания
стандартных приемопередатчиков Ат/-диапазона равна C4-72) МГц, возникает
возможность уплотнения нескольких телевизионных каналов в одном стволе. Набор
процедур, обеспечивающих такое уплотнение, определен стандартом DVB-S
(Digital Video Broadcasting — Satellite) [2.1.3.5]. Более того, стандарт DVB-S
допускает включение в транспортный поток помимо потоков цифрового ТВ и других

358 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
данных, например, программного обеспечения и т.д. Стандарт предписывает
использование двухкаскадных помехоустойчивых кодов с блочным кодом Рида-
Соломона B04,188) в качестве внешнего и сверточных кодов со скоростями х/
3Д, 5Д или Ve B качестве внутреннего.
Стандарты MPEG-2 DVB-S предусматривают синхронизацию изображения,
засекречивание транслируемых программ, помехоустойчивое кодирование,
передачу сопровождающей текстовой информации и др., поэтому они стали активно
использоваться в спутниковом телевидении.
Рассмотрим преимущества цифровой передачи со сжатием на примере. Пусть
используется стандартный приемопередатчик диапазона Ки с полосой
пропускания 36 МГц и ЭИИМ, равной 38,4 дБВт (примерно 6920 Вт).
В аналоговых системах спутникового телевидения (в отличие от наземных
систем, применяющих амплитудную модуляцию) с целью обеспечения
приемлемой помехоустойчивости используют частотную модуляцию, причем индекс
модуляции выбирают таким образом, чтобы один канал полностью занял полосу
пропускания используемого приемопередатчика. В аналоговых системах
качественное изображение может быть получено при отношении сигнал/шум порядка
13 дБ B0). С помощью соотношений A.1.3.7) и A.1.3.12) определим
необходимый диаметр антенны приемной станции:
D = 4г
киэиим ■
Примем следующие типовые исходные данные:
— дальность связи г = 4 • 107 м,
— суммарные потери сигнала на трассе распространения (с учетом дождя)
/> 6 дБ,
— шумовая температура приемной системы Г= 350 °К,
— требуемое отношение сигнал/шум /гп = 13 дБ,
— коэффициент использования поверхности приемной антенны КИ = 0,65.
Тогда получим, что при аналоговой передаче потребуется приемная антенна
диаметром D ~ 9 м.
При цифровой передаче со сжатием качество изображения, соответствующее
студийному, обеспечивается при скорости передачи 8,5 Мбит/с. Пусть
используется 4-фазная манипуляция, а для обеспечения высокой помехоустойчивости
применен каскадный код. В качестве внутреннего использован сверточный код
со скоростью 7/8, 3/4 или Уг» а внешнего кода — код Рида-Соломона со скоростью
0,91. Закодированный сигнал занимает полосу частот, позволяющую уплотнить
в полосе пропускания приемопередатчика до 6 каналов (при внутреннем коде со
скоростью гвн = 7/8), до 5 каналов (при гш = 3/4) или Д° 3 каналов (при гвн = У2).
К помехоустойчивости передачи сжатого ТВ сигнала предъявляются очень
жесткие требования: вероятность ошибочного приема двоичного символа не должна
превышать 10 8 . Для рассматриваемых каскадных кодов со скоростью 7/8, 3/4 и
1/2 пороговое отношение сигнал/шум соответственно составляет 5,6; 4,3 и 3,3 дБ
(рис. 1.1.7.14). Результаты расчета необходимого диаметра приемных антенн
приведены в таблице 2.1.3.2.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 359
Таблица 2.13.2
Число каналов и требуемый диаметр приемных антенн для приемопередатчика
с полосой пропускания 36 МГц и ЭИИМ=38,4 дБВт
Способ передачи
Аналоговый
Цифровой
со сжатием
Число каналов
1
6
5
4
3
2
1
ЭИИМ на канал,
[ДБВт]
38,4
27,6
28,4
29,4
30,7
32,4
38,4
Диаметр приемных
антенн, [м]
8,9
6,4
5,0
4,5
3,5
2,8
1,4
Рассмотрим распределение ТВ-программ между индивидуальными
пользователями (рис. 2.1.3.2). Сеть спутникового непосредственного телевещания
(СНТВ) включает в себя совокупность приемопередающих станций,
обеспечивающих трансляцию через один или несколько широковещательных СР
ТВ-программ большому числу приемных станций, а также прием программного
материала от других приемопередающих станций с целью обмена программами
между станциями и приема репортажных материалов от подвижных станций
спутниковой службы новостей {SNG — Satellite News Gathering}. Источниками
информации для приемопередающих станций являются студии ТВ-вещания,
передающие телевизионный сигнал в аналоговой форме, а в случае необходимости
использования телекоммуникационных каналов — в сжатой цифровой форме со
скоростью 20-30 Мбит/с. Спутниковая служба новостей обеспечивает
распределение программных материалов между студиями и, возможно, головными
станциями кабельных сетей. Мобильность и оперативность репортажной съемки
предопределяет необходимость передачи с относительно небольшой скоростью
(высоким коэффициентом сжатия) и, следовательно, достигается ценой
некоторого снижения качества изображения. Распределение программ между
приемными станциями осуществляется со скоростью 1,5-8 Мбит/с на один
транслируемый канал.
Рассмотрим типовую станцию индивидуального приема СНТВ (рис. 2.1.3.3).
Приемник строится по схеме с двойным преобразованием частоты. Принятые
антенной сигналы различных каналов в диапазоне 10,7-12,75 ГГц поступают в
устанавливаемый на антенне наружный блок, состоящий из блока выбора
поляризации и малошумящего СВЧ конвертера. Далее входной сигнал усиливается и
преобразуется в сигнал 1-ой промежуточной частоты, пригодный для передачи
по радиочастотному кабелю длиной несколько десятков метров к
перестраиваемому приемнику (внутренний блок). В приемнике осуществляется повторное
преобразование частоты во 2-ю промежуточную, на которой осуществляется
основное усиление и частотная селекция сигнала выбранного канала. Затем сигнал
разделяется на сигналы изображения и звукового сопровождения, каждый из ко-

360
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Подвижная
передающая
станция
г
Малошумящий
усилитель
}
Усилитель
мощности
г i
ПЧ
«вниз»
{
ПЧ
«вверх»
Демодулятор
Модулятор
Декодер

помехоустойчивого кода
Кодер
помехоустойч
ивого кода
Декодер
ТВ сигнала
Кодер
ТВ сигнала
Конвертор
Многоканальный
приемник
Конвертор

Перестраиваемый
приемник
Телекамера
Студия ТВ вещания
Программный материал
Головная станция
кабельной сети
Телевизионные приемники
Рис. 2.13.2. Сеть спутникового телевещания

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 361
У\
БВП
Конвертор (наружный блок)
МШУ
СМ1
ПУПЧ1
• Перестраиваемый приемник
(внутренний блок)
БВП — блок выбора поляризации
СМ1 — 1-ый смеситель
МШУ — малошумящий усилитель
Г — гетеродин
ПУПЧ1 — предварительный усилитель
1-ой ПЧ
УПЧ1 - усилитель 1-ой ПЧ
СМ2 — 2-ой смеситель
У Г — управляемый гетеродин
ПФ — полосовой фильтр
УПЧ2 - усилитель 2-ой ПЧ
БУ — блок управления
КИ — канал изображения
КЗС — канал звукового
сопровождения
БУ
УГ
УПЧ1
СМ2
ПФ
УПЧ2
КИ
КЗС
Преобразователь
сигналов
Выходы каналов Выход радиоканала
изображения и звукового
сопровождения
на видеочастоте
Рис. 2.133. Структура типовой индивидуальной приемной установки
спутникового вещания
торых в соответствующем канале подвергается обработке в одинаковой
последовательности: демодуляция, декодирование'помехоустойчивого кода,
декодирование сжатого цифрового сигнала. В результате формируются аналоговые сигналы
изображения и звука на видеочастоте, которые преобразуются в стандартный для
наземного телевещания ТВ-радиосигнал одного из каналов дециметровых длин
волн, что дает возможность использовать обычные телевизионные приемники,
не имеющие отдельных видеочастотных входов. Перестройка приемника
осуществляется изменением частоты второго гетеродина при помощи блока
управления, формирующего соответствующие управляющие сигналы. Блок управления
обеспечивает также выбор поляризации принимаемых сигналов и
перенацеливание приемного луча на нужный ретранслятор. Для приема засекреченных

362 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
(скремблированных) программ в приемники встраиваются дешифраторы,
обеспечивающие с использованием введенного в них ключа к коду восстановление
искаженного на передающей стороне ТВ-сигнала. Программируемые блоки
управления обеспечивают целый ряд сервисных функций, максимизирующих
простоту и оперативность перестройки приемника — автоматический поиск
занесенных в его память программ с выбором вида поляризации, нужного
ретранслятора и частотного канала с наглядным отображением всей необходимой
информации на экране телевизора. В памяти могут одновременно храниться
данные для приема нескольких сотен телевизионных каналов. Массовое
производство индивидуальных приемников цифровых сигналов СНТВ диапазона Ки
организовано в США, Европе и Японии. Типичный диаметр приемной антенны
составляет приблизительно 45 см, наружные блоки производятся в виде
монолитных СВЧ интегральных схем, которые стали самым массовым изделием за
всю историю производства подобных схем.
В городах с многоэтажной застройкой типична ситуация, когда трудно или
даже невозможно найти место для установки индивидуальной приемной
антенны, чтобы обеспечить прямую видимость ГСР. В этом случае целесообразно
использовать коллективные приемники и локальные кабельные
распределительные сети. Станции коллективного приема строятся по схеме, аналогичной схеме
индивидуальных приемников, с двумя основными отличиями:
• приемник должен быть многоканальным;
• для одновременного приема сигналов ортогональных поляризаций
требуются две антенны.
Коллективный прием ограничивает свободу пользователя в выборе программ,
а их количество ограничивается числом каналов стандартного телевизионного
приемника.
Распределение телевизионных сигналов через ГСР впервые нашло
практическое воплощение в США в качестве относительно недорогого средства доставки
программного материала к нескольким тысячам разбросанных по всей стране
головных станций сетей кабельного телевидения. Эта разновидность
обслуживания началась в диапазоне С с появлением достаточно мощных многоствольных
ретрансляторов, обеспечивающих при аналоговой передаче доведение всего
программного материала практически до всех кабельных сетей. Для этих целей было
задействовано около 300 приемопередатчиков диапазона С, что составляет более
70% пропускной способности всех СР диапазона 6/4 ГГц. В общей сложности
в диапазоне 4 ГГц на постоянной основе распределяется примерно 200
ТВ-программ различной направленности. Несколько позже появились станции
индивидуального приема программ спутникового телевидения С-диапазона,
укомплектованные приемными антеннами диаметром 2-3 м. Относительно большие
размеры приемных антенн, которые не могут не создавать неудобств для ряда
категорий пользователей, были обусловлены применением аналоговых
методов передачи, требующих значительного отношения сигнал/шум (около 13 дБ)
и небольшой ЭИИМ бортовых приемопередатчиков. Тем не менее, число
владельцев подобных приемных установок перевалило в США к концу 90-х годов
за 2 миллиона.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 363
Очевидно, что для привлечения более широкого круга пользователей
нужны малогабаритные приемные антенны, размеры которых позволяли бы
монтировать их в непосредственной близости от владельца, например, на внешней
поверхности стены дома. Первый шаг на пути расширения рынка услуг
спутникового телевидения сделала компания Hughes (США), изготовившая и
обеспечившая запуск в 1993 году спутника непосредственного вещания DBS-1. Этот
ретранслятор имеет на борту 16 приемопередатчиков с выходной мощностью
120 Вт каждый (суммарная излучаемая мощность 1920 Вт) и ЭИИМ ствола
51 дБВт, что позволяет обеспечить прием до 240 цифровых ТВ-сигналов со
сжатием на индивидуальные антенны диаметром всего 45 см. Начальная цена
индивидуальной приемной станции составляла около 700 долларов, а затем
снизилась более чем в 2 раза благодаря, в частности, субсидиям в проект
провайдеров услуг. Затем пропускная способность спутниковой СНТВ была
увеличена путем расширения космического сегмента (в ту же точку стояния на
геостационарной орбите были запущены два ретранслятора DBS-2 и DBS-3) до
300 ТВ-каналов, а услуга получила название DirecTV и дополнительно
привлекла к концу 90-х годов еще более 3 миллионов пользователей [2.1.3.6].
Запуск вещательных СР в одну точку стояния практикуется и при построении
других орбитальных группировок спутников непосредственного вещания,
поскольку отпадает необходимость перенацеливания приемных лучей
пользовательских станций и упрощается организация фидерных линий.
Конечно, внедрение в США спутниковой сети цифрового ТВ вещания Ки~
диапазона не означает автоматическую ликвидацию ранее созданной
масштабной распределительной сети диапазона 6/4 ГГц, просто эта сеть достигла своего
насыщения и прекратила дальнейшее развитие, но вещательные спутники С-
диапазона играли и будут продолжать играть важную роль в национальной
информационной инфраструктуре США. Тем не менее, большая пропускная
способность спутниковых СНТВ (возможность выбора между несколькими сотнями
ТВ-каналов по сравнению с не более чем сотней в кабельных сетях) и наличии
в США около 20 млн. потенциальных пользователей, не охваченных кабельными
ТВ-сетями, внушает производителям оборудования и провайдерам услуг
непосредственного ТВ определенный оптимизм [2.1.3.6].
В Европе наблюдался более ярко выраженный по сравнению с США интерес
к системам индивидуального приема спутникового ТВ, что объясняется меньшей
разветвленностью сетей кабельного телевидения. Число пользователей услуг
платного непосредственного спутникового ТВ в Европе к началу 21-го века
оценивалась в 25 миллионов.
СНТВ способны в ближайшем будущем захватить огромный рынок, особенно
там, где кабельные сети недостаточно развиты или вовсе отсутствуют, где есть
потребность в СНТВ и возможность оплачивать за предоставление данной
услуги. Динамика роста численности владельцев индивидуальных приемников
спутникового ТВ приведена в таблице 2.1.3.3 [2.1.3.7]. В таблице 2.1.3.4 показаны
основные характеристики некоторых современных спутников непосредственного
вещания.
Таким образом, возможности и перспективы широкого распространения
спутниковых СНТВ определяются следующими основными факторами:

364
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Динамика числа индивидуальных пользователей (в млн.)
спутниковых сетей непосредственного ТВ-вещания
Таблица 2.1.33
Год
1995
1998
2001
2005
(прогноз)
Регионы
США
и Канада
6
14
25
28
Европа
20
35
58
63
Южная
Америка
3
5
7
14
Азия
и Тихий океан
12
22
40
63
Африка
и Средний
Восток
2,5
3
5
10
• разработкой и внедрением эффективных алгоритмов сжатия цифрового ТВ
сигнала, позволяющих получить приемлемое качество цветного изображения
при скорости передачи всего 1,5-2 Мбит/с. Это позволяет обеспечить
одновременную трансляцию через один мощный приемопередатчик Ки-
диапазона до 15 телевизионных программ на приемные «тарелки» диаметром
не более полуметра;
• разработкой и производством мощных и достаточно широкополосных
ЛБВ диапазона Ки с выходной мощностью 100 Вт и более;
• разработкой и производством эффективных и долговечных батарей
солнечных элементов, позволяющих обеспечить энергопитание мощных
многоствольных ретрансляторов;
• запуск всего одного спутника непосредственного вещания позволяет
транслировать более 200 цифровых ТВ-каналов, что позволяет спутниковым
СНТВ успешно конкурировать с кабельными сетями и даже превосходить
их по пропускной способности;
• рост благосостояния стандартов жизни населения, особенно в Азиатско-
Тихоокеанском регионе, в сочетании с недостаточно развитой структурой
кабельных сетей обещают непрерывный рост числа клиентов и доходы
операторов спутниковых СНТВ порядка 20 млрд. долларов в год [2.1.3.6],
что позволит окупить затраты на разработку, развертывание и
эксплуатацию этих сетей.
Новым направлением в области спутникового ТВ-вещания является трансляция
телевизионных каналов для подвижных средств (поезда, яхты, воздушные и
речные суда, грузовики дальних перевозок и т.д.).
Перспективным направлением считается и непосредственное спутниковое
цифровое радиовещание {DAB — Digital Audio Broadcasting} для фиксированных
и подвижных пользователей, обеспечивающее трансляцию новостей, музыки и
прочих программ, справочно-информационных данных. Основные параметры
реализуемых проектов систем DAB приведены в таблице. 2.1.3.5.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 365
Таблица 2.13.4
Основные параметры спутников непосредственного вещания
Спутник
Точка стояния
Год запуска
Срок активного
существования
(САС), лет
Масса, кг
Мощность
источников
питания, Вт
Диапазон частот
Число стволов
Мощность
ствола, Вт
ЭИИМ ствола,
дБВт
Полоса частот
ствола, МГц
Область
обслуживания
Пропускная
способность
спутника
(в цифровых
ТВ-каналах)
Hispas
1Д1В
30° з.д.
1992
1993
10
800
1600
Ки
3
НО
56
27

Испания
До 50
ASTRA
1Д1В
19,2° з.д.
1988
1991
12
1800
2300
Ки
16
60
50
26
4 луча
Европа
До 170
ASTRA
1C,1D
19,2° з.д.
1993
1994
13
2500
3300
Ки
18
65
50
26
4 луча
Европа
До 200
ASTRA
IE
19,2° з.д.
1995
14
1900
4700
Ки
18
85
52
33
4 луча
Европа
До 200
DBS
1-3
101° з.д.
1993
1994
1995
12
2000
4000
Ки
16
120
51
24
Конт.
часть
США
До 240
Echostar
1
119е з.д.
1995
15
1500
5000
Ки
16
130
52
24
Конт.
часть
США
До 240
Hot Bird
1-5
13° з.д.
1 - 1995
2 - 1996
3, 4 - 1997
5 - 1998
1-11,
2-5-12-14
2900-3000
5500-6000
Ки/Ка
1-16
2-20
3-32
4-28
5-22
1-70
2-115
3-5 - 135
1-49
2-5 - 49/53
1-4-
33/36/50
5 - 33,36,72
Европа,
Азия
До 240

366
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Таблица 2.135
Основные параметры систем непосредственного спутникового
цифрового радиовещания
Название системы
Число ретрансляторов
Число вещательных каналов
на ретрансляторе
ЭИИМ луча
Диапазон частот передачи
Область обслуживания
WolrdSpace
3
280
53 дБВт
1,467-1,492 ГГц
Америка, Средний Восток,
Азия, Африка
CD Radio
2
50
63 дБВт
2,3-2,5 ГГц
Америка
Низкая абонентская плата (примерно 10 долларов/месяц за пакет из 50
программ) и стоимость приемников E0-100 долларов) позволяют надеяться на
привлечение широкого круга пользователей подобных систем [2.1.3.7].
2.1.4. Сети подвижной и персональной подвижной
спутниковой службы
2.1.4.1. ССС подвижной службы
Подвижная спутниковая связь стала реальностью в начале 80-х годов с
введением в эксплуатацию геостационарной сети Inmarsat, предназначенной для
телефонной связи и передачи данных между морскими судами и береговыми ЗС,
выполняющими функции шлюзов с наземными сетями связи общего пользования.
Корабельные терминалы Inmarsat оснащались достаточно громоздкими
антенными системами с высоким коэффициентом усиления и в принципе мало
отличались от ЗС среднего класса фиксированной спутниковой службы. В начале 90-х
годов технологический прогресс привел к появлению персональных
автомобильных и носимых (в виде кейса) пользовательских терминалов. Услуги,
предоставляемые сетями подвижной спутниковой службы (СПСС), достаточно широки:
• телефонная связь;
• пейджинговая связь;
• передача данных;
• электронная почта (в том числе передача речевых пакетов);
• диспетчерская связь;
• местоопределение пользователей;
• глобальный роуминг.
Местоопределение является дополнительной услугой. Для определения
координат рассматриваемой точки пространства необходимо задать координаты трех
других точек и расстояния от этих других точек до рассматриваемой. Поскольку

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 367
прямое измерение расстоянии невозможно, оно измеряется косвенно по
задержке распространения радиосигналов (измеряется так называемая
псевдодальность). Для измерения задержки необходима синхронизация часов на приемной
и передающей стороне, что можно обеспечить введением в систему местоопреде-
ления четвертой точки с известными координатами. Описанный принцип
позиционирования положен в основу спутниковых навигационных систем Navstar
(США) или, что то же самое, GPS (Global Position System) и российской GLO-
NASS (Global Navigation Satellite System). Навигационные спутники размещаются
на круговых орбитах высотой около 20 тыс. км. Для обеспечения одновременной
видимости из любой точки обслуживаемого пространства не менее 4 спутников
достаточно орбитальной группировки, содержащей 18 активных ИСЗ. Каждый
навигационный спутник непрерывно излучает в I-диапазоне радиосигнал,
содержащий информацию о его текущих координатах и показаниях бортовых часов.
Пользователь с координатами (х, г/, z) определяет их значение, решая систему
четырех алгебраических уравнений с четырьмя неизвестными:
(х - хгJ + (у - угJ + (z - ztJ = [c(t - t{)]2,
где (Xj, г/-, Zj, t{), i= l-r-4 — передаваемые по радиоканалам текущие значения координат и бортовое
время навигационных спутников.
Точность местоопределения во многом определяется точностью и
стабильностью бортовых эталонов частоты навигационных спутников. На практике
погрешность местоопределения при использовании GPS не превышает 100 метров,
независимо от погодных условий, времени суток и т.д. Возможность
местоопределения в СПСС обеспечивается при помощи GPS-приемников, встраиваемых в
пользовательские терминалы, либо собственными автономными навигационными
средствами сети. В последнем случае используется доплеровский метод измерения
дальности до ИСЗ по принимаемому информационному сигналу, а координаты
спутника периодически передаются им по специальному служебному каналу.
Использование автономных навигационных систем позволяет значительно
упростить аппаратуру пользовательских терминалов, но точность местоопределения
оказывается ниже, чем при применении специализированных навигационных
систем, и обычно составляет несколько сотен метров. Результаты навигационных
измерений могут использоваться непосредственно пользователем или в
автоматическом режиме передаваться с требуемой периодичностью в диспетчерский
центр, что необходимо, в частности, для организации глобального роуминга.
В состав любой сети подвижной спутниковой службы, показанной на рис. 2А АЛ,
входят один или несколько спутников-ретрансляторов, одна или несколько
шлюзовых станций (ШС), осуществляющих стыковку с наземными сетями,
центральная земная станция (ЦЗС) и большое количество пользовательских
терминалов, устанавливаемых на подвижных средствах (морские и речные суда,
самолеты, автомобили и т.п.), а также переносных.
В СПСС обычно предусмотрен информационный обмен только между
подвижными абонентами и фиксированными абонентами, входящими в состав
наземных сетей. При многостанционной работе используется частотное или
временное уплотнение каналов с применением протокола множественного доступа

368
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Авиационные
пользователи
Наземная сеть общего пользования
Рис. 2.1.4.1. Конфигурация сети подвижной спутниковой службы
предоставления каналов по требованию. В запросных каналах применяются
протокол случайного доступа тактированная Aloha и его модификации.
По области обслуживания можно выделить глобальные, региональные и
национальные сети подвижной спутниковой службы.
В принципе, СПСС мало отличаются от сетей фиксированной спутниковой
службы за исключением того, что приемопередающие антенны пользовательских
терминалов имеют, по понятным причинам, небольшой коэффициент усиления
и используются другие диапазоны частот. Радиолинии связи между
подвижными пользователями и ретрансляторами (абонентские линии) работают в
диапазоне частот 1-3 ГГц (I- и 5-диапазоны), а между ретрансляторами и ШС
(фидерные линии) в диапазоне 4-30 ГГц, в специально выделенных участках
спектра. Оптимальность L- и S-диапазонов для обеспечения связи с подвижными
пользователями показана в разделе 1.1.4.
В таблице 2.1.4.1 приведены диапазоны, выделенные Регламентом радиосвязи
для абонентских линий различных подвижных спутниковых служб.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 369
Таблица 2.1.4.1
Диапазоны частот для подвижной спутниковой службы
L -диапазон
5-диапазон
Линии «вверх»
Диапазоны
(ГГц)
1,6100-1,6265
1,6265-1,6605
1,9700-1,9800
1,9800-2,0100
2,6700-2,6900
Полоса
(МГц)
16,5
34
10
30
20
Линии «вниз»
Диапазоны
(ГГц)
1,5250-1,5590
2,1600-2,1700
2,1700-2,2000
2,4835-2,5000
2,5000-2,5200
Полоса
(МГц)
34
10
30
16,5
20
Примечание
Закреплен за ГСР
Выделен только для
района 2 (Америка)
Использование
не ранее 2005 г.
Диапазон 1,6265-1,6605/1,5250-1,5590 ГГц (полоса 34 МГц) выделен для
сетей связи, базирующихся на геостационарных группировках.
Диапазон 1,9700-1,9800/2,1600-2,1700 ГГц (полоса 10 МГц) закреплен
только за Районом 2 (Северная и Южная Америка) и не может быть использован в
глобальных сетях подвижной связи.
В диапазоне 2,6700-2,6900/2,5000-2,5200 ГГц (полоса 20 МГц) возникают
значительные трудности электромагнитной совместимости с другими
радиослужбами, и его использование отложено до 2005 г. (до решения всех
необходимых координационных вопросов).
Все эксплуатирующиеся СПСС до недавнего времени базировались на
геостационарных ретрансляторах. Для организации СПСС могут быть использованы
специализированные спутники либо задействованы отдельные стволы
универсальных ретрансляторов. Основные характеристики СПСС приведены в
таблице 2.1.4.2.
Таблица 2.1.4.2
Основные характеристики геостационарных СПСС
Название сети
INMARSAT-3
MSAT
AMSC
AUSSAT-B
ITALSAT-F2
V-Star
Число
СР
4
1
1
2
1
2
Диапазон частот абонентских
линий, ГГц
«вверх»
1,530-1,559
1,530-1,559
1,545-1,559
1,545-1,559
1,530-1,559
2,670-2,690
«вниз»
1,6265-1,6605
1,6315-1,6605
1,6465-1,6605
1,6465-1,6605
1,6345-1,6605
2,4835-2,500
Число
каналов
на один СР
1000
1100
1100
1000
300
1200
Область обслуживания
Глобальная (+/— 75°)
Канада
США
Австралия, Океания
Европа
Япония и острова

370 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Как следует из таблицы, пропускная способность геостационарного
ретранслятора не превышает 1000-1200 телефонных каналов, что объясняется узостью
полосы частот (всего 34 МГц), выделенной для геостационарной подвижной связи.
Рассмотрим более подробно первую глобальную СПСС Inmarsat, владельцем
которой является одноименная организация Inmarsat (International Maritime
Satellite Organization) — Международная организация морской спутниковой
связи. Сеть Inmarsat используют в 80 странах мира. Изначально она создавалась для
обеспечения связью военно-морского флота и морских перевозок, последняя ее
реализация рассчитана также и на сухопутные и воздушные транспортные
средства. Система Inmarsat обслуживается четырьмя геостационарными спутниками,
охватывающими почти всю поверхность земного шара, за исключением
околополюсного пространства. Все спутники разработаны и произведены концерном
Lockheed Martin.
Радиально-узловая топология сети Inmarsat обеспечивает взаимодействие
мобильных и стационарных терминалов с центрами управления, но не
поддерживает режим прямой связи мобильных абонентов между собой. Это до нескольких
минут замедляет обмен сообщениями за счет накопления и обработки
информации на узловых станциях. Однако для аварийных и экстренных сообщений
предусмотрен специальный режим, при котором обработка занимает всего
несколько секунд.
В перечень услуг, предоставляемых системой Inmarsat, входят также
автоматизированный сбор информации с датчиков транспортных средств, определение
координат абонента, координация поисково-спасательных работ и отслеживание
угона транспортных средств.
Сначала в системе использовались арендованные ГСР типа Marisat, Marecs и
Intelsat, а с 1992 года сеть базируется на специализированных ретрансляторах:
Inmarsat-2, затем с 1996 г. — Inmarsat-З, а в недалеком будущем планируется
переход на спутники Inmarsat-4, один из которых уже выведен на орбиту.
Для различных видов подвижной службы разработан ряд стандартов
абонентских станций: А, В, С, М и AERO.
Корабельные станции стандартов А я В обеспечивают передачу речи и
данных. В стандарте А предусмотрена аналоговая телефония, а данные передаются
со скоростью 2,4 кбит/с. Терминалы стандарта В введены в коммерческую
эксплуатацию в 1992 г. после развертывания орбитальной группировки на базе
спутников Inmarsat-2, ретрансляторы которых имели большую на 4 дБ ЭИИМ
и несколько лучшую добротность приемной системы, чем у предшественников.
Использование новых технических решений, в частности цифровая передача
речи со скорость 16 кбит/с, позволило почти вдвое уменьшить мощность
передатчиков абонентских терминалов и сократить полосу занимаемых частот, а также
снизить массу терминалов со 150 до 100 кг.
Антенны терминалов А и В одинаковы и имеют диаметр около 1 м.
Станции стандарта С, эксплуатирующиеся с 1991 г., предназначены для
установки на легких сухопутных и морских объектах и обеспечивают передачу
данных со скоростью 0,6 кбит/с (режим телефонии отсутствует). Они оснащены все-
направленными антеннами, передатчиками с выходной мощностью 15 Вт и
имеют массу примерно 10 кг.

2.1 ♦ Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 371
Достаточно высокие характеристики ретрансляторов Inmarsat-2 позволили
внедрить компактные терминалы стандарта М, обеспечивающие абонентов
услугами телефонной связи со скоростью кодирования речи 6,4 кбит/с (скорость
передачи в канале 4,2 кбит/с) и передачи данных со скоростью 2,4 кбит/с. Эти
терминалы производятся в морском — М (М) и сухопутном М (L) исполнении.
Морские терминалы оснащаются слабонаправленными параболическими
антеннами диаметром 40 см, а сухопутные — слабонаправленной ФАР.
С 1992 г. началось использование авиационных станций стандарта AERO.
Терминалы AERO-1 оборудованы всенаправленными антеннами и
предназначены для передачи данных со скоростью 0,6 кбит/с, a AERO-2 со
слабонаправленными антеннами обеспечивают цифровую телефонию со скоростью кодирования
речи 9,6 кбит/с и передачу данных со скоростью 2,4 кбит/с.
Ретрансляторы Inmarsat-З отличаются от своих предшественников наличием
бортовых многолучевых приемо-передающих антенн: 1 глобальный луч плюс 5 узких
лучей. ЭИИМ и добротность глобального луча равны соответственно 39,8 дБВт
и — 9,8 дБ/К, что на 0,8 и 3 дБ больше, чем у Inmarsat-2. В узком луче (ЭИИМ
55 дБ/Вт, добротность — 4,8 дБ/К) появилась возможность применения нового
стандарта Mini-M. Терминалы этого стандарта по дизайну близки к обычным
настольным телефонным аппаратам и обеспечивают обмен цифровыми данными
со скорость 2,4 кбит/с и телефонию со скорость 4,8 кбит/с. Терминалы стандарта
Mini-M выпускаются несколькими производителями. В таблице 2.1.4.3
приведены основные параметры самого миниатюрного и легкого аппарата датской
компании Thrane&Thrane, а на рис. 2.1.4.2 — его общий вид [2.1.4.1].
Таблица 2.1 A3
Основные характеристики терминала Thrane&Thrane TT-3060A
Тип антенны
Скорость передачи данных
Скорость передачи в режиме телефонии
Энергопотребление:
— дежурный режим
— переговоры
— передача данных
Электропитание
Время работы от одной подзарядки
источника питания:
— дежурный режим
— переговоры
— передача данных
Габариты
Масса (с источником питания)
Диапазон рабочих температур при
эксплуатации, °С
Объемная, слабонаправленная, требует
нацеливания на спутник
2,4 кбит/с
4,8 кбит/с
350 мВт
8 Вт
20 Вт
Встроенная никель-кадмиевая
аккумуляторная батарея
48 часов
2,5 часа
50 минут
270x200x52 мм
2,2 кг
-25 °С - +55 °С

372
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Портативный телефон ТТ3060А
стандарт Mini-M
фирмы Thrane&Thrane
Автомобильный телефон TT-3062D
Морской телефон ТТ-3064А
Высокоскоростной телефон ТТ3080А
Capsat Messenger
Рис. 2.1.4.2. Терминалы стандарта Mini-M сети Inmarsat
Пользователям предоставляются услуги по передаче/приему речи,
факсимильных сообщений, данных со скоростью 2,4 кбит/с и сообщений электронной
почты. Для упрощения и облегчения работы с терминалом предусмотрены
следующие сервисные функции и возможности: индикация уровня принимаемого
сигнала, что упрощает наведение антенны и подстройку приемника на спутник;
наличие встроенного блока для передачи данных, что исключает необходимость
использования внешнего модема или устройства сопряжения; возможность
питания терминала от автомобильного аккумулятора; наличие встроенной
электронной телефонной записной книжки.
Стоимость терминала стандарта Mini-M весьма высока и составляет около
6000 долларов, подключение к сети Inmarsat требует 300 долларов,
абонентская плата составляет 40 долларов/месяц, а тариф за 1 минуту разговора равен
3,5 доллара.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 373
Терминалы стандарта Mini-M не могут быть в полной мере отнесены к
средствам персональной подвижной спутниковой службы, поскольку ими нельзя
пользоваться в движении.
2.1.4.2. Сети персональной подвижной спутниковой службы
Наиболее популярной и массовой услугой наземных сотовых сетей
подвижной связи была и остается телефония с применением портативных терминалов
типа «трубка в руке», позволяющих пользоваться телефонной связью всегда и
везде (в пределах зоны обслуживания сети). Сети персональной подвижной
спутниковой службы (СППСС) {MPCS — Mobile Personal Communication Service}
призваны решать ту же задачу, но развиваются параллельно и с опозданием по
отношению к наземным сетям, популярность которых по мере снижения цен и
тарифов продолжает возрастать. В 1997 году в США насчитывалось более 40 млн.
пользователей наземных сотовых сетей связи. В Западной Европе — около 30 млн.,
примерно 15 млн. в Японии, 5 млн. — в Латинской Америке. По оценкам
специалистов, к 2005 году общее число пользователей сетей сотовой связи в мире
превысит 200 млн., причем в услугах спутниковой связи потенциально будет
нуждаться до 5-10% абонентов [2.1.4.2].
По стоимости и качеству предоставляемых услуг СППСС в зоне действия
наземных сотовых сетей неконкурентоспособны. С другой стороны, экономически
нецелесообразно развертывание наземных сотовых сетей в районах с низкой
плотностью населения. Поэтому наиболее рациональной является интеграция наземной
и спутниковой служб персональной подвижной связи на базе наземных сетей в
районах мегаполисов и предоставления остающейся ниши спутниковым сетям.
Требования к пользовательским терминалам
К терминалам предъявляются весьма жесткие требования, определяемые
удобством их применения и безопасностью пользователей, соразмерные с
характеристиками терминалов наземных сетей:
• использование ненаправленных или слабонаправленных антенн
(коэффициент усиления не более 2,5-3 дБ), поскольку невозможно требовать от
пользователя ориентации терминала на ретранслятор, а использование
следящих антенн с высоким коэффициентом усиления неприемлемо из
соображений массы, габаритов и стоимости терминала. Единственное, что
можно потребовать от пользователя, — это держать трубку по
возможности вертикально.
• Масса и объем терминала должны обеспечивать удобство работы и
транспортировки. Масса не должна превышать 0,5-0,8 кг, а объем — 50-100 см .
• Низкая максимальная выходная мощность передатчика терминала @,25-
0,6 Вт), что определяется малой емкостью источников питания и
требованиями безопасности пользователей, накладываемыми учреждениями
системы здравоохранения. В результате ЭИИМ абонентских терминалов
обычно не превышает (-2) — (+2) дБВт.

374
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
б)
г)
Рис. 2.1.43. Пользовательские терминалы различных СППСС
а — Globalstar, фирма Qualcomm, б — Globalstar, фирма Ericsson, в — Iridium,
фирма Motorola, г — ICO
На рис. 2.1.4.3 показаны некоторые терминалы различных СППСС [2.1.4.3].
Следствием необходимости интеграции наземных и спутниковых сетей
персональной подвижной связи явилось появление на рынке двухрежимных (двух-
модовых) терминалов, обеспечивающих возможность работы с указанными
сетями. Сначала терминал автоматически направляет запрос в наземную сотовую
сеть. Если обслуживание наземной сетью невозможно (например, отсутствие в
пределах радиовидимости базовой станции, несовпадение стандартов терминала
и сети, перегрузка сети и др.), то запрос автоматически переадресовывается в
спутниковую сеть. От пользователя требуется лишь набор номера вызываемого
абонента, а все остальные действия осуществляются автоматически.
Разработка спутниковых пользовательских терминалов с большим числом
функций, таких как:
• аналогово-цифровое преобразование речевого сигнала и его цифровая
обработка с целью сокращения полосы частот;

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 375
• реализация протокола множественного доступа в запросном канале;
• модуляция-демодуляция, усиление, регулировка излучаемой мощности и
т.д.,
при наличии перечисленных жестких требований представляет собой сложную
техническую задачу, которая может быть решена лишь с использованием
новейших технологических достижений в области специализированных больших
интегральных схем и микропроцессоров.
Орбиты спутников-ретрансляторов для СППСС
При построении СППСС в принципе могут быть использованы все известные
типы орбитальных группировок спутников связи:
• геостационарные с высотой орбиты 35875 км;
• низкоорбитальные круговые с высотой орбиты в диапазоне 800-1500 км;
• среднеорбитальные круговые с высотой орбиты около 10000 км;
• эллиптические с высотой орбиты в перигее всего несколько сотен
километров, а в апогее — 40000 км.
Применительно к СППСС все орбитальные группировки имеют свои
достоинства и недостатки, поэтому предпочтительный тип группировки до сих пор не
определен.
Из таблицы 2.1.4.1 следует, что для геостационарных СППСС доступна
полоса частот 34 ГГц, а для негеостационарных — два спаренных диапазона с общей
полосой 36,5 ГГц. Этого явно недостаточно для обеспечения требуемой высокой
пропускной способности СППСС общего назначения.
Возможности введения новых диапазонов частот крайне ограничены и
сводятся в основном к следующему [2.1.4.4]:
• использование в каналах «вниз» диапазонов 1,559-1,567 ГГц (полоса
8 МГц) и 2,475-2,4835 ГГц (полоса 8,5 МГц), что потребует обеспечения
электромагнитной совместимости с нелицензированными системами
фиксированной спутниковой службы;
• использование в каналах «вверх» диапазона 1,6605-1,6684 ГГц (полоса
7,9 МГц), что порождает проблему электромагнитной совместимости с
метеорологической спутниковой службой.
Других относительно незначительно загруженных участков спектра в
диапазоне 1-3 ГГц просто нет. Во всяком случае, если даже в будущем к имеющейся
в распоряжении полосе частот добавятся 1-2 десятка мегагерц, при разработке
сетей персональной подвижной спутниковой службы проблема эффективного
использования полосы частот останется ключевой.
Повысить степень использования полосы частот можно следующими способами:
• применением узкополосных методов модуляции;
• уменьшением избыточности передаваемой информации;
• многократным использованием имеющейся полосы частот при помощи
пространственного разделения.

376 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Применение узкополосных методов модуляции
Многократная фазовая манипуляция (МФМ) и многоуровневая
квадратурная амплитудная манипуляция (МКАМ) позволяют сокращать полосу
занимаемых частот. Однако при увеличении кратности ФМ или числа уровней AM
структура используемых сигналов все более «отдаляется» от оптимальной с
точки зрения помехоустойчивости, что при прочих равных условиях требует
увеличения отношения сигнал/шум. Например, из таблицы 1.1.6.1. следует, что
переход от двукратной ФМ к четырехкратной ФМ при сокращении полосы частот в
2 раза требует увеличения отношения сигнал/шум на 5,2 дБ, а пятикратная ФМ,
сокращая требуемую полосу частот в 2,5 раза, требует роста отношения сигнал/
шум уже более чем на ЮдБ. То обстоятельство, что даже достаточно скромная
экономия полосы частот оборачивается большим расточительством
энергетических ресурсов, жестко ограничивает возможность использования узкополосных
методов модуляции в радиоканале СППСС.
Уменьшение избыточности передаваемой информации
При цифровой телефонии исходный аналоговый речевой сигнал s(t) на
передающей стороне подвергается процедурам дискретизации по времени и
квантования по уровню. Получаемые в результате кодовые двоичные комбинации и
передаются по цифровому каналу связи, где они частично искажаются под
воздействием шумов канала. На приемной стороне аналоговый речевой сигнал
реконструируется по принятым дискретным выборкам. При аналогово-цифро-
вом преобразовании неизбежно возникают принципиально неустранимые
ошибки дискретизации и квантования, а шумы в канале связи приводят к
возникновению третьей составляющей, называемой аномальной ошибкой. Поэтому
переданный сигнал s(t) не может быть восстановлен абсолютно точно, и можно
говорить о получении на приемной стороне лишь оценки s*(t) переданного
аналогового сигнала. Степень расхождения между s(t) и s*(t) определяет качество
цифровой передачи речевого сигнала. Для оценки качества передачи речи часто
пользуются субъективными экспертными оценками, например, по пятибалльной
шкале разборчивости речи. При достаточно высоком качестве передачи можно
использовать и количественную оценку — отношение сигнал/шум на выходе
системы, равное отношению мощности передаваемого полезного сигнала s2(t) к
мощности ошибки восстановления (s(t) — s*(t)J. Величина отношения сигнал/
шум на выходе системы зависит от отношения сигнал/шум в канале связи. При
цифровой передаче речи был рекомендован так называемый стандартный
цифровой речевой сигнал, предусматривающий дискретизацию исходного
аналогового сигнала с частотой 8 кГц (в соответствии с теоремой В.А. Котельникова) и
использование восьмиразрядных кодовых комбинаций (число уровней
квантования равно 28 = 256). Стандартное аналогово-цифровое преобразование
обеспечивает высокое качество, но требует передачи со скоростью 64 кбит/с, что в
целом ряде случаев просто невыполнимо.
С другой стороны, известно, что цифровой речевой сигнал в значительной
степени избыточен в том смысле, что скорость его передачи может быть
существенно снижена без заметного снижения качества.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 377
Процедура уменьшения избыточности (сжатия) цифрового речевого сигнала
получила название кодирования речи, а устройства, реализующие тот или иной
алгоритм сжатия, называются кодерами. В современных кодерах речевого
сигнала используются алгоритмы, рекомендованные Международным союзом
электросвязи для конкретных скоростей передачи (стандарты кодирования речи);
алгоритмы для кодеков (кодер-декодер), соответствующие стандартам конкретных
сетей передачи, например Inmarsat, GSM; национальные стандартизированные
алгоритмы, например, стандарт США на скорость передачи 4,8 кбит/с.
Алгоритмы сжатия речевого сигнала можно разделить на три основные группы:
• алгоритмы, использующие особенности человеческого восприятия;
• алгоритмы, базирующиеся на ортогональных разложениях;
• алгоритмы кодирования с предсказанием.
Особенность восприятия проявляется в различной чувствительности
человеческого слуха к звукам, принадлежащим к разным полосам частот. Отсюда
возникла идея многополосного кодирования {SBC — SubBand Coding}. Исходный
аналоговый речевой сигнал, занимающий полосу частот 0,3-3,4 кГц, с помощью
линейки полосовых фильтров разбивается на ряд частотных полос (на практике
число полос может достигать 10 и более). Сигналы разных полос в зависимости
от чувствительности к их восприятию передаются с разной точностью, чем и
достигается эффект сжатия. Степень сжатия может быть увеличена, если передавать
не сам сигнал как функцию времени, а его представительные параметры.
Известно, например, что в каждой из полос речевой сигнал представляет собой сигнал
с медленно изменяющейся огибающей и шумоподобным заполнением. Это
позволяет в ряде полос передавать лишь огибающую, а заполнение синтезировать
на приемной стороне. Такой подход давно использовался в аналоговых
устройствах сжатия — вокодерах {Voice Coder}. Обеспечивая большой коэффициент
сжатия, многополосные кодеры обладают ограничивающим их применение
недостатком — наблюдаются нарушения естественности звучания, проявляющееся
в изменении тембра голоса.
В алгоритмах второй группы используются разложения реализации речевого
сигнала в ряд по какой-либо базисной системе ортогональных функций.
Известно достаточное количество систем ортогональных функций — гармонические,
цифровые функции Уолша, ортогональные полиномы Эрмита, Лежандра, Лагер-
ра [2.1.4.5]. Само по себе ортогональное преобразование является взаимно
обратимым и не приводит к уменьшению избыточности. Более того, сигналы
конечной длительности раскладываются в ряд с бесконечным числом членов. Однако
величины коэффициентов разложения имеют существенно разное значение.
Поэтому, если передавать только значимые коэффициенты, отбрасывая все
остальные (и допустив при этом дополнительно возникающую погрешность), можно
обеспечить приемлемое значение коэффициента сжатия.
Основная идея кодирования с предсказанием состоит в следующем. На
основании значения предыдущих выборок сигнала (экстраполяция), а возможно
предыдущих и последующих (интерполяция), в соответствии с выбранным способом
предсказания на передающей и приемной сторонах предсказывается значение
очередной выборки. На передающей стороне после поступления истинного значения

378 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
предсказанной выборки вычисляется разность между истинным и
предсказанным значениями выборки (ошибка предсказания), которая квантуется и
передается по каналу связи. На приемной стороне ошибка предсказания суммируется
с предсказанным значением. Такой способ кодирования речевого сигнала
получил название адаптивная разностная ИКМ {ADPCM — Adaptive Differential
Pulse Code Modulation} (Рекомендация G.711). Поскольку пределы изменения
ошибки предсказания всегда меньше динамического диапазона кодируемого
сигнала, при неизменной точности представления (шаге квантования по уровню)
для кодирования значения ошибки потребуется меньшее количество двоичных
символов, что и влечет за собой снижение скорости передачи. Для снижения
шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой
при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно
специальному псевдологарифмическому закону А или ц-Law [2.1.4.6].
На практике используют линейное предсказание, когда предсказанное
значение вычисляется с использованием линейных операций над значениями
выборок. В частности, предсказание может осуществляться с использованием
алгебраических полиномов при помощи известных интерполяционных формул
[2.1.4.7]. В этом случае при использовании полинома степени п (предсказание п-
го порядка) потребуется (я + 1) значение выборок сигнала. При предсказании
нулевого порядка используется одна предыдущая выборка сигнала, а всё
предсказание сводится к тому, что значение последующей выборки считается равным
значению предыдущей. Такой случай кодирования с предсказанием называется
разностная ИКМ {DPCM — Differential Pulse Code Modulation} (Рекомендация
G.726). Частный случай разностной ИКМ, когда ошибка предсказания
квантуется на два уровня (передается только знак приращения сигнала ошибки),
получил название дельта-модуляция.
По требуемой скорости передачи при заданном качестве худшие
характеристики обеспечивает ИКМ и дельта-модуляция. Они требуют канал с пропускной
способностью 32 кбит/с. Кодеры, использующие многополосное кодирование и
адаптивную разностную ИКМ, обеспечивают приемлемое качество звука при
скорости передачи не менее 16 кбит/с. Использование методов, базирующихся
на ортогональном преобразовании, позволяет снизить скорость кодирования
примерно до 8 кбит/с.
Дальнейшее повышение эффективности кодеров речевого сигнала
достигается при объединении кодирования с предсказанием с укрупнением алфавита
источника. Процедура укрупнения алфавита заключается в объединении выборок
речевого сигнала в блоки по / последовательных выборок. Каждый такой блок
рассматривается как символ нового алфавита. Очевидно, что, если при аналого-
во-цифровом преобразовании используются /тг-разрядные слова, число символов
укрупненного алфавита будет равно 2ml . Известно, что укрупнение разрушает
корреляционные связи между выборками, которые являются основной причиной
избыточности цифрового речевого сигнала. В целом же процедура кодирования
с предсказанием совпадает с описанной выше с той разницей, что ошибка
предсказания является уже не числом, а массивом / чисел.
Кодеки отличаются способом экономной передачи этой ошибки. В кодеках с
линейным предсказанием и многоимпульсным возбуждением {MPELP — Multi

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 379
Pulse Exciting Linear Prediction} (Рекомендация G.723) вместо сигнала ошибки
передаются его представительные параметры, которые позволяют синтезировать
этот сигнал на приемной стороне с использованием искусственной
последовательности возбуждения речевого сигнала на некотором временном интервале,
параметры которой передаются в декодер. Выбор фазы такой последовательности
осуществляется по критерию близости формы исходного и синтезированного
сигналов. Этот метод был положен в основу кодека стандарта GSM для
подвижной связи, реализующего скорость передачи 13,8 кбит/с.
Стандарт сжатия G.723 частично базируется на достаточно новом методе
сжатия речи MP-MLQ {Multipulse Maximum Likelihood Quantization}
(Рекомендация G.723.1). В отличие от других кодеров с низкими битовыми
скоростями, MP-MLQ обеспечивает минимальный уровень искажений при
двукратном кодировании, когда речевой сигнал проходит через два последовательных
цикла сжатия-восстановления. Результаты тестирования показали, что оценка
качества сигнала по пятибалльной шкале MOS {Mean Opinion Score} после
двукратного кодирования методом MP-MLQ составила примерно C,4), что
лучше оценки G.726 ADPCM на 32 кбит/с при четырехкратном кодировании
C,1) и почти эквивалентно качеству G.726 при двукратном кодировании C,5).
При использовании в ССС эти кодеры обеспечивают высококачественную
передачу речи и одновременно эффективное использование дорогостоящих
спутниковых связных ресурсов [2.1.4.8].
Кодеры с линейным предсказанием и усеченным возбуждением {RELP —
Residual Excited Linear Prediction} ограничивают полосу частот сигнала
ошибки и перед передачей устраняют избыточные сигналы. В кодерах с линейным
предсказанием и кодовым возбуждением {CELP — Code Excited Linear
Prediction} (Рекомендации G.728, G.729), а также их разновидностями SELP, LD-
CELP, CS-CELP, V-CELP, A-CELP и др., на передающей и приемной сторонах
используются кодовые книги, в которых содержатся возможные реализации
сигнала ошибки. Перечисленные разновидности кодеров различаются
способами формирования и хранения этих последовательностей. Дополнительные
буквы в названии кодера (LD, V, А и др.) указывают на способ реализации
предсказателя, квантователя или кодовой книги. На передающей стороне в кодовой
книге отыскивается реализация, наиболее «похожая» на текущий сигнал
ошибки, а по каналу связи передается номер (код) этой реализации в кодовой книге.
На приемной стороне по принятому коду отыскивается нужная реализация
сигнала ошибки, которая и «возбуждает» декодер. Среди кодеров с линейным
предсказанием и укрупнением алфавита источника наибольшую популярность
и распространение получил CELP, обеспечивающий высокое качество звука
при скоростях передачи 2,4 и 4,8 кбит/с. Оценки MOS для некоторых кодеров
приведены в таблице 2.1.4.4.
Зависимость отношения сигнал/шум на выходе декодера от вероятности
ошибочного приема двоичного символа р (отношения сигнал/шум в канале
связи) существенно нелинейная для всех способов кодирования речевого сигнала.
При достаточно малых значениях р отношение сигнал/шум на выходе
практически не зависит от р, а при превышении некоторого порогового значения ри
начинает резко падать, что приводит к срыву связи. В зависимости от типа кодера

380
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Таблица 2.1.4.4
Оценка MOS для различных кодеров
Рекомендация
G.711
G.726
G.728
G.729
G.723.1
G.723.1
Тип кодера
икм
АДИКМ
LD-CELP
CS-ACELP
MP-MLQ
MP-ACELP
Скорость
кодирования, кбит/с
64
32
16
8
6,3
5,3
Оценка MOS,
[от 1 до 5]
4,1
3,85
3,61
3,92
3,9
3,65
ри лежит в диапазоне 10 -10 , что свидетельствует о возможности передачи
сжатого речевого сигнала по цифровым каналам даже весьма посредственного
качества.
Многократное использование имеющейся полосы частот
Вся пространственная избирательность антенн, обеспечивающая
многократное использование доступной полосы частот, должна быть сосредоточена на
борту ретранслятора, поскольку перечисленные выше требования к
пользовательским портативным терминалам исключают возможность какого-либо их участия
в пространственной фильтрации сигналов. При использовании га-лучевой
бортовой антенны коэффициент многократного использования частоты равен
примерно т/7. Если область обслуживания ретранслятора имеет фиксированные
геометрические размеры, то для сплошного ее покрытия т узкими лучами
потребуются бортовые антенны в Jm раз большего диаметра, чем при покрытии
одним лучом. При этом в т раз увеличивается эффективная площадь приемной
антенны и соответственно добротность приемной системы ретранслятора. Что
касается бортового передающего тракта, то увеличение числа передающих лучей
при фиксированной мощности, обеспечивая многократное использование
частоты, не приводит к увеличению ЭИИМ узких лучей по сравнению с глобальным.
Поэтому при непосредственной ретрансляции многолучевая антенна не
приводит к увеличению пропускной способности передающего тракта ретранслятора.
Положение изменяется при использовании бортовой обработки и коммутации
сигналов на видеочастоте. В этом случае появляется возможность направлять в
каждый передающий луч только ту часть трафика, которая предназначена для
пользователей, обслуживаемых данным лучом. Более того, бортовая регенерация
данных обеспечивает дополнительный энергетический выигрыш чуть менее ЗдБ
благодаря исключению проникновения шумов приемного тракта ретранслятора
в передающий. Изменчивость во времени трафика в сети требует, по
возможности, перераспределения пропускной способности ретранслятора и
соответственно выходной мощности его передатчиков между передающими лучами таким
образом, чтобы наилучшим образом использовать его ограниченные связные

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 381
ресурсы (за деталями реализации такого механизма можно обратиться к разделу
1.1.10).
Выбор количества лучей и соответственно диаметров бортовых антенн
должен быть осуществлен таким образом, чтобы одновременно обеспечить
необходимый коэффициент многократного использования частоты и соблюсти
требования к пользовательским портативным терминалам.
Заметим, что при увеличении числа лучей растут внутрисистемные помехи,
обусловленные взаимным проникновением сигналов между лучами,
настроенными на одинаковые частоты. Величина этих помех не зависит от мощности
полезного сигнала, а определяется в первую очередь боковыми лепестками ДН антенн.
При увеличении числа лучей отношение сигнал/(шум+внутрисистемная
помеха) не может превысить своего предельного значения, определяемого
конструктивными особенностями антенны, что свидетельствует о наличии оптимального
или рационального числа лучей.
Совместное использование полосы частот несколькими СППСС
Одновременная работа в общей полосе частот многих ССС — обычное
явление для геостационарных сетей фиксированной и вещательной служб. Основной
механизм разделения сигналов одинаковых частот в этом случае заключается в
пространственной фильтрации благодаря направленности антенн ЗС и ретрансляторов.
Дополнительным отличительным признаком является поляризация.
Комбинированное пространственно-поляризационное разделение радиосигналов одинаковой
частоты при соблюдении жестких требований на уровень боковых лепестков ДН
антенн ЗС и ретрансляторов обеспечивает приемлемую электромагнитную
совместимость.
В СППСС необходимость использования всенаправленных антенн
пользовательских терминалов исключает возможность поляризационного разделения, а также
пространственного разделения наземным сегментом сети.
В сетях, базирующихся на ГСР, остается возможность пространственной
фильтрации с использованием направленных свойств бортовых антенн.
Передатчик пользовательского терминала не создает помеху другой сети, если «следы»
на земной поверхности одноименных («настроенных» на одинаковые частоты)
приемных лучей смежных сетей не пересекаются. Это дает возможность двум
близко расположенным ГСР, принадлежащим разным сетям, обслуживать
разные регионы, используя одну и ту же полосу частот. Задача пространственного
разделения сигналов в данном случае облегчается при использовании
многолучевых бортовых антенн. При этом появляется возможность более точно покрыть
узкими лучами требуемые области обслуживания, снизив тем самым
межсистемные помехи. Это обстоятельство является дополнительным преимуществом
многолучевых бортовых приемопередающих антенн.
В сетях, базирующихся на негеостационарных группировках ретрансляторов,
возможность какой-либо пространственной селекции между сетями отсутствует
вовсе. В этом случае не остается ничего другого, как разделять смежные системы
либо по полосе частот, либо по форме используемых сигналов (РКФ). Отсутствие
ортогональных в широком смысле сигналов приводит при РКФ к возникновению

382 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
внутрисистемных и межсистемных помех (шумов неортогональности),
снижающих пропускную способность каждой из уплотняемых сетей. Поэтому в
рассматриваемом случае РКФ если и обладает преимуществом перед ЧРК, то эти
преимущества весьма незначительные.
2.1.4.3. СППСС, использующие негеостационарные
группировки ретрансляторов
Создание ССС, опирающихся на новые технологические принципы,
представляет собой сложный, во многом итерационный и длительный процесс. От
разработки концепции до ее практического воплощения, конечно, если такое
случается, проходит не менее 8-10 лет. Рассмотрим основные особенности и
технические решения проектов негеостационарных сетей персональной подвижной
спутниковой службы.
В 1993 году компания Motorola анонсировала проект низкоорбитальной
СППСС, базирующейся на 77 ретрансляторах (позднее это число было изменено
на 66) и получившей название Iridium. Это побудило других разработчиков и
производителей космических систем представить конкурирующие проекты:
• низкоорбитальную сеть Globalstar (Loral&QUALCOMM);
• среднеорбитальную сеть Odyssey (TRW, Teleglobe, Spar Aerospace и др.);
• среднеорбитальную СППСС ICO (ICO-Global и Hughes).
Несколько позднее были лицензированы сети Ellipso (Mobile Communications
Holdings, Inc.) и ЕССО (Constellation Communication, Inc.).
Проанализируем с технической точки зрения четверку наиболее
«продвинутых» проектов, стартовавших в гонке первыми. Сразу заметим, что проект
Odyssey закрыт, ICO — заморожен после аварийной попытки запуска первых
ретрансляторов и вследствие других причин. До уровня практической
реализации были доведены лишь Iridium и Globalstar. Основные технико-экономические
характеристики проектов сведены в таблицу 2.1.4.5.
Системы Iridium, Globalstar и Odyssey должны работать в парном L/S —
диапазоне 1,6100-1,6265/2,48350-2,50000 (полоса частот 16,5 МГц). Globalstar и
Odyssey делят в этом диапазоне общую полосу частот 11,35 МГц с
использованием уплотнения сигналов по форме, a Iridium — отдельно занимает оставшуюся
полосу частот 5, 15 МГц.
При наличии существенных различий, о которых пойдет речь ниже, проекты
имеют и схожие черты:
• применение многолучевых бортовых приемопередающих антенн, что
позволяет обеспечить массогабаритные и мощностные характеристики
портативных пользовательских терминалов, соизмеримые с аналогичными
параметрами терминалов наземных сотовых сетей, а также реализовать
многократное использование полосы выделенных частот с целью
достижения требуемой высокой пропускной способности сети;
• использование двухмодовых пользовательских терминалов, совместимых
как с СППСС, так и с наземными сотовыми сетями, работающими в
различных стандартах;

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 383
Таблица 2.1.4.5
Основные параметры негеостационарных СППСС
Наименование параметра
Название сети
Indium
Globalstar
Odyssey
ICO
Частотный план сетей
Абонентские радиолинии
«вверх», ГГц
Абонентские радиолинии
«вниз», ГГц
Фидерные радиолинии
«вверх», ГГц
Фидерные радиолинии
«вниз», ГГц
1,62135-
1,6265
(L)
2,49485-
2,50000
(S)
29,1-29,3
(Ка)
19,4-19,6
(Ка)
1,61000-
1,62135
(Q
2,48350-
2,49485
(S)
5,091-5,250
(Q
6,875-7,055
(С)
1,61000-
1,62135
(L)
2,48350-
2,49485
(S)
29,1-29,4
(Ка)
19,3-19,6
(Ка)
1,980-2,010
а)
2,170-2,200
(S)
5,150-5,250
(С)
6,975-7,075
(Q
Параметры орбит и общие физические
характеристики
Общее число
ретрансляторов
в группировке
Высота орбиты, км
Число орбитальных
плоскостей
Число ретрансляторов
в каждой плоскости
Угол наклонения
плоскостей, градус
Минимальный рабочий
угол места
ретранслятора, градус
Период обращения по
орбите, мин
Средняя длительность
сеанса связи, мин
Min/max время
распространения
сигнала, мс
Число ретрансляторов
в зоне обслуживания
терминала
66 активных +
6 резервных
780
6
11
86,4
8
100
ид
2,6/8,2
1
48 активных
+ 8 резервных
1414
8
6
52
10
114
16,4
4,6/11,5
Не менее 2-х
12 активных
+ 3 резервных
10354
3
4
50
30
-360
94,5
34,5/44
Не менее 1
10 активных
+ 2 резервных
10360
2
5
45
10
-360
115,6
34,5/48
Не менее 2-х

384
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Таблица 2.1.45 (продолжение)
Наименование параметра
Название сети
Indium
Globalstar
Odyssey
ICO
Характеристики бортовой приемопередающей
аппаратуры ретрансляторов
Число приемопередающих
лучей ретранслятора
Общее число лучей в сети
Ориентация лучей
Эквивалентный диаметр
зоны обслуживания
луча, км
Эквивалентная ширина
луча, градус
Эквивалентный диаметр
зоны обслуживания
СР,км
ЭИИМ передающего луча,
дБВт
Коэффициент
многократного
использования частот
на ретранслятор
Бортовая обработка
сигналов
Межспутниковые каналы
связи
Обеспечение
непрерывности связи
Пространственное
разнесение маршрутов
Метод модуляции
Метод доступа
к ретранслятору
Энергетический запас
радиолиний, дБ
Число базовых станций
48
3168

Фиксированные
670
23
4600
23
~7
Полная на
видеочастоте
Есть
(диапазон
22,5-23,55
ГГц)
Есть
Нет
Относительная
двукратная
ФМ
ЧРК-ВРК
16,6
15-20
16
768

Фиксированные
1450
26,5
5800
25,8
Отсутствует
Нет
Есть
Есть
Двукратная
ФМ
ЧРК-РКФ
3-10*
100-200
61
732

Сканирующие
1340
3,7
10500
37,4
Меньше 9
Отсутствует
Нет
Есть
Нет
Двукратная
ФМ
ЧРК-РКФ
3-10*
7
85
850

Фиксированные
1300
3,7
12000
40,4
-10
Частичная
Нет
Есть
Есть
Двукратная
ФМ
ЧРК-ВРК
10
12

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 385
Наименование параметра
Таблица 2.1 Л.5
(продолжение)
Название сети
Indium
Globalstar
Odyssey
ICO
Предоставляемые информационные услуги
Вид сервиса
Скорость передачи
речевого сигнала, кбит/с
Скорость передачи
данных, кбит/с
Число каналов
на ретранслятор**
Речь, данные,
факс,
пейджинг,
навигация
2,4/4,8
2,4
1100
Речь, данные,
факс,
пейджинг,
навигация
2,4/4,8/9,6
7,2
1300
Речь, данные,
факс,
пейджинг,
навигация
2,4/4,8
2,4 - ПСС
2,4-9,6-ФСС
3000
Речь, данные,
факс,
пейджинг
4,8
2,4
2300
Основные характеристики ретрансляторов
Масса спутника
на орбите/стартовая, кг
Мощность солнечных
батарей, Вт
Срок активного
существования, лет
320/690
1000
5
250/450
1200
7,5
1900/2500
4600
15
1400/2200
8700
12
Характеристики портативных терминалов
Средняя выходная
мощность, Вт
Добротность, дБ/°К
0,45
-23
0,5
-22
Н/д
-22,5
0,625
-23,8
Общие характеристики
Стоимость сети, млрд. $
Стоимость терминала, $
Абонентская плата, $/мес.
Тариф, $/мин.
Наличие лицензии FCC
Состояние проекта
4,0-4,7
2500-3000
100
2,0-3,0
Да
Коммерческая
эксплуатация
прекращена
в 2000 г.
2,2-2,6
750-1500
40
0,5-1,5
Да
В стадии
коммерческой
эксплуатации
2,5
1000-1500
Н/д
0,75-1,0
Да
Проект
закрыт
3,5-4,5
750-1500
Н/д
1,0-2,0
Нет
Проект
закрыт
Примечания к таблице:
* В системах, использующих уплотнение и разделение сигналов по форме, уровень
внутрисистемных и межсистемных помех и, соответственно, энергетический запас
непостоянен и зависит от числа активных каналов.
** Приведено эквивалентное число симплексных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с.
Для системы Globalstar учтено пространственное дублирование маршрутов.

386 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• автоматическая регулировка выходной мощности передатчиков
терминалов с целью адаптации по условиям связи и поддержания мощности
передатчика на минимальном уровне, обеспечивающем требуемое качество
связи, что позволяет снизить внутрисистемные помехи и экономно
использовать небольшую емкость автономных источников питания
терминалов;
• принятие всех известных мер по устранению возможности разрывов
установленных в сети соединений;
• использование в радиоканалах связи оптимальных по критерию
максимальной помехоустойчивости методов модуляции — двукратная ФМ;
• использование в радиоканалах связи эффективных помехоустойчивых
сверточных кодов с «мягким» декодированием по алгоритму Витерби.
Система Indium [2.1.4.9-2.1.4.14] обеспечивает речевую связь, передачу
данных и факсимильных сообщений со скоростью 2,4 кбит/с, пейджинговую связь
и местоопределение пользователей. В состав сети Iridium входят портативные,
мобильные и стационарные пользовательские терминалы. Портативные
терминалы по дизайну и размерам мало отличаются от существующих моделей
сотовых телефонов и пейджеров. Внешний вид портативного телефона фирмы
Motorola приведен на рис. 2.1.4.3в. По назначению портативные телефоны могут
быть однорежимные, работающие только в сети Iridium, и двухрежимные,
обслуживающие абонентов региональной сети сотовой связи и обеспечивающие
глобальную спутниковую связь. Мобильные станции и стационарные таксофоны
являются коллективными средствами связи. В частности, предусмотрено
производство таксофонов с питанием от солнечных батарей, что позволяет
использовать их там, где отсутствуют телефонная связь и электроснабжение.
Распределенные по всему миру станции сопряжения выполняют роль шлюзов между
спутниковой сетью и наземными телефонными сетями общего пользования, а
также контролируют доступ пользователей к сетевым ресурсам, в частности,
ведут базу данных зарегистрированных абонентов и показателей, необходимых для
выставления счетов на предоставленный сервис. Благодаря использованию в
ССС межспутниковых линий связи необходимое количество станций
сопряжения не превышает 20-25. Основные технические особенности проекта
заключаются в использовании межспутниковых линий связи и полной бортовой
обработки сигналов, включая быструю коммутацию пакетов.
Управляемая орбитальная группировка ретрансляторов сети Iridium состоит
из 66 рабочих СР, рассредоточенных в 6 орбитальных плоскостях по И
равноудаленных СР в каждой плоскости. Высота круговых орбит равна 780 км, а угол
наклонения всех орбитальных плоскостей — 86,4°. Соотношение между высотой
орбиты и ее наклонением подобрано таким образом, чтобы подспутниковая точка
перемещалась по возможности наиболее строго в меридианальном направлении.
Траектория движения подспутниковой точки ИСЗ орбитальной группировки
Iridium показана на рис. 2 А АЛ. На каждом витке орбиты СР в течение 80 минут,
благодаря частичной компенсации вращения Земли, движется в пределах широт
+/-75° весьма близко к направлению юг — север или север — юг, а южную или
северную приполярные области быстро пересекает в течение 10 минут. Посколь-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 387
90
75
60
45
-30
15
0
-15
-30
-45
-60
-75
-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
Рис. 2.1.44. Траектория подспутниковой точки ретранслятора Indium
100
95
90
85
80
15 35
10 ^ч 40
**^~~~~2^ время [мин]
Ъ*^^ 45
50
-
1
55 1 -
60 1 "
65 1
70 U
ку на каждом полувитке орбиты ИСЗ появляется над точками земной
поверхности в одно и то же местное время, такие орбиты называют солнечносинхронны-
ми. Несмотря на то что вывод спутников на солнечносинхронную орбиту
дороже, чем на орбиты с меньшим наклонением, использование этого типа орбит
предполагается во всех проектах НССС, предусматривающих применение МЛС.
Это позволяет обойтись без переключения межспутниковых линий и обеспечить
наименьшую динамику изменения дальности и пространственного направления
связи между ретрансляторами над основными обслуживаемыми регионами.
Каждый ретранслятор поддерживает четыре дуплексные МЛС — 2 для связи
с соседями спереди и сзади в общей плоскости (внутриорбитальные МЛС) и 2
для связи с соседними плоскостями (межорбитальные МЛС). Межспутниковые
радиолинии работают в диапазоне 23 ГГц, что, благодаря значительному
резонансному поглощению радиосигналов этого диапазона в атмосфере Земли,
практически полностью экранирует МЛС от наземных источников помех.
Пропускная способность МЛС 25 Мбит/с в каждом направлении при вероятности
ошибочного приема двоичного символа — не более 10~6. При использовании низких
круговых орбит ретрансляторы «крайних» орбитальных плоскостей двигаются
навстречу друг другу. Из-за чрезвычайно быстрого относительного перемещения
спутников связать эти орбитальные плоскости между собой не удалось, а чтобы
уменьшить возникающую в космической сети «брешь», угол разноса 1-ой и 6-ой
орбитальных плоскостей уменьшен по сравнению с остальными. Тем не менее,

388 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
наличие разрыва в сети проявляется в периодических «всплесках» средних
задержек передачи от 40 до 100 мс в течение двух часов с периодичностью
приблизительно 12,5 часов [2.1.4.15].
В НССС Iridium применена концепция скользящих зон обслуживания, что
позволяет использовать более простые бортовые антенны с фиксированным
наведением лучей. Рабочий угол возвышения СР над обслуживаемым терминалом
выбран не менее 8°, что при высоте орбиты 780 км обеспечивает на земной
поверхности скользящую область обслуживания диаметром 4500 км. Область
обслуживания разбита на 48 зон диаметром около 650 км, каждая из которых
обслуживается отдельным приемопередающим лучом. Многолучевая бортовая
антенна абонентских линий связи состоит из 6 АФАР, каждая из которых
формирует 8 лучей при помощи цифровой диаграммообразующей схемы, которая
позволяет независимо изменять конфигурацию каждого луча в достаточно
широких пределах. Каждый пользовательский терминал может работать только через
один из лучей СР. Ретрансляторы группировки обеспечивают сплошное
безызбыточное покрытие приэкваториального пояса. По мере смещения ИСЗ к
полюсам, площадь обслуживаемого пояса земной поверхности уменьшается и для
снижения уровня взаимных помех приходится сужать по долготе области
обслуживания каждого ретранслятора, что достигается отключением части
периферийных лучей. Это также позволяет более экономно использовать мощность
источников питания, что особенно важно в периоды затенения спутников Землей.
При доступе абонентов к ретранслятору используется комбинированное
уплотнение каналов ЧРК-ВРК (MF-TDMA). В каждом частотном канале с
использованием ВРК уплотняются сигналы от восьми абонентов. Кадр длительностью
90 мс делится на 8 канальных интервалов (слотов) длительностью 11,25 мс. В
слотах от пользователей передаются пакеты объемом 1024 символов (с учетом
служебных символов синхронизации, заголовка и используемого
помехоустойчивого кода) и длительностью 8,5 мс. Полоса частот канала ВРК 125 кГц, а
коэффициент использования пропускной способности равен 8 • 2,4/125 ~ 0,15.
Столь низкое значение частотной эффективности в основном объясняется
необходимостью введения достаточно больших защитных временных интервалов из-
за высокой динамики изменения дальности связи и требованием малых
дополнительных задержек при пакетизации цифрового речевого сигнала. Для
обеспечения возможности работы на разных частотах в смежных лучах в каждом луче
доступна для использования полоса частот не более 5150/7 ~ 735 кГц, что с учетом
необходимости введения защитных частотных интервалов позволяет уплотнить
в каждом приемном луче 4 частотных канала с ВРК, обеспечивая пропускную
способность каждого луча 32 канала, а 48-лучевого ретранслятора — 1536
каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Часть этих каналов являются служебными
и предназначены для целей сигнализации, управления ресурсами сети и
передачи пользовательских запросов на обслуживание. В сети Iridium использован
протокол множественного доступа с предоставлением каналов по требованию,
пропускная способность которого равна 0,7 (подробнее см. раздел 1.1.10), поэтому
реальная пропускная способность ретранслятора составит 1000-1100
симплексных информационных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с, а частотная
эффективность СР равна 0,51. Ключевым аспектом в сети является обеспечение

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 389
непрерывности установленного соединения при переходе обслуживаемого
абонента из луча в луч одного ретранслятора, а также с одного ретранслятора на
другой. При максимальном времени пребывания абонента в области
обслуживания ретранслятора около 8 минут и использовании 48 лучей интенсивность
переходов между лучами составляет не менее 1 раза в минуту, поэтому весьма
высока вероятность переключения абонентских линий в процессе сеанса связи.
Такое переключение не должно создавать неудобств для пользователей, т.е.
должно происходить без пауз в связи, посторонних звуковых сигналов в канале,
изменения громкости звучания и т.д. Поскольку в смежных лучах используются
разные полосы частот, переключение каналов должно сопровождаться сменой
рабочей частоты пользовательского терминала, что требует применения
достаточно сложного алгоритма быстрого переключения рабочих частот наземных
терминалов. Процедура переключения абонентских линий приводит к
некоторому снижению пропускной способности ретранслятора, поскольку часть
информационных каналов в каждом луче должна быть зарезервирована для быстрой
замены «размыкающихся» в смежных лучах каналов.
Система Globalstar [2.1.4.16, 2.1.4.17]
По предоставляемым информационным услугам и используемым наземным
терминалам сеть Globalstar практически аналогична Iridium. С точки же зрения
принятой концепции построения и используемых технических решений проекты
различаются коренным образом. В отличие от Iridium, в сети Globalstar:
• каждый пользователь имеет возможность доступа к любому СР,
находящемуся в его зоне видимости;
• отсутствуют межспутниковые линии связи;
• используются СР с непосредственной ретрансляцией;
• связь между пользователями осуществляется по многоскачковой схеме
при помощи наземных базовых станций, часть которых одновременно
выполняет роль шлюзов с наземными телефонными сетями общего
пользования;
• используются орбитальные группировки СР с круговыми орбитами,
имеющими небольшой угол наклонения;
• применяется пространственное разнесение маршрутов передачи.
Орбитальная группировка сети Globalstar состоит из 48 ретрансляторов,
размещенных в 8 равноудаленных орбитальных плоскостях по 6 СР, равномерно
распределенных в каждой плоскости. Высота круговых орбит 1414 км, угол
наклонения 52°. Период обращения спутников по орбите равен 114 минут. Из-за
относительно небольшого угла наклонения орбит область обслуживания сети
ограничивается средними широтами от 70° ю.ш. до 70° с.ш. (подспутниковая точка
ИСЗ не может быть выше 52°). Из области обслуживания исключаются также
акватории мирового океана, поскольку в системе не предусмотрена организация
управляющих станций морского базирования. С коммерческой точки зрения
указанные ограничения не являются недостатком, так как на указанных
территориях практически нет обычных гражданских пользователей, за исключением

390 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
пассажиров трансконтинентальных авиарейсов, но они уже имеют возможность
воспользоваться услугами сети Inmarsat. Однако над наиболее населенными
территориями в местах пересечения плоскостей орбит наблюдается скопление спутников.
В целом, на средних широтах везде можно одновременно видеть не менее двух СР
группировок. В рассматриваемом случае это является преимуществом, поскольку
спутники мало мешают друг другу, а пользователям при напряженном трафике
могут быть предоставлены свободные каналы связи любого наблюдаемого ими СР.
При рабочем угле возвышения СР не менее 10° скользящая зона
обслуживания каждого СР имеет диаметр 5800 км. Область обслуживания разбита на 16
примерно одинаковых по размерам зон, каждая из которых имеет эквивалентный
диаметр примерно 1400 км. Каждая зона обслуживается отдельным лучом
ретранслятора. Бортовая антенна выполнена в виде отдельных приемной и
передающей активных ФАР. Передающая АФАР позволяет плавно
перераспределять выходную мощность активных элементов решетки между передающими
лучами в соответствии с направляемым в них трафиком.
При доступе к абонентским линиям используется комбинированный способ
уплотнения сигналов абонентских терминалов ЧРК-РКФ (MF-CDMA).
Недостатком РКФ является более высокий уровень шумов неортогональности по
сравнению с другими способами уплотнения, что приводит на практике при прочих
равных условиях к заметно менее эффективному использованию полосы частот,
чем при ВРК или ЧРК. При передаче через СР с непосредственной
ретрансляцией начинает проявляться и следствие указанного недостатка — повышенный
отбор полезной мощности ретранслятора на переизлучение шумов канала
«вверх» в канал связи «вниз» (см. подробнее в разделе 1.1.9.3). В то же время в
рассматриваемом случае РКФ позволяет решить ряд других проблем:
1. Главное, что в отличие от узкополосных сигналов, используемых при ЧРК,
РКФ, так же как и ВРК в чистом виде, благодаря применению
широкополосных канальных сигналов позволяет существенно ослабить требования
к развязке между лучами многолучевых приемных и передающих антенн.
В результате при РКФ появляется возможность использования
одинаковых полос частот в смежных лучах, за счет этого при большом числе лучей
примерно в 7 раз увеличивается коэффициент многократного использования
частоты по сравнению с ЧРК и вынужденным разнесением частот через луч.
Это позволяет с лихвой компенсировать плохое использование полосы
частот в каждом луче из-за повышенного уровня шумов неортогональности.
2. Если для ВРК в условиях персональной мобильной связи через быстроле-
тящие низкоорбитальные СР частотная эффективность резко снижается
из-за необходимости введения значительных защитных временных
интервалов, которые препятствуют возникновению значительных
внутрисистемных помех, то для РКФ этого не наблюдается.
3. РКФ позволяет снизить требования к электромагнитной совместимости с
другими системами, работающими в том же диапазоне частот, и обеспечить
при соответствующей координации гибкость этой совместимости.
Например, полоса частот 11,35 МГц I-диапазона сети Globalstar изначально была
зарезервирована и за средноорбитальной СППСС Odyssey.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 391
4. РКФ позволяет относительно просто реализовать пространственное
разнесение маршрутов передачи через разные СР и базовые станции. Это особенно
важно для систем персональной подвижной связи, так как при разнесении
маршрутов резко снижается вероятность затенения антенн
пользовательских терминалов предметами окружающей обстановки. В многоканальных
приемниках портативных терминалов осуществляется автовыбор
маршрута, обеспечивающего наиболее высокое качество приема. В более сложных
приемниках мобильных и стационарных терминалов могут быть
использованы и более совершенные алгоритмы обработки, вплоть до
когерентного сложения сигналов, приходящих по разным маршрутам, что позволяет
повысить качество связи.
5. Очень важно, что применение РКФ обеспечивает плавное, без прерывания
связи и ухудшения качества приема переключение абонентских линий при
переходе пользователя из одного луча в другой или при смене
обслуживающего ретранслятора.
6. Использование РКФ позволяет решить актуальную для систем
подвижной связи задачу борьбы с многолучевостью распространения и
воздействием мощных узкополосных помех.
Таким образом, особенности персональной подвижной спутниковой связи
через низкоорбитальные спутники-ретрансляторы одновременно маскируют
достоинства и подчеркивают недостатки ЧРК и ВРК, а с РКФ происходит обратное.
Поэтому в СПГТСС через низкоорбитальные ретрансляторы разделение каналов
по форме является конкурентноспособным, а возможно, и предпочтительным
вариантом организации многостанционной работы через общий ретранслятор.
В сети Globalstar полоса частот канала РКФ выбрана равной 1,25 МГц. В
качестве цифровых широкополосных поднесущих использованы га-последователь-
ности с периодом повторения 127 символов. Все возможные канальные сигналы
имеют одинаковую структуру и отличаются лишь начальной фазой. По оценкам
разработчиков проекта с учетом интегрального воздействия возможных
источников помех, а именно: внешнего и внутреннего шума, внутрисистемных шумов
неортогональности канальных сигналов, межлучевой интерференции, мешающего
воздействия других радиосистем, работающих в том же диапазоне частот, в одном
РКФ-канале при приемлемом качестве передачи можно уплотнить до 25
абонентских каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Коэффициент использования
пропускной способности (частотная эффективность) составляет 25 • 2,4/1250 ~ 0,05.
Напомним, что частотная эффективность ВРК-канала сети Iridium равна 0,15,
т.е. в 3 раза выше, что является следствием отмеченных выше недостатков
разделения по форме. При использовании во всех лучах одинаковых частот в
выделенной для Globalstar полосе 11,35 МГц можно уплотнить 8 частотных каналов
с полосой 1,25 МГц. Тогда пропускная способность луча составляет 200 каналов,
а 16-лучевого ретранслятора — 3200 каналов. В сети использован протокол
множественного доступа с предоставлением каналов по требованию. В запросных
каналах применяется протокол случайного доступа S-Aloha. В этом случае
пропускная способность протокола ориентировочно равна 0,7, а пропускная способность
ретранслятора составит 0,7 • 3200 = 2240 симплексных информационных каналов

392 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
со скоростью передачи 2,4 кбит/с. Частотная эффективность ретранслятора
оказывается равной 2,4 • 2240/11300 = 0,47, что всего на 8% ниже, чем у СР сети Iri-
dium, в которой используется доступ ЧРК-ВРК. Получаемые же за столь
незначительную «плату» преимущества РКФ были перечислены выше.
2.1.4.4, СППСС, базирующиеся на геостационарных ретрансляторах
Один из основных аргументов, выдвигаемых при анализе возможностей
организации персональной подвижной спутниковой службы против
геостационарных ретрансляторов в пользу низкоорбитальных, заключается в том, что для
связи через «далекий» ГСР необходимы значительные энергоресурсы абонентских
терминалов, которые не позволяют оформить их в виде легкой и малогабаритной
конструкции. Обычно можно прочитать или услышать примерно следующее
утверждение:
«Потери при распространении сигналов в свободном пространстве
пропорциональны квадрату расстояния от передатчика до приемника. По этой причине
в системах связи, использующих спутники на геостационарной орбите,
абонентские терминалы необходимо оснащать параболическими антеннами диаметром
не менее 1,5 метра и высокочастотными передатчиками, имеющими подчас
мощность десятки ватт. Снижение высоты расположения спутника-ретранслятора,
например, до 1000 км дает энергетический выигрыш в D0000/1000J = 1600 раз.
Этот выигрыш можно использовать для замены крупногабаритной
остронаправленной параболической антенны абонентской станции на малую всенаправлен-
ную, для уменьшения веса и габаритов станции, перехода в удобный диапазон
частот и снижения мощности передатчика. В этом особенность и преимущество
низкоорбитальных систем связи».
Это утверждение абсолютно справедливо лишь в предположении, что при
изменении дальности связи параметры приемопередающего тракта остаются
постоянными. Реальна же следующая постановка задачи: при заданной геометрии
области обслуживания выявить зависимость требований к энергетике абонентской
от высоты размещения ретранслятора. В такой постановке задача решена в
разделе 1.2.2. Оказывается, что энергозатраты абонентов вовсе не зависят от высоты
орбиты (таблица 1.2.2.2). Рост потерь сигнала в свободном пространстве при
увеличении дальности связи компенсируется тем, что при этом уменьшается угол
обзора области обслуживания из точки размещения спутника-ретранслятора, что
приводит к необходимости использования антенн с лучшими характеристиками
направленности и соответственно большей эффективной площади. Все
сказанное в полной мере относится и к абонентским линиям «ретранслятор —
пользователь».
Поэтому вопрос о выборе высоты орбиты должен быть вынесен из сферы
энергетики и сводится к выбору в соответствии с техническими,
экономическими или другими критериями одного из двух альтернативных вариантов
(рис. 2.1.4.5):
1. Использование m одинаковых низкоорбитальных ретрансляторов,
объединенных в сеть при помощи межспутниковых каналов связи или наземных

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 393
ГСР
1
p
/i
• •
/ I/
/ CPt \l
p
/Ух. i
\
«4
2
P
3
p
к \s
П i\
\ \
\
CP2
p
I
• • •
\
\
Зоны
m
P
• \
'. \
:
\
\
\
CP3 \
P
геостационарная
орбита
i
er\ r
• \
i
i cp-\
P
обслуживания
»
низкая
орбита
Л-
Область обслуживания
Pwc. 2. У.4.5. Выбор высоты орбиты ретрансляторов
базовых станций и соответствующих фидерных линий. Каждый
ретранслятор обеспечивает информационные услуги в одной из т зон области
обслуживания. Для этого он оборудован приемопередающей антенной с
шириной луча 6Н и передатчиком с выходной мощностью Р.
2. Использование одного геостационарного ретранслятора, работающего со
всеми абонентами, расположенными в пределах области обслуживания и
оборудованного для этих целей т/г-лучевой приемопередающей антенной с
шириной луча Эг и передатчиками суммарной выходной мощностью тР.
Отвлекаясь на время от очевидных недостатков низкоорбитальных
группировок, связанных с непрерывным и быстрым перемещением ретрансляторов
относительно земной поверхности (таблица 1.2.2.4), отметим, что использование ГСР

394 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
дополнительно дает возможность централизованного и коллективного
использования ресурсов космического сегмента, что обеспечивает следующие
преимущества ГСР перед негеостационарными группировками:
1. Поскольку связные ресурсы космической части сети сосредоточены на
борту ГСР в одном месте, имеется возможность гибкого
перераспределения пропускной способности сети между лучами (зонами обслуживания).
Это позволяет при прочих равных условиях повысить пропускную
способность благодаря адаптации к текущему трафику в сети, например, почасовым
колебаниям трафика в разных зонах в течение суток. Практически
подобная адаптация может быть осуществлена перераспределением выходной
мощности передатчика ретранслятора между передающими лучами.
2. Централизация связных ресурсов на борту ГСР исключает необходимость
использования для связи между зонами обслуживания межспутниковых
каналов или фидерных линий базовых станций. При этом при прочих
равных условиях появляется возможность повышения пропускной
способности абонентских линий и сети в целом.
3. Концентрация диаграммообразующих схем в одном месте и
неподвижность ГСР относительно земной поверхности позволяют формировать
результирующие диаграммы направленности бортовых антенн, наиболее
точно покрывающие требуемую область обслуживания, что позволяет
экономно расходовать бортовые энергоресурсы, снизить уровень
межсистемных помех и, в конечном итоге, повысить пропускную способность сети.
4. СР вне зависимости от выбора высоты орбиты должен быть
укомплектован системами, поддерживающими выполнение целевой функции
полезной нагрузки ретранслятора: системами энергообеспечения, коррекции
орбиты, ориентации, терморегулирования, командно-измерительной. Эти
системы вносят свой вклад в массогабаритные и стоимостные
характеристики космического сегмента и сети в целом. Можно ожидать, что
уменьшение общего количества поддерживающих систем, несмотря на
соответствующий рост их сложности благодаря и в этом случае возможности
коллективного использования ресурсов, приведет к уменьшению
стоимости сети.
5. Использование ГСР позволяет избирательно покрывать земную
поверхность в тех зонах, где существует реальный высокий спрос на услуги
персональной подвижной связи, а проводить маркетинговые исследования и
прогнозировать такой спрос намного проще и эффективнее, чем для
глобальных сетей.
Основные недостатки СППСС, использующих геостационарные
ретрансляторы, проявляются в следующем:
1. Сравнительно большие задержки распространения сигналов, что
негативно сказывается на качестве диалоговых информационных услуг. Тем не
менее, хотя вопрос о задержках при передаче через ГСР дебатируется уже
в течение многих лет, спутниковая телефония через ГСР находит широкое
практическое применение и пользуется спросом уже в течение более 3 де-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 395
сятилетий. Единственное, что исключается с точки зрения задержек, это
двухскачковый режим работы, а это с необходимостью требует
использования полной бортовой обработки радиосигналов, коммутации и
маршрутизации информационных потоков.
2. В СППСС на базе ГСР, в отличие от низкоорбитальных сетей,
отсутствуют возможности пространственного разнесения маршрутов передачи. Это
обстоятельство обуславливает необходимость работы при достаточно
больших углах возвышения ретранслятора над линией горизонта (не
менее 30°), что обеспечивает небольшую вероятность прерывания
соединений из-за затенения терминалов предметами окружающей обстановки.
Угол возвышения ГСР над горизонтом для точки земной поверхности,
расположенной на долготе подспутниковой точки ретранслятора и широте \|/,
определяется соотношением: у = arccos(sin\|//Vl,023 — 0,3cosi|/ ), из
которого следует, что услуги персональной подвижной связи при помощи ГСР
возможны лишь в приэкваториальном поясе шириной \|/ ~ +/-50°. Этот
пояс не так уж мал, его протяженность в меридианальном направлении
составляет примерно 11000 км, а площадь равна более 70% площади
поверхности Земли. «Обделенными» услугами качественной персональной
подвижной связи через геостационарные ретрансляторы оказываются в основном
Канада, станы Северной Европы и Россия. Заметим, что область
обслуживания может быть расширена до широт +/-1W, но в диапазоне 50°-70°
качество и удобство услуг персональной подвижной связи гарантировано
быть не может (возможно, для установления связи придется подыскивать
место прямой видимости ретранслятора). Но для других подвижных
служб препятствий к использованию нет.
3. СППСС на базе ГСР могут быть реализованы лишь с использованием
бортовых многолучевых приемопередающих антенн с весьма узкими лучами.
При фиксированной энергетике и пропускной способности абонентских
линий связи (фиксированном размере зон обслуживания) ширина луча 6Г
антенны ГСР должна быть примерно в hT/hH раз меньше, чем у
низкоорбитального ретранслятора на высоте /гг.
Рассмотрим требования к бортовым антеннам ГСР. Из соотношения A.2.2.5)
следует:
££L., B...4Л,
где а [град] — угловой размер зоны обслуживания,/ [ГГц] — рабочая частота абонентской
радиолинии, Рт [мВт] — выходная мощность пользовательского портативного терминала, GT —
коэффициент усиления антенны терминала, RT [кбит/с] — скорость передачи в абонентской линии, Тр
[°К] — шумовая температура приемной системы ретранслятора, h\ — пороговое отношение
сигнал/шум, L — потери (коэффициент запаса) в абонентской радиолинии.
Задавшись типовыми исходными данными: Рт = 350 мВт, GT = 3 дБ (или 2 раза),
Тр = 350 °К, Ад = 7 дБ (при использовании сверточного кода со скоростью {/2 и
двукратной ФМ вероятность ошибки на символ не более 10~5) энергетический
запас на условия связи L= 13 дБ (или 20 раз) получим, что при скорости передачи

396 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
4,8 кбит/с и рабочей частоте радиолинии «пользователь — ретранслятор» 1,6 ГГц
угловой размер зоны обслуживания составляет а = 6,4°, что соответствует
диаметру зоны обслуживания D ~ 700 км.
Ширина приемного луча бортовой антенны может быть найдена из
соотношения A.2.2.1):
9 - 180° - | - 2arctg(t-|^) - 1,1 [град].
На частоте 1,6 ГГц столь узкий луч может быть получен с использованием
антенны диаметром (соотношение 1.1.3.4):
D*J|-10,2[m].
Количество лучей т, необходимых для сплошного покрытия области
обслуживания равно A1000/700J = 240.
Таким образом, организация персональной подвижной службы на основе
геостационарных ретрансляторов возможна при реализации принципиально новых
ключевых технологических элементов: многолучевых бортовых антенн с
количеством лучей, достигающим нескольких сотен, и шириной каждого луча порядка
единиц и долей градуса, схем, эффективно перераспределяющих выходную
мощность между передающими лучами, а также бортовых процессоров,
осуществляющих демодуляцию/модуляцию сигналов, их декодирование/кодирование и
коммутацию пакетов на видеочастоте с использованием
коммутаторов/маршрутизаторов с числом входов/выходов, достигающим нескольких сотен [2.1.4.8].
В L и 5-диапазонах диаметры антенн, выбираемые исходя из приведенных
выше соображений, оказываются достаточно большими: более 10 м. Очевидно, что
антенны таких значительных размеров могут быть реализованы только в виде
раскладываемых в космосе конструкций. Рефлекторы должны быть легкими,
жесткими, иметь небольшой коэффициент температурных деформаций, иметь
незначительную погрешность отклонения от требуемой геометрической формы,
просто и надежно раскладываться, а межлучевые помехи антенн должны быть
минимальными. Для выполнения столь жестких требований современные
антенные конструкции предусматривают выполнение рефлекторов с высокой
отражательной способностью в виде сетки из тонкой позолоченной молибденовой
проволоки, натягиваемой на жесткий каркас из углепластика, армированного
для жесткости профилированными алюминиевыми стержнями. Для
увеличения коэффициента использования поверхности отражателей и снижения
межлучевой интерференции достаточно громоздкую решетку облучателей выносят
из фокуса антенного рефлектора. С этой же целью можно использовать две
антенны вместо одной, причем зоны обслуживания лучей от разных антенн
чередуются в области обслуживания в шахматном порядке. Что касается точности
изготовления рефлекторов, то, например, отражатель большой многолучевой
антенны ретранслятора ETS-VIII (эквивалентный диаметр более 15 м) имеет
среднеквадратическое отклонение формы поверхности от теоретически
идеальной, не превышающее 2,5 мм.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 397
Таблица 2.1.4.6
Основные характеристики региональных СППСС на базе
геостационарных ретрансляторов
Название
сети
(спутника)
Thuraya
ACeS
CelSAT
AGRANI
АРМТ
EAST
ETS-VIII
Число
CP
2
2
3
2
1
1
1
Диапазон частот абонентских
линий, ГГц
«вверх»
1,6265-1,6605
1,6265-1,6605
1,970-1,98
1,6265-1,6605
1,6265-1,6605
1,6265-1,6605
2,67-2,69
«вниз»
1,525-1,559
1,525-1,559
2,160-2,170
1,525-1,559
1,525-1,559
1,525-1,559
2,4835-2,5200
Число
каналов на
один СР
13750
11000
16000
16000
16000
14000
Н/д
Область

обслуживания
Ср. Восток,
Сев. Африка,
Вост. Европа
Юго-Вост.
Азия, Южн.
Китай
США
Африка,
Азия,
Вост. Европа
Китай
Африка,
Ср. Восток,
Юго-Вост.
Европа
Япония
и острова
Общая
стоимость
сети,
млрд.долл.
1,0
0,9
0,76
0,7
0,64
0,75
0,2
В целом следует отметить, что проблемы, связанные с изготовлением
больших раскрываемых на орбите бортовых антенн ГСР, обычно используемые
сторонниками низкоорбитальных группировок в качестве основного аргумента в
свою пользу, оказались сильно преувеличенными. Об этом свидетельствуют
данные таблицы 2.1.4.6 по проектам региональных СППСС с использованием ГСР.
Часть указанных проектов находится в стадии опытной эксплуатации, другие —
в непосредственной близости от этого этапа их развития.
Рассмотрим особенности некоторых систем.
СППСС Thuraya (владелец системы — Объединенные Арабские Эмираты)
разработан и реализован компанией Hughes Space and Communication (США)
[2.1.4.18]. Область обслуживания, простирающаяся от 100° в.д. до 20° з.д. с запада
на восток и от 60° с.ш. до 20° ю.ш. с севера на юг, охватывает около 100 стран
Среднего Востока, Северной и Центральной Африки, Восточной Европы и
Центральной Азии. Обслуживание осуществляется двумя ГСР с точками стояния 44° в.д.
Thuraya 1 — на первом этапе развертывания системы и 25° в.д. Thuraya 2 — на
втором этапе. Общий вид ГСР Thuraya показан на рис. 2.1.4.6 [2.1.4.26].
Пользовательский сегмент сети составляют портативные, мобильные и
полуфиксированные сухопутные, а также морские терминалы. Для целей персональной

398
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Рис. 2.1.4.6. Геостационарный
ретраснлятор СППСС Thuraya
Рис. 2.1.4.7. Внешний вид СР Garuda
подвижной связи используются двухрежимные портативные терминалы,
разработанные и изготовленные двумя производителями оборудования спутниковой
связи — Hughes Network Systems и Ascom. По массогабаритным характеристикам
и дизайну терминалы мало отличаются от обычных сотовых телефонов.
Основные характеристики портативных терминалов системы Thuraya приведены в
таблице 2.1.4.7.
Таблица 2.1.4.7
Основные характеристики портативных терминалов региональной СППСС Thuraya
Параметр
Конструкция антенны
Выходная мощность передатчика
Модуляция в абонентских линиях
Скорость передачи
Емкость встроенной ионно-литиевой
батареи питания
Максимальное время разговора от одной
зарядки батареи питания
Время работы в дежурном режиме от одной
зарядки батареи питания
Стоимость терминала
Значение
Четырехзаходная спираль
Автоматически регулируется в
зависимости от условий связи. Максимальное
значение 2 Вт
Двукратная ФМ
2,4; 4,8; 9,6 кбит/с
650/1200 мАч
2,4/4 час
34/63 час
1500 долларов США

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 399
Бортовой ретранслятор ГСР обеспечивает организацию прямой связи между
абонентами, работающими через разные лучи, что позволяет избежать двухскач-
кового режима. Для этого используется бортовой процессор сигналов и
коммутатор. Для Thuraya компания Hughes разработала уникальную антенную систему с
диаметром рефлектора 12,5 м, обеспечивающую формирование 250-300 узких
лучей. Это стало возможным благодаря использованию облучателя в виде активной
фазированной антенной решетки (рис. 1.1.11.15), каждый излучающий элемент
которой питается от отдельного усилителя с выходной мощностью около 17 Вт.
Применение полностью цифрового блока формирования лучей позволяет изменять
конфигурацию лучей в области обслуживания, включать и выключать в случае
необходимости дополнительные лучи, эффективно перераспределять суммарную
выходную мощность ретранслятора между отдельными передающими лучами,
что позволяет адаптироваться к изменениям трафика в сети. В один из передающих
лучей может отводиться до 20% суммарной мощности передатчика.
Энерговооруженность ГСР позволяет обеспечить в абонентских радиолиниях энергетический
запас не менее 10 дБ, что необходимо для адаптации к возникающим во время
движения резко меняющимся условиям связи. Большое количество лучей позволяет
обеспечить коэффициент многократного использования радиочастот около 30.
Пропускная способность ретранслятора Thuraya составляет 13750
эквивалентных полудуплексных (симплексных) каналов со скоростью передачи 4,8 кбит/с.
Стартовая масса ГСР равна 5250 кг (масса на орбите составляет 3200 кг),
расчетный срок службы составляет 12-15 лет. Энергоотдача панелей солнечных
элементов с размахом 34 метра равна в начале срока службы 13 кВт и падает к
его концу до 11 кВт.
Абонентские линии работают в выделенной для ГСР полосе частот 34 МГц
I-диапазона, а для фидерных линий выбран диапазон 6/4 ГГц.
Ожидается, что полностью развернутая система Thuraya сможет обслуживать
до 1750 тыс. пользователей при средней продолжительности разговоров каждого
5 минут в сутки.
СППСС ACeS (Asia Cellular Satellite System) [2.1.4.21, 2.1.4.23-25]. Эта
система разработана компанией Lockheed Martin для предоставления услуг связи на
азиатском рынке в дополнение к существующей там наземной
телекоммуникационной структуре. Основная цель ACeS — обеспечение телефонной связью
клиентов на выгодных для них условиях там, где развертывание наземной сотовой
сети экономически не оправданно. Услуги ACeS включают передачу речи,
данных и факсимильных сообщений и предоставляются через портативные
фиксированные терминалы. При нахождении пользователя вне зоны охвата сотовой
сети терминал автоматически переадресовывает вызовы на один из двух СР
GARUDA созданных на базе самой мощной платформы А2100 фирмы Lockheed
Martin. Ретрансляторы GARUDA имеют срок службы не менее 12 лет, стартовую
массу 4400 кг и энергопотребление 4 кВт. Внешний вид СР приведен на
рис. 2.1.4.7 [2.1.4.27]. Первый ретранслятор сети ACeS успешно выведен в точку
стояния 123° в.д. в начале 2000 г. Второй A18° в.д.) обеспечит область покрытия,
включающую Ближний Восток, Африку и Европу.
Антенная система СР GARUDA состоит из двух независимых антенн
(приемной и передающей), каждая из которых имеет отражатель диаметром 12 метров.

400 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
При помощи пассивной аналоговой диаграммообразующей схемы решетка из 88
облучателей формирует 140 узких фиксированных лучей [2.1.4.22].
Таким образом, в последнее десятилетие теоретически обоснована и
практически доказана возможность создания СППСС, обеспечивающих глобальное
(или почти глобальное) обслуживание земной поверхности, а также
избирательное обслуживание населенных частей суши при достаточно высоком качестве и
широком спектре предоставляемых информационных услуг. Очевидно, что с
технической точки зрения анонсированные и реализованные проекты СППСС
отражают передовые рубежи современной науки, техники и технологии и
позволяют обеспечить количественный и качественный скачок на пути к глобальной
информационной инфраструктуре.
Не менее очевидна и коммерческая неудача появившихся на рынке
коммуникационных услуг низкоорбитальных СППСС. Показательна в этом отношении
судьба проекта Iridium. СППСС Iridium, обошедшаяся в 5 млрд. долларов, была
введена в коммерческую эксплуатацию в ноябре 1998 г. В течение первых шести
месяцев работы было зарегистрировано немногим более 10 тысяч клиентов вместо
планируемых 400-500 тысяч, которые бы обеспечили окупаемость сети. В
результате были нарушены платежные обязательства перед инвесторами, долги по проекту
превысили 3 млрд. долларов и уже осенью 1999 года Iridium был объявлен
банкротом, а в марте 2000 г. было объявлено о прекращении предоставления
информационных услуг и намерении физического уничтожения орбитальной
группировки ретрансляторов [2.1.4.28]. Правда, до ликвидации дело не дошло, поскольку МО
США с целью предоставления армии неограниченного доступа к услугам
персональной спутниковой связи официально обязалось выплачивать компании Iridium на
поддержание орбитальной группировки в рабочем состоянии по 36 млн. долларов
в год вплоть до исчерпания планового технического ресурса спутников.
Финансовый крах Iridium больно ударил и по конкурирующим спутниковым компаниям,
таким как ICO и Globalstar, что проявилось в резком сокращении инвестиций.
Сложившуюся ситуацию можно объяснить следующими основными причинами:
1. Неприемлемо высокие для рядовых пользователей стоимость абонентских
терминалов и тарифы. Дороговизна низкоорбитальных СППСС
объективно отражает чрезвычайно высокую сложность, насыщенность и избыточность
оборудования их космического и наземного сегментов, а также
значительные эксплуатационные расходы на развертывание орбитальной
группировки и поддерживание её в работоспособном состоянии, что в конечном
итоге увеличивает стоимость услуг. Даже несмотря на демпинговую
политику, проводимую операторами низкоорбитальных ССС, стоимость
портативных пользовательских терминалов составляет 750-1500 долларов, а
тариф в среднем — 1-2 доллара за минуту.
Общая стоимость региональных СППСС на базе ГСР оказывается в 2-
5 раз ниже низкоорбитальных, однако цены и тарифы для пользователей
остаются, по крайней мере на этапе опытной эксплуатации, на неизменно
высоком уровне.
Поэтому, несмотря на то, что альтернативного подхода к решаемым
СППСС задачам, по-видимому, не существует, число желающих в мире

2.1.
90
60
30
0
-30
-60
-90
Место и роль спутниковых сетей связи
Северная Америк;
1
4
3
1
3
2
1
-150
3
4
3
3
5
7
3
-120
3
5
5
5
3
5
4
3
3
3
-90
i
5
2
1
5
6
5
1
2
1
3
7
5
6
2
-60
1
1
1
5
4
2
Южная Америка
Номер зоны
Интенсивность трафика
(в % от среднемировой)
1
5
в инфотелекоммуникационных структурах
Европа
1
1
1
-30
1
6
8
6
3
2
20
3
7
8
6
5
2
2
0°
4
5
8
6
3
4
6
3
Африка
3
50
3
5
4
7
4
5
3
30
2
5
7
7
2
2
4
100
401
Азия
2
5
6
7
1
60
3
5
6
7
4
5
300
3
4
7
7
6
90
(
3
4
7
6
5
4
3
3
4
5
1
5
4
4
2
120
Экеанш
6
600
3
5
6
4
3
i
7
750
3
1
2
150
2
1
8
1000
Рис. 2. У.4.6*. Распределение общемирового трафика по земной поверхности
воспользоваться услугами персональной подвижной спутниковой службы
намного отстает от наиболее пессимистических прогнозов, что не
позволяет говорить даже об окупаемости систем. В результате возникает
противоречие, заключающееся в том, что для снижения стоимости
пользовательского оборудования необходима массовость производства, стимулируемая
массовостью спроса, который, к сожалению, пока отсутствует.
2. Около 90% территории Земли или покрыто водой, или практически
необитаемо, или обитаемо, но с очень низким уровнем благосостояния общества.
Потребность связи и интенсивность общения между двумя удаленными
персонами прямо пропорциональны произведению коэффициентов,
характеризующих уровень материального благосостояния этих персон, и
обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними [2.1.4.19].
Согласно логике этого закона, большая часть населения Земли вообще не должна
испытывать особой потребности не только в подвижной персональной, но
и в какой-либо дистанционной связи. На рис. 2.1.4.8. показано
распределение общемирового трафика по земной поверхности [2.1.4.29]. Можно
ожидать, что определенный процент (по публикуемым оценкам — от 3 до
10%) источников и потребителей этого трафика будет нуждаться в услугах
СППСС. Из рис. 2.1.4.8 видно, что распределение потребности в услугах
связи по поверхности Земли крайне неравномерно. В каждой из
выделенных на рисунке зон интенсивность трафика может колебаться в пределах

402
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
от 0 до 1000% от среднемирового уровня. В таблице 2.1.4.8 приведено
соотношение между долей мирового трафика и соответствующей ей долей
земной поверхности.
Соотношение между долей мирового трафика
и соответствующей долей земной поверхности
Таблица 2.1.4.8
% площади поверхности Земли
% мирового трафика
4
30
8
55
16
88
22
94
36
99,7
42
100
Как следует из таблицы, всего 16% поверхности Земли «поглощают» чуть
менее 90% мирового трафика, а более 40% этой поверхности образуют «зону
молчания».
Крайне неравномерно и суточное распределение трафика по часам. В таблице
2.1.4.9 приведены осредненные значения доли трафика в зависимости от
местного времени суток.
Таблица 2.1.4.9
Суточное распределение трафика по часам
Местное
время, час
% суточного
трафика
6-7
5
8-9
18
10-11
23
12-13
13
14-15
15
16-17
14
18-19
5
20-21
3
22-23
2
Ночь
2
Наблюдается и менее выраженное колебание трафика по дням недели.
Представление о потребности в дальней межконтинентальной связи дает таблица
2.1.4.10, в которой показано взаимное «тяготение» выделенных на рис. 2.1.4.8
регионов [2.1.4.20].
Таблица 2.1.4.10
Потребность в межрегиональной связи
(в процентах от суммарного трафика в регионе)
Отправитель
Северная Америка
Европа
Азия
Южная Америка
Африка
Океания
Получатель
Северная
Америка
85
4
5
7
5
5
Европа
4
85
5
1
7
2
Азия
4
4
83
2
4
7
Южная
Америка
3
3
1
81
2
1
Африка
2
3
2
2
81
1
Океания
2
1
4
1
1
84

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 403
СППСС, базирующиеся на орбитальных группировках негеостационарных
ретрансляторов, принципиально обеспечивают равномерное глобальное или
почти глобальное (за исключением приполярных областей) покрытие земной
поверхности. При этом пропускная способность каждого ретранслятора должна
выбираться исходя из требований обслуживания районов с максимальным
трафиком, а пропускная способность сети в целом используется неэффективно.
Приведенные выше данные показывают, что пропускная способность
негеостационарных СППСС может быть использована лишь на 20-30%. Это, в частности,
и обуславливает высокую стоимость предоставляемых услуг связи. С этой точки
зрения СППСС, использующие геостационарные ретрансляторы, выглядят
предпочтительнее. Неподвижность ГСР относительно земной поверхности позволяет
«сфокусировать» их пропускную способность на регионы, реально нуждающиеся
в информационных услугах, а концентрация связных ресурсов в сети в одном или
нескольких ретрансляторах позволяет эффективно перераспределять эти
ресурсы между отдельными небольшими зонами обслуживания в соответствии с их
текущими потребностями, например, учитывать неравномерность трафика в
течение суток.
2.1.5. Особенности технологии сетей VSAT
Появление новых технологий в микроэлектронике и радиотехнике привело к
тому, что в середине 80-х годов на мировом рынке появились довольно
малогабаритные и относительно недорогие земные станции, получившие название VSAT
(Very Small Aperture Terminal), а спутниковые сети связи, построенные на базе
таких станций, получили название VSAT-сети.
По формальному признаку сетью VSAT является любая сеть связи, в которой
задействованы земные станции с небольшими антеннами. Однако есть ряд
признаков, позволяющих выделить сети VSAT из всего многообразия ССС:
• сети VSAT относятся к классу сетей фиксированной спутниковой службы;
• космический сегмент сетей VSAT базируется на ресурсах
геостационарных СР с непосредственной ретрансляцией и с приемо-передающими
антеннами с глобальным или национальным лучом;
• сети VSAT являются в основном корпоративными (ведомственными)
сетями;
• диаметр антенн терминалов сетей VSAT не превышает 4 метров.
Сети VSAT позволяют решить проблему информационного обеспечения
федеральных и муниципальных органов, армии, силовых и таможенных структур,
государственных и частных промышленных, добывающих и торговых компаний
и корпораций, финансовых и банковских структур, поддерживая:
• телефонную связь,
• передачу данных и факсов,
• диспетчерское управление,
• сбор телеметрической информации,

404 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• контроль расходования ресурсов,
• передачу файлов, программных продуктов и т.п.,
• циркулярную передачу речи и видео.
Перечислим лишь некоторые конкретные приложения сетей VSAT [2.1.5.1-
2.1.5.3]:
1. Обеспечение связи с отдаленными и труднодоступными районами, а также
с районами, лишенными заметной наземной инфраструктуры:
— связь регионов с центром страны или с местными
административно-хозяйственными органами;
— телефонизация сельской местности;
— информационная поддержка медицинского обслуживания населения;
— поддержка сети Интернет для сельских школ и т.д.
2. Управление воздушным движением: связь между аэропортами, надежная
передача речи и данных между пунктами контроля и управления,
центральными офисами и воздушными судами в полете.
3. Банки и страховые компании: передача платежной информации, снятие
выручки с банковских кассовых аппаратов, обеспечение банковских транзакций.
4. Розничная торговля: обслуживание сотен и тысяч торговых точек, таких
как сети супермаркетов и аптек, обеспечение операций с кредитными
карточками, переучет товаров, сводок о выручке, объемах продаж и
покупательском спросе.
5. Добыча и транспортировка нефти и газа: дистанционный контроль
трубопроводов, снятие информации с компрессорных станций, связь с районами
добычи.
6. Обеспечение тысяч автозаправочных станций: централизованный сбор
информации о выручке, авторизация кредитных карточек, контроль расхода
нефтепродуктов.
7. Транспорт: централизованный контроль продажи авиационных и
железнодорожных билетов и загруженности транспортных средств.
8. Информационная поддержка проведения национальных лотерей.
9. Сфера обслуживания: организация бронирования мест в гостиницах,
мотелях, местах отдыха, прокат автомобилей и т.д.
По топологическим признакам можно выделить сети VSAT с радиальной или,
что то же самое, топологией «звезда» (Star) и с полносвязной топологией, или
«каждый с каждым» (Mesh).
Применение радиальной топологии (рис. 2.1.5.1) предусматривает наличие
центральной земной станции (ЦЗС, HUB-station), которая обеспечивает
управление трафиком и работой всех компонентов, а также в случае необходимости
выполняет роль шлюзовой станции при сопряжении с внешней
инфраструктурой связи. Первые сети VSAT с топологией «звезда» появились в 1985 году, а
сейчас во всем мире их насчитывается около 3 тысяч. Информационный обмен
между периферийными ЗС обеспечивается по двухскачковой схеме «ЗС-ГСР-
ЦЗОГСР-ЗС». Оценим взаимосвязь между параметрами ЗС и ЦЗС. Поскольку
в сети обычно задействованы десятки и сотни терминалов VSAT, то экономиче-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 405
1
L As
А/.
входящие каналы
(от ЗС)
2
3
/2
1
А/и
исходящие каналы
(от ЦЗС)
2
3
ЗС Н И ЦЗС U И ЗС
ЗС
ЗС
ЦЗС
Рис. 2.1.5.1. Радиальная топология сети VSAT
ски выгодно делать их по возможности более дешевыми, используя простые и
небольшие антенны и передатчики с малой выходной мощностью. Рассмотрим
звено «ЗС-ГСР-ЦЗС». Результирующее отношение сигнал/шум h2 на входе
приемника ЦЗС с учетом переизлучения при непосредственной ретрансляции
шумов на линии связи ЗС-ГСР в радиолинию ГСР-ЦЗС и отбора мощности
бортового передатчика может быть определено из соотношения A.1.9.1):
*»--ЙН
B.1.5.1)
Откуда получим:
h\ k(k-l)h2'
B.1.5.2)
где h\ — отношениесигнал/шум в радиолинии ЗС-ГСР, h\ — отношениесигнал/шум в
радиолинии ГСР-ЦЗС без учета переизлучения шумов первой линии, Н\ = kh2, k > 1, k — коэффициент
запаса линии ЗС-ГСР по отношению сигнал/шум.
Снизить требования к ЭИИМ земной станции (терминала VSAT) при
фиксированных значениях добротности приемной системы ретранслятора (G/T)p и
его эквивалентной изотропно-излучаемой мощности ЭИИМр можно, предельно
снизив запас по энергетике радиолинии ЗС-ГСР, компенсировав это снижение

406 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
путем увеличения энергетического запаса в радиолинии ГСР-ЦЗС, используя
достаточно большую антенну ЦЗС. Если, например, на входе приемника ЦЗС
требуется обеспечить результирующее отношение сигнал/шум h2 = 5, а величина
k = 1,1 (запас по энергетике в радиолинии ЗС-ГСР всего 10%), отношение сигнал/
шум в радиолинии ГСР-ЦЗС в соответствии с B.1.5.2) должно быть в 11,8 раза
больше, чем в линии ЗС-ГСР. Это может быть достигнуто выбором диаметра
антенны ЦЗС примерно в 3,4 раза больше, чем у терминала VSAT. При передаче
информации в направлении от ЦЗС к ГСР за счет увеличения коэффициента
усиления антенны центральной станции значительный энергетический запас
обеспечивается в радиолинии ЦЗС-ГСР, что позволяет работать в радиолинии
ГСР-ЗС с небольшим запасом на малую приемную антенну. Поскольку ЦЗС
должна быть многоканальной и доводить информацию до всех абонентов сети,
её мощность должна быть примерно в число каналов раз п больше мощности
периферийных VSAT. Поскольку ЦЗС коммутирует все информационные потоки,
проходящие по сети, и координирует работу всех остальных VSAT, то выход её
из строя приводит к полному отказу всей сети в целом. Поэтому к надежности
ЦЗС предъявляются повышенные требования, что обеспечивается
резервированием основных узлов станции. Таким образом, в сетях VSAT с радиальной
топологией необходима сложная и дорогая ЦЗС, оборудованная большой
следящей антенной, мощным передатчиком и сложной резервированной аппаратурой,
а сложность и стоимость периферийных станций VSAT оказывается
минимальной. При большом числе ЗС стоимость центральной станции распределяется
между ними, поэтому наличие ЦЗС не является недостатком и не приводит к
удорожанию сети в целом. Реальные недостатки топологии «звезда» связаны с тем,
что в такой сети все потоки данных проходят через ЦЗС, следовательно, при
взаимодействии двух терминалов VSAT передаваемые между ними данные
дважды проходят через ретранслятор, поэтому:
1. Возникает относительно большая задержка сигнала, порядка 600 мс,
которая делает сети данного типа малопригодными для телефонной связи, но
не оказывает негативного влияния на обмен данными.
2. Если в сети превалирует обмен данными между ЗС, а функции ЦЗС
сводятся к приему, перекоммутации и распределению информационных потоков,
плохо (на 50%) используется частотный и энергетический ресурс
ретранслятора. Если же в сети преобладает однонаправленная передача
информации, то связные ресурсы ретранслятора используются намного лучше.
Таким образом, исходя из рассмотренных преимуществ и недостатков, можно
сформулировать основные приложения обсуждаемых сетей: сети VSAT с
радиальной топологией целесообразно и экономически обоснованно применять при
большом количестве периферийных терминалов, отсутствии необходимости
услуг телефонии и других диалоговых приложений, преимущественно
направленной передаче данных, например, в сетях сбора информации. Радиальная
топология идеально приспособлена для централизованного контроля и предотвращения
несанкционированного информационного обмена между терминалами.
Полносвязные сети VSAT (рис. 2.1.5.2) предусматривают непосредственный
обмен информацией между периферийными терминалами. При этом необходи-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 407
служебный
канал
информационные каналы
<—z ►
4 >
1
2
3
4
/2
Координирующая
ЗС
ЗС
Рис. 2.1.52. Полносвязная топология сети VSAT
мость в большой ЦЗС отпадает, а функции по управлению информационного
обмена в сети и распределению ресурсов возлагаются на координирующую
станцию, в качестве которой может выступать любая из ЗС сети при условии
доукомплектации её соответствующими аппаратно-программными средствами.
Это дает возможность обеспечить более высокую степень отказоустойчивости по
сравнению с топологией «звезда». В полносвязной сети каналы связи
устанавливаются между одинаковыми VSAT. В этом случае желательно иметь в
радиолиниях ЗС-ГСР и ГСР-ЗС одинаковый энергетический запас h\ =h\, поэтому
диаметры антенн терминалов при прочих равных условиях (пропускная
способность канала, пороговое отношение сигнал/шум) оказываются ориентировочно
в л/2 больше, чем в сетях с радиальной топологией. Соответственно, выше и
стоимость терминалов VSAT.
Глобальный характер используемых приемо-передающих лучей
ретранслятора позволяет совместить достоинства рассмотренных топологией в смешанных
сетях VSAT, которые строятся таким образом, что передача данных
осуществляется по схеме «звезда», а телефония — по полносвязной схеме.
Космический сегмент сетей VSAT образуют арендуемые на долговременной
и постоянной основе у операторов ССС каналы связных ГСР общего назначения.
При выборе ГСР необходимо учитывать следующие факторы:
• область обслуживания ретранслятора, которая должна по возможности
более точно «покрывать» территорию, на которой развертывается сеть;

408
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
наружный
блок
антенна
L t-—-^

приемопередатчик
внутренний блок
Модем
Процессор
Блок управления
Контроллеры
Персональный
компьютер
Телефон
Факс
Рис. 2.153. Типовой состав абонентской станции VSAT
• добротность приемной системы ретранслятора (G/T)p, его эквивалентная
изотропно-излучаемая на ствол мощность ЭИИМр, полоса пропускания
ствола AFp;
• стоимость аренды связных ресурсов ретранслятора.
Сети VSAT работают в стандартных диапазонах спутниковой связи С и Ки, а
в последнее время и в Ка -диапазоне. Использование Ки и Ка -диапазонов
обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость с наземными
радиорелейными линиями и дает возможность увеличить ЭИИМ ретранслятора, что позволяет
использовать антенны меньшего диаметра @,8-1,8 м в Ки -диапазоне, 0,4-0,7 —
в Ка). Основным недостатком диапазонов Ки и Ка является резкая зависимость
затухания сигналов на трассе от состояния атмосферы, что приводит к снижению
коэффициента готовности каналов и доступности сети. Этот недостаток может
быть скомпенсирован, как было указано выше, увеличением энергетического
потенциала радиолиний на 5-10 дБ, но при этом, естественно, увеличивается
стоимость сети.
В состав типичной интерактивной сети VSAT входят: совокупность
фиксированных необслуживаемых станций VSAT, размещенных непосредственно у
пользователей; ЦЗС; ГСР; центр управления сетью (ЦУС), обычно территориально
совмещенный с ЦЗС.
VSAT включает в себя антенную систему, наружный {ODU — OutDoor Unit}
и внутренний {IDU — InDoor Unit} блоки (рис. 2.1.5.3) [2.1.5.4]. Антенная
система состоит из параболического отражателя, рупорного облучателя,
поляризатора и дуплексера, обеспечивающего развязку передаваемого и принимаемого
сигналов. В состав наружного блока входят малошумящий усилитель, обычно
располагаемый в непосредственной близости от антенного облучателя, транзи-

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 409
сторный усилитель мощности, преобразователи частоты. Наружный блок
соединяется с внутренним посредством единственного коаксиального кабеля длиной
до 100 метров. Внутренний блок обычно размещается в пользовательском офисе.
Он содержит модем, цифровой процессор, блок управления и источник питания.
Процессор обеспечивает интерфейс между периферийным терминальным
оборудованием (телефон, факс, компьютер, оборудование для проведения
видеоконференций) и VSAT. Он осуществляет согласование различных протоколов
пользователей с внутренними протоколами сети и поддерживает используемый
протокол множественного доступа к ретранслятору. Стоимость VSAT благодаря
массовому производству основных элементов непрерывно снижается.
ЦЗС является узловым элементом сети и полностью контролирует ее
функционирование. Как было сказано ранее, для обеспечения высокой надежности в
аппаратуре ЦЗС широко используется резервирование на различных
функциональных уровнях. ЦЗС содержит 3 основных блока: радиочастотный, модемный и
интерфейсный. Радиочастотный блок включает в себя стандартную следящую
антенную систему, усилители мощности, малошумящие усилители,
преобразователи частоты.
Микропроцессорный интерфейсный блок выполняет следующие типовые
функции: обеспечивает интерфейс с модемным блоком, главным компьютером и
ЦУС, осуществляет согласование протоколов главного компьютера (mainframe)
с внутренними протоколами сети, анализирует принимаемую по входящим
каналам информацию и осуществляет положительное квитирование правильно
принятых пакетов, поддерживает протокол множественного доступа к ГСР [2.1.5.5].
Управление сетью обычно осуществляется при помощи системы аппаратно-
программных средств, обеспечивающей доступ операторов к общесетевым
ресурсам, контроль, фиксацию и отображение общего текущего состояния сети в
целом и ее аппаратных средств, измерение характеристик, интерфейс между
аппаратурой операторов сети, ЦЗС и VSAT. Для организации группового потока
(речь, данные, факс и т.д.) используются мультиплексоры, осуществляющие
временное уплотнение сигналов, и концентраторы доступа, предназначенные для
пакетной передачи информации. Эти устройства имеют соответствующие
интерфейсы для подключения телефонных и цифровых каналов, потоков Е1, ЛВС и
т.д. по протоколам G.703, V.35, V.36, Ethernet и др.
При организации многостанционной работы периферийных терминалов VSAT
через общие для них связные ресурсы ГСР используют рассмотренные в разделе
1.1.9 способы уплотнения каналов: ЧРК (FDMA), BPK (TDMA) и РКФ (CDMA).
Возможные способы многостанционной передачи для случая четырех каналов
графически показаны на рис. 2.1.5.4.
При ЧРК все активные ЗС работают одновременно в непрерывном режиме,
поэтому на 100% используется их энергетический ресурс. Передатчик же
ретранслятора в этом случае работает в многосигнальном режиме и для
обеспечения приемлемого уровня интермодуляционных искажений его мощность
используется всего на B5-50)%. Поэтому применение ЧРК целесообразно в
первую очередь при большом числе терминалов VSAT (более 100), когда
относительно низкая стоимость каждого из них дает экономический эффект,
несмотря на неэффективное использование дорогостоящих связных ресурсов

410
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
канал 1
канал 2
канал 3
канал 4
1 ►
канал 1
в) ЧРК - ВРК
Л
к
к
к
1
2
3
4
4
1
2
3
3
4
1
2
2
3
4
1
►
►
te»
г) ЧВУ (РКФ)
Рис, 2.1.5.4. Способы многостанционной передачи.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 411
ретранслятора. Существенным недостатком ЧРК является сложность
перераспределения пропускной способности ГСР между ЗС, поскольку для этого
необходимо изменять тактовые и рабочие частоты. Если же делать ЗС
многоканальными, то их передатчики начинают работать в многосигнальном режиме и падает
эффективность использования их выходной мощности. Плохо и то, что при ЧРК
в процессе функционирования сети необходимо автоматически регулировать
выходную мощность передатчиков ЗС таким образом, чтобы обеспечить равенство
мощностей сигналов ЗС на входе приемников ретранслятора, что приводит к их
усложнению и удорожанию. Отметим, что в литературе по сетям VSAT режим
ЧРК часто называют используемым в телефонии режимом «один канал на
несущую» (SCPC).
В противоположность ЧРК при ВРК станции работают поочередно в
импульсном режиме, поэтому при прочих равных условиях пиковая мощность их
передатчиков должна быть в число уплотняемых каналов п раз больше, чем при
ЧРК, что является существенным недостатком ВРК. Отмеченные выше недостатки
частотного уплотнения снимаются — полностью используются энергоресурсы
СР, резко снижаются требования к регулировке мощности передатчиков ЗС,
просто осуществляется перераспределение пропускной способности
ретранслятора между ЗС в пределах от 0 до 100% путем выделения каждой станции
соответствующего количества временных слотов в кадре передачи.
Определенный компромисс между достоинствами и недостатками ЧРК и ВРК
достигается при использовании комбинации частотного и временного
уплотнения ЧРК-ВРК (MF-TDMA). В этом случае п каналов сети разбиваются на т
групп. Каждой группе присваивается своя рабочая частота, а в пределах групп
осуществляется временное уплотнение. При этом в п/т раз по сравнению с ВРК
снижаются требования к пиковой мощности передатчиков ЗС, но во столько же
раз уменьшается возможность перераспределения пропускной способности
ретранслятора между каналами связи.
При РКФ разделение каналов осуществляется при помощи внутрисимволь-
ной манипуляции различными кодирующими последовательностями (DSS-CD-
МА) или частотно-временного уплотнения (ЧВУ) с использованием «скачков»
по частоте (FH-CDMA или, что то же самое, FTDMA). Сети с РКФ чаще
используются в диапазоне С, поскольку при разделении по форме за счет
избыточного расширения полосы частот обеспечивается уменьшение плотности потока
мощности сигнала у поверхности Земли в регламентированной полосе частот,
что позволяет уменьшить размеры антенн терминалов VSAT. Достоинство и
недостатки РКФ подробно рассмотрены в разделе 1.1.9.3.
В сетях с радиальной топологией необходимо также уплотнять сигналы для
разных ЗС в прямом канале от ЦЗС. Поскольку в этом случае энергоресурсы
передающей стороны сконцентрированы в одном месте, то оптимальным
решением, обеспечивающим полное использование мощности передатчиков ЦЗС и ГСР,
является использование временного уплотнения (TDM).
В зависимости от характеристик обслуживаемого трафика в сетях VSAT
используются все известные разновидности протоколов множественного доступа к
каналам связи. Если передаваемые потоки имеют непрерывный и постоянный во
времени характер, то применяются протоколы фиксированного доступа (РАМА

412
Часть 2, Использование ССС в новых информационных технологиях
или, что то же самое, FAMA). При передаче пульсирующих потоков коротких
сообщений, например в сетях сбора информации, используются протоколы
случайного множественного доступа (RAMA), в основном S-Aloha В случае
пульсирующих потоков «длинных» сообщений применяют протоколы с
предоставлением каналов по требованию (DAMA), причем в запросных каналах наиболее
часто используется протокол S-Aloha или его разновидности. При совместной
передаче телефонии и данных с целью более полного использования пропускной
способности канала связи практикуется заполнение пауз речевого сигнала,
составляющих около 60% времени, потоками передаваемых данных. Детальный
анализ характеристик протоколов множественного доступа и областей их
применения приведен в разделе 1.1.10.
В таблице 2.1.5.1. в качестве примера приведены основные характеристики
аппаратуры, предлагаемой фирмами, специализирующимися в области
производства терминалов VSAT [2.1.5.6, 2.1.5.7].
Таблица 2.1.5.1
Основные характеристики станций VSAT различных фирм
Фирма-
производитель
Hughes Network
Systems
NSI
Communications
NEC
Gilat
Clarent
Модель
PES
HES
VSAT
Plus II
Nextar
AA/TDMA-
BOD
SkyStar
Advantage
FareWay
SkyPerformer
Максимальное
кол-во
периферийных
терминалов
12000
12000
255
300
34000
8000
16
Максимальная
скорость
передачи от
VSAT, кбит/с
56
128
2048
256
128
128
2048
Топология
Радиальная
Смешанная

Полносвязная
Смешанная
Радиальная

Полносвязная
Радиальная
Разделение
каналов
ВРК
ВРК
ЧРК-ВРК
ВРК
ЧВУ
ЧВУ
ЧРК
Производители станций VSAT придерживаются модульного принципа их
комплектации, обеспечивая широкую номенклатуру диаметров антенн и
мощностей передатчиков, что позволяет удовлетворить разнообразным требованиям к
пропускной способности каналов связи, диапазону частот, характеристикам
приемо-передающей аппаратуры ретрансляторов, условиям эксплуатации.
Например, VSAT PES фирмы HNS — мирового лидера в области оборудования
спутниковой связи — может работать в диапазонах С и Ки. В Ки- диапазоне
возможно использование антенн диаметром 0,75; 1,0; 1,2 и 2,4 метра, а мощность
передатчика может быть выбрана равной 0,5; 1,0 или 2,0 Вт. При этом скорость
передачи от VSAT к ЦЗС может быть установлена в диапазоне A,2-64) кбит/с.
При принятии решения об использовании VSAT-технологии ключевым
вопросом является стоимость предоставляемых услуг связи, которая должна быть

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 413
не выше того же набора информационных услуг, получаемых на основе аренды
наземных каналов связи (если, конечно, вариант использования наземных
каналов физически реализуем). Практика показывает, что даже для маломасштабных
сетей использование VSAT-технологии в ряде случаев экономически
предпочтительнее.
Стоимость сети VSAT складывается из следующих основных составляющих:
• суммарной стоимости периферийных терминалов;
• стоимости ЦЗС (при наличии таковой);
• стоимости развертывания сети, включающей проведение проектно-строи-
тельных работ, доставку, монтаж и наладку оборудования;
• стоимости аренды связных ресурсов ретранслятора;
• стоимости технического обслуживания.
Оценки стоимости сетей VSAT, полученные по данным зарубежных
компаний и аналитических обзоров, приведены в [2.1.5.8].
Стоимость VSAT колеблется в широких пределах в зависимости от размеров
антенны, мощности передатчика и функциональных возможностей.
Наблюдается тенденция снижения стоимости терминалов, что объясняется расширением
масштабов производства и концепцией модульности их конструктивного
исполнения. В таблице 2.1.5.2 приведена динамика изменения усредненных цен на од-
ноканальные терминалы простейшей конфигурации ^-диапазона,
оборудованные антеннами диаметром около 1 метра.
Таблица 2.1.5.2
Динамика изменения усредненных цен на VSAT
Год
1985
1990
1995
2000
2005
(прогноз)
Средняя стоимость одной станции VSAT
(тыс. долл.)
Радиальная топология
18
14
9
7
6
Полносвязная
топология
55
28
15
10
Число станций
10000
75000
240000
500000
900000
Стоимость ЦЗС пропорциональна уровню её надежности и количеству
поддерживаемых станций периферийных терминалов. Эта величина значительна и
составляет около 1 млн. долларов. Снижение стоимости ЦЗС замедляется в
связи с тенденцией к росту числа абонентских станций. Уменьшение относительных
затрат на ЦЗС возможно несколькими компромиссными путями:
• сокращением уровня избыточности оборудования, что неизбежно
приведет к снижению надежности ЦЗС и сети в целом;

414 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• уменьшением размеров ЦЗС, что приводит к росту сложности и стоимости
абонентских терминалов;
• коллективным использованием оборудования и интеллектуальных
ресурсов единственной ЦЗС одновременно несколькими сетями VSAT, что,
если не принимать во внимание административные вопросы, с технической
точки зрения представляется весьма перспективным решением.
Арендная плата за частотный ресурс ГСР зависит от его технических
характеристик и обслуживаемого региона, но в любом случае составляет заметную
часть стоимости сети в целом. Например, долговременная аренда 1 МГц полосы
частот ствола в С-диапазоне обходится ориентировочно в 30 тыс. долларов в год,
а в диапазоне Ки — 40 тыс. долларов в год.
Для маломасштабных сетей VSAT с количеством терминалов не более 100 в
их общей стоимости превалирует стоимость ЦЗС и космического сегмента, а при
числе VSAT более 200 — эти затраты соизмеримы.
Стоимость развертывания сети VSAT и стоимость технического
обслуживания составляют соответственно в среднем величину порядка 50% и 10% от общей
стоимости оборудования.
Таким образом, популярность и широкое распространение сетей VSAT
объясняется рядом их ценных для пользователей качеств:
1. Широтой охвата территории и гибкостью конфигурации. Один ГСР с
глобальным приемопередающим лучом в состоянии обслужить почти треть
всей земной поверхности. Это позволяет использовать его для создания
крупномасштабных сетей связи с узлами, распределенными по
обширнейшей территории. Действующие сети VSAT достаточно легко и
относительно недорого расширить или реконфигурировать в соответствии с
требованиями пользователей.
2. Возможностью использования цифровых каналов связи в широком
диапазоне пропускных способностей, что позволяет пользователям построить сеть,
наиболее полно соответствующую требуемым информационным услугам
и их качеству при минимальных затратах. Пропускная способность
каналов связи между современными терминалами VSAT может лежать в
пределах от 16 кбит/с до 2 Мбит/с, а суммарная пропускная способность
канала, исходящего от источников информационных ресурсов, простирается
от нескольких сотен кбит/с до нескольких десятков Мбит/с.
3. Высоким качеством передачи данных. Большинство сетей VSAT
подавляющую часть своего рабочего времени обеспечивают вероятность
ошибочного приема двоичного символа не более 10~6.
4. Эффективным и сравнительно экономичным решением проблемы
«последней мили». Терминалы VSAT обычно устанавливаются вблизи
рабочих мест пользователей и достаточно просто соединяются с их оконечным
оборудованием и информационными системами.
5. Возможностью интегрального обслуживания. В одной сети VSAT можно при
необходимости совместить передачу данных, речи и видео. Средства VSAT
поддерживают разнообразные коммуникационные интерфейсы и
совместимы с самыми разнообразными протоколами.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 415
6. Хорошей управляемостью. В состав центральной земной станции любой
сети VSAT входит подсистема управления сетью, реализованная на базе
специального управляющего приложения и надежного сервера. Эта
подсистема гарантирует эффективное управление функционированием не
только самой центральной (координирующей) ЗС, но всех и
периферийных терминалов. С её помощью осуществляется управление
информационными потоками и техническая диагностика неисправностей.
7. Возможностью дистанционного управления и диагностики VSAT
терминалов из единого удаленного центра системы.
8. Информационной безопасностью, которая в радиоканалах сетей VSAT
обеспечивается использованием эффективных алгоритмов криптозащиты
данных. Скрытное подключение аппаратуры прослушивания к оборудованию
терминалов VSAT, непосредственно контролируемому пользователем,
весьма затруднительно.
9. VSAT терминал может быть развернут в короткие сроки, а требования
к площадке для его установки весьма умеренны.
10. Относительно небольшой и постепенно уменьшающейся стоимостью
станций VSAT.
11. Низкой стоимостью и простотой технического обслуживания. Как
правило, терминалы VSAT не требуют постоянного технического обслуживания.
2.1.6. Спутниковые сети связи и Интернет
Сеть Интернет базируется на протоколе TCP/IP {Transport Control Protocol/
Internet Protocol}, обеспечивающем надежную и беспрепятственную передачу по
наземной проводной интерсети, различные фрагменты которой имеют
различные собственные протоколы, топологии, пропускные способности каналов связи,
задержки и объемы пакетов.
IP является протоколом сетевого уровня и предназначен для передачи
сообщений по сетям с различными транспортными технологиями (ATM, Frame Relay,
Ethernet и т.д.). IP-протокол размещается в терминалах (компьютерах) и
маршрутизаторах, коммутирующих передаваемые сообщения в соответствии с
адресной информацией, извлекаемой из служебной части сообщений (рис. 2.1.6.1).
Маршрутизаторы выполняют следующие функции:
• обеспечивают стыковку различных схем адресации. Например, локальные
сети, построенные в соответствии со стандартом IEEE 802, используют 16
или 48-разрядную двоичную адресацию, а пакетные сети в соответствии
с протоколом Х.25 используют 12-разрядную десятичную адресацию.
IP-протокол обеспечивает глобальную адресацию, совместимую с различными
используемыми стандартами.
• обеспечивают согласование объемов пакетов, передаваемых по разным
сетям. Например, сети в соответствии с протоколом Х.25 оперируют с
пакетами, объем которых не превышает 1 кбайт, в то время как в сети Ethernet
допускаются пакеты с объемом до 1,5 кбайт. Законченный информацион-

416
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
PC
Маршрутизатор
Маршрутизатор
ЛВС
(локальная,
региональная
и т.д.)
TCP
IP
« >
< ►
IP
« >
Протоколы более низких уровне1
IP
i
< ►
TCP
IP
Рис. 2.1.6.1. Протоколы сети Internet
ный блок, поступающий на вход сети, обычно называют сообщением.
Сообщение перед передачей разбивается на пакеты, которые и передаются по
сети независимо друг от друга. В Интернет использована иная
терминология: сообщение называют пакетом {IP — Internet Packet}, которое перед
передачей разбивается на фрагменты, воспринимаемьщ*при передаче по
интерсети её различными подсетями как сообщение и в каждой конкретной
подсети разбиваемые на пакеты, соответствующие стандартам и
протоколам этой подсети.
Протокол IP не гарантирует приема фрагментов интернетовского пакета в
естественном хронологическом порядке, поскольку разные фрагменты в
зависимости от состояния интерсети могут следовать по разным маршрутам, претерпевая
при этом разные задержки. Более того, IP вообще не гарантирует доставку
фрагментов получателю. Фрагменты могут быть потеряны при транспортировке в силу
нескольких причин. Во-первых, фрагменты теряются при возникновении
локальных перегрузок в сети из-за переполнения емкости буферных запоминающих
устройств маршрутизаторов (вновь прибывающие фрагменты просто негде
запоминать). Во вторых, из-за наличия ошибок при передаче по линиям связи
искажаются адреса получателей и часть пакетов поступает по ложным адресам (где
они, естественно, игнорируются). Таким образом, IP ориентирован на
правильную доставку сообщений, но при этом не дает никаких гарантий.
Функции правильной доставки сообщений получателям возложены на
протокол транспортного уровня TCP, размещенный в оконечных устройствах
(компьютерах) [2.1.6.1, 2.1.6.2]. В соответствии с TCP, интернетовский пакет на
передающей стороне разбивается на фрагменты. Каждый фрагмент снабжается
заголовком объемом 20 байт, содержащим, в частности, адрес отправителя A6 бит),

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 417
адрес получателя A6 бит), порядковый номер фрагмента в структуре
передаваемого пакета C2 бита), объем фрагмента A6 бит). Это позволяет на приемной
стороне правильно идентифицировать принятые фрагменты. Принимающая
сторона уведомляет передающую о приеме очередного фрагмента при помощи
короткого сигнала подтверждения (положительной квитанции). Отправитель,
после передачи очередного фрагмента, ожидает подтверждения его правильного
приема, в противном случае через директивный промежуток времени (тайм-аут)
передача повторяется, и только после приема положительной квитанции
приступает к передаче следующего.
Бурное количественное и качественное развитие сети Интернет, в частности
развитие IP-телефонии, возможность доступа в телефонные сети через
интернет-провайдеров, непрерывный рост общественного интереса и резкое расширение круга
пользователей предопределяют необходимость расширения спектра услуг сети, в
частности, обеспечения скоростного доступа, широкополосных мультимедийных
приложений, оперативного обмена большими информационными массивами и целого
ряда других. Это может быть реализовано лишь при существенной модернизации
существующей сети Интернет путем наращивания её разветвленной сетью
высокоскоростных кабельных и оптических каналов связи с пропускной способностью от
единиц до нескольких сотен Мбит/с. По сути дела, речь идет о создании Интернета
нового поколения. В целом ряде приложений перспективным, а иногда
единственно возможным представляется использование спутниковых каналов связи через ГСР.
Эти каналы обладают достаточно высокой пропускной способностью (что
позволяет обеспечить вещательный и многоадресный режим передачи) охватить
огромные территории и относительно недорогие. Создание гибридной сети
позволяет существенно повысить качество и расширить сферу предоставляемых услуг.
С точки зрения оператора ССС Интернет предоставляет собой совокупность
пользователей, каждый из которых генерирует и «поглощает» трафик. Одной из
количественных характеристик пользователя является коэффициент
асимметрии Ка трафика, который определяется как отношение объема данных,
получаемых пользователем из сети, к объему данных, передаваемых им в сеть. Условно
пользователей можно подразделить на следующие категории:
1. Индивидуальные пользователи, получающие услуги Интернета у себя дома.
В подавляющем большинстве случаев они общаются с Интернетом через
модемное соединение телефонной сети общего пользования. Для этого класса
пользователей типична посылка запросов на получение информации к
различным серверам и получение запрошенной информации (услуга WWW). У
индивидуальных пользователей Ка может достигать величины порядка 100.
2. Корпоративные пользователи — предприятия и организации разного
масштаба. Для доступа в Интернет используют модемные соединения,
выделенные или коммутируемые каналы связи с пропускной способностью не
менее 32 кбит/с. Численность работающих в данного класса компаниях
лежит от 10 до 100 человек, а коэффициент асимметрии трафика находится
в диапазоне от 3 до 10. В этот класс корпоративных пользователей входят
пользователи SOHO {Small Office/Home Office}, компании, создающие
частные сети на базе Интернета, а также государственные ведомственные сети.

418
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
3. Провайдеры услуг Интернета (ISP), администрирующие собственную
независимо управляемую часть Интернета, обслуживающие до 1000 и более
пользователей, нуждаются для связи с сетями других таких же
провайдеров в дуплексных каналах с пропускной способностью порядка нескольких
сотен кбит/с, а значение коэффициент Ка для них примерно равно 1.
Выраженная несимметричность трафика индивидуальных и частично
корпоративных пользователей привела разработчиков и производителей
коммуникационного оборудования к концепции асимметричного доступа в Интернет —
DirecPC (компании Huges Network Systems) [2.1.6.3, 2.1.6.8], суть которой состоит
в том, чтобы для передачи запросов использовать низкоскоростной наземный
канал, а для передачи потребителю ответов — высокоскоростной спутниковый.
Канал для передачи запросов принято называть входящим (обратным), а для
передачи информации — исходящим (прямым). Схема организации связи с
Интернетом с использованием концепции асимметричного доступа показана на
рис. 2.1.6.2.
Основная проблема при использовании протокола TCP (как и других
использующих обратную связь) при передаче информации по каналам связи с
заметными задержками или с высокой пропускной способностью, в частности
спутниковым, состоит в трудности достижения достаточно высокой скорости передачи
между терминалами. Скорость передачи между парой терминалов в
рассматриваемом случае равна:
V
где V — объем окна, С — пропускная способность канала связи, тр — задержка распространения,
та — аппаратурная задержка.
В TCP для идентификации объема передаваемых окон в служебной части
зарезервировано 16 бит, что позволяет обеспечить максимальный объем
информационной части окна 216 ~ 65536 кбайт. При передаче через ГСР задержки
составляют 4тр + та ~ 600 мс. Зависимость скорости передачи R и коэффициента
использования пропускной способности канала связи Г) (отношение скорости
передачи к пропускной способности канала при передаче через ГСР) приведена в
таблице 2.1.6.1.
Таблица 2.1.6.1
Скорость передачи информации между терминалами для TCP
V
65
кбайт
500
кбайт
С
Мбит/с
R кбит/с
ч%
R кбит/с
0,1
89,5
89,5
98
98
0,5
315
63
465
93
1
460
46
869
87
5
729
14,6
2857
57
10
786
7,9
4000
40
50
840
1,7
5888
12
100
846
0,8
6250
6,2

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуниксщионных структурах 419
О:СЕР
П:ПОЛ
Программное
обеспечение
DirecPC
Сервер

Пользовательский
интерфейс
ШС
О:СЕР
П:ПОЛ
О:ххх — адрес отправителя
П:ххх — адрес получателя
ПОЛ — адрес пользователя
СЕР — адрес сервера
СП — адрес шлюза между Интернет и ССС
ШС — шлюзовая станция
Провайдер
услуг сети
Рис. 2.1.6.2. Схема организации DirecPC
При объеме передаваемых фрагментов примерно 65 кбайт наличие задержки
распространения Не позволяет обеспечить скорость передачи информации более
850 кбит/с даже при ничтожно малом коэффициенте использования пропускной
способности каналов связи, а при приемлемом его значении 90% скорость
передачи составит всего 90 кбит/с. Прямым путем увеличения скорости передачи и
использования имеющейся полосы частот является увеличение объема
фрагмента, для чего необходимо увеличить число битов, зарезервированных в заголовке
для идентификации объема окна [2.1.6.4]. В любой сети объем передаваемого со-

420 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
общения ограничен некоторым максимальным значением {MTU — Maximum
Transfer Unit}, определяемым протоколом сети. Для сети Интернет,
охватывающей различные подсети, объем фрагмента не может превышать минимального
значения максимально допустимого объема сообщения для подсетей, входящих
в интерсеть. В противном случае произойдет недопустимое «дробление»
фрагментов на более мелкие куски. Исходя из этих соображений, объем фрагмента
не может превышать нескольких сотен килобайт. Из таблицы 2.1.6.1 следует, что
при увеличении объема фрагмента до 500 кбайт скорость передачи возрастает
примерно до 500 кбит/с (при г] равном 90%), но этого явно мало.
Реальным практическим путем увеличения скорости передачи информации
по спутниковым каналам в рассматриваемых условиях является формирование
подтверждений правильности приема передаваемых фрагментов до их передачи
по спутниковому каналу. Такое решение получило название «спуфинг»
(spoofing) [2.1.6.5].
Интерфейс между Интернет и ССС обеспечивает шлюзовая станция (ШС).
При необходимости получения информации стандартное программное
обеспечение (ПО) TCP/IP компьютера пользователя формирует запрос, содержащий
адрес пользователя (отправителя) и интересующего его сервера (получатель). ПО
DirecPC пользователя снабжает данный запрос новым заголовком, в котором
получателем является шлюзовая станция (эта процедура носит название
инкапсуляция — encapsulation). В результате запрос попадает в ШС. ШС снимает
инкапсуляцию, выявляет адрес истинного получателя (сервера) и снабжает запрос
заголовком, в котором получателем объявляется сервер, а отправителем — ШС.
Получив от сервера нужную пользователю информацию, ШС снимает
инкапсуляцию и направляет информацию в земную станцию ССС, где она преобразуется
к виду, требуемому для передачи по спутниковому каналу, и передается к
пользователю.
Достоинством системы DirecPC является возможность использования
индивидуальных спутниковых терминалов, работающих только на прием {ROT —
Receive Only Terminal}, которые значительно дешевле приемо-передающих, проще
в установке и не требуют специального разрешения на их эксплуатацию.
Пользователю достаточно заплатить несколько сотен долларов за спутниковую
«тарелку», интерфейсный блок (малошумящий входной усилитель,
преобразователь частоты, демодулятор и декодер) и соответствующее программное
обеспечение. В настоящее время эта концепция асимметричного доступа в
Интернет реализована в таких системах, как StarBand, Linkway/LinkStar, Skysurfer
Pro, CiberStar, Spotbytes, Tachyon.net, InterSKY, разработанных, соответственно,
компаниями StarBand Communications, Comsat Corp., Gilat Satellite Networks
Ltd., Loral Space&Commimications Ltd., Panamsat Corp., Tachyon Inc., Shiron
Satellite Communications Ltd. и др. [2.1.6.7].
Недостаток заключается в наличии между пользователем и ССС посредника
в лице ISP, который помимо оператора ССС взимает дополнительную плату за
услуги и, более того, имеет возможность игнорировать адрес шлюзовой станции,
блокируя тем самым пользователей от ССС.
Протокол TCP реализует ситуационное управление перегрузками сети с
использованием механизма, получившего название «медленный старт». В качестве

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 421
сигналов обратной связи, идентифицирующих отсутствие перегрузок,
используются подтверждения правильности приема переданных фрагментов. Процесс
передачи осуществляется следующим образом: передающая и приемная стороны в
зависимости от характеристик сети устанавливают соглашение о минимальном
объеме фрагмента, с которого начинается передача. Типичным является
значение порядка 1 кбайт. После каждого приема подтверждения объем передаваемого
фрагмента удваивается до тех пор, пока он не достигнет своего максимального
значения (примерно 65 кбайт). В случае отсутствия подтверждения в течение
заданного тайм-аута TCP фиксирует перегрузку сети и реагирует резким снижением
скорости передачи примерно в 2 раза путем уменьшения объема передаваемых
фрагментов. После этого объем фрагмента, следующего за успешно переданным,
увеличивается на 1кбайт и осуществляется медленное линейное (в отличие от
экспоненциального в начале сеанса) увеличение скорости передачи до
следующего момента фиксации перегрузки. Рассмотренный алгоритм управления
перегрузками обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что
перегрузка определяется по отсутствию сигнала подтверждения. Этот сигнал
отсутствует не только при перегрузке, но и при ошибочном приеме адресной или
информационной частей фрагментов. Поэтому при использовании протяженных
шумящих каналов связи TCP снижает скорость передачи не только по причине
перегрузок, но и ошибок.
Несмотря на экспоненциальный рост объема передаваемых фрагментов в
начале сеанса связи при использовании механизма «медленного старта» в каналах
с большой задержкой (в спутниковых) или с очень высокой пропускной
способностью (в наземных волоконно-оптических), время «разгона» канала связи до
максимально возможного значения скорости передачи оказывается достаточно
большим. В результате средняя скорость передачи оказывается существенно
ниже максимальной.
В TCP успешность доставки фрагмента интернетовского пакета от
отправителя к получателю подтверждается пересылкой от получателя к отправителю
сообщения подтверждения успешной передачи (положительной квитанции).
Отправитель приступает к передаче следующего фрагмента только после получения
положительной квитанции на переданный предыдущий. Если же в течение
заданного директивного промежутка времени (тайм-аута) никакой реакции на
переданный фрагмент не поступает, то отправитель выносит решение о том, что
этот фрагмент потерян в сети. Стандартный TCP отождествляет потерю даже
одиночного фрагмента с перегрузкой сети, поэтому отправитель повторяет
передачу, уменьшив объем фрагмента в 2 раза (в соответствии с описанным выше
механизмом управления перегрузками). Такой подход справедлив при
использовании малошумящих каналов связи, когда превалируют потери, обусловленные
перегрузками.
Если уровень шума в каналах достаточно высок, проявляются потери,
обусловленные ошибками при приеме заголовков и информационной части
фрагментов, которые носят случайный характер. Регистрация факта перегрузки по
первому же потерянному фрагменту в этом случае приводит к частому и
немотивированному скачкообразному снижению скорости передачи в 2 и более раз с её
последующим медленным линейным увеличением. Это может приводить к зна-

422 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
чительному снижению средней скорости передачи по сравнению с максимальной
и, соответственно, коэффициента использования пропускной способности
канала связи. Если для наземных сетей, использующих широкополосные каналы
связи, такая ситуация может быть приемлемой благодаря наличию значительного
резерва пропускной способности, то пропускная способность спутниковых
каналов является слишком дорогостоящим ресурсом для принятия столь
расточительных решений. Лучшие результаты могут быть получены при использовании
протокола селективной повторной передачи TCP-SACK {TCP — Selective AC-
Knowledge} [2.1.6.6]. TCP-SACK подразумевает последовательную передачу
фрагментов пакета, не дожидаясь подтверждений. Состояние перегрузки с
соответствующим скачкообразным снижением скорости передачи регистрируется,
если на заданном отрезке времени число потерянных пакетов превышает
заданное пороговое значение. В противном случае потерянные фрагменты
повторяются без снижения скорости передачи. Это позволяет уменьшить частоту ложных
«сбросов» скорости передачи, повысив тем самым среднюю скорость передачи
информации. Для возможности повторной передачи каждый переданный
фрагмент должен запоминаться на передающей стороне на время тайм-аута. Для
этого потребуется буферный накопитель емкостью:
СтТА ~ СDт + та) ~ 0,6С [Мбит],
где тТА — длительность тайм-аута, т — время распространения в линии ЗС-СР, ха — аппаратная
задержка (с учетом задержки в наземной части сети), С — пропускная способность спутникового
канала Мбит/с.
При пропускной способности спутникового канала, например, 4 Мбит/с
потребуется накопитель емкостью 300 Кбайт, а при С= 155 Мбит/с требуемая
емкость увеличивается примерно до 12 Мбайт.
Селективная повторная передача приводит к нарушению естественного
хронологического порядка следования потерянных фрагментов. Для
восстановления исходной последовательности фрагментов на приемной стороне требуется
буфер такого же объема, что и на передающей.
Протокол TCP/IP ориентирован на соединение «точка-точка» и не в
состоянии поддерживать многоадресный режим работы. Конечно же, это не исключает
реализации в наземной сети Интернет приложений, требующих многоадресных
передач, например проведения видеоконференций. Однако единственно
возможным путем реализации таких приложений является тиражирование на
передающей стороне многоадресного пакета и передача его копий по индивидуальным
адресам. Очевидно, что такой подход приводит к увеличению загрузки каналов
сети, увеличивает вероятность возникновения перегрузок и потери части
каналов, не позволяет обеспечить высокое качество предоставляемых услуг из-за
значительной изменчивости во времени задержки пакетов при большой нагрузке на
сеть. При наличии системы DirecPC появляется возможность сформировать на
передающей стороне многоадресный пакет и с помощью описанного выше механизма
инкапсуляции осуществить его одноадресную передачу в шлюзовую станцию.
Пройдя по сети Интернет единственным маршрутом по схеме «точка-точка»,
многоадресный пакет выходит из под контроля TCP/IP и попадает в ССС,
идеально подходящую для многоадресной передачи. Преимущества этого очевидны:

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 423
благодаря снижению изменчивости времени задержки пакетов улучшается
качество обслуживания пользователей, исключается негативное влияние
сравнительно большого времени задержки спутникового канала через ГСР на коэффициент
его использования, уменьшается загрузка наземной сети, что приводит к
снижению задержек, числа потерянных пакетов, вероятности возникновения
перегрузок и, в конечном итоге, повышает качество предоставляемых услуг.
Таким образом, протоколы сети Интернет TCP/IP, обеспечивающие
надежный и достаточно эффективный информационный обмен в наземных проводных
сетях, в условиях ограничений и характеристик спутниковых каналов проявляют
свою несостоятельность. Попытки повышения эффективности TCP в
спутниковых каналах путем увеличения объема фрагментов, изменения механизма
обратной связи (селективная повторная передача потерянных фрагментов) не
приводят к желаемому результату из-за физических ограничений или высокой
сложности и стоимости технической реализации. С другой стороны, простейшая
в рассматриваемом случае топология ССС исключает возможность
возникновения информационных перегрузок в спутниковых каналах и не требует никаких
мер по их устранению путем регулирования скорости передачи отправителя
информации. Потери же фрагментов, обусловленные шумами канала связи, могут
быть доведены до приемлемого уровня при помощи стандартных
помехоустойчивых кодов. Из рассмотренных выше способов адаптации TCP к спутниковым
каналам связи предпочтительным представляется спуфинг (формирование
сигналов подтверждения правильности приема в шлюзовой станции). Это означает,
что ШС с точки зрения Интернета является её конечным пользователем
(получателем информации). В ШС фрагменты интернетовских пакетов выводятся из
под контроля TCP и покидают Интернет. С точки зрения ССС шлюзовая
станция также является её пользователем (отправителем информации).
Следовательно, оптимальным решением является не механическое включение спутниковых
каналов связи в Интернет, а интеграция двух независимых сетей, каждая из
которых использует свои собственные протоколы разных уровней и форматы
передаваемых данных, наилучшим образом адаптированные к конкретным
условиям функционирования каждой из сетей.
Одной из мер повышения эффективности передачи IP-трафика в ССС
является http-кэширование и специальная оптимизация браузеров. Этот механизм
уже используется ведущими компаниями: Hughes Network Systems (США), Gilat
Satellite Networks (Израиль), ViaSat Satellite Networks (США), Teleglobe
Communications совместно с Intelsat. Кэширование хорошо известно как один из
методов ускорения доступа пользователей к наиболее популярным Web-страницам.
ШС (Hub-станция), как правило, имеет высокоскоростное наземное Интернет-
соединение, загрузка и обновление Web-страниц производятся регулярно,
независимо от наличия или отсутствия запроса от какого-либо абонента. Поэтому
удаленные пользователи получают доступ к любимым страницам уже на
серверах Hub, передача информации с которых производится с очень высокой
скоростью. Кроме того, при запросе новой страницы любым абонентом системы эта
страница сохраняется на Hub и становится легко доступной для всех
пользователей. Страницы, не пользующиеся спросом абонентов системы, по истечении
определенного времени удаляются с серверов. Такое кэширование позволяет об-

424
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
ГСР
I
«узкие» с точки зрения пропускной
способности места Интернет
Рис. 2.1.63. Улучшение «связности» сети Интернет
при помощи ССС
служить без дополнительного обращения к наземным ресурсам Интернет от 30
до 65% запросов в системе (в зависимости от назначения системы и контингента
ее пользователей). Для уменьшения времени ответа и экономии ресурса
космического сегмента возможно дополнительно применить кэширование на
удаленных терминалах, которые оснащены жесткими дисками большого объема
(именно так сделано, например, в системе DirecWay компании Hughes). При этом
кэширование и обновление информации на удаленных терминалах может
производиться одновременно. В сочетании с применением браузеров, которые
позволяют открывать параллельные сессии (от 15 до 30), это приводит к
уменьшению требуемого времени загрузки страницы примерно на порядок.
С использованием рассмотренных решений для спутниковых сетей
Интернета становится возможной высокоскоростная передача любых объемов
информации, обеспечивающая услугу доставки содержательной информации (Content

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 425
Delivery) в форме как просто больших файлов размером более 2 Гбайт, так и
музыки, видео и любой мультимедийной информации.
Изначально сеть Интернет разрабатывалась как компьютерная сеть,
базирующаяся на использовании наземных проводных каналов связи с низкой
пропускной способностью. Отсюда возникла существующая идеология построения сети
Интернет, в частности протоколы информационного обмена. По мере
расширения сети, роста пользовательского интереса к расширению спектра
предоставляемых услуг и при отсутствии альтернативных технических средств на
Интернет возлагались все новые функции. Прогресс в области технологии и
производства различных элементов С С С, уникальные характеристики этих сетей
позволяют строить гибридные сети, в которых часть несвойственных для
Интернета приложений переходит к ССС, что позволяет повысить качество
обслуживания пользователей и разгрузить Интернет для лучшего выполнения своей
основной задачи.
Применение ССС в целях совершенствования сети Интернет не
ограничивается концепцией DirecPC.
Важную роль могут сыграть ССС для улучшения взаимодействия между
отдельными слабо связанными и относительно независимыми фрагментами сети
(рис. 2.1.6.3). Оценки показывают, что для организации дополнительных связей
между фрагментами сети достаточно использования дуплексных каналов связи
с пропускной способностью 256 кбит/с, а реализация сети возможна с
использованием технологии VSAT.
2.1.7. Мультимедийные спутниковые сети связи
Услуги телефонии, передачи данных, музыки, видео, текстовой и
графической информации и целый ряд других обычно объединяют общим названием
мультимедийные услуги или просто мультимедиа.
Из всего разнообразия мультимедийных услуг можно выделить четыре
основные типа (таблица 2.1.7.1). Естественно, что не всем пользователям сети
потребуется весь спектр предоставляемых информационных услуг.
Ключевыми требованиями к мультимедийным ССС (МССС) являются:
• наличие спутниковых каналов связи и ретранслятора(ов) с высокой
пропускной способностью (ориентировочно 4-6 Гбит/с и более), поэтому в
технической литературе наряду с понятием мультимедийные ССС часто
используют синоним — широкополосные ССС;
• возможность интегрального обслуживания, т.е. использование способов,
обеспечивающих эффективную одновременную передачу по общему
каналу цифровых информационных потоков, имеющих существенно разные
временную структуру, скорость и требования к качеству передачи
(обслуживания);
• наличие пользовательских терминалов с массогабаритными
характеристиками, не создающими заметных неудобств для клиентов, и стоимостью,
делающей терминалы доступными для миллионов пользователей.

426
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
I
I
ft R
д «
g д
стз 03 § О
CD Я 03
к к м
0)
CD S
<^S О
9Ь S
05
эе вли
к
гатив
к
ОЗ
перед
|
п
S
обслу:
о
е
о
CD
с*
Д"
иента
§•
I
I
CD
S
о
-е-
CD
CD Ч-> CD CD
н д н н
§ s
О о
s
к
CD
II
II

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 427
Наиболее типичными услугами, предоставляемыми пользователям МССС,
являются следующие.
• Цифровая телефония. При использовании сжатия цифрового телефонного
сигнала приемлемое качество речи обеспечивается при скорости передачи
D,8-16) кбит/с. Трафик имеет пульсирующий характер, причем
продолжительность пауз занимает около F0-70)% длительности установленного
соединения. Допустимая задержка составляет 0,3 с.
• Факсимильная связь. Требует передачи со скоростью (9,6-64) кбит/с.
Трафик имеет практически непрерывный характер, а допустимая задержка
составляет несколько секунд.
• Прием телевидения, в том числе программ по запросу. Стандарт MPEG-2
обеспечивает высокий коэффициент сжатия телевизионного сигнала, что
дает возможность получать изображение, соответствующее классу VHS,
при скорости передачи около 1,5 Мбит/с. Трафик имеет явно выраженный
пульсирующий характер, мало чувствителен к среднему времени
задержки, но весьма чувствителен к его вариациям.
• Видеоконференцсвязь обеспечивается при скорости передачи от 128 кбит/с,
а допустимая задержка равна @,5-1,0) с.
• Работа с базами данных связана с передачей объемных массивов данных,
мало критичных к задержкам передачи. Допустимое время задержки — до
10 с, а в некоторых случаях и более. Требования к скорости передачи
весьма расплывчаты. Для рядовых пользователей этот режим
удовлетворительно поддерживается при скорости приема от 500 кбит/с.
Таким образом, для обеспечения базового набора информационных услуг от
пользовательского терминала на время соединения требуется обеспечить
скорость передачи A28-256) кбит/с и скорость приема в зависимости от
конкретного вида сервиса до 2 Мбит/с. В настоящее время и в перспективе не видно
приложений (за исключением экзотических), которые могли бы потребовать
заметно больших скоростей работы.
Поскольку МССС обслуживает большое количество терминалов, пропускная
способность мультиплексных каналов терминалы — ретранслятор и
ретранслятор — терминалы в зависимости от масштабов сети и активности пользователей
должна составлять, соответственно, десятки Мбит/с и единицы Гбит/с.
МССС могут различаться между собой по следующим классификационным
признакам:
• по типу используемой группировки ретрансляторов;
• по структуре БРТК;
• по используемому диапазону частот;
• по типу пользовательских терминалов.
По типу орбит можно выделить ССС, базирующиеся на использовании
геостационарных ретрансляторов и на негеостационарных (круговых низко- и сред-
неорбитальных, эллиптических или комбинированных) группировках
ретрансляторов. Достоинства и недостатки различных орбит подробно рассмотрены в разделе
1.2.2 и в компактной форме обобщены в таблице 1.2.2.4. В данном разделе приведем

428
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Таблица 2.1.72
Преимущества и недостатки низкоорбитальных группировок
ретрансляторов по отношению к геостационарным
Преимущества
1. Малые задержки распространения
сигналов, обеспечивающие высокое качество
обслуживания в диалоговом режиме работы.
2. Высокая эксплуатационная надежность
сети, т.к. отказ одного или нескольких
ретрансляторов приводит к плавной
деградации характеристик сети и качества
обслуживания пользователей.
3. Возможность работы при больших углах
возвышения спутников над линией
горизонта, что уменьшает вероятность
затенения пользователей окружающими
предметами.
4. Одновременная видимость нескольких
ретрансляторов группировки, что
позволяет использовать
пространственно-разнесенные маршруты, повышая тем
самым надежность связи.
5. Возможность обеспечения глобального
покрытия земной поверхности, включая
приполярные области.
Недостатки
1. Изменчивость времени задержки
передачи в течение сеанса связи, большой и
переменный доплеровский сдвиг частоты.
2. Невозможность национального и
локального вещания.
3. Малый срок службы спутника из-за
высокого уровня радиационного фона и
высокой частоты циклов заряда-разряда
аккумуляторных батарей.
4. Сложность терминалов пользователей из-
за необходимости использования
следящих антенных систем и участия в
процедуре реконфигурации каналов связи.
5. Небольшая область обслуживания
каждого спутника, что требует для глобального
покрытия земной поверхности
большого числа спутников на разных орбитах.
6. Малоэффективное использование
связных ресурсов сети, т.к. в любой момент
времени большая часть ретрансляторов
находится над океанами или необитаемыми
и малонаселенными частями суши.
лишь основные достоинства и недостатки низкоорбитальных группировок по
отношению к геостационарным, наиболее важные с точки зрения требований к МССС
(Таблица 2.1.7.2).
В МССС могут быть использованы БРТК как с непосредственной
ретрансляцией, так и с бортовой обработкой. Основные достоинства и недостатки схем
построения БРТК ретрансляторов перечислены в таблице 2.1.7.3.
Применение геостационарных СР с непосредственной ретрансляцией
ограничивается приложениями, мало чувствительными к задержкам и допускающими
двухскачковую схему передачи (вещание, передача данных по запросу, адресная
передача данных). Диалоговый режим работы допустим, если один из
пользователей находится в структуре наземной сети. Поэтому оказание мультимедийных
услуг в полном объеме требует обработки радиосигналов на борту
ретранслятора. Малое время задержки распространения в НССС в принципе допускает
использование любой из схем построения БРТК.
Большинство проектов МССС предусматривает работу в Ка-диапазоне или
более высокочастотном — V. К этому существуют несколько предпосылок:
• значительная часть геостационарной орбиты, представляющая практический
интерес, насыщена ГСР Ки-диапазона, поэтому использование достаточно
отработанной технологии приемо-передающей аппаратуры в диапазоне

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 429
Таблица 2.1.73
Основные достоинства и недостатки схем построения БРТК ретрансляторов
Непосредственная ретрансляция
Преимущества
1. Меньшая сложность бортовой
аппаратуры и, как следствие, сокращение сроков
разработки и снижение стоимости
проекта.
2. Использование хорошо отработанных и
проверенных на практике технологий
снижает степень риска при разработке.
3. Большая универсальность по отношению
к используемым структурам
передаваемых сигналов, скоростям передачи,
предоставляемым пользователям услугам.
4. Меньший уровень служебных затрат.
5. Проще управление процессами
информационного обмена в сети.
Недостатки
1. Радиальная топология сети требует
обмена информацией между
пользователями по двухскачковой схеме, что
удваивает задержку передачи.
2. Меньшая информационная гибкость,
приводящая к худшему использованию
пропускной способности каналов связи.
Полная бортовая обработка
Преимущества
1. Бортовая коммутация лучей или пакетов
увеличивает информационную и
коммутационную гибкость, что позволяет
устанавливать непосредственную связь между
пользователями по односкачковой схеме.
2. Отсутствие переизлучения шумов и
помех на линиях «вверх» в линии «вниз»
обеспечивает энергетический выигрыш.
3. Лучшее использование мощности
бортовых передатчиков благодаря возможности
использования в каналах «вниз»
временного мультиплексирования и отсутствию
интермодуляционных искажений,
характерных для многосигнального режима
работы бортовых передатчиков.
4. Возможность использования
межспутниковых каналов связи позволяет наращивать
пропускную способность космического
сегмента сети путем объединения
нескольких ретрансляторов в кластер и
осуществлять маршрутизацию информационных
потоков непосредственно в космосе.
Недостатки
1. Большие масса, энергопотребление,
размеры ретранслятора.
2. Более высокая степень риска при
разработке.
3. Увеличение сложности бортовых
подсистем приводит к более высокой
стоимости ретранслятора.
частот 14/12 ГГц не представляется возможным из-за отсутствия
свободных участков спектра;
доступность в Ка-диапазоне в соответствии с Регламентом радиосвязи
широкой полосы частот (таблица 1.1.4.3), что облегчает достижение высокой
пропускной способности ретрансляторов порядка нескольких Гбит/с;
возможность улучшения массо-габаритных характеристик аппаратуры
связи, в частности антенн пользовательских терминалов при работе на
передачу. При неизменном коэффициенте усиления диаметр антенны может
быть уменьшен приблизительно в 1,5 раза по сравнению с ^-диапазоном,
а при работе на прием — размер антенны может быть уменьшен благодаря
менее жестким требованиям к максимальной плотности потока мощности
сигнала ретранслятора у земной поверхности в /Ся-диапазоне;

430 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• в Ка-диапазоне облегчается соблюдение электромагнитной совместимости,
поскольку, во-первых, этот диапазон гораздо менее загружен, а во-вторых,
при неизменном диаметре антенны её коэффициент усиления прямо
пропорционален квадрату, а уровень боковых лепестков обратно
пропорционален кубу частоты.
Пользовательские терминалы можно разделить на две категории: терминалы,
работающие только на прием (ПТ), и приемо-передающие терминалы (ПТТ). ПТ
проще и дешевле приемо-передающих, но для обеспечения интерактивного
режима требуются наземные каналы связи. Приобретая приемную станцию
космической связи, пользователи Интернета автоматически становятся и
пользователями ССС, поэтому помимо услуги DirecPC они могут рассчитывать на целый
ряд дополнительных услуг, отсутствующих в Интернете. При пропускной
способности наземных проводных входящих каналов до 32 кбит/с и получении
информации по спутниковому широкополосному исходящему каналу с пропускной
способностью 2-30 Мбит/с появляется возможность внедрения на основе систем
типа DirecPC целого ряда принципиально новых услуг, таких как:
• поддержание и резервирование распределенных баз данных
государственных организаций, частных компаний, банков и т.д.;
• распространение электронных версий периодических и рекламных
изданий между региональными издательскими центрами;
• распространение нормативных и внутриведомственных документов между
корпоративными пользователями;
• реклама и распространение коммерческих рекламных изданий;
• продажа программных продуктов и коммерческих баз данных;
• услуги электронной коммерции, трансляции данных товарных и фондовых
бирж, электронные торги, телемаркетинг;
• непосредственный прием телевизионных программ на индивидуальные
ТВ- приемники пользователей;
• услуга видео по запросу с передачей ТВ-изображения непосредственно на
компьютер пользователя (трансляция новостей, фильмов, авторских
программ и т.п.);
• телеобразование, телемедицина и др.
На рис. 2.1.7.1. для примера приведено совмещение услуг Интернета и видео
по запросу.
Низкая пропускная способность телефонных каналов связи, используемых для
организации входящего (обратного) канала, не позволяет обеспечить высокое
качество информационного обслуживания пользователей, например: передача речи
в сжатой цифровой форме, IP-телефония. Это в первую очередь относится к
корпоративным пользователям. При построении гибридных сетей в качестве запросного
канала для индивидуальных пользователей возможно использовать соединение
по наземным коммутируемым каналам со скоростью передачи 14,4-56 кбит/с, а для
корпоративных пользователей — по выделенным линиям связи с пропускной
способностью 19,2 кбит/с - 2 Мбит/с. В этом случае при организации связи между
информационной системой пользователя и оборудованием местного провайдера

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 431
Рис. 2.1.7.1. Услуга доступа в Интернет, совмещенная с услугой
видео по запросу
услуг требуется программная реализация передачи пакетов с запросами
пользователей к шлюзовой станции и последующей отправки ответных пакетов
пользователю через спутниковый канал. Наземный обратный канал может быть
реализован и в обход местного провайдера услуг Интернета (ISP) с использованием
существующих сетей передачи данных, например типа Х.25. В этом случае между
оборудованием пользователя и соответствующим терминалом шлюзовой
станции устанавливается коммутируемое виртуальное соединение {SVC — Switched
Virtual Circuit}. Здесь пользователи оплачивают прямой спутниковый канал и
услуги оператора наземной сети передачи данных.
В принципе, можно организовать и наземный выделенный канал между
оборудованием пользователя и шлюзовой станцией, но такое решение
малоэффективно экономически.
Приемопередающие пользовательские терминалы значительно дороже (в
несколько раз), требуют специального разрешения на эксплуатацию, но позволяют
повысить количество и качество предоставляемых информационных услуг и
расширить круг пользователей. Применение ППТ позволяет:

432 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• обеспечить высокоскоростной интерактивный доступ к мировой
информационной системе для разных категорий пользователей в труднодоступных
и малонаселенных районах со слаборазвитой или вовсе отсутствующей
наземной телекоммуникационной инфраструктурой (горы, пустыни,
приполярные области, таежные районы, острова и т.п.);
• значительно расширить связные и информационные ресурсы для
операторов, корпоративных и индивидуальных пользователей без существенной
модернизации имеющихся у них информационных систем;
• обеспечить высокоскоростной доступ к мультимедийным услугам для
подвижных пользователей путем установки связной аппаратуры и
оборудования на различных транспортных средствах (автомобили, поезда, морские
и речные суда, самолеты и т.д.);
• предоставить экономичное средство вещательной (циркулярной) и
многоадресной передачи цифровой информации на обширной территории;
• обеспечить для пользователей необходимые условия комфортной работы
с современными мультимедийными серверами;
• снизить плату за связные ресурсы ССС для корпоративных пользователей,
так как вместо непрерывной и долговременной арендной платы
появляется возможность использования системы повременной оплаты реально
использованных ресурсов;
• решить проблему «последней мили» в национальном и глобальном
масштабах.
Можно выделить следующие три типа пользовательских приемопередающих
терминалов:
• фиксированные пользовательские терминалы (ФПТ), устанавливаемые в
непосредственной близости от индивидуальных или корпоративных
пользователей и оборудованные антеннами диаметра менее 1 метра;
• мобильные пользовательские терминалы (МПТ), устанавливаемые на
различные транспортные средства: сухопутные, корабельные, самолетные
пользовательские терминалы;
• портативные пользовательские терминалы (ПППТ): терминалы типа
«трубка в руке» (handheld), приставки к персональным компьютерам,
носимые типа «кейс» (casesuited) и др.
Конфигурация МССС, ориентированной на услуги сети Интернет и
мультимедийное вещание, показана на рис. 2.1.7.2. Использование приемо-передающих
спутниковых терминалов позволяет предоставить пользователям, не связанным
проводными линиями с Интернет, следующие услуги: электронная почта,
пересылка файлов WWW, видеоконференцсвязь между пользователями ССС и
компьютерами Интернета, телефония, а также широковещательные услуги для
приемопередающих и приемных терминалов. Для обеспечения этих приложений
пропускная способность обратных каналов должна составлять несколько
десятков кбит/с (типовые значения 64 кбит/с pi 128 кбит/с), что может быть
реализовано при входной мощности передатчиков A-5) Вт. Для компенсации
затухания в дожде может использоваться регулировка выходной мощности или

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 433
СР
Шлюз
ПЗС
ПППТ
Провайдер
вещательных услуг
цсссс
Шлюз
^nl
телефонная связь
ПППТ
ультимедийное
широковещание,
услуги по запросу
мультимедийное
широковещание
ФППТ И
ПППТ II
ЦСССС
ПЗС
ФППТ
МППТ
ПППТ
ФПТ
мпт
ппт
центральная станция спутниковой связи
передающая земная станция
■ фиксированные приемопередающие терминалы
мобильные приемопередающие терминалы
- портативные приемопередающие терминалы
фиксированные приемные терминалы
мобильные приемные терминалы
■ портативные приемные терминалы
Рис. 2.1.72. Типовая конфигурация МССС, ориентированнай на услуги Интернет
и мультимедийное вещание (спутниковый Интернет)
скорости передачи. Пропускная способность прямых виртуальных соединений в
зависимости от типа пользователей и оказываемых услуг может быть в
диапазоне от нескольких сотен кбит/с до нескольких Мбит/с. Вполне достаточной для
большинства приложений считается пропускная способность прямого
виртуального соединения до 2,048 Мбит/с.
Пример распределения ресурсов спутникового сегмента при интегрировании
услуг Интернета и услуг на основе технологий передачи видеоинформации,
например на базе спутников DVB и MPEG, приведен на рис. 2.1.7.3.
До недавнего времени главным препятствием на пути создания
мультимедийных ССС являлась недостаточная пропускная способность спутниковых каналов
связи, не позволяющая доставлять удаленным пользователям WEB-страницы
или организовывать видеопросмотры.

434
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Ствол 1
Ствол 2
Ствол 3
Ствол 4
Ствол 5
ТВ PC
Пользовательский
терминал
Центральная
станция
Рис. 2.1.73. Совмещение услуг спутникового телевидения с услугами
Интернет и передачи данных
Сегодня разработкой мультимедийных терминалов, способных объединить
традиционную телефонную связь, передачу данных со средней скоростью,
телевидение, радиовещание, IP и DVB потоки данных, занят не один десяток
компаний. В таблице 2.1.7.4 приведены основные характеристики фиксированных
мультимедийных терминалов, производимых ведущими
фирмами-разработчиками. Представленные в таблице 2.1.7.4 малогабаритные ЗС представляют собой
по сути усовершенствованные VSAT-терминалы, предназначенные для работы
через традиционные ГСР с непосредственной ретрансляцией в С- и
Ки-диапазонах. Основным назначением указанных терминалов является беспроводной
широкополосный доступ в Интернет. В принципе технологии сетей скоростного
доступа в Интернет применимы и для других приложений, например
дистанционного обучения или телемедицины. Однако это возможно только в том случае,
если видеоизображение допустимо транслировать только в направлении от ЦЗС,
а связь в обратном направлении ограничивается передачей текстовых или
речевых запросов. Базовой областью применения этих терминалов является также
работа в корпоративных интрасетях, деловое телевидение и многоадресное
распространение файлов.
Первым несколько лет назад на рынок был поставлен мультимедийный
терминал IP-Advantage, разработанный и произведенный бесспорным лидером в
области VSAT-технологий американской компанией HNS. Данные передаются от

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 435
Таблица 2.1.7.4
Основные характеристики фиксированных мультимедийных терминалов
Фирма
Hughes
Network
Systems
Gilat
ViaSat
Модель
DirecWay
SkyBlaster
LinkWay
IP
LinkWay
2001

Максимальное
количество

периферийных
терминалов
25000
28000
16000
16000

Максимальная
скорость
передачи от
терминала
кбит/с
256
150
3000
2048
Разделение
каналов
ВРК
ЧВУ
ЧРК-ВРК
ЧРК-ВРК

Поддерживаемые
протоколы
TCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
Frame
Relay
ATM
ISDN
Основные
приложения
Доступ в Интернет,
распределение
видеопрограмм
Доступ в Интернет,
распределение
видеопрограмм,
организация
интерсетей
Доступ в Интернет,
распределение
видеопрограмм,
организация
интерсетей
Доступ в Интернет,
передача данных
и мультимедийного
трафика
ЦЗС к пользователям по каналу с пропускной способностью 24 Мбит/с, а
скорость передачи в запросном (обратном) канале составляет до 200 кбит/с.
В 1999 г. в результате объединения хорошо зарекомендовавшего себя
оборудования PES (см. таблицу 2.1.5.1) и DirecPC компанией HNS был представлен
мультимедийный терминал DirecWay. Спутниковый канал имеет в прямом
направлении пропускную способность до 24 Мбит/с, причем скорость передачи на каждое
установленное соединение достигает 2,5 Мбит/с. Скорость передачи по обратному
каналу может принимать значения 64,128 или 256 кбит/с. Терминалы DirecWay
комплектуются антеннами диаметром от 0,75 до 2,4 м и приемопередающей
аппаратурой, работающей в С- или ifw-диапазонах. Эти станции поддерживают
работу всех стандартных IP-приложений, причем телевизионное и звуковое
вещание может приниматься как на обычный телевизионный приемник, так и на
персональный компьютер. Аналогичные характеристики имеют и станции
других производителей.
Первая полностью коммерческая МССС, использующая фиксированные
терминалы, была введена в эксплуатацию в США в первой половине 2000 г. В ней
задействованы мультимедийные терминалы iCw-диапазона SkyBlaster, которые
обеспечивают приём данных, видеоизображений и цифровых телевизионных программ
по прямому спутниковому каналу с пропускной способностью до 40 Мбит/с.

436 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Передача запросов по обратному каналу осуществляется с суммарной
скоростью до 150 кбит/с. Для сопряжения с терминалом ПК должен быть
предварительно сконфигурирован и оснащен двумя платами расширения —
спутниковыми приемником и передатчиком. Терминалы SkyBlaster могут работать
практически через любые ГСР с непосредственной ретрансляцией. Для работы
сети необходимо задействовать два ствола Ки-диапазона с полосой пропускания
по 36 МГц каждый. Терминал потребляет мощность 30 Вт, а на его установку
требуется не более 2,5 часов. По сообщениям представителей оператора МССС
StarBand (совместное предприятие Microsoft, EchoStar Communication и Gilat),
абонентская плата за интерактивный широкополосный спутниковый доступ в
Интернет составляет 69 долл. в месяц, стоимость необходимого дополнительного
оборудования 399 долл., подключения — 199 долл. Цена самого терминала в
зависимости от конфигурации колеблется от 8 до 18 тыс. долл. Пользователи
работают в прямом канале на скорости до 500 кбит/с, а средняя скорость передачи
в обратном канале около 50 кбит/с [2.1.7.1]. Очевидно, чтобы воспользоваться
услугами МССС, потребуются значительные первоначальные вложения,
поэтому потенциальными клиентами подобных сетей являются в первую очередь
структуры из финансовой и промышленной сфер, которые готовы заплатить,
чтобы обеспечить свои подразделения, расположенные в удаленных районах
страны с неразвитой инфраструктурой связи, надежным, качественным и
скоростным доступом в Интернет, а также интернет-провайдеры.
Компания Eutelsat с партнерами запустили пилотный проект, позволяющий,
как ожидается, создать общеевропейскую инфраструктуру спутникового
скоростного радиодоступа в Интернет. Технической основой проекта должен стать
недавно принятый международный стандарт DVB со спутниковым обратным
каналом — DVB-RCS {DVB — Return Channel over Satellite}. При реализации этого
стандарта сигнал от центральной станции также передается в формате DVB-S, а
сигнал от земной абонентской станции для организации запросного канала имеет
особую структуру. Управление многостанционным доступом осуществляется от
центральной станции: в общем DVB-S потоке каждому абонентскому терминалу
назначается частота, временной интервал и значение излучаемой мощности.
Передача информации осуществляется пакетами в формате ATM или с
применением протокола IP с использованием MPEG-2 в качестве транспортного протокола.
Допустимо использование различных методов кодирования, включая
Турбо-коды (в этом случае, как отмечалось в разделе 1.1, удается получить
энергетический выигрыш 2-3 дБ по сравнению с применением сверточных кодов и
декодированием по методу Витерби). Необходимо сказать, что данный стандарт уже
успешно используется на спутнике ASTRA-1H компании SES [2.1.7.12].
Совместимые с этим стандартом абонентские терминалы могут принимать программы
спутникового цифрового телевидения и данные со скоростью до 50 Мбит/с по
прямому каналу и передавать со скоростью до 2 Мбит/с по обратному. По
данным Eutelsat, новый стандарт позволяет создавать менее дорогие абонентские
терминалы, и можно предполагать, что аппаратурой стандарта DVB-RCS
заинтересуются не только корпоративные, но и индивидуальные пользователи.
Интерес индивидуальных пользователей подогревается возможностью
коллективной эксплуатации одного спутникового терминала несколькими клиентами. По

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 437
заявлению представителей Eutelsat, сделанному в 2002 году, их партнер —
голландская фирма Aramiska предлагает на коммерческой основе услуги скоростного
спутникового радиодоступа в Интернет на базе стандарта DVB-RCS при
пропускной способности прямого канала, равной 2 Мбит/с, а обратного — до 320 кбит/с.
Абонентская плата при обслуживании до 30 ПК составляет 299 евро в месяц,
стоимость подключения — 500 евро.
Американские HNS и С-СОМ Satellite Systems объявили, что совместно
разрабатывают и скоро предложат на всей территории США услуги скоростного
мобильного доступа в Интернет. Система позволит без проводов путешествовать
по Интернету и смотреть программы спутникового телевидения. Новый сервис
обеспечит подключение к Интернету на скорости до 400 кбит/с в прямом канале
и до 256 кбит/с в обратном. Предполагается, что терминалы этой сети будут
устанавливаться в поездах, на грузовиках «дальнобойщиков», яхтах и других
движущихся объектах.
Таким образом, описанные выше терминалы и системы решают с помощью
ССС очень важную задачу широкополосного интерактивного радиодоступа
удаленных клиентов к высокоскоростным интернет-магистралям, сосредоточенным
в основном в США и Западной Европе. Это обеспечивает существенное
расширение канальных и информационных ресурсов для провайдеров и
корпоративных пользователей. Однако этим системам присущи и значительные недостатки:
• отсутствует режим реального времени;
• сервис ограничивается в основном интернет-услугами http и ftp;
• отсутствует возможность интерактивного общения между пользователями
сети, например посредством 1Р-телефонии;
• недостаточная для обслуживания значительного количества
пользователей пропускная способность B0-40 Мбит/с) прямых спутниковых
каналов, реализованных на основе стандартных стволов ГСР общего
применения С- и Ки- диапазонов;
• значительные единовременные затраты на приобретение, установку и
подключение оборудования (в среднем около 10 тыс. долл.) и высокие
тарифы, «отпугивающие» большую часть индивидуальных пользователей.
Для привлечения рынка индивидуальных клиентов необходимо расширять
сферу информационного сервиса, обязательно включив наиболее популярные
услуги на основе интерактивного взаимодействия непосредственно между
пользователями, увеличить пропускную способность ССС и снизить цены и тарифы.
На решение этих задач нацелены мультимедийные (широкополосные) ССС
следующего поколения.
Достаточно мощным импульсом для создания широкополосных
коммерческих сетей спутниковой связи стал, кроме возросшего спроса на эти услуги во
всех странах мира, включая и страны с высокоразвитой инфраструктурой связи,
успешный опыт эксплуатации в /Са-диапазоне экспериментального спутника
NASA — ACTS, построенного по схеме с обработкой сигнала на борту и
многолучевой приёмо-передающей антенной системой. Небольшая длина радиоволн
этого диапазона позволяет использовать антенны земных станций сети связи
размером менее одного метра и снизить стоимость пользовательских терминалов

438 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
до 1000 долларов и менее, что, как ожидается, сделает их привлекательными для
массового частного пользователя. Это в совокупности с успехами в области
микроэлектроники, создания новых дешевых стартовых комплексов и ракетоносителей,
а также положительным опытом развертывания мощных группировок спутников
связи определяет возможность и перспективность построения
сверхинформативных мультимедийных ССС [2.1.7.2].
Во второй половине 90-х годов было выставлено на публичное обозрение
несколько десятков проектов широкополосных МССС следующего поколения.
Основные параметры проектов широкополосных ССС, представленных наиболее
авторитетными компаниями-разработчиками, сведены в таблицу 2.1.7.5,
полученную на основании информации, опубликованной в [2.1.7.2-2.1.7.9]. Анализ
данных, приведенных в таблице 2.1.7.5, позволяет сделать следующие выводы.
1. Абсолютное большинство перспективных широкополосных ССС
планируется для работы в Ка- и Q/V-диапазонах. Единственным исключением
является НССС SkyBridge компании Alcatel (Франция). Для
широкополосных ССС нового поколения диапазоны Ка и Q/V — предпочтительнее Ки-
диапазона, так как они еще не заняты другими системами и свободны от
помех с их стороны, а также располагают значительным частотным ресурсом
(например, в ^-диапазоне доступная полоса частот составляет 1,2 ГГц ),
что позволяет осуществлять передачу данных на высоких скоростях и
создавать терминальное оборудование небольших размеров и стоимости,
привлекательных для широкого круга индивидуальных пользователей.
2. Около двух третей широкополосных ССС ориентированы на применение
геостационарных спутников-ретрансляторов. В отличие от подавляющего
большинства эксплуатирующихся ГСР перспективные ретрансляторы
будут использовать антенные приемо-передающие системы с большим
количеством узких лучей, что позволит многократно использовать частотный
ресурс (а это один из главных мировых ресурсов для всех радиосистем
связи, наряду с точкой стояния ретранслятора на уникальной
геостационарной орбите) в разных лучах, бортовую обработку и коммутацию
сигналов. Правда, при передаче сигналов через геостационарный спутник
возникают достаточно большие задержки, которые могут привести к
невозможности нормальной работы некоторых сетевых приложений и
недостаточному качеству речевой связи. Однако имеющиеся достоинства
геостационарных сетей, отработанность технологий связи, их развитая
инфраструктура, широкий круг пользователей нацеливают разработчиков на
развитие широкополосных ГССС нового поколения. В частности, к 2010
году планируется запуск около 150 широкополосных ГСР. В то же время, при
условии реализации потенциальных характеристик, заявляемых
разработчиками НССС (а к 2010 году ожидается запуск около 300 широкополосных
негеостационарных спутников-ретрансляторов), возможно существенное
перераспределение рынка клиентов ССС в пользу негеостационарных сетей.
3. В абсолютном большинстве проектов широкополосных перспективных
ССС предполагается использование межспутниковых линий связи, причем
это в равной степени относится к негеостационарным и геостационарным

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 439
орбитальным группировкам. Необходимые для этого технологии были
отработаны ранее в рамках некоторых программ МО США. Организация
МЛС является одной из самых сложных технических задач, которые надо
решить при создании перспективных широкополосных ССС. Но при
наличии МЛС появляется возможность эффективной передачи
высокоскоростного трафика в нужном направлении за пределы области
обслуживания одного ретранслятора. Сегодня же типична ситуация, когда трафик
сначала «сбрасывается» со спутника на соответствующую наземную
базовую станцию, затем проходит по наземным каналам, а потом через другой
спутник сети достигает конечной точки своего маршрута, причем таких
«перескоков» между наземным и космическим сегментами сети может
быть несколько. При этом, естественно, увеличивается задержка
распространения сигнала.
Поставщики услуг широкополосных ССС будут вести жесткую
конкурентную борьбу за пользователя, затрачивая значительные средства на рекламу
качества обслуживания, обеспечиваемого их сетями. Это важный аспект, если учесть,
что пользователи выбирают поставщиков услуг, руководствуясь качеством,
надежностью и стоимостью их сервиса, а вовсе не используемой в сети технологией
связи. С учетом того, что предложения услуг связи, выдвигаемые компаниями-
разработчиками широкополосных ССС, намного превышают прогнозируемый
спрос, в этой конкурентной борьбе до стадии практической реализации
«доживут» далеко не все проекты. Уже в настоящее время часть проектов закрыта, либо
их выполнение приостановлено. Многие аналитики консалтинговых фирм и
специалисты полагают, что мировое экономическое сообщество поддержит лишь
нескольких поставщиков услуг глобальной и региональной широкополосной
спутниковой связи.
С целью привлечения возможно большего количества пользователей
поставщики услуг собираются предлагать гарантии надежности работы своих систем,
а некоторые с целью повышения качества обслуживания планируют создание
гибридных сетей, объединяющих геостационарные, средне- и низкоорбитальные
группировки ретрансляторов и наземные сети связи. В гибридных сетях
предполагается сортировка трафика и его последующая передача по каналам, наилучшим
образом соответствующим требуемому качеству обслуживания. Геостационарные
спутники планируется использовать для широковещательных и многоадресных
передач, а также для приложений, допускающих заметную среднюю задержку,
но сильно чувствительных к изменчивости времени задержки и
хронологическому порядку следования передаваемых пакетов. Низко- и среднеорбитальные
спутниковые сети пригодны для интерактивных сетевых приложений,
требующих наименьшей средней задержки передаваемого трафика, но допускающих
значительную изменчивость времени задержки. Когда требуются не только
малые, но и относительно стабильные задержки, то целесообразно использование
наземных каналов связи.
Аналитики консалтинговой фирмы Gartner Group и другие специалисты
наиболее высоко оценивают шансы на «выживание» сетей компаний Loral, Hughes
и Lockheed Martin [2.1.7.2]. Это системы Astrolink, Spaceway, CyberStar и Orion.

440 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Компания Loral ведет достаточно активную политику альянсов и
поглощений. Ее сеть CyberStar сначала базируется на ГСР iCw-диапазона национальной
ССС США Skynet. В дальнейшем в CyberStar планируется задействовать три
геостационарных спутника ifo-диапазона. Loral приобрела компанию Orion
Network Systems, которая имеет геостационарный спутник ^-диапазона Orion-1 и
планирует запустить еще два таких же спутника. Кроме того, Loral является
партнером компании Alkatel и будет продвигать на рынке ее сеть SkyBridge.
В перспективе партнеры планируют создание гибридной сети на базе своих
систем геостационарной Cyberstar и низкоорбитальной SkyBridge.
Компания Hughes является общепризнанным лидером всемирного рынка услуг
и средств спутниковой связи, и многие эксперты считают, что она обладает
достаточно высоким техническим и финансовым потенциалом для реализации своих
планов. Например, Hughes планирует расширение своей сети Spaceway,
предусматривающее развертывание геостационарной (Spaceway EXP) и среднеорби-
тальной (Spaceway NGSO) сетей. В полной конфигурации орбитальная
группировка гибридной сети Spaceway будет состоять из 16 геостационарных и 20
среднеорбитальных ретрансляторов.
Рассмотрим более подробно проекты перечисленных выше разработчиков и
производителей ССС.
Глобальная ГССС Astrolink компании Lockheed Martin [2.1.7.10] базируется
на использовании девяти одинаковых ГСР, оборудованных многолучевыми
приемо-передающими антеннами и БРТК с полной бортовой обработкой и
быстрым коммутатором пакетов. Девять ретрансляторов орбитальной группировки
обслуживают 5 земных регионов:
1. Северная, Центральная и Южная Америка B СР в точке стояния 97° з.д.).
2. Европа, Средний Восток, Африка B СР в точке стояния 22° з.д.).
3. Азия B СР в точке стояния 38° в.д.).
4. Австралия, Океания, Дальний Восток B СР в точке стояния 130° в.д.).
5. Азиатско-Тихоокеанский регион A СР в точке стояния 170° в.д.).
Каждый из регионов, за исключением Азиатско-Тихоокеанского,
обслуживается при помощи группировки из двух ГСР, размещенных в одной точке стояния
(кластера) и связанных между собой МЛС, обеспечивающими обмен трафиком
между приемными и передающими лучами разных ретрансляторов одного
кластера. Другие МЛС используются для обмена трафиком между региональными
кластерами, что позволяет создать практически глобальную ССС.
Ретрансляторы созданы на основе самой мощной космической платформы
компании Lockheed Martin А2100 (рис. 2.1.2.3). Расчетный срок службы ИСЗ
12 лет, масса на орбите около 2200 кг, мощность солнечных батарей 10,5 кВт.
Ретранслятор формирует по 96 узких приемных pi передающих лучей шириной
0,8 гр. Каждый передающий луч поддерживает передачу суммарного цифрового
потока со скоростью до 80 Мбит/с. Пропускная способность каждого
ретранслятора равна 7,7 Гбит/с, а межспутниковых радиоканалов диапазона 60 ГГц -
1Гбит/с.
Наземный сегмент сети включает стационарные и возимые абонентские
терминалы с антеннами диаметром 0,65; 0,85 и 1,2 м. Более крупные терминалы

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 441
с антеннами до 2,4 м обеспечивают возможность коллективного доступа к
ресурсам сети и предназначены для объединения в единую инфраструктуру
локальных и небольших районных, городских ЩЦСИО. Центральные региональные
станции с антеннами размером 2,4 м имеют выход в наземные телефонные сети
общего пользования. Сеть Astrolink поддерживает протоколы и интерфейсы
TCP/IP, Frame Relay, ATM, X.25, ISON, T, Fractional Tl.
ГССС Astrolink ориентирована на цифровую передачу речи, данных и
видеоинформации. В качестве приложений возможны трансляция широкополосной
информации в интересах правительственных и медицинских учреждений,
транспортных и туристических компаний, распространение электронных версий
периодических изданий, дистанционное обучение, телемедицина и т.д.
Потенциальными клиентами сети являются провайдеры информационных услуг,
большие, средние и малые предприятия и учреждения, учебные и медицинские
заведения, индивидуальные пользователи.
Оценочная полная стоимость проекта составляет 4 млрд. долл., а тарифы, как
ожидается, будут соответствовать тарифам на аналогичный сервис в наземных сетях.
Глобальная ГССС LMI-Ka (Lockheed Martin Intersputnik Ka-диапазона)
базируется на 4-х ГСР, каждый из которых оборудован двумя передающими и
двумя приемными антеннами с 64 узкими лучами каждая. Ретрансляторы должны
быть размещены на следующих орбитальных позициях: 3° з.д., 93° з.д., 75° в.д.,
130° в.д. Для межрегиональной связи предусмотрено использование МЛС.
Наземный сегмент сети образуют пользовательские терминалы, которые в
зависимости от местоположения и скорости передачи комплектуются антеннами
диаметром @,7-1,2) м и передатчиками с выходной мощностью @,5-10) Вт.
Суммарная скорость передачи в каждом передающем луче ретранслятора достигает
60 Мбит/с. Базовые станции, в зависимости от расположения, оборудованы
антеннами диаметром 2,4-3,5 м.
Основное назначение ГССС LMI-Ka состоит в организации сетей цифровой
телефонии и решении «проблемы последней мили» для абонентов наземных
сетей ВОЛС.
Концептуально сеть LMI-Ka является упрощенным вариантом ССС Asrtolink.
Глобальная ГССС Spaceway компании Hughes базируется на использовании
17 ГСР, оборудованных многолучевыми приемо-передающими антеннами и БРТК
с полной бортовой обработкой и быстрым коммутатором пакетов. Семнадцать
ретрансляторов орбитальной группировки обслуживают 5 регионов:
1. Северная Америка (ЧСР в точке стояния 1QV з.д.).
2. Центральная и Южная Америка (ЧСР в точке стояния 50° з.д.).
3. Европа, Африка и Средний Восток (ЧСР в точке стояния 25° в.д.).
4. Австралия, Океания и Дальний Восток (ЧСР в точке стояния 110° в.д.).
5. Азиатско-Тихоокеанский регион A СР в точке стояния 175° в.д.).
Каждый из регионов, за исключением Азиатско-Тихоокеанского,
обслуживается при помощи кластера из 4 ГСР, размещенных в одной точке стояния и
связанных между собой МЛС, обеспечивающими обмен трафиком между приемными
и передающими лучами разных ретрансляторов одного и того же кластера. Другие
МЛС используются для обмена трафиком между региональными кластерами.

442 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Ретрансляторы строятся на основе космической платформы компании
Hughes HS-702. Расчетный срок службы ИСЗ 10 лет, масса на орбите 2000 кг,
мощность солнечных батарей 11 кВт. Каждый из СР формирует по 48 узких
приемных и передающих лучей шириной примерно Г (на каждом ретрансляторе по 2
приемные и передающие антенны 24-лучевые антенны). Пропускная
способность передающих лучей достигает 90 Мбит/с, а пропускная способность
каждого ретранслятора равна 4,4 Гбит/с.
Наземный сегмент сети включает стационарные абонентские терминалы с
минимальным размером антенн 0,65 м и выходной мощностью передатчика 2 Вт.
ГС С С Spaceway ориентирована на организацию международных
видеотелефонных сетей и высокоинформативных сетей передачи данных в глобальном
масштабе. Возможными приложениями являются скоростной доступ в
Интернет, дистанционный доступ к ЛВС, распределение информационных массивов,
электронная коммерция. Потенциальными клиентами сети являются
предприятия и организации разного масштаба и индивидуальные пользователи.
Оценочная стоимость проекта составляет 5,1 млрд. долл. Стоимость услуг
ожидается сопоставимой с тарифами операторов наземных сетей связи, а цена
пользовательского терминала в стандартной конфигурации ожидается около
1000 долларов.
Национальная широкополосная ССС США Cyberstar, разработанная
компанией Loral, предусматривает размещение кластера из трех ГСР в точке стояния
110° з.д. Это позволяет охватить полностью территорию США, включая
континентальную часть, Аляску и Гавайи.
Ретрансляторы сети построены на базе космической платформы FS-1300.
Расчетный срок службы спутника 12 лет, масса не орбите 1700 кг, мощность
солнечных батарей 7,5 кВт. БРТК ретрансляторов построен по схеме с полной
бортовой обработкой и коммутацией пакетов. Каждый из ГСР кластера формирует
по 24 приемных и передающих луча шириной около 0,7°. Пропускная
способность каждого ретранслятора равна 4,9 Гбит/с.
Земные пользовательские терминалы оборудованы антеннами диаметром
@,7-1,5) м. Пропускная способность передающего луча ретранслятора равна
около 200 Мбит/с. Скорость передачи информации от терминалов может
находиться в пределах от 384 кбит/с до 3 Мбит/с.
Сеть Cyberstar предназначена в основном для трансляции широкополосной
информации при обеспечении цифровой видеотелефонной связи. Стоимость
проекта составляет 1,1 млрд. долл.
Таким образом, краткий обзор проектов ведущих в области технологий
космической связи фирм-разработчиков и производителей ССС показывает, что на
концептуальном уровне их подходы к построению МССС практически
совпадают. Технический облик широкополосных геостационарных спутниковых сетей
связи следующего поколения определяется требованиям к ним и
характеризуется следующими отличительными признаками.
1. Использование Кя-диапазона частот, как наиболее технически и
технологически подготовленного к применению и апробированного на практике
нового источника частотного ресурса для новых ССС.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникоционных структурах 443
2. Использование бортовых многолучевых приемных антенн (БМЛА).
Главным побудительным мотивом применения БМЛА является требование
минимальной сложности и стоимости пользовательских терминалов.
Важно и то, что значительный коэффициент усиления узких лучей позволяет
скомпенсировать большое затухание сигналов Tfa-диапазона в земной
атмосфере. Теоретически, чем меньше ширина используемых лучей, тем
больше обеспечиваемые ими преимущества. На практике ширина лучей
ограничивается снизу значением @,7-1)°. Это ограничение
накладывается, в первую очередь, неизбежной погрешностью систем ориентации СР и
систем наведения бортовых антенн. Количество же используемых лучей
полностью определяется размерами области обслуживания. Например, в
национальной широкополосной ССС Cyberstar для покрытия территории
США оказалось достаточным использовать 72 луча. Для покрытия же
каждого из мировых регионов в глобальных ССС Astrolink и Spaceway
потребовалось не менее 192 таких же лучей. Работа в ifa-диапазоне
способствует использованию БМЛА. Во-первых, антенны этого диапазона
оказываются небольшими, диаметром около 1 м, и на борту ретранслятора
удается разместить несколько антенн. В противовес, например, антеннам
L-диапазона, которые при такой же конфигурации лучей требуют
использования раскрываемого в космосе рефлектора диаметром не менее 12 м,
что неизбежно увеличивает степень риска проекта. Во-вторых, поскольку
коэффициент усиления основного луча антенны прямо пропорционален
квадрату частоты, а уровень боковых лепестков обратно пропорционален
ее кубу [2.1.7.11], на более высоких частотах можно снизить межлучевую
интерференцию и, соответственно, уровень внутрисистемных помех.
3. Принципиально важным требованием к МССС является необходимость
поддержки интерактивного режима работы между любой парой или
группой пользователей сети. При использовании ГСР приемлемое качество
интерактивных услуг обеспечивается только односкачковой схемой передачи
пользовательского трафика. В этих условиях БМЛА требует с
необходимостью бортовой коммутации лучей или пользовательских
информационных потоков. Бортовая коммутация лучей (SS-TDMA) при большом
количестве лучей и пользователей в зоне обслуживания каждого луча
неэффективна, поэтому необходима полная бортовая обработка и
коммутация сигналов на видеочастоте. Не менее важным требованием к МССС
является необходимость совместной передачи существенно разнородного
по своим характеристикам и показателям качества обслуживания трафика.
Это достигается на практике путем представления любых видов трафика
в виде одинаковых пакетов унифицированного для сети формата и
использования соответствующей приоритетной дисциплины передачи этих пакетов.
Поэтому среди возможных схем коммутации на видеочастоте (см. 1.1.11)
для рассматриваемого случая приемлема только полная бортовая
обработка в комбинации с быстрой коммутацией пакетов.
4. Чтобы удовлетворить современные и перспективные требования
пользователей и успешно конкурировать с ВОЛС, пропускная способность МССС
должна быть весьма высокой. Пропускная способность ГСР в конечном

444 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
итоге ограничивается вместимостью и энергоотдачей современных
космических платформ и возможностями доступных средств вывода ГСР в рабочую
точку орбиты (таблица 1.1.1.1.). По этим причинам на современном этапе
развития техники и технологии космической связи пропускная
способность ГСР в ifa-диапазоне ограничивается величиной не более 10 Гбит/с.
С другой стороны, при создании масштабных национальных и региональных
сетей конкретные приложения могут потребовать заметно более высокой
пропускной способности космического сегмента сети. Для разрешения
возникающего противоречия естественна идея создания серий
последовательных запусков кластера из близко расположенных ретрансляторов,
каждый из которых расходует свою пропускную способность на
предоставление информационного сервиса лишь части области обслуживания, а все
вместе обслуживают заданную им область. Требование обеспечения пол-
носвязности всех пользователей из области обслуживания приводит к
необходимости установления информационных связей между приемными и
передающими лучами разных ретрансляторов кластера. Это может быть
реализовано лишь при наличии межспутниковых линий связи,
являющихся ключевыми элементами при создании ССС высокой и сверхвысокой
пропускной способности. Кластеры, по сути дела, есть форма реализации
активно обсуждавшейся в 80-х годах, но не воплощенной идеи создания
большой, монтируемой на орбите космической платформы связи [2.1.7.13].
Отдельные ГСР являются модулями, а МЛС выполняют роль
соединительных монтажных элементов «большой космической платформы».
МЛС необходимы и при создании глобальных ССС для передачи
межрегионального трафика, что позволяет избежать недопустимого двойного
скачка при передаче речи.
В рассмотренных проектах и во многих других предусмотрено
использование межспутниковых радиоканалов диапазона 60 ГГц. Благодаря
значительному резонансному поглощению радиосигналов частотой 60 ГГц атомов
кислорода атмосферы, МЛС практически полностью защищены от наземных
источников помех. Несмотря на давние сообщение об успешных
экспериментах по использованию оптических межспутниковых каналов, проводимых по
военным программам США, например на спутниках серии LES {Lincoln
Experimental Satellite}, сведений о широком использовании в ближайшей
перспективе оптических каналов на ретрансляторах коммерческих ССС нет.
5. С целью максимально эффективного использования связных ресурсов
ретрансляторов в передающих лучах используется временное
мультиплексирование пользовательских потоков. При этом каждый из терминалов в зоне
обслуживания луча принимает групповой информационный поток, демоду-
лирует и декодирует его, а затем селектирует из группового потока
предназначенную для него информацию. Поэтому при фиксированной ЭИИМ
передающего луча его пропускная способность определяется самым «слабым»
терминалом в зоне его обслуживания. В рассмотренных проектах
минимальный диаметр антенны земных станций примерно одинаков и равен 0,7 м, что
является компромиссом между сложностью и стоимостью пользовательских
терминалов и пропускной способностью передающих лучей ретрансляторов.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 445
При доступе к приемным лучам используется комбинированный способ
частотно-временного уплотнения ЧРК-ВРК (MF-TDMA), чем достигается гибкость
обмена между требованиями к ЭИИМ пользовательского терминала и глубиной
перераспределения пропускной способности приемных лучей между терминалами.
На рис. 2.1.7.4 представлены возможные варианты организации работы
мультимедийных СР, ориентированные на разные приложения и требования
пользователей:
1. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с непосредственной
ретрансляцией — однолучевая бортовая передающая антенна,
формирующая глобальный (национальный) передающий луч — сетевая топология
глобальная звезда.
2. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с непосредственной
ретрансляцией и фиксированными соединением приемных и передающих
лучей — многолучевая передающая бортовая антенна — сетевая топология
созвездие несвязанных локальных звезд.
3. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с бортовой
регенерацией данных на видеочастоте без коммутации — многолучевая
передающая антенна — сетевая топология локальные полносвязные сети.
4. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с бортовой
регенерацией данных на видеочастоте без коммутации — передающая антенна с
глобальным лучом — сетевая топология глобальная полносвязная.
5. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с бортовой
регенерацией и коммутацией данных на видеочастоте — многолучевая передающая
антенна — сетевая топология глобальная полносвязная.
6. Многолучевая бортовая приемная антенна — БРТК с бортовой
коммутацией приемных и передающих лучей на СВЧ — многолучевая передающая
антенна — сетевая топология глобальная полносвязная.
Необходимость использования небольших маломощных и относительно
дешевых пользовательских терминалов предопределяет обязательное применение
многолучевых приемных бортовых антенн, т.е. компенсацию незначительной
ЭИИМ терминалов пользователей большим значением добротности G/T
приемных лучей ретранслятора. В зависимости от требуемых топологии сети,
пропускной способности ретранслятора, схемы построения БРТК при организации
каналов «вниз» могут быть использованы передающие антенны с глобальным
(национальным) лучом либо многолучевые. Применение однолучевых бортовых
передающих антенн исключает необходимость бортовой коммутации, но из-за
небольшого коэффициента усиления бортовой передающей антенны выходная
мощность приемопередатчиков должна быть значительной, порядка 100 Вт, а полоса
пропускания приемопередатчиков — достаточно узкой, порядка B4-36) МГц,
для обеспечения удельной ЭИИМ на 1 Гц полосы пропускания, соизмеримой с
достижимой в узких лучах. Поскольку глобальный луч не допускает
многократного использования полосы частот путем пространственного разделения,
пропускная способность ретранслятора с глобальным передающим лучом оказывается
умеренной, не более 1 Гбит/с в Ка- диапазоне. Для мультимедийных
ретрансляторов с многолучевыми передающими антеннами важно обеспечить по возможности

446
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Системные
требования
Недорогие пользовательские
терминалы
Широкополосные мультимедийные
приложения
Высокая достоверность передачи
Простые модемы —>
малая выходная мощность
и размеры антенны
высокая пропускная способность
каналов «вверх»
применение^ мощных
помехоустойчивых кодов
временное мультиплексирование
в каналах «вниз»
Тип приемной
антенны
ретранслятора
Схема
построения
БРТК
Многолучевая приемная антенна
Непосредственная
ретрансляция
Тип
передающей
антенны
ретранслятора
V V
Бортовая
регенерация
без
коммутации
Бортовая
обработка и
коммутация на
видеочастоте
Бортовая
коммутация
лучей на СВЧ
Передающая антенна
с глобальным
(национальным) лучом
Сетевая
топология
V V
Многолучевая передающая
антенна
Глобальная
звезда
Локальная
звезда
Локальные
полносвязные
V V
Глобальная
полносвязная
Номер варианта
построения
О 0 0 01©
©
Рис. 2.1.7.4. Возможные варианты организации работы
мультимедийных ССС

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 447
ПрЯ,
ЧРК-ВРК
ПрЛ2
ЧРК-ВРК
МПРМ,
ЧРК-ВРК
MIIP1VL,
ВРК
ВРК
ПрЛм
ПРМ
ПрЛм
ПРМ
МД/Д1
мд/д2
д/д
д/д
БУИМ
I
I
к/м
к/м
к/м
ПРД
ил,
ВРК
пл9
ВРК
ВРК
к/м
ПРД
ПЛм
ВРК
к/м
ПРД
ПЛм
ВРК
ПрЛ — приемный луч
ПрЛм — приемный луч межспутниковой
линии
ПЛ — передающий луч
ПЛм — передающий луч
межспутниковой линии
ПРМ — приемник
МПРМ — многоканальный приемник
МД/Д — многоканальный демодулятор/
декодер
Д/Д — демодулятор/декодер
К/М — кодер/модулятор
ПРД — передатчик
БУИМ — блок управления излучаемой
мощности
ВРК — временное разделение каналов
ЧРК-ВРК — многочастотное временное
разделение каналов
Хронизатор
Система энергообеспечения
Командно-измерительная
Система ориентации
Система коррекции орбиты
Рис. 2.1.75. Конфигурация TCP перспективных широкополосных ССС

448
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
каналы вверх
каналы вниз
РЕТРАНСЛЯТОР
Уровень
приемных
лучей
Уровень
передающих
ЗС
Уровень
передающих
лучей
Уровень
приемных
ЗС
Уровень
пользователей
0 0
Пользователи
ЧРК — частотное разделение каналов
ВРК — временное разделение каналов
ПРК — пространственное разделение каналов
Рис. 2.1.7.6. Иерархия способов каналообразования в различных сечениях
широкополосных ССС
наиболее гибкое перераспределение пропускной способности СР (излучаемой
мощности и полосы частот) между лучами. Способы практической реализации
такого перераспределения рассмотрены в разделе 1.1.11.
На рис. 2.1.7.5 показана конфигурация геостационарных ретрансляторов
перспективных широкополосных ССС, отражающая отмеченные особенности их
технического облика. Иерархия используемых способов каналообразования в
различных сечениях ССС приведена на рис. 2.1.7.6.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 449
1
s
I
о
§
U
и
о
I
о
I
I
шость
Е>Д.$.
о 5
и
..
II
азон
тот
Диап
час
Область
обслуживания
слоКА
S
3
Е
VO
§«
с
S
ель
к
i
кта
Название прое
i
ГО
1
1
Н/д
о
О
Alcatel
Sky Bridge
и
pa
О
с
arti
Lockheed
Astrolink
CN
in
О
т—1
с
pa
о
го
О
Loral
Cyberstar
со
in
а
ра
1—1
о
CN
О
Hughes
>>
Galaxy Spacewa
о
Рн
pa
1
Л
О
О
а
о
о
GE Ameri
GE*Star
ю
CN
00
О
.
1
а
О
О
го
Morning J
Morning Star
CD
OS
К
+
[-4
288
О
Он
Teledesic
Teledesic
CD
ro
I
CD
О
О
Contact L
00
со
CN
s
IT1
и
о
00
О
Hughes
CN
e
S
tr
PQ
U
+
§
1
о
CN
О
и
Hughes
SNGSO
о
CN
CN
С
+
Р-ч
in
О
arti
s
Lockheed
Astrolink Phase
CJi
CN
С
+
>
CN
CO
о
и
й
arti
s
Lockheed
LM-MEO
CN
CN
e
+
in
1
S
о
ни
Motorola
Celestri
ГО
s
и
I
a
О
CD
О
PanAmSa
Pan Am Sat
\
+
t5
CN
О
Voice Span
m
С
О
д
arti
s
Lockheed
LMI-Ka
CD
CO
CN
I-H
к
о
Реги
О
Motorola
Millenium
Oi
s
IT1
m
и
i
>
О?
00
j
tn
CN
«
о
n
CJ
CD
Denali Tel
1
00
CO
PQ
U
1
>
a
о
e
о
о
GE Ameri
GE Star Plus
en
4
\
S
oa
и
i
>
О
I
о
00
о
1-тЦ
Globalstai
GS-40
о
CN
го
s
?
pa
и
!
>
О
о
Hughes
Expressway
CN
in
pa
-i-
>
ГЛ
О
с
arti
s
Lockheed
Q/V-Band
CN
CN
О
ГО
pa
>
a
о
О
Loral
Cyberpath
ro
CN
CD
pa
>
о
CD
i
CN
О
к
Motorola
M-Star
CN

450 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
2.1.8. Интеграция наземных и спутниковых сетей связи
В настоящее время внутри произвольных регионов (областей, стран,
континентов) и между регионами инфраструктура телекоммуникаций распределяется
существенно неравномерно. Это объясняется как географическими условиями,
так и уровнем экономического развития этих регионов. В результате карта мира
представляет собой, с телекоммуникационной точки зрения, совокупность
множества островов, мегаполисов, развитых регионов, стран, которые имеют в своем
составе развитую телекоммуникационную структуру, изобилующую
широкополосными сетями связи для предоставления широкого спектра услуг (Европа,
Северная Америка). Между такими регионами существует потребность в
широкополосной связи и в телекоммуникационных услугах. Есть и множество белых
пятен, в которых аналогичная структура плохо развита, а зачастую и просто
отсутствует (Азия, Африка). Организовать предоставление современных услуг
связи в таких регионах возможно несколькими путями [2.1.8.5]:
• создать инфраструктуру путем прокладки наземных широкополосных
каналов связи. Но, как уже ранее отмечалось в предыдущих разделах, данное
решение достаточно дорогое и требует длительного времени его
реализации;
• организовать спутниковые каналы связи, что существенно сокращает
сроки начала предоставления услуг связи на первом этапе информатизации
регионов, причем при приемлемой стоимости их реализации. На
последующих же этапах развития телекоммуникационной инфраструктуры этих
регионов спутниковые системы связи можно использовать с целью
резервирования наземных сетей связи.
В качестве спутниковых сетей связи возможно использовать сети,
построенные на базе геостационарных спутников-ретрансляторов (GEO), а также низко-
и среднеорбитальных космических аппаратов (LEO, MEO).
При использовании геостационарных спутников-ретрансляторов возможны
два варианта построения ССС:
• с использованием наземного сегмента с мощными шлюзами ССС
(рис. 2.1.8.1а) для реализации линий связи с большой пропускной
способностью;
• с использованием в наземном сегменте сети оборудования пользователей
VSAT (рис. 2.8.1.16) для реализации линий связи средней и малой
пропускной способности.
Альтернативой двум предыдущим вариантам является ССС на базе
низкоорбитальных ССС, по структурному построению очень похожая на два
предыдущих варианта (рис. 2.8.1.2а и рис. 2.8.1.26). Преимуществом этого варианта, с
точки зрения реализации качества предоставления интегральных услуг связи,
является обеспечение низкой задержки распространения сигналов.
С учетом же сложившейся ситуации в спутниковых системах связи, а также
уже приведенных ранее достоинств и недостатков каждого типа систем очень

Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 451
ГСР
а) применение ГССС для связи между земными
региональными станциями-шлюзами
ГСР
IB1 - зоны обслуживания ГССС,
^ - станции VSAT,
— наземная сеть связи региона,
ЗСШ
— земные региональные станции-шлюзы
б) применение ГССС для связи между VSAT-терминалами
Рис. 2.1.8.1, Использование ГССС для информатизации регионов

452
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
НСР
НСР
зсш
а) применение НССС для связи между региональными
станциями-шлюзами
НСР
НСР
{—j — зона обслуживания НССС ( J
^ - станции VSAT
~ наземная сеть связи
региона
^рЬ ~ земные региональные
ЗСШ станции-шлюзы
б) применение НССС для связи между VSAT-терминалами
Рис. 2.1.8.2. Использование НССС для внутри- и межрегиональной связи

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 453
НСР
о
— зона обслуживания GEO
— зона обслуживания LEO
— наземная сеть связи региона
— спутниковые линии связи
— наземные и/или радиорелейные линии связи
Рис. 2.1.83. Использование комбинированной сети связи на базе НССС и ГССС
для внутри- и межрегиональной связи
привлекательным является использование комбинированных ССС на базе
низкоорбитальных и геостационарных спутниковых систем связи (рис. 2.8.1.3).
В этом случае вещательные функции и доставка циркулярной информации
возлагается на геостационарные спутники-ретрансляторы. Для реализации же
интерактивного обмена (видеоконференцсвязь, мультимедиа, системы
оперативного управления), который возможен только при обеспечении низких задержек
распространения сигналов, необходимо использовать негеостационарные
системы связи.

454 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
В целом же преимущества и недостатки каждого типа ССС были указаны в
таблице 1.2.2.4 раздела 1.2.
Ранее неоднократно отмечалось, что:
• требования к услугам связи разнородных пользователей непрерывно растут,
более того, возникают новые требования, которые при проектировании систем
связи либо не учитывались, либо были в разряде второстепенных (в
частности, во много раз повысились требования к доступности услуг связи);
• спектр предоставляемых услуг связи непрерывно расширяется, а
отдельные действующие системы или сети связи не в состоянии предоставить
данные услуги;
• растет число и мобильность абонентов, их информационная активность,
которая, в общем, существенно ухудшает показатели эффективности
действующих систем и снижает качество услуг связи;
• в мире имеется тенденция к опережающему росту объемов передаваемой
информации по сравнению с ростом валового продукта, причем эта
зависимость нелинейная;
• каждая из систем связи и применяемая в них технология передачи
информации имеет только вполне определенную область эффективного (в
смысле выбранного критерия) применения, поэтому создание какой-то одной
универсальной системы связи, которая бы предоставляла весь комплекс
услуг связи, на сегодняшний день невозможно как по техническим, так и
по экономическим причинам;
• загрузка отдельных каналов связи, сегментов и узлов сетей в течение суток
существенно неравномерная;
• распределение пользователей по зоне охвата топологии систем и сетей
связи существенно неравномерное;
• в настоящее время на большей части территории нашей планеты не могут
быть предоставлены даже так называемые основные услуги связи;
• методология проектирования систем связи, как правило, основана на
использовании некоторых усредненных вероятностных значений
показателей качества, а не на их экстремальных значениях;
• некоторые виды систем связи в принципе не могут обеспечить
предоставление определенного вида услуг связи, в то время как пользователь —
владелец одного типа терминала хочет иметь максимально возможный
спектр предоставляемых услуг;
• возрастают требования к оперативности информационного обмена, в то
время как имеющиеся емкости (пропускные способности) каналов связи или
производительность телекоммуникационных систем ограничены и/или не
могут быть увеличены (по техническим или экономическим причинам) в
течение нескольких лет;
• владельцы систем связи (операторы любого уровня) стремятся повысить
эффективность использования ресурсов своих сетей при обеспечении
заданного качества предоставляемых услуг связи и др.
Одним из решений в сложившейся ситуации является интеграция
(объединение на различных уровнях) различных систем связи.

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 455
В качестве теоретической предпосылки такого объединения (здесь она может
быть приведена только как первое приближение, т.е. грубая оценка) является
известный факт теории массового обслуживания, которая традиционно используется
для расчета вероятностно-временных характеристик систем и сетей связи:
использование объединенного ресурса (пропускная способность, производительность и т.д.)
с общей очередью запросов на предоставление услуг связи предпочтительнее по
практически всем основным показателям, чем независимое раздельное
использование нескольких систем связи той же пропускной способности.
Интеграция систем связи, как бы это ни казалось привлекательным с первого
взгляда, задача не тривиальная. Более того, при неправильном объединении
различных систем могут быть достигнуты абсолютно противоположные результаты,
т.е. вместо улучшения основных показателей сетей связи в результате будут
получены худшие характеристики.
В будущих наземных сетях связи, как отмечается в [2.1.8.1], в рамках
построения Национальной Информационной Структуры США — N11 одной из основных
проблем является проблема «последней мили». В частности, эта программа
предусматривает увеличение скорости доступа конечного пользователя к
информационным ресурсам на три порядка (около 60 Мбит/с). В принципе данную скорость
доступа могут обеспечить различные транспортные средства: коаксиальный
кабель, ВОЛС и спутниковые каналы связи. Однако нужны ли действительно такие
скорости доступа? Рассмотрим этот вопрос более подробно. В настоящее время и
в ближайшем будущем основным типом трафика в сетях связи является речь. Как
мы уже ранее отмечали, с использованием цифровых методов передачи речи
(устранение смысловой избыточности, эффективное кодирование и др.) можно,
практически без ухудшения качества передачи речи, использовать каналы связи 4,8-
16 кбит/с. В настоящее время сети телефонной связи ориентированы на
использование каналов связи 64 кбит/с, т.е. существенно выше требуемой скорости
передачи речи. Таким образом, уже в настоящее время для передачи речи нет
необходимости повышать скорость передачи информации на участке «последней мили».
Как правило, для обеспечения информационного взаимодействия между двумя
компьютерами (PC — PC) в настоящее время в большинстве случаев достаточно
скорости 128 кбит/с (даже передача графической информации не требует
гигабитных пропускных способностей каналов связи). Безусловно, что в специальных
случаях, например, связь между суперкомпьютерами, передача данных
радиологического оборудования и т.д., требуются именно такие большие скорости
передачи, но в этих случаях строятся и специализированные сети передачи данных.
Экономической основой современных сетей связи является использование
механизма мультиплексирования (иногда этот процесс называют
агрегированием трафика). Коэффициент мультиплексирования в современных системах
связи находится в диапазоне A2-24000). Таким образом, если конечный
пользователь работает на скорости несколько Мбит/с, то производительность сети
должна быть на три порядка выше, т.е. около 150 Гбит/с. Коммерческих сетей
связи с такой пропускной способностью в настоящее время нет (оптические
системы стандарта ОС-48 поддерживают скорость 2,4 Гбит/с).
В отличие от наземных сетей связи, основным экономическим механизмом
спутниковых сетей связи является использование множественного доступа. Это

456 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
главное преимущество спутниковых сетей связи с точки зрения капитальных
затрат при построении N11, поскольку данная технология позволяет по своей
природе предоставить без существенных затрат и ограничений конечному
пользователю по его требованию, как правило на короткое время, практически всю
пропускную способность канала связи.
В наземных сетях связи, наряду с использованием помехоустойчивого
кодирования, одним из используемых методов повышения достоверности передачи
информации является применение каналов с обратной связью {ARQ —
Automatic Repeat Request}. В этом случае приемный узел отсылает передающему узлу
подтверждающие сообщения, в которых указывается степень правильности
приема принятой информации. При наличии в принятом сообщении ошибок,
появившихся в сообщении при передаче по каналу связи, передающей стороне
отсылается запрос на повторную передачу ошибочного пакета. Это достаточно
эффективный механизм для наземных сетей связи, однако использование его в ССС
при широковещательной передаче сообщений может значительно снизить
пропускную способность спутниковых каналов связи из-за того, что повторная передача
искаженного пакета, принятого одной из ЗС, передается через
спутник-ретранслятор в широковещательном режиме, т.е. передается всем наземным станциям
даже в том случае, если все остальные станции приняли его правильно после
первой передачи данного пакета. Таким образом, пропускная способность канала
связи спутника-ретранслятора будет определяться параметрами наихудшей ЗС,
с точки зрения помехоустойчивости приема, тем самым ограничивая возможности
приема остальных ЗС. Очевидно, что если каким-то образом реализовать
повторную передачу искаженного пакета только для той станции, которой он
предназначен, то это приведет к повышению производительности спутниковой сети
связи. Одним из таких решений является использование для этой цели наземных
линий связи, если такие линии можно организовать. В этом случае повторная
передача искаженных пакетов осуществляется по наземным линиям связи между
центральной станцией и ЗС, которая неправильно приняла данный пакет при его
первой передаче. Таким образом, объединение ССС и наземной сети связи
приводит к повышению пропускной способности ССС. Более того, при такой
организации информационного обмена и стоимость ЗС может быть снижена за счет
некоторого ухудшения характеристик, обеспечиваемых космической линией связи.
Результаты оценочного расчета показали, что производительность ССС
снижается с ростом числа ЗС, в то время как в интегрированной сети такая
зависимость отсутствует. Очевидно, что повышение производительности
интегрированной сети связи требует наличия наземных каналов связи между ЦС и ЗС, т.е.
требует увеличения общей пропускной способности каналов связи (фактически,
это и есть плата за достижение более высоких характеристик сети). Получение
количественных оценок при интеграции ССС с наземными сетями связи с целью
повышения производительности ССС является самостоятельной задачей, решение
которой зависит от конкретных реальных условий функционирования обеих
сетей связи. Необходимо отметить, что область эффективного применения
интегрированной сети связи можно расширить путем, например, повторной
ретрансляции пакетов к требуемой ЗС не из ЦС, а от ближайшей к данной ЗС земной
станции. В этом случае, при прочих равных условиях, снижается вероятность

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуниксщионных структурах 457
ошибочной передачи по наземным каналам связи, а также снижается загрузка
оборудования ЦС. В частности, данный алгоритм реализован в протоколе RMTP
{Reliable Multicast Transport Protocol}. Другим путем повышения
производительности интегрированной сети является применение в каналах связи методов
помехоустойчивого кодирования, например, использование кодов БЧХ.
Необходимость увеличения пропускной способности и эффективности ССС
явилась одной из причин освоения высокочастотного диапазона частот C0/20 ГГц
и выше), в котором полоса частот намного превышает суммарную полосу частот,
используемую на более длинных волнах. Потенциальные возможности систем в
этом диапазоне частот оцениваются в 10 тыс. каналов связи со скоростью
передачи информации в каждом канале не менее 2 Мбит/с.
Как видно из рис. 1.1.4.4, ослабление радиоизлучения в атмосфере имеет
общую тенденцию возрастать с ростом частоты и зависеть от погодных условий.
Для надежной связи в Кл-диапазоне в некоторых случаях необходимо иметь
энергетический запас не менее 10 дБ вместо D-6) дБ, на который
ориентируются проектировщики в настоящее время. Более того, для iCa-диапазона даже запас
в 20 дБ не всегда может обеспечить надежную связь. Наиболее простым
решением этой проблемы, особенно для территорий с неблагоприятными погодными
условиями, является обеспечение значительного энергетического запаса в
радиолинии «вниз», однако это чаще всего невозможно. Одним из распространенных
методов, повышающих надежность связи при замираниях сигнала,
обусловленных погодными условиями на трассе распространения или при многолучевом
распространении из-за интерференции сигналов (когда в приемную антенну
один и тот же сигнал поступает по нескольким геометрически различным
трассам) является метод разнесенного приема, хорошо известный в системах связи
на более длинных волнах. Идея этого метода состоит в том, что в схему канала
связи вводится некоторая избыточность:
• пространственная, когда прием сигнала ведется на одну из нескольких
(или на все одновременно) территориально разнесенных антенн, причем
для снижения эффекта многолучевого распространения достаточно
разнести их на расстояние не менее A0—20)Х, (где X — длина волны), а для
уменьшения эффектов снижения мощности из-за поглощения в дожде —
на расстояние нескольких километров. На практике обычно используют от
2 до 6 приемных станций;
• частотная, когда один и тот же сигнал передается и принимается на разных
частотах. Выигрыш достигается только в том случае, если интервал между
несущими частотами больше ширины полосы когерентности сигнала;
• поляризационная, когда сигналы передаются с различной поляризацией, а
прием ведется с использованием двух различных приемников для
горизонтально и вертикально поляризованных копий сигнала;
• использование комбинации вышеприведенных методов введения
избыточности и др.
Наиболее просто реализуется пространственный метод разнесенного приема
с реализацией схемы автовыбора, отдельные варианты которого показаны на
рис. 2.1.8.4. В этом случае в качестве основной приемной антенны мегаполиса

458
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
ГСР
НСР
Рис. 2.1.8.4. Примеры пространственного разнесенного приема

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 459
или небольшого города выбирается та, уровень приемного сигнала которой в
данный момент времени максимален. Например, в строящейся ССС компании
WideBlue Communications Inc. (США) от каждого наземного шлюза из шести,
расположенных по всей территории страны и имеющих антенны диаметром 5,6 ,
на расстоянии 20-30 км расположен второй антенный пост для обеспечения
разнесенного приема на случай неблагоприятных погодных условий.
Пространственное разнесение маршрутов эффективно и в сетях персональной подвижной
спутниковой связи для снижения вероятности затенения низкоорбитального
ретранслятора предметами окружающей обстановки. Такой подход использован,
например, в СППСС Globalstar.
Чтобы обеспечить связью подвижных пользователей, системы связи,
предназначенные для обеспечения их информационного взаимодействия, должны
охватывать всю возможную территорию (или область пространства), в которой могут
находиться эти объекты. В идеальном случае система связи должна обеспечить
глобальный охват земной поверхности. А при обеспечении связи с воздушными
или космическими объектами система должна охватывать околоземное воздушное
или космическое пространство. Очевидно, что создание таких больших систем
является трудоемкой и дорогостоящей задачей. Более того, в этом случае
возникают и преграды, связанные с вопросами межгосударственного взаимодействия.
В некоторых случаях, например при обеспечении роуминга в сотовых сетях
связи, между национальными операторами заключаются межоператорские
соглашения и организуются каналы связи между этими национальными сетями.
Однако и в этом случае сотовые системы связи в настоящее время не могут
охватить всю земную территорию.
Более того, в реальных системах имеется существенная неравномерность
загрузки каналов связи между различными сотами, а также часто возникает их
перегрузка. Это приводит, в частности, к разрыву даже уже установленных
соединений, например при переходе одного абонента из одной соты с низкой
загрузкой каналов связи в другую соту, в которой все доступные каналы связи
уже заняты.
В других же случаях, например при обеспечении функционирования
космических аппаратов (КА), а также для передачи разнородной информации с КА в
центры сбора и обработки информации, применяются системы связи, в состав
которых входят совокупность (сеть) наземных пунктов (узлов) приема-передачи
информации (НППИ). Именно так строились первые сети для организации
информационного обмена между Центром управления полетами и КА. Расположение
наземных пунктов выбиралось таким образом, чтобы обеспечить максимально
возможную оперативность доставки информации с КА. Однако, наряду с
интеллектуализацией КА, требования к увеличению оперативности доставки информации
с КА постоянно растут, возникает необходимость обеспечения информационного
взаимодействия центров управления с КА в реальном масштабе времени.
Одним из решений задачи обслуживания подвижных пользователей с
заданным качеством является объединение наземных и спутниковых систем или сетей
связи. Наряду с количественным увеличением частотного и временного ресурсов
(увеличение зоны или времени радиовидимости объектов), в таких системах эти
ресурсы наиболее эффективно используются за счет появляющейся возможно-

460 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
сти применения динамического управления информационными потоками. В
частности, при сильной загруженности сотовой системы связи возможно
перенаправить информационные потоки между сотами через спутниковую сеть, обойдя
эти загруженные участки сети. При построении сети связи, например с
космическими аппаратами, использование спутников-ретрансляторов обеспечивает
практически глобальную зону охвата околоземного космического пространства.
В свою очередь, при перегрузке спутниковых каналов связи для организации
информационного обмена также возможно использовать совокупность НППИ,
зоны радиовидимости которых пересекают космические аппараты.
Чтобы количественно оценить получающийся при таком объединении
выигрыш, проведем анализ основных вероятностно-временных характеристик,
определяющих качество информационного обслуживания подвижных объектов. Для
этого рассмотрим один из вариантов интегрированной системы, приводимый
ниже, который, хоть и является частным случаем, однако аналогичная методика
анализа может быть применена и для других приложений.
Рассмотрим следующую математическую модель. Пусть имеется
совокупность подвижных объектов-пользователей. Информационное взаимодействие с
подвижными объектами организуется как с использованием наземной сети
базовых станций (или НППИ — в случае с космическими аппаратами), так и с
использованием каналов связи геостационарных спутников-ретрансляторов. Пусть
связь между БС (или между различными региональными или национальными
сетями сотовой связи) осуществляется либо через проводную наземную сеть
связи, либо с использованием радиоканалов связи через геостационарный спутник-
ретранслятор, к каналам которого каждая БС или подвижный объект имеет
доступ. Для упрощения задачи рассмотрим спутниковую систему передачи
информации с одним геостационарным спутником-ретранслятором (рис. 2.1.8.5).
Рассмотрим следующий алгоритм управления информационными потоками
в объединенной сети связи. При возникновении у подвижного пользователя
(ПП) некоторого объема информации, предназначенного для передачи другому
пользователю, в качестве которого может быть и стационарный пользователь
(или центр сбора информации), по запросному каналу спутника-ретранслятора
в центр управления сетью связи (при централизованном управлении сетью) или
в систему управления, находящуюся на ретрансляторе, передается запросное
сообщение на предоставление ПП канального ресурса (канала связи определенной
пропускной способности). Система управления, выполняя функции
маршрутизатора, рассчитывает время передачи сообщения по различным маршрутам. В
частности, в рассматриваемом случае рассчитываются задержки передачи
информации по всем возможным спутниковым и наземным каналам связи. Если время
установления соединения и длительность сеанса связи, реализуемого через
каналы спутника-ретранслятора, больше, чем время установления соединения и
сеанса связи, реализуемого через наземную сеть связи (маршрут начинается в узле
сети, в зоне которого находится ПП), то соединение устанавливается через
наземную сеть. В противном случае ПП обслуживается через каналы связи
спутника-ретранслятора.
Первым приближением, имитацией различных траекторий движения
подвижных пользователей через зоны действия базовых станций может служить

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 461
ГСР
\
\
\
\
КА п\
нппи
зона обслуживания
танкового сегмента сети^
нппи,
зона обслуживания
наземного сегмента сети
Рис. 2.1.8.5. Фрагмент интегрированной сети связи при организации
информационного обмена с совокупностью космических аппаратов
случайный алгоритм распределения ПП по зонам. Примем законы
распределения интервалов между сеансами связи и длительности этих сеансов
экспоненциальными с параметрами X и ц, соответственно. Будем называть каждый сеанс
связи заявкой на обслуживание. В этом случае каждый узел сети может быть
представлен в виде систем массового обслуживания типа М/М/п или М/М/1 —
гс-канальной или одноканальной (в зависимости от числа каналов связи)
системой массового обслуживания. Число заявок, пребывающих в системе массового
обслуживания (на обслуживании и в очереди), определяет состояние этой
системы массового обслуживания. Например, нулевое состояние соответствует
случаю, когда нет ни одной заявки в системе. Пусть, например, в сети связи
используется временное уплотнение каналов связи — ВРК (TDMA).
Тогда, например, состояние 2 означает, что одна заявка обслуживается, а одна —
стоит в очереди и ожидает момента предоставления канала связи. В этом случае
диаграмма интенсивностей переходов для сети связи как модели массового
обслуживания выглядит как на рис. 2.1.8.6. На рисунке: \1 — интенсивность
обслуживания заявки каналом связи ретранслятора, X — интенсивность возникнове-

462
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
спутниковый сегмент сети
наземный сегмент сети
Рис. 2.1.8.6. Диаграмма интенсивностей переходов интегрированной сети
ния заявок, pi — вероятность того, что из i-го состояния канала ретранслятора
заявка переходит в &-ый маршрут проводной сети, начинающийся в k-oik базовой
станции (узле сети), F{ ~~ вероятность того, что время пребывания заявки при
обслуживании через канал связи спутника-ретранслятора, который находится в
состоянии г, оказывается больше, чем при обслуживании через j-ый узел наземной
сети связи.
Примем число ПП достаточно большим, а интервал времени обслуживания
заявки через наземную сеть связи на порядок меньше, чем средний интервал
возникновения заявок. Это характерно для случаев перехода ПП из одной соты в
другую. Таким образом, возможно использование модели открытой сети
массового обслуживания.
В стационарном режиме система линейных алгебраических уравнений для
состояний канала связи ретранслятора выглядит как:
fP^p-P0X(i-F0) = О
= О
B.1.8.1)

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 463
Для наземной сети связи интенсивность входного потока заявок через j-ый
узел будет:
Чтобы определить среднюю задержку обслуживания заявки через j-ыи
маршрут наземной сети связи, необходимо иметь математическую модель, которая
бы описывала вероятностно-временные характеристики (ВВХ) данного
маршрута. Каждый маршрут представляет собой последовательное соединение каналов
связи и транзитных узлов. Для демонстрации описываемой методики расчета
ВВХ примем в качестве математической модели ^'-го маршрута систему
массового обслуживания М/М/1. Тогда средняя задержка заявок в /-ом маршруте будет:
B.1.8.2)
Определим теперь вероятности Fk, входящие в B.1.8.1). Поскольку входной
поток заявок пуассоновский, а время обслуживания имеет экспоненциальное
распределение, то, как известно [2.1.8.2]:
B.1.8.3)
i = 0
Тогда, заменяя в B.1.8.3) t на Т- из B.1.8.2), получим:
'•-2
/ = 0
/7!ехр
При pkj = 1/М, где М — число узлов наземной сети, т.е. при равновероятном
распределении потока заявок от ПП по узлам наземной сети последнее
выражение упрощается:
V
~*I'.
/7!ехр
n = 0
Причем V* Fn < M[ij,
п = 0

464
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Примем производительность (пропускную способность) каналов связи
наземной сети одинаковой, т.е. ц;: = ц. Тогда получим:
Fo = ехр
B.1.8.4)
-X
)
00
2
)
i
/i!exp<
Просуммировав левые и правые части B.1.8.4), получим следующее
трансцендентное уравнение:
п = 0
0/ = О
/i!exp
я = 0
B.1.8.5)
Поскольку функцию ^Г i7^ можно считать достаточно гладкой, то в качестве
численного метода решения последнего уравнения можно использовать,
например, алгоритм [2.1.8.3].
Среднюю сетевую задержку заявок в наземной сети связи можно рассчитать
как [2.1.8.4]:
7=1
М оо
р/^, А.,. = А. £,
Тогда:
Г =
М оо
; = l)t = О
= о
М оо
где Fk определяется по B.1.8.4).
B.1.8.6)

2.1. Место и роль спутниковых сетей связи в инфотелекоммуникационных структурах 465
Среднюю задержку заявок при обслуживании через каналы связи
ретранслятора определим из выражения:
где Pk из B.1.8.1) равны:
B.1.8.7)
k-x
оо k-1
k= 1 2 = 0
= 1 i = О
где р = А,/|Лр.
Среднюю сетевую задержку заявок в интегрированной сети связи определим
как взвешенную (по интенсивности) сумму B.1.8.6) и B.1.8.7).
На рис. 2.1.8.7 и рис. 2.1.8.8 показаны зависимости нормированных средних
задержек, вычисленные по представленным выше соотношениям. Полученные
результаты показывают, что сетевая задержка интегрированной сети
существенно зависит от соотношения интенсивностей обслуживания (определяющихся
пропускными способностями) каналов связи спутника-ретранслятора и
наземной сети. По мере роста отношения Цр/ц при постоянной пропускной
способности каналов связи интегрированной сети происходит перераспределение
трафика между спутниковой и наземной сетью.
Так, например, при суммарной загрузке каналов связи интегрированной сети
р = 0,8 и изменении соотношения цр/ц от 0,5 до 4 наблюдается снижение
трафика в наземной сети от 0,85 до 0,6 и, соответственно, увеличение трафика в
каналах связи спутниковой сети от 0,15 до 0,4 (рис. 2.1.8.7). Увеличение же
пропускной способности каналов связи спутника-ретранслятора от 1 до 4 раз по
сравнению с пропускной способностью наземных каналов связи позволяет
существенно снизить сетевую задержку. Например, при р = 0,8 средняя задержка
снижается более чем в 2 раза (рис. 2.1.8.8).
Таким образом, проведенный анализ упрощенной модели показывает, что
эффективность функционирования интегрированной сети существенно зависит от
соотношения между пропускными способностями спутниковых и наземных
каналов связи. Использование приведенного подхода при анализе такого класса
систем позволяет по заданным требованиям к ВВХ обслуживания определить

466
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
2,0 А
1,5
1,0
0,5
0,6
0,5
Рис. 2.1.8.7. Зависимости нормированной средней задержки
P-I.T, \1%Тр, ц^Тн — средняя задержка в интегрированной сети, в спутниковом
и наземном сегментах сети, соответственно.
2,0
1,5
1,0
0,5
1,0
Рис. 2.1.8.8. Зависимости нормированной средней задержки
Tp, \X^TH — средняя задержка в интегрированной сети, в спутниковом
и наземном сегментах сети, соответственно.

2.2. Использование технологии ATM в ССС 467
основные параметры рассмотренной интегрированной сети связи. Так, например,
по мере ужесточения требований на сетевую задержку, всё большая часть
трафика должна обслуживаться каналами связи ретранслятора.
Теоретически, например для случая сотовых систем связи, когда наземная
сеть связи имеет разрывы между сотами, или для случая организации
информационного обмена между воздушными или космическими аппаратами и НППИ,
минимальная средняя задержка при описанном алгоритме управления
информационными потоками достигается тогда, когда вся пропускная способность каналов
отводится под каналы связи спутника-ретранслятора. Очевидно, что это в
большинстве случаев нельзя реализовать из-за технических ограничений, связанных
с ограниченной мощностью бортовых передатчиков, полосой пропускания и др.
Однако иногда все же удается это сделать. Так, например, первоначально
системы ретрансляции данных с космических аппаратов США и России были
построены на базе только сети НППИ и наземных каналов связи. Однако с конца
80-х годов по настоящее время в этих странах используются интегрированные
системы связи (на базе спутников-ретрансляторов TDRSS — в США и
аналогичных ретрансляторов в России), причем доля информационного обмена,
обеспечиваемая спутниковой компонентой этих интегрированных сетей, на порядок
выше, чем наземных сетей НППИ этих стран.
2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ATM В ССС
2.2,1• Базовые принципы АТМ-технологии
Технология ATM {Asynchronous Transfer Mode} разработана в качестве
транспортного механизма для обычных и широкополосных, использующих в качестве
физической среды волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) наземных
цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО и ШЦСИО) [2.2.1.1-2.2.1.5,
2.2.1.8]. Под интегральным обслуживанием понимается возможность совместной
передачи разнородного трафика — речь, видео, аудио, данные (цифровые массивы,
пакеты, кадры). Именно разнородность обслуживаемого трафика, как с точки
зрения различий требований к объемам и скорости передачи сообщений, так и с точки
зрения существенно различающихся требований к качеству передачи
(обеспечиваемым вероятностно-временным характеристикам обслуживания), и
определила базовые принципы, лежащие в основе технологии ATM.
Полностью структурированной элементарной единицей передаваемой
информации в сетях ATM являются короткие пакеты фиксированного объема,
получившие название ячейки (cells). Каждая ячейка состоит из информационной части
и заголовка (служебной части), обеспечивающего ее надлежащую
транспортировку от отправителя к получателю информации. При выборе размера ячеек
приходится исходить из диаметрально противоречивых требований к
минимизации задержек при передаче и уровня служебных затрат. Трафик, восприимчивый
к задержкам (речь, видео), требует уменьшения размера ячеек, но служебные затраты

468 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
при этом возрастают. При передаче данных ситуация прямо противоположная.
В результате компромиссного решения в существующий стандарт заложен объем
ячейки 53 байт D8 байт — информационная часть + 5 байт — заголовок).
Сети ATM являются сетями с установлением соединения (connection oriented
networks). В подобных сетях отправитель информации прежде, чем начать передачу
сообщения какому-либо получателю, предварительно посылает специальное
служебное сообщение — вызов, который, пройдя по сети, соединяет отдельные каналы связи
в цепочку (магистральный канал), связывающий отправителя с получателем.
Магистральный канал занимается отправителем на все время передачи сообщения.
То обстоятельство, что в сетях ATM используется принцип пакетной
передачи, но коммутируются не пакеты, а каналы, обусловлено в первую очередь
следующими факторами [2.2.1.6, 2.2.1.7]:
• при коммутации пакетов трудно обеспечить вероятностно-временные
характеристики (ВВХ), удовлетворяющие трафик, восприимчивый к задержкам.
Временная структура потока пакетов при прохождении через сеть сильно
искажается (пакеты могут следовать различными маршрутами, каждый
пакет из-за наличия очередей в транзитных узлах сети претерпевает
случайную задержку). В результате возможны ситуации, когда
последовательность принятых в узле назначения пакетов не соответствует
последовательности переданных пакетов от узла-источника. При передаче речи и видео
такая ситуация недопустима, так как малая величина информационной
части ATM-ячеек и необходимый при коммутации пакетов большой объем
заголовков делают неприемлемо высоким уровень служебных затрат.
Важным декларируемым преимуществом ATM, отраженным в ее названии,
является использование временного статистического мультиплексирования (ВСМ)
при объединении информационных потоков в магистральном канале. ВСМ за
счет статистического осреднения требований отдельных пользователей
позволяет более экономично использовать пропускную способность (полосу частот)
магистральных каналов связи по сравнению, например, с временным разделением
каналов (ВРК) и аналогичными способами синхронного уплотнения.
Таким образом, в основе технологии ATM заложены три базовых принципа:
1. Сети ATM — это пакетные сети.
2. Сети ATM — это сети с установлением соединения.
3. Сети ATM — это сети, использующие принцип временного
статистического временного мультиплексирования.
2.2.2. Архитектура сетей ATM
В отличие от других технологий передачи информации, соответствующих
семиуровневой модели соединения открытых систем (OSI) [2.2.2.1], ATM в
соответствии с определениями американского института стандартов (ANSI),
Международного телекоммуникационного союза (ITU) и консорциума производителей
оборудования ATM (ATM Forum) имеет собственную трехуровневую модель

2.2. Использование технологии ATM в ССС
469
Прикладной
уровень
Уровень
представления
данных
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
Сетевой
уровень
Канальный
уровень
Физический
уровень
Уровень
адаптации
ATM
Рис. 2.2.2.1. Трехуровневая модель ATM и ее взаимодействие
с семиуровневой моделью соединения открытых систем
(рис. 2.2.1.1). По выполняемым функциям эти уровни примерно соответствуют
физическому, канальному и сетевому уровням семиуровневой модели
соединения открытых систем. Высший уровень модели ATM может связываться с
физическим, канальным, сетевым и транспортными уровнями модели OSI, а также
непосредственно с ATM совместными приложениями.
Физический уровень. Стандарты для физического уровня в модели ATM
выполняют две основные функции:
• определяют, как получать биты из физической среды передачи, выделять
из них ячейки, посылать эти ячейки уровню ATM и наоборот (везде в
дальнейшем, говоря об объемах информации в битах, скоростях передачи
в бит/с, будем иметь в виду не бит как единицу измерения информации
по Шеннону, а двоичный символ);

470 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
• описывает, какие физические каналы должны использоваться в сетях
ATM и работа с какими скоростями передачи информации допускается
для каждого типа физического канала.
В настоящее время наиболее широко используются и предлагаются к
использованию следующие скорости передачи [2.2.2.1]:
1. 10 Мбит/с — скорость передачи, заложенная в прототип АТМ-радиосетей.
2. 25 Мбит/с. Может использовать в качестве физического канала неэкрани-
рованную витую пару (НВП) категории не ниже 3, экранированные витые
пары (ЭВП) и ВОЛС. Эта скорость вполне достаточна для передачи
аудио- и видеоинформации (в том числе и для видеоконференцсвязи). В то
же время производство и установка связного оборудования относительно
недороги, что делает эту скорость весьма привлекательной для
подключения к сетям персональных компьютеров.
3. 45 Мбит/с. Может использоваться в территориально-распределенных
сетях.
4. 155 Мбит/с. Может работать на НВП категории не ниже 5, ЭВП типа 1,
ВОЛС, беспроводных инфракрасных каналах.
Функции передачи сигналов соответствуют канальному уровню модели OSI,
а установления соединения — сетевому.
Стандарты для установления соединения различают в ATM-сетях
виртуальные каналы (ВК) и виртуальные пути (ВП).
В К — это двунаправленное соединение между конечными станциями, которое
устанавливается между ними на время из взаимодействия.
ВП — это путь между двумя коммутаторами, который существует
постоянно, вне зависимости от того, установлено соединение или нет, по которому
проходит весь трафик от одного коммутатора к другому. По одному и тому же
ВП может одновременно передаваться трафик более чем по одному
виртуальному каналу.
После того как соединение установлено, коммутаторы на виртуальном пути
между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие
следующую информацию: адрес порта, из которого приходят ячейки;
идентификаторы виртуального канала (ИВК) и идентификаторы виртуального пути
(ИВП).
Пользуясь адресными таблицами, каждый ATM-коммутатор определяет, с
каким выходным портом необходимо соединить в любой момент времени каждый
входной порт, чтобы передать ячейку в нужном направлении. Кроме того,
коммутатор определяет, какие ИВП и ИВК необходимо включить в заголовок
каждой ячейки, прежде чем начать ее передачу.
ATM-технология предусматривает использование трех типов виртуальных
каналов:
1. Постоянные виртуальные каналы (ПВК) — это постоянное соединение
между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную на
этапе конфигурирования сети по требованиям пользователей. При
установке ПВК для него резервируется определенная часть пропускной спо-

2.2. Использование технологии ATM в ССС 471
собности магистрального канала, которая не может быть использована
другими пользователями, но при этом отпадает необходимость в
установлении и сбросе соединений.
2. Коммутируемые виртуальные каналы (КВК) — устанавливаются по мере
необходимости в соответствии с вызовами пользователей. При запросе
соединения сети узел ATM распространяет адресные таблицы и сообщает
запрашивающей станции, какие ИВК и ИВП необходимо включать в
заголовки передаваемых ячеек. В отличие от ПВК, КВК устанавливаются
автоматически, поэтому для них стандарты уровня ATM определяют
порядок установления, поддержания и сброса соединения, а также
регламентируют использование при установлении соединения параметров качества
обслуживания {QoS}.
3. Интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (ИПВК). Подобно
ПВК, устанавливаются вручную на этапе конфигурации сети. Отличие
заключается в том, что задаются только конечные станции. Для каждого
соединения сеть автоматически определяет конкретный текущий маршрут
(последовательность АТМ-коммутаторов).
Очевидными преимуществами коммутируемых виртуальных каналов перед
постоянными являются:
• лучшее использование связных ресурсов сети, поскольку КВК
запрашивают их только по мере необходимости (при ПВК ресурсы резервируются
постоянно на тот случай, если они понадобятся);
• поскольку КВК устанавливаются и сбрасываются автоматически,
требуется меньший объем административной (ручной) работы, что экономически
целесообразно;
• более высокая надежность доставки информации при КВК благодаря
возможности автоматического выбора обходных (альтернативных)
маршрутов при отказах физических каналов и АТМ-коммутаторов;
• поскольку КВК устанавливаются и сбрасываются быстрее и легче, чем
ПВК, появляется возможность в случае необходимости имитировать
работу без установления соединения (например, коммутировать пакеты более
высоких уровней), что в ряде приложений оказывается более
целесообразным.
Сдругой стороны:
• при КВК непроизводительные временные затраты, связанные с
установлением соединения, наблюдаются при каждом новом соединении, что может
приводить в ряде приложений даже к худшему использованию связных
ресурсов, чем при ПВК;
• использование ПВК обеспечивает лучший контроль над сетью, поскольку
процедура выбора маршрутов осуществляется вручную.
В конечном итоге выбор рациональных способов передачи (ПВК, ИПВК или
КВК) определяется конкретными техническими приложениями (требованиями
пользователей к объемам передаваемой информации и качеству обслуживания).

472 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Уровень адаптации ATM {AAL — ATM Adaptation Level} [2.2.2.5]. Это высший
уровень модели ATM, который соответствует примерно сетевому уровню модели
OSI и выполняет следующие функции:
• определяет способ форматирования ячеек;
• описывает процедуры управления трафиком в сети с целью
предупреждения и устранения информационных перегрузок узлов и каналов сети;
• предоставляет уровню ATM служебную информацию, позволяющую
устанавливать соединения с различным QoS.
Под адаптацией понимается согласование уровня ATM с более высокими
уровнями. Уровень AAL принимает ячейки с уровня ATM, регенерирует из них
данные и передает эти данные более высокому уровню. При поступлении данных
с более высокого уровня AAL формирует из них ячейки, добавляет к 48
информационным байтам каждой ячейки заголовки, которые включают для каждой
ячейки специальные команды обработки.
Уровень адаптации ATM определяет 4 возможных режима передачи:
• постоянная скорость передачи {CBR — Constant Bit Rate};
• переменная скорость передачи {VBR — Variable Bit Rate};
• доступная скорость передачи {ABR — Available Bit Rate};
• неопределенная скорость передачи {UBR — Unspecified Bit Rate}.
Режим CBR используется для передачи трафика, чувствительного к задержкам,
при этом данные передаются с постоянной скоростью и претерпевают малые
задержки. CBR предусматривает резервирование для соединения фиксированной
части пропускной способности магистрального канала связи вне зависимости от
того, происходит в данный момент передача или нет. По сути дела, режим CBR
означает представление пользователям по требованию канала фиксированной
пропускной способности. Никакие другие пользователи доступа к этому каналу не
имеют, даже если его ресурсы недоиспользованы. CBR гарантирует наиболее высокое
качество обслуживания — потери ячеек из-за конфликтных ситуаций
отсутствуют, задержки ячеек постоянны (имеют неслучайный характер) и минимальны.
Примером рационального использования режима CBR является цифровая
передача аналоговых речевых и видеосигналов при их регулярном представлении.
Существуют две разновидности VBR, используемые для различных видов
трафика [2.2.2.5]: VBR реального времени {RT-VBR — Real Time VBR},
поддерживающий передачу восприимчивого к задержкам трафика, такого как речь или видео при
нерегулярном представлении (сжатии), и VBR нереального времени {NRT-VBR —
Non Real Time VBR}, который используется при передаче допускающего задержки
трафика, такого как трансляция кадров {Frame Relay}. При VBR пропускная
способность магистрального канала заранее не резервируется и может быть использована
более эффективно, чем при CBR, при гарантии высокого качества обслуживания.
ABR используется для передачи трафика, допускающего задержки, и дает
возможность многократно использовать виртуальные каналы, обеспечивая для
соединения допустимое значение полосы частот канала связи.
UBR применяется для передачи трафика, допускающего задержку. Подобно
ABR, UBR не резервирует жестко полосу частот для виртуальных каналов. В
результате один и тот же виртуальный канал может многократно использоваться
для нескольких передач, поэтому полоса частот используется более эффективно.

2.2. Использование технологии ATM в ССС 473
В отличие от ABR, при UBR не гарантируется качество обслуживания, а в
сильно загруженных сетях UBR-трафик может претерпевать значительные задержки.
Сети ATM относятся к большим информационным системам, которые
обычно характеризуются совокупностью показателей качества функционирования
(качества обслуживания), основные из которых относятся к достоверности и
оперативности передачи информационных потоков по сети. Показателями
достоверности передачи служат вероятностные характеристики, увязывающие
переданную и принятую информацию. Оперативность же оценивается временными
характеристиками. Совокупность показателей оперативности и достоверности
составляет вероятностно-временные характеристики (ВВХ) сети (показатели
качества обслуживания) [2.2.2.3, 2.2.2.4].
При передаче потоков, критичных к задержке (ПКЗ), качество их
обслуживания (особенно в отношении временных характеристик) жестко
регламентируется и обеспечивается предоставлением ячейкам ПКЗ высшего приоритета при
передаче и исключением конфликтных ситуаций между ячейками разных ПКЗ
во время установления соединения.
При передаче пакетов потока, не критичного к задержке (ПНЗ), имеющих
низший по отношению к ячейкам ПКЗ приоритет, качество их обслуживания
будет в значительной степени зависеть от загруженности сети потоками реального
времени. При попытке передачи пакета по сети возможны следующие исходы:
потеря пакета или его части, правильный прием непотерянного пакета,
неправильный прием непотерянного пакета.
В дальнейшем для краткости возможные виды информационных потоков и
соответствующие этим видам режимы обслуживания разделим на 3 категории:
а) ПКЗ — потоки, критичные к задержкам (CR+RT-VBR),
б) ПНЗ-1 — потоки, некритичные к задержками и допускающие
регламентированные задержки передачи (ABR +NRT-VBR),
в) ПНЗ-2 — потоки, некритичные к задержкам и допускающие произвольные
задержки передачи (UBR).
Поскольку наибольший интерес для анализа возможностей повышения
использования пропускной способности каналов связи, а также в интересах
пользователей услуг представляют потоки с регламентированной задержкой
передачи информации, то в дальнейшем ограничимся исследованием вероятностно-
временных характеристик именно потоков ПНЗ-1.
Пакет (или часть его ячеек) может быть потерян вследствие либо полной
занятости какого-либо из устройств сети обслуживанием ранее поступивших
пакетов, либо отказов и сбоев аппаратуры узлов и каналов. Поскольку
рассматриваемый процесс носит вероятностный характер, потери естественно
характеризовать вероятностью потери пакета (ячейки), определяемой как предел
отношения числа потерянных пакетов (ячеек) к числу поступивших [2.2.2.2]:
Р= lim (ппот/пи),
где пиот и пи, соответственно, — количество потерянных и поступивших в сеть пакетов (ячеек).
Потерянные пакеты передаются повторно, что создает дополнительную
нагрузку на сеть. В ATM не специфицирован алгоритм селективной повторной передачи
потерянных ячеек пакета и пакет передается повторно, если потеряна хотя бы одна

474 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
его ячейка. Поэтому наиболее важной характеристикой в рассматриваемом случае
является вероятность потери ячейки. Пакеты, передаваемые по сети, могут
включать в себя до нескольких тысяч ячеек, поэтому во избежание ощутимой
дополнительной нагрузки на сеть требования к допустимой вероятности потери ячейки
выбраны очень жесткими, а именно: порядка 10~9 [2.2.2.5], что приводит к
чрезвычайно низкому коэффициенту использования емкости буферных накопителей.
2.2.3. Перспективы и проблемы использования спутниковых
каналов связи в сетях ATM
Несмотря на то, что ATM-технология изначально была предназначена для
широкополосных сетей со скоростями передачи информации 155 и 622 Мбит/с,
непрерывно возрастает интерес к использованию принципов ATM в каналах с
меньшей пропускной способностью, например 1,544 Мбит (Т1). Это
обстоятельство стимулируется двумя основными причинами:
• высокой стоимостью или отсутствием достаточных связных ресурсов;
• отсутствием пользователей или информационных услуг, требующих более
высокой пропускной способности каналов связи.
В гражданской и военной сферах деятельности существует большое число
приложений, требующих беспроводной связи между территориально
рассредоточенными пользователями. Поэтому разработка принципов построения,
исследование характеристик и эффективности спутниковых сетей связи,
использующих принципы ATM как средство рационального коллективного использования
связных ресурсов сети при предоставлении различных информационных услуг,
является весьма актуальной задачей [2.2.3.1].
Спутники связи нового поколения разрабатываются с целью обеспечения
широкого спектра информационных услуг, включая передачу речи, текста,
изображений, видео и самых разнообразных данных, т.е. услуг, обеспечиваемых
наземными ISDN и B-ISDN - рис. 2.2.3.1 и рис. 2.2.3.2.
Совместная передача различных видов трафика, предъявляющих разные и
часто весьма жесткие и противоречивые требования к ВВХ обслуживания
информационных потоков, предопределяет использование метода пакетной
передачи, при котором сообщения пользователей структурируются в пакеты (ячейки)
фиксированного объема. Потоки пакетов от разных пользователей на входах
каналов связи статистически мультиплексируются, что при пульсирующем
входном трафике обеспечивает более экономное использование связных ресурсов
сети по сравнению, например, с методом коммутации каналов, при котором
связные ресурсы сети выделяются пользователем по требованию, исходя из их
пиковых (максимально возможных) потребностей.
Спутниковые каналы связи являются относительно недорогой (особенно с
учетом стоимости развертывания) и гибкой альтернативой используемым в
наземных сетях B-ISDN (и, в частности, в ATM-сетях) кабельным и волоконно-
оптическим каналам. Можно выделить 3 аспекта использования спутниковых
каналов (рис. 2.2.3.3):
а) спутниковые каналы в качестве расширения UNI {User Network Interface}
интерфейса между пользователями и сетью (рис. 2.2.3.3а). В данном при-

2.2. Использование технологии ATM в ССС
475
Геостационарный спутник-ретранслятор
с коммутацией на борту
Зона обслуживания
спутника-ретранслятора
Оги ATM. PR
(ПД и ТФОИ
региона т)
СешЛТМ. FR
(ПД и ТФОИ
региона 2)
Cent ATM. FR
(ПД и ТФОИ
региона 1)
Сети ATM, FR
(НД иТФОН
региона к)
Рис. 223.1. Структура спутниковой ATM сети с обслуживанием
наземных станций-коммутаторов в глобальном луче
Геостационарный спутник-ретранслятор
с коммутацией на борту
Сети ATM, FR
(ПД и ТФОИ
региона т)
Сети ATM, FR
(ПД и ТФОП
региона 1)
Сети ATM. FR
(ПД и ТФОП
региона k)
Сети ATM, FR
(ПД и ТФОП
региона 2)
Рис. 2.2.3.2. Структура спутниковой ATM сети с обслуживанием
наземных станций-коммутаторов многолучевой антенной ретранслятора

476
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
а)
ГСР
б)
зс
Шлюз
i
\
г
ISDN
i
}
i
J
Пользователи
3C
Пользователи
А/с. 2.233. Варианты использования спутниковых каналов

2.2. Использование технологии ATM в ССС 477
ложении спутниковые каналы дают возможность включить в сеть
пользователей, расположенных в труднодоступных и малонаселенных районах.
Такой подход весьма актуален применительно к территории России,
характеризующейся слабо и чрезвычайно неравномерно развитой
инфраструктурой наземных высокоскоростных каналов связи;
б) спутниковые каналы в качестве мостов, объединяющих региональные
ISDN сети в глобальную (национальную) сеть (рис. 2.2.3.36);
в) спутниковые каналы в качестве 100% альтернативы наземным каналам
связи (рис. 2.2.3.3в). В данном приложении спутник-ретранслятор (СР)
должен обязательно выполнять не только связные функции, но и функции
более высоких иерархических уровней сети.
Последний подход является наиболее общим и охватывает круг проблем,
возникающих при других подходах, поэтому в дальнейшем (если не оговорено
особо) сконцентрируем внимание именно на использовании СР в качестве
интеллектуального ATM-узла (коммутатора) сети, выполняющего целый ряд функций
канального и сетевого уровней.
Обязательным условием выполнения этих функций является возможность
бортовой обработки сигналов (демодуляции и декодирования сигналов,
поступающих по каналам ЗС-СР, обработки видеосигналов в соответствии с
заданными протоколами сетевого и канального уровней, кодирования и модуляции
радиосигналов при передаче по каналам СР-ЗС). При пакетной передаче требуется
«быстрый» бортовой коммутатор коротких пакетов — АТМ-коммутатор.
Успехи космической технологии в принципе позволяют выполнить это
условие [2.2.3.3]. Примером может служить американский спутник ACTS {Advanced
Communication Technology Satellite} [2.2.3.4] и европейский прототип TST {Time-
Space-Time} [2.2.3.5]. NASA активно проводит исследования по программе МС-
SPS {Multi-Channel Communication Signal-Processing Satellite},
предусматривающей разработку СР с требуемыми коммутационными возможностями и
обеспечивающей непосредственную связь с пользователями (минуя промежуточные
наземные коммуникационные сети) [2.2.3.3].
Как уже отмечалось ранее, использование геостационарных спутников
ретрансляторов обеспечивает большую зону обслуживания (зону видимости) земной
поверхности. Это предоставляет возможность доступа практически любого
пользователя непосредственно к ГСР, а ГСР — непосредственно к любому пользователю.
Топология сети при этом оказывается чрезвычайно простой (радиальной), что
отодвигает на второй план одну из ключевых проблем ATM- технологии —- проблему
маршрутизации при установлении соединения. Зато в силу специфики спутниковых
каналов связи значительно усложняются задачи, связанные с реализацией других
базовых принципов ATM — статистического мультиплексирования и управления
информационными потоками с целью обеспечения требуемых ВВХ обслуживания.
Таким образом, к СР в составе сети ATM предъявляются следующие требования:
• необходимость использования многолучевых приемо-передающих
бортовых антенн как средства обеспечения требуемой для интегрированного
обслуживания высокой пропускной способности при разумно приемлемом и
технически реализуемом уровне энергозатрат;
• необходимость бортовой обработки (демодуляции-модуляции сигналов)
как средства обеспечения многолучевого режима передачи на направлении
«борт-Земля» и оптимизации структуры передаваемых сигналов;

478
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Заголовок
5 байтов
2
байта
Информация
44 байта
2
байта
Резерв
Номер ячейки
Тип сегмента
Проверочные символы
Индикатор длины
Рис. 2.2.3.4. Формат ячейки протокола AAL 3/4
• необходимость использования на борту ГСР быстродействующих
коммутаторов пакетов (ATM-коммутаторов) как технического средства совместной
передачи разнородного трафика с удовлетворением существенно
различающихся требований к вероятностно-временным характеристикам
качества обслуживания.
Высокая стоимость и практическая нереализуемость обеспечения высокой
достоверности передачи информации каналом связи порождает при передаче
ATM-ячеек ряд проблем. Структура ячейки, специфицированная протоколом
AAL3/4, предназначенным для передачи данных, показана на рис. 2.2.3.4. При
передаче по ВОЛС вероятность ошибки приема элементарного двоичного символа
составляет порядка/? = Ю™10 и достигаются следующие характеристики:
~~ вероятность однократной ошибки в пределах одной ячейки:
Pi = сш ■ 10~10 О ~ Ю0L23 = 4,2399 • 10"8 ;
— вероятность того, что произойдет многократная ошибка:
р>1 = [1 - A - ю-10L24] - с\и • ю-10 A - ю-10L23« Ю'15.
Это означает, что подавляющее большинство ошибок будут однократными
(на одну многократную ошибку приходится в среднем 107 однократных ошибок)
и что многократные ошибки случаются чрезвычайно редко. При пропускной
способности канала связи С бит/с средний интервал времени между ошибками
составит: Т= 1015/С[с].

2.2. Использование технологии ATM в ССС 479
Например, при С = 45 Мбит/с имеем Т = 2,2 • 107 с (примерно 257 суток). Это
обусловило использование помехоустойчивого циклического кода с малой
избыточностью A0 проверочных символов на 342 информационных) [2.2.3.6, 2.2.3.7].
При значениях р = 1(Г7, характерных для качественных спутниковых
каналов, будем иметь р>х ~ 10~7. И при С = 45 Мбит/с задержка составляет Г= 0,22 с,
что явно неприемлемо.
Решение проблемы состоит в объединении ячеек в субкадры и кодировании
этих субкадров, как отдельных блоков, избыточными помехоустойчивыми кодами.
В [2.2.3.8] предлагается объединять ячейки в субкадры длиной порядка 5000 бит
и использовать циклический код с 32 проверочными символами, что позволяет
свести вероятности потери и ошибочного приема ячейки к приемлемому уровню.
Для борьбы с пакетными ошибками, характерными для каналов, использующих
внутреннее помехоустойчивое кодирование (в качестве таких кодов в
спутниковых каналах обычно используются непрерывные сверточные коды, позволяющие
ценой расширения полосы частот снизить энергозатраты и соответственно
стоимость наземного и космического сегментов системы связи), предложены методы
чередования символов, обеспечивающих декорреляцию ошибок и позволяющие
без дополнительных информационных затрат повысить эффективность
использования внешних блоковых кодов [2.2.3.8].
Определенные сложности вызывает малый размер пространства, выделенный
под номер ячейки D бита), что при использовании решающей обратной связи
для повторной передачи ячеек с обнаруженными ошибками позволяет
одновременно находиться в канале не более 24 = 16 ячейкам. Это при задержке,
обусловленной большой протяженностью канала и равной примерно 0,25 с, ограничивает
максимальную пропускную способность канала значением всего около 50 кбит/с.
Для решения этой проблемы в субкадрах предлагается резервировать под номер
16 бит [2.2.3.8], что достаточно для реальных пропускных способностей
спутниковых каналов даже при многоскачковой передаче.
Таким образом, первый круг возникающих проблем связан с несоответствием
форматов ATM-ячеек (выбранных из расчета использования ВОЛС,
относительно малопротяженных наземных каналов связи, многоузловых сетей)
характеристикам спутниковых каналов. Поскольку технология транспортировки
информационных символов по спутниковым каналам достаточно хорошо проработана, то
решение этих проблем особой сложности не представляет.
В соответствии с концепцией ATM установление соединения происходит в
результате «трафик-контрактов» между пользователями и сетью [2.2.3.9].
Пользователь сообщает узлу доступа в сеть тип трафика, который он намерен передавать,
и его характеристики. Эти характеристики последовательно передаются от узла к
узлу сети. Каждый узел с использованием алгоритмов управления
установлением соединения оценивает по характеристикам заявленного трафика возможность
установления нового соединения и обеспечения требуемых характеристик
качества обслуживания. Если новое соединение установлено, характеристики
передаваемого пользователем трафика непрерывно анализируются с целью выявления
их соответствия заявленным при заключении «трафик-контракта».
К сожалению, несмотря на то, что предложено большое количество
алгоритмов управления установлением соединения и контроля параметров пользова-

480 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
тельского трафика [2.2.3.10-2.2.3.15], удовлетворительное решение до сих пор не
найдено. Идея «чистого» статистического мультиплексирования, положенная в
основу концепции ATM, встречает значительные трудности практической
реализации в связи с тем, что:
• пользователь часто не в состоянии предсказать статистические
характеристики собственного трафика;
• анализ и контроль характеристик пользовательского трафика резко
усложняется по мере расширения и уточнения его характеристик;
• правила распределения ресурсов сети между пользователями должны
учитывать наличие в сети одновременно большого числа разнородных
информационных потоков, требующих различного качества обслуживания, что
чрезвычайно сложно даже с точки зрения чистой теории.
Отсутствие удовлетворительных практических результатов привело к тому,
что ресурсы сети распределяются между пользователями, исходя из их пиковых
требований к скорости передачи. Неизбежное в этом случае снижение
использования пропускной способности каналов связи во многих случаях не
представляет интереса и игнорируется. Это во многом относится к наземным локальным
ATM-сетям, использующим ВОЛС и имеющим явный избыток пропускной
способности. Что касается спутниковых сетей связи, то их пропускная способность
является весьма дорогостоящим ресурсом и ограничена современным уровнем
развития технологии. Поэтому в этих сетях вопросы рационального
распределения ресурсов между пользователями с максимальным использованием
априорной и текущей информации о характеристиках их трафика являются весьма
актуальными. С другой стороны, топологические свойства спутниковых сетей,
базирующихся на СР, чрезвычайно просты, а это делает возможным
установление достаточно строгого соответствия между показателями качества
обслуживания и статистическими характеристиками пользовательского трафика. Знание
же этого соответствия позволяет разработать конкретные правила
распределения связных ресурсов, максимизирующие использование пропускной
способности сети и, соответственно, ее производительность и экономическую
эффективность. Это делает актуальным решение задачи анализа характеристик качества
обслуживания информационных потоков пользователей.
ATM является транспортной технологией, призванной обеспечивать
разнообразие информационных услуг. Использование статистического
мультиплексирования разнородных информационных потоков позволяет более экономно
использовать связные ресурсы сети, но одновременно приводит к возможности
возникновения информационных перегрузок, когда текущее значение нагрузки
на сеть превышает ее пропускную способность. Управление перегрузками (их
предотвращение и возможно более быстрое устранение возникших перегрузок)
является одной из ключевых проблем АТМ-технологий [2.2.3.16]. В наземных
сетях эта проблема решается путем управления информационными потоками.
Под процедурами управления потоками обычно понимаются правила допуска
внешнего трафика в сеть. Очевидно, что нельзя разрешать бесконтрольный
допуск в сеть всего предлагаемого пользователями трафика, так как это может
привести к тяжелым информационным перегрузкам и блокировкам всей сети в целом.

2.2. Использование технологии ATM в ССС 481
Поскольку трафик поступает в сеть извне, а перегрузки чаще всего возникают
внутри сети, то для эффективного управления потоками необходима надежная
и оперативная обратная связь от внутренних узлов сети к узлам доступа.
В спутниковых ATM-сетях основная проблема управления потоками
возникает в связи с большим временем распространения сигналов. ЗС получает
информацию о текущем состоянии аппаратуры ретранслятора с опозданием на
0,125 с. Если станция имеет канал с пропускной способность С, то за это время
будет передано (С- 0,125)/(8 • 53) ATM-ячеек. Если, например, С = 2 Мбит/с,
станция успеет бесконтрольно передать 600 ячеек, возможно усугубляющих
перегрузку. Вопросам управления потоками в спутниковых ATM-сетях посвящено
достаточно большое количество работ [2.2.3.10-2.2.3.16], однако
удовлетворительное решение проблемы большой инерционности замкнутого контура
управления информационными потоками пока не предложено.
Таким образом, для адаптации основных принципов ATM-технологии к
спутниковым сетям связи необходимо решение в первую очередь следующих задач:
1. Разработка и исследование методов анализа показателей качества
информационного обслуживания различных видов трафика в различных сечениях сети.
2. Разработка методов управления перегрузками в спутниковых сетях и оценка
их эффективности и практической реализуемости.
2.2.4. Определение показателей качества обслуживания
в различных сечениях спутниковой АТМ-сети
2.2.4.1. Исследование характеристик качества обслуживания
на участке ЗС-СР потоков нереального времени,
допускающих регламентированные задержки
Как уже отмечалось, способом реализации совместной передачи
реально-временных потоков и потоков ПНЗ-1 является использование приоритетной
дисциплины обслуживания, предоставляющей потокам, критичным к задержкам, при
выводе в канал связи ЗС-СР относительный приоритет. При этом реальновре-
менные потоки не испытывают дополнительных задержек, вызываемых
возможными конфликтами с ячейками других пакетов, благодаря чему не возникает
временной неопределенности и сохраняется необходимая синхронность
передачи. Ячейкам же потоков ПНЗ-1 предоставляется возможность занимать
«пустые» временные пакеты, возникающие при снижении требований к скорости
передачи со стороны ПКЗ. Благодаря этому можно ожидать увеличения степени
использования пропускной способности каналов связи ЗС-СР и
соответственного улучшения в среднем качества обслуживания ПНЗ-1 по сравнению с
фиксированным разделением пропускной способности между потоками. При этом
качество обслуживания ПНЗ-1 будет зависеть не только от свойств этих потоков,
но и от информационной активности источников ПКЗ.
В данном разделе представлены математическая модель и методика расчета
указанных выше характеристик обслуживания ПНЗ-1 на участке ЗС-СР.
Процесс передачи ПНЗ-1 представлен на рис. 2.2.4.1. Передача информации
от п ЗС, находящихся в зоне обслуживания одного приемного луча СР, осуще-

482
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Рис. 2.2.4.1. Структура процесса обслуживания ПНЗ-1 в каналах ЗС-СР
ствляется с использованием ВРК, позволяющего в случае необходимости
достаточно легко перераспределять пропускную способность приемного луча между
ЗС в соответствии с их текущей информационной активностью. Длительность
кадра равна Гк. Длительность слота в кадре, выделяемого рассматриваемой ЗС,
равна Тс (при равномерном распределении пропускной способности приемного
луча между ЗС Тс = Тк/п, в более общем случае это может и не выполняться).
Для последовательной передачи ячеек в слотах выделяются временные окна
длительностью То, и каждый слот содержит /с = Тс/Т0 ячеек (часть из которых,
возможно, окажется «пустыми»).
Каждый из слотов разбивается на 2 части B субслота):
1. 1{ окон, предназначенных для передачи ПКЗ. Поскольку, как было
показано выше, для передачи ПКЗ целесообразно использовать фиксированное
разделение каналов между активными источниками реальновременных
потоков, а именно: 1{ равно числу каналов, выделенных ПКЗ. В процессе
функционирования в зависимости от информационной активности
источников ПКЗ величина 1^ может изменяться от 0 до /с;
2. /2 = (/с - /t) окон, предназначенных для передачи ПНЗ-1.
При использовании алгоритмов статистического уменьшения избыточности
ПКЗ (например, при детектировании и исключении пауз речевого сигнала) часть
окон в 1{ активных каналах, предназначенных для передачи ПКЗ, окажутся
незаполненными. Это обстоятельство смоделируем введением вероятности q того,
что окно субслота 1 свободно (не занято ячейкой ПКЗ). Таким образом,
вероятность q и число активных каналов 1^ количественно характеризуют
информационную активность источников ПКЗ.
Допустим, что пакеты ПНЗ-1 образуют во времени пуассоновский поток
интенсивностью А, [пакетов/с], а объем каждого пакета случаен и составляет г ячеек
(г = 1, 2, 3...) с вероятностью Уг, причем величины объемов передаваемых пакетов
статистически независимы. Объем буферного накопителя, предназначенного для
хранения очередей ячеек ПНЗ-1, положим равным N ячеек.

2.2. Использование технологии ATM в ССС 483
Таким образом, процесс передачи ПНЗ-1 будем математически моделировать
работой системы массового обслуживания (СМО) со следующими параметрами:
MVC] ~ интенсивность потока поступления пакетов от источников
ПНЗ-1;
Vr — вероятность того, что произвольный пакет содержит г ячеек,
г-1,2,...;
У = "Vr- Vr — среднее значение объема поступающих на передачу пакетов;
г
Тк — длительность кадра передачи, / — общее число окон (ячеек)
в кадре;
/с — число окон, предназначенных для передачи ячеек от
конкретной рассматриваемой ЗС в кадре (общее число окон в слоте);
1Х — число окон в слоте (каналов), выделенных для передачи ПКЗ;
q — вероятность того, что окно активного канала не занято
ячейкой ПКЗ;
/2 — число окон в слоте, предназначенных для передачи ПНЗ-1;
N — объем буферного накопителя (в ячейках), предназначенного
для хранения ячеек ПНЗ-1.
Рассмотрим отрезок времени, равный Тк. За это время в буферный
накопитель (БН) поступает в среднем lVTk ячеек. Средняя скорость считывания
ячеек из накопителя составляет —= г (ячеек за время кадра). Обозначим:
qlx + /2
Величина р является средней загрузкой рассматриваемой СМО. Для
обеспечения приемлемого уровня потерь и задержек ячеек должно выполняться
условие: р < 1, которое означает, что скорость поступления ячеек в систему не
должна превышать скорости считывания из нее, что является естественным условием
отсутствия перегрузки.
В качестве состояния системы будем рассматривать дискретный случайный
процесс с непрерывным временем E(t)} равный количеству ячеек, хранящихся в
буферном накопителе в момент t. Для исследования статистических
характеристик процесса E(t) используем метод вложенных цепей Маркова [2.2.4.1]. Будем
рассматривать состояния системы в моменты времени, непосредственно
предшествующие началу очередного слота (рис. 2.2.4.2). Так, если (гг_{, tjf ti+]) — три
соседних момента начала слотов, будем рассматривать число ячеек в БН в
моменты времени (^•_1 - 0, t{ - 0, ti+i - 0).
Очевидная нерегулярность и периодичность процесса вывода ячеек из БН
сильно усложняют решение поставленной задачи, поскольку статистические
характеристики длины очереди ячеек оказываются зависящими от времени
(рассматриваемый случайный процесс является периодически нестационарным).
Очевидно, что в среднем длина очереди наименьшая в моменты окончания
слотов, затем в течение времени (Тк - Тс) увеличивается, поскольку на этом отрезке

484
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
1
^
Щ)
t,
Рис. 22.4.2. Структура интервалов обслуживания
Рис. 2.2.43. Изменение длины очереди ячеек — L
ячейки из Б Н не выводятся, и достигает наибольшей длины к началу очередного
слота. Затем очередь в течение слота постепенно рассасывается (рис. 2.2.4.3).
Если поток поступающих пакетов является пуассоновским, а объемы пакетов
статистически независимы, то статистически независимо и количество ячеек,
поступающих в БН в непересекающиеся отрезки времени. Отсюда, в частности,
следует, что последовательность состояний (количество ячеек в БН) в
рассматриваемые моменты времени образуют цепь Маркова первого порядка. В этом
случае вероятность попадания в состояние^ на (k + 1)-ом шаге зависит от того,
какое состояние г было на предыдущем &-ом шаге, но не зависит от того, каким
конкретно образом был осуществлен переход в состояние г на более ранних шагах.
Выбор интервала наблюдения с шагом, равным времени кадра Тк, делает
рассматриваемую цепь однородной, поскольку статистическая неоднородность
вывода ячеек от кадра к кадру не меняется. Исчерпывающей характеристикой
однородной цепи Маркова первого порядка является матрица одношаговых
переходных вероятностей:
7Г =
^01 Pq2
P20 Pl\ P22
- NN
B.2.4.2)

2.2. Использование технологии ATM в ССС 485
Элемент р^ матрицы п равен вероятности перехода цепи Маркова из состояния
г в состояние j за один шаг. В рассматриваемом случае ptj равен условной
вероятности того, что в начале (k + 1)-го слота в очереди находится^'ячеек при условии,
что в начале /с-го слота в очереди находилось г ячеек. Стационарное
(установившееся) распределение Pt (i = О,1... N) числа ячеек в БН в выделенные моменты
времени может быть найдено с использованием формулы полной вероятности:
N
PjPji,i = O,l...N B.2.4.3)
N
и условия нормировки J\Pj = 1* B.2.4.4)
; = <)
что приводит к необходимости решения системы из (N+ 1) линейных
алгебраических уравнений с постоянными коэффициентами.
Допустим, что распределение Рг известно и, в частности, известно среднее
значение числа ячеек в очереди в моменты начала слотов:
N
j. B.2.4.5)
Определим среднее время задержки тП1 пакетов, поступающих в моменты
начала слотов. Каждый поступающий в эти моменты пакет застает впереди себя
очередь, содержащую в среднем i ячеек, и вынужден ожидать в БН передачу этих
ячеек в течение отрезка времени, в среднем равного:
т = ~г Г
ож1 Як + к
где qlx + /2 — среднее количество окон в кадре, доступных для передачи ячеек пакетов ПНЗ-1.
Среднее время передачи пакета по каналу связи составит:
= _1_т
4 qli + hk'
а среднее время задержки складывается из среднего времени ожидания в очереди
и среднего времени передачи по каналу:
, _ J±VT
Тш " т°ж1 + т
ш
Рассмотрим задержки пакетов, поступающих в моменты окончания слотов.
Поскольку в промежутках между слотами ячейки из накопителя не выводятся, то
средняя длина очереди в моменты окончания слотов будет короче и составит
г — XV(Tk— Tc). Но пакет, поступающий в момент окончания слота, вынужден

486 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
дополнительно провести в очереди отрезок времени (Тк~ Гс), ожидая моменты
начала последующего слота, начинающего цикл считывания ячеек из БН.
Поэтому среднее время ожидания в очереди для рассматриваемых пакетов составит:
_ l-XV(Tk-Tc)
ож2 qh + T2 * * с'
а среднее время передачи пакетов, поступающих в моменты окончания слотов,
оказывается равным:
В качестве оценки времени задержки пакетов, поступающих в
произвольные моменты времени, можно выбрать полусумму верхней и нижней оценок
времени задержки, так как на интервале между слотами, составляющем часть
кадра, среднее время задержки пакета зависит от текущего момента времени
линейно:
Вернемся к матрице тс, определяющей вероятности переходов длины очереди
ячеек в буферном накопителе на интервале времени между соседними слотами,
равному длительности кадра Tk. Для определения конкретных значений Р-
необходимо рассмотреть неоднородную цепь Маркова первого порядка с шагом,
равным времени окна — То = Tk/l. На отрезке времени Tk (/ шагов) можно выделить
3 участка, каждый из которых описывается цепью Маркова со своими
характеристиками:
а) /j шагов, на которых вывод ячеек пакетов ПНЗ-1 носит вероятностный
характер. Этому участку соответствует матрица одношаговых переходных
вероятностей, которую обозначим через щ;
б) /2 последующих шагов, на которых вывод ячеек детерминирован, с
матрицей переходных вероятностей тг2 ,
в) /3 = / - 1Х - /2 шагов, на которых вывод ячеек невозможен, с матрицей
переходных вероятностей (интервал времени между соседними слотами) 713.
Матрица щ
Обозначим через аг (г = 0, 1...) вероятность того, что на интервале времени То
в буферный накопитель поступит г ячеек пакета (пакетов) ПНЗ-1. Для
определения элементов щ, матрицы TCj рассмотрим особые частные случаи:
а) j < i'' - 1. Поскольку вывод за время То более чем одной ячейки невозможен,
соответствующие одношаговые переходные вероятности равны 0;
б) г = 0, j ^N. Поскольку в начальный момент времени очередь была пустой,
вне зависимости от того, было окно доступно для передачи или нет, в ко-

2.2. Использование технологии ATM в ССС
487
нечный момент в очереди окажется ровно столько ячеек, сколько их
поступило за время То;
в) г > О, j < N. Если окно доступно для вывода ячейки (вероятность этого
события q), то для перехода из состояния г в состояние^ с учетом одной
выведенной на передачу ячейки за время То к очереди должно
присоединиться (j; - г: + 1) ячеек. Если же окно недоступно, то для перехода в состояние
j достаточно поступления (/ - г) ячеек;
г) j = N. Поскольку буферный накопитель не может хранить более N ячеек,
то переход в состояние N осуществляется, когда число ячеек, поступающих
за время Го, превышает свободный объем буферного пространства. Если,
например, в начальный момент в очереди наблюдалось г (i > 0) ячеек, а
окно доступно для вывода, то для перехода в состояние N необходимо, чтобы
за время То поступило более чем (N - i -j) ячеек.
С учетом сделанных замечаний элементы матрицы переходных вероятностей
щ определяются следующим образом:
Г я,- при г — 0, 0 < j < N— 1
уГ fl£ при i = 09j — N
0 при 0<i<N90<j<i-2
qa0 при 0 < i < N,j — г — 1
qcij_i+i + A ~q)uj_i при 0<i<N,i<j< N- 1
oo oo
ak при 0 < i < N9 j = N
B.2.4.7)
Тогда структура матрицы щ будет следующей:
0
1
2
N-1
N
0
а0
qa0
0
0
0
1
ах
qa{ + (l-q)a0
qa0
0
0
2
а2
qa2 + (l-q)a{
qa{ + (l-q)aQ
0
0
N-1
qaN^{ + (l-q)aN_2
qaN^2 + (l-q)aN_3
qa^ + il-q)^
qa0
N
00
k = N
00 00
k = N k = N-i
oo oo
k=N-l k=N-2
00 00
k=2 k=l
00

488
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Матрица к2
На участке кадра, соответствующем матрице к2 , окна всегда доступны для
передачи ячеек пакетов. Поэтому элементы матрицы htj могут быть получены из
B.2.4.7) подстановкой q = 1:
а: при г = 0, 0 < j" < N— 1
при i = 0J = N
0 при 0 < i < ЛГ 0
ау_/ + 1 при 0<г<
при
./ < г - 2
V, i- I <; < iV- 1
i < N,j = N
И матрица п2 приобретает следующую структуру:
B.2.4.8)
0
1
2
JV- 1
0
а0
а0
0
0
0
1
а,
а{
а0
0
0
2
а2
а2
ах
0
0
ЛГ- 1
aN~l
aN~\
aN-2
а,
N
oo
00
00
k = N- 1
00
oo
ife = 1
Матрица 7t3
Матрица я3 соответствует промежутку между слотами, когда окна кадра
недоступны для рассматриваемой очереди ячеек. Следовательно, её элементы stj
могут быть получены из B.2.4.7) подстановкой q = 0:
О
"J-l
при 0<i<N90<j<i-l
при 0<i<N,i<j<N-l
ik при 0 < / < N,j = iV

2.2. Использование технологии ATM в ССС
489
Матрица я3 является треугольной и имеет поглощающее состояние N,
соответствующее полностью заполненному буферу:
0
1
2
N-1
N
0
a0
0
0
0
0
1
a{
a0
0
0
0
2
a2
a\
a0
0
0
N-1
aN~l
aN~2
aN~3
aQ
0
N
00
k = N
00
ife = ЛГ— 1
00
00
*= 1
1
Элементы полученных выше матриц одношаговых переходных вероятностей
выражены через а{ — вероятность поступления на интервале времени Го г ячеек
ПНЗ-1. Введем производящую функцию распределения числа ячеек,
содержащихся в одном пакете:
В силу предположения о пуассоновском характере потока поступления паке-
тов, вероятность поступления г пакетов на интервале 1О равна:
Распределение числа ячеек, поступивших на интервале Го, совпадает с
распределением статистически независимых случайных величин, каждая из
которых имеет распределение Vr. Но производящая функция распределения суммы
независимых случайных величин равна произведению производящих функций
распределений слагаемых. Поэтому безусловная производящая функция
распределения суммарного числа ячеек, поступающих на интервале То, равна:
0E) -
B-2.4.9)
i = 0
В рассматриваемом случае:
i = О
У/
пс

490 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Средний объем пакета составляет не менее 5-10 ячеек [2.2.4.2], число
наземных станций, обслуживаемых приемным лучом СР, может составлять десятки и
сотни. Поэтому практически всегда будет выполняться условие:
АТ0<£1, B.2.4.10)
поэтому: QE) = 1 - ХТ0 + kT0Qt(S)t
С учетом сказанного, имеем:
1 — X TQ при г = 0
LT/ . * о о B.2.4.11)
ХТ0У( при г = 1,2,3...
Если же B.2.4.10) не выполняется, то распределение аг может быть найдено
по его известной производящей функции B.2.4.9) либо с использованием
стандартных вычислительных методов [2.2.4.3], либо может быть аппроксимировано
с использованием точных значений его первых моментов [2.2.4.4].
Искомая одношаговая вероятность перехода рассматриваемой вложенной
цепи Маркова будет равна:
B-2.4.12)
где u\ft — вероятность перехода цепи Маркова, заданной матрицей одношаговых
вероятностей щ , из состояния i в состояние k за 1Х шагов,
h^ — вероятность перехода цепи Маркова, заданной матрицей одношаговых переходных
вероятностей п2 , из состояния k в состояние d за /2 шагов,
5^з> — вероятность перехода цепи Маркова, заданной матрицей одношаговых переходных
вероятностей щ , из состояния d в состояние j за /3 шагов.
Поскольку матрица переходных вероятностей цепи Маркова за п шагов равна
и-ой степени матрицы одношаговых переходных вероятностей [2.2.4.3],
соотношение B.2.4.12) приводит к компактной матричной форме:
п = п['-п!?-тф. B.2.4.13)
Для получения приближенных замкнутых выражений, определяющих
среднее время задержки пакетов при передаче по каналам ЗС-СР, сделаем
следующие допущения:
1. Будем полагать объем БЗУ неограниченным, т.е. N—>оо. Поскольку
предназначенные для передачи пакеты могут храниться в аппаратуре
пользователя, то подобное допущение можно считать вполне оправданным.
2. Основная сложность при строгом анализе связана с большими объемами
вычислений, определяемыми статистической неоднородностью процесса
считывания ячеек в канал связи. Вследствие этого будем полагать, что в
среднем при передаче пакета его ячейки считываются равномерно в
течение всего цикла передачи. Это допущение не столь очевидно, как первое,
и требует последующего подтверждения, однако является, по-видимому,

2.2. Использование технологии ATM в ССС 491
единственно возможным средством получения компактных выражений,
определяющих искомые характеристики.
В течение каждого кадра для передачи пакетов ПН3-1 выделяется в среднем
ql{ + /2 временных окон. Будем считать, что эти окна распределены во времени
равномерно с интервалом времени между соседними окнами, равным T/(qlt + /2).
Тогда время передачи пакета объемом г ячеек составит rTk/(ql1 + /2). А
плотность распределения времени передачи пакетов с учетом случайности их объема
определится следующим образом:
^£^ B.2.4.14)
где: Vr — распределение объема передаваемых пакетов (в ячейках), 5 — дельта-функция.
Допущение о неограниченности объема БЗУ позволяет измерять длину
очереди в пакетах (а не в ячейках, как при строгом анализе).
Подставляя B.2.4.14) в B.2.4.6), после некоторых алгебраических
преобразований получим:
In =
где: а = £ гУг/(д1л + 12);Ь= £ ^Vr/(g/, + /2J
г= 1 г= 1
Сравнение вычислений по строгой методике и по приближенной формуле
B.2.4.15) позволило заключить следующее:
• приближенное выражение B.2.4.15) приводит к нижней оценке среднего
времени задержки пакетов, что является следствием допущения о
равномерности распределения выводимых ячеек в пределах длительности кадра;
• ошибка приближения зависит от отношения среднего объема
передаваемых пакетов V к среднему числу окон, доступных для вывода в течение
кадра (g/i + /2)> монотонно уменьшаясь при увеличении этого
отношения;
• при фиксированном значении V/{ql^ + /2) ошибка приближения зависит от
параметра р и достигает наибольшего значения при загрузках @,4-0,6),
причем даже в худшем случае максимальная ошибка не превышает 20%.
Ниже для примера приведены результаты точных и приближенных
вычислений при следующих исходных данных: геометрическом распределении объемов
пакетов со средним значением V— 5 ячеек, длительности кадра 1024 окон,
длительности слота 64 окна (Vi6 каДРа) и^ = 0,6:

492
хтк
p
Точное
Приближенное
Погрешность, %
/t = 64, V/iqli
ХТк
Р
Точное
Приближенное
Погрешность, %
Часть 2.
/2) = 0,078
2.56
0.2
0.667
0.596
10.6
+ /2) = 0,13
1.54
0.2
0.720
0.679
5.7
Использование ССС в новых информационных технологиях
5.12
0.4
0.757
0.625
17.4
3.07
0.4
0.821
0.708
13.8
7.68
0.6
0.862
0.684
20.6
4.61
0.6
0.962
0.806
16.2
10.24
0.8
1.016
0.859
15.4
6.14
0.8
1.24
1.1
11.6
11.52
0.9
1.12
1.05
6.25
6.91
0.9
1.48
1.41
5.4
2.2.4.2. Характеристики информационного обслуживания ПНЗ-1
в каналах связи СР-ЗС
Структура вывода ячеек ПКЗ-1 в каналы связи СР-ЗС приведена на
рис. 2.2.4.4. В этих каналах потоки реального времени требуют сохранения
кадровой структуры вывода ячеек, но, в отличие от рассмотренных выше каналов
ЗС-СР, временные промежутки между кадрами отсутствуют. Таким образом,
структура вывода ячеек в каналы СР-ЗС является частным случаем,
рассмотренным в 2.2.4.1. при /3= 0 и в принципе можно было бы воспользоваться ранее
полученными результатами. Однако вычислительные сложности строгой методики
сохраняются и в рассматриваемом случае, а приближенный метод расчета
базируется на неприемлемом для каналов СР-ЗС допущении о неограниченности
объемов используемых буферных накопителей. Поэтому возникает
необходимость приближенного (возможно более сложного, чем рассмотренное выше)
исследования характеристик обслуживания ПНЗ-1.
Примем допущение о том, что структура вывода ячеек в канал связи
однородна во времени и каждое временное окно доступно для передачи ячейки ПНЗ-1 с
вероятностью р, равной:
Р = (ql{ + /2)/(/1 + /2) B.2.4.16)
Целью нашего исследования является определение среднего времени
задержки пакетов tn и вероятности потери ячейки за счет переполнения емкости
буферного накопителя Р

2.2. Использование технологии ATM в ССС
493
Сохраним сделанные в 2.2.4.1 обозначения. Будем в качестве состояния
системы рассматривать количество ячеек в буферном накопителе в моменты
времени, непосредственно предшествующие началу временных окон. Тогда структура
матрицы одношаговых переходных вероятностей вложенной цепи Маркова и
системы уравнений, связывающих искомые вероятности состояний, будет
аналогичной B.2.4.7) с той разницей, что число уравнений конечно:
Ро йом) "*" "o*i
Рг = яОро + Ь2р\ + ь\р2 + 6орз
Рлг, t = UN_ ХРО + йд,, 1Р1 + йдг_ 2Р2 + ... + &!Р^_ ! + ЬОРМ
А коэффициенты <2- и Ь{ определяются выражениями:
а0 = 1-ХТ0
B.2.4.17)
аг = А,ГОУГ
60 = ра0
br = раг+(
г=1,2,...
B.2.4.18)
Решение системы уравнений B.2.4.17) с учетом дополнительного условия
нормировки У^1 рг; = 1 может быть представлено в следующем виде:
2 = 0
р = 1
^о -дГ"
B.2.4.19)
1 = 0
где коэффициенты С{ определяются по рекуррентным соотношениям:
Со = 1
С, = A-ао)/Ьо
г-1
7 = 0
при г = 2, 3,..., N
Вероятность потери ячейки может быть найдена из следующих соображений.
Рассмотрим достаточно большой интервал времени Q. За время Q в систему по-

494 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
ступает XVQ ячеек. За это же время в канал выводится A - PQ)Qp/TQ ячеек.
Число потерянных ячеек составит разность между этими величинами, а вероятность
потери будет равна:
=
XVQ XVT
0
Для определения среднего времени ожидания пакетов в очереди рассмотрим
момент времени, отстоящий на отрезок t от ближайшего следующего момента
считывания ячейки из буферного накопителя. Среднее число ячеек в БН в
рассматриваемый момент времени равно:
Среднее условное время ожидания в очереди пакета, поступающего в
рассматриваемый момент времени, вычисляется как:
N
а безусловное среднее время ожидания в очереди произвольного пакета
определится как:
XVT(
р Lu l 2
о « = о
И наконец, среднее время задержки передачи пакета определится следующим
образом:
•» = о
Для примера на рис. 2.2.4.4 и 2.2.4.5 приведены основные характеристики
обслуживания ПНЗ-1, рассчитанные для случая, когда объемы передаваемых
пакетов имеют геометрическое распределение: Уг = A - v)vr, среднее значение
объема пакета составляет F= 5 ячеек, /1 + /2 = 64, а объем буферного накопителя N
равен 50 ячейкам (в среднем 10 пакетам). Параметром является коэффициент
р = , равный отношению скорости поступления ячеек в накопитель к
средней их скорости считывания.
Из приведенных зависимостей следует, что при любых значениях р
распределение длины очереди ячеек в накопителе за исключением особой точки при

2.2. Использование технологии ATM в ССС
495
Pi
ю1
10"
10"
10~4 -
10 -
10"
1
У N
__
1
\
г ~У~
•"р-1.5
р = 0,95
^s^ _
Р^О.24
10 20 30 40 50 i
Рис. 2.2.4.4. Распределение длины очереди ячеек в буферном накопителе
10
10
0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 \Т0
Рис. 2.2.4.5. Среднее время задержки пакетов в очереди

496
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
10
10
10'5
0,06
од
0,14
0,18
0,22 АТ0
Рис. 2.2.4.6. Вероятность потери ячеек
г = 0 можно практически считать геометрическим. При р < 1 распределение
является монотонно убывающим, при р > 1 — возрастающим, а при р — 1
распределение близко к равновероятному.
На рис. 2.2.4.5. показана зависимость среднего времени ожидания пакетов в
очереди от относительной скорости генерации пакетов ХТ0 при различном числе
каналов lv занятых ПКЗ, а на рис. 2.2.4.6 — вероятность потери ячейки.
Отчетливо проявляется зависимость параметров качества обслуживания ПНЗ-1 не
только от собственных характеристик (X), но и от активности источников
потоков ПКЗ (lt). Так, например, при XTQ = 0,l (что соответствует загрузке канала
пакетами ПНЗ-1 при пассивных источниках ПКЗ, равной 0,5) изменение числа
каналов, занятых ПКЗ, от 0 до 64 увеличивает среднее время ожидания пакетов
в очереди в 3,1 (от 4,5 до 14) раза, а вероятность потери ячейки пакета возрастает
в 30 раз.
Рассмотрим вопрос о выборе емкости бортового буферного накопителя
[2.2.4.6, 2.2.4.7]. На вероятность потери ячейки в ATM-сетях накладываются
жесткие ограничения. В [2.2.4.5] утверждается, что допустимая вероятность потери
не должна превышать величины 10~9. Мотивируется это тем, что стандартом
ATM не специфицирован механизм селективной повторной передачи
потерянных ячеек, поэтому при потере хотя бы одной ячейки приходится повторно
передавать весь пакет. В то же время селективная повторная передача ячеек не
представляет трудностей и предлагается к использованию в ряде работ.
Ожидается, что этот режим станет стандартным механизмом для ATM. На рис. 2.2.4.7
приведены зависимости требуемого объема бортового буферного накопителя

2.2. Использование технологии ATM в ССС
497
N
5-Ю4
104
5-Ю3
103
5 102
ОД 0,3 0,5 0,7 0,9 " XVT0
Рис. 2.2.4.7. Требования к объему буферного накопителя
*"
~РШУ[, = 10 ^
р11ОТ-ю-4
7,5 • 10
5 -10
2,5 • 10
10 2
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 XVT{)
Рис. 2.2.4.8. Коэффициент использования емкости буферного накопителя

498 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
(для одного передающего луча) от допустимой вероятности потери ячейки при
реальных характеристиках передаваемых пакетов (равновероятном
распределении объема со средним значением 500 ячеек). На рис. 2.2.4.8 показан
коэффициент использования объема буферного накопителя а, равный отношению средней
степени заполнения к его объему. При допустимой вероятности потери 10~9 и
XVT0 = 0,72 (что соответствует загрузке канала 0,9) требуется накопитель
объемом 59800 ячеек C,2 Мбайт), а коэффициент его использования составит всего
0,05. Можно снизить требуемый объем до 900 ячеек (в 6.6 раз), уменьшив А,Тто
до 0,32 (что соответствует загрузке канала 0,4), но при этом производительность
упадет в 2,25 раза.
Таким образом, существует обмен между требуемым объемом БН и
обеспечиваемой производительностью сети.
С другой стороны, при селективной повторной передаче ячеек
дополнительная нагрузка на сеть, вызванная повторными передачами потерянных ячеек,
составит величину 1/A - Рпот) (столько раз в среднем повторяется каждая ячейка).
Например, при Рпот = 1(Г2 дополнительная нагрузка на сеть составит всего 1%
(или, что то же самое, при фиксированной нагрузке производительность
снизится на 1 %). При Рпот = 10~2 и X VT0 = 0,72 требуемый объем БН составит 7800
ячеек D15 Кбайт), а коэффициент использования будет равен 0,3.
Таким образом, при использовании селективной повторной передачи
потерянных ячеек и обоснованном выборе показателя качества обслуживания
появляется возможность снизить требования к объему БН более чем в 7,5 раз, доведя
их до разумных пределов.
2.2.5. Исследование алгоритмов управления
и предотвращения перегрузок в спутниковой сети
Целью алгоритмов управления информационными потоками и
предотвращения перегрузок является обеспечение заданного качества обслуживания и
предотвращения деградации сети связи при резком изменении номинального
режима функционирования (трафика и работоспособности каналообразующего
оборудования спутника-ретранслятора). Как уже отмечалось в первой части
книги, спутниковые сети отличаются от наземных информационных сетей большим
временем распространения сигналов и наличием дополнительных служебных
затрат на установление синхронизации. Вследствие этого области эффективного
применения и параметры алгоритмов управления сетью и предотвращения
перегрузок, выражающихся в резком увеличении задержки передачи ячеек, их потерь
из-за конечной емкости запоминающих устройств на спутнике-ретрансляторе и
снижении пропускной способности (производительности) сети, в спутниковых
сетях отличаются от аналогичных параметров наземных сетей.
Управление перегрузками в ССС возможно использовать как на линиях
связи «вверх», так и на линиях связи «вниз» [2.2.5.1].
Поскольку емкость запоминающих устройств наземных станций не является
критическим параметром, то в первом случае управляющим параметром служит
задержка передачи ячеек (пакетов) на линиях связи ЗС-СР, а параметром управ-

2.2. Использование технологии ATM в ССС 499
ления является пропускная способность радиолиний связи ЗС-СР. Целевой
функцией алгоритма управления является минимизация задержки передачи
пакетов путем перераспределения пропускной способности
спутника-ретранслятора между радиолиниями на линиях связи ЗС-СР.
Во втором случае вследствие конечной и ограниченной емкости бортовых
выходных запоминающих устройств управляющим параметром является
вероятность потерь пакетов. В этом случае целевой функцией алгоритма управления
является минимизация вероятности потери ячеек в выходных буферных
накопителях спутника-ретранслятора путем перераспределения пропускной
способности ретранслятора между радиолиниями на линиях связи СР-ЗС.
В данном разделе исследуется влияние задержки управляющей информации на
показатели функционирования ССС и определяются оптимальные параметры
алгоритмов управления, в частности длительность интервалов управления, при
нестационарных и несбалансированных входных информационных потоках. С
одной стороны, длительность интервалов управления должна быть как можно
меньше, чтобы быстро адаптироваться к изменению трафика. С другой стороны,
длительность интервала управления должна быть достаточной для получения
достоверных оценок управляемых параметров.
Поскольку области применения алгоритмов предотвращения перегрузки
связаны с нестационарными режимами функционирования сети связи, то
исследования выполнены с использованием имитационного моделирования.
Основным способом предотвращения потенциальных и устранения
возникших информационных перегрузок в сетях является управление потоками.
Управление потоками, в частности, сводится к мотивированному принятию
решений относительно допуска новых пакетов в сеть таким образом, чтобы
избежать тяжелых перегрузок и даже блокировок всей сети в целом. Сложность
проблемы заключается в том, что перегрузки могут возникать в любом узле сети, а
управлять потоками целесообразно на входе в сеть, т.е. в периферийных узлах,
непосредственно связанных с пользователями (в противном случае возникают
ситуации, когда допущенные в сеть пакеты, пройдя цепочку узлов и каналов и
затратив при этом определенную часть ресурсов сети, будут сброшены в одном
из транзитных узлов, так и не дойдя до получателя). В рассматриваемой ССС
частичное управление потоками при доступе к каналам «вверх» происходит
автоматически: каждый из этих каналов не может пропустить через себя больше
пакетов в единицу времени, чем позволяет его пропускная способность. Однако
такое локальное управление не гарантирует каналы «вниз» от перегрузок. В
предельном случае может возникнуть ситуация, когда все потоки, передаваемые по
каналам «вверх», будут адресованы в единственный канал «вниз», который при
этом неизбежно окажется перегруженным. Поэтому нужна обратная связь СР-
ЗС, уведомляющая станции о состоянии выходных каналов СР с той целью,
чтобы ЗС не допускали в сеть пакеты, способствующие перегрузке каналов «вниз».
Таким образом, при управлении потоками пользовательский трафик
«подгоняется» под структурные характеристики сети, что является определенной
дискриминацией в отношении пользователей.
С другой стороны, благодаря простой топологии рассматриваемой ССС
можно реализовать иной способ предотвращения и устранения перегрузок — управ-

500 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
ление пропускной способностью каналов связи, когда суммарная пропускная
способность каналов перераспределяется между каналами в соответствии с
текущими требованиями пользователей. В этом случае уже не сеть диктует
пользователям свойства их информационных потоков (сбрасывая «лишние» с её точки
зрения пакеты), а пользователи определяют текущие характеристики сети, в
наилучшей степени удовлетворяющие их требованиям.
Рассмотрим вопрос о выборе критерия распределения пропускной
способности. Пусть объемы передаваемых пакетов имеют геометрическое распределение,
а его среднее значение достаточно велико. В этом случае распределение времени
передачи пакета по каналу связи можно приближенно считать
экспоненциальным и для произвольного i-го канала будем иметь [2.2.5.2]:
— среднее время задержки пакетов тг = ■——- *>
А л
— среднее число пакетов в очереди на передачу q{ = — , где: А - интен-
Ц-А
сивность поступления пакетов в г-ый канал, Сг — пропускная способность
г-ro канала (пакетов/с).
Легко показать, что при необходимости выравнять средние длины очередей
следует руководствоваться правилом:
Сг(кС?)/\ъ B.2.5.1)
где А,£ и С<£ — соответственно суммарная интенсивность пакетов, поступающих во все каналы, и
суммарная пропускная способность каналов связи.
В этом случае q{ = A,s /(С% - Az), т, = As I [Х(С% - Az)].
Таким образом, при перераспределении пропускной способности в
соответствии с B.2.5.1) средние длины очередей пакетов во всех каналах одинаковы, а
задержки разные, причем большие задержки возникают в каналах с меньшей
интенсивностью поступления пакетов. Заметим, что выравнивание средних длин
очередей приводит к выравниванию вероятности потери пакетов, поэтому
правило B.11.1) целесообразно использовать для каналов «вниз».
При необходимости выравнивания среднего времени задержки Ci
определяется следующим соотношением:
Сг = А + (С1-А1)/п, B.2.5.2)
где п — число каналов.
В этом случае: q{ = Хп /(С2 - А^, xt = п/(С% - Az).
Таким образом, при выравнивании задержек средние длины очередей и,
соответственно, вероятности потери оказываются различными, причем в худших
условиях оказываются каналы с большей интенсивностью пакетов. Критерий B.2.5.2)
целесообразно использовать в каналах «вверх» по следующим причинам [2.2.5.1]:
1. Объем буферного накопителя для ЗС не является столь серьезной
проблемой, как для БРТК, и может быть сделан большим настолько, чтобы потери

2.2. Использование технологии ATM в ССС 501
из-за переполнения отсутствовали. В то же время выравнивание задержек
(отсутствие естественного приоритета) отвечает требованиям пользователей.
2. В соответствии с B.2.5.2) за каналом резервируется определенная часть
пропускной способности даже в том случае, если интенсивность
передаваемых по нему пакетов оценена равной нулю. Поэтому канал всегда готов
к возобновлению передачи трафика. При использовании же критерия
B.2.5.1) неактивный канал отключается и для повторного вхождения в
сеть требуется дополнительный запросный канал.
С целью оценки возможностей различных способов управления перегрузками
используем статистическую модель ССС со следующими параметрами:
• количество ЗС (каналов «вверх») — 8;
• количество передающих лучей СР (каналов «вниз») — 8;
• характеристики трафика: каждый передающий узел генерирует пакеты в
направлении любого из приемных узлов.
Сеть в целом характеризуется матрицей тяготения узлов: X = ЦА^-Ц, i,j = 1, 2...8.
Элемент А,- матрицы тяготения равен интенсивности потока пакетов,
направляемых передающим узлом г к приемному узлу у
О с вероятностью 0,4
0,2A^ с вероятностью 0,5 т B.2.5.3)
Хт с вероятностью 0,1
где Хт — максимальная интенсивность трафика между парой узлов.
Рассмотрим следующие варианты построения сети:
1. Управление перегрузками отсутствует, пропускные способности всех
каналов выбираются исходя из максимально возможной интенсивности
поступления пакетов.
2. Управление перегрузками отсутствует, пропускные способности всех
каналов выбираются исходя из возможности статистического осреднения
трафика разных узлов.
3. Управление перегрузками осуществляется путем сброса избыточных
пакетов на входах каналов «вверх» без использования информации о
состоянии каналов «вниз».
4. Управление перегрузками осуществляется путем сброса избыточных
пакетов на входах каналов «вверх» с использованием информации о состоянии
каналов «вниз».
5. Управление перегрузками осуществляется путем перераспределения
пропускных способностей с использованием критерия B.2.5.1) во всех каналах.
6. Управление перегрузками осуществляется путем перераспределения
пропускной способности с использованием B.2.5.1) в каналах «вниз» и
B.2.5.2) в каналах «вверх».
В предположении об идеальности алгоритмов управления перегрузками
(интенсивности потоков оцениваются быстро и абсолютно точно, задержки распро-

502
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
странения сигналов отсутствуют) характеристики модели исследованы путем
проведения серии статистических испытаний. При каждом испытании
формировалась матрица тяготения узлов в соответствии с B.2.5.3), определялось её
состояние и рассчитывались основные характеристики сети. В результате
последующего осреднения по серии испытаний получены следующие характеристики:
1. Вероятность информационной перегрузки Р.
2. Средний коэффициент использования каналов «вверх» р^
3. Средний коэффициент использования каналов «вниз» р2.
4. Средняя задержка передачи пакетов Г.
5. Производительность сети Л.
Характеристики вариантов построения сети, полученные осреднением по
серии из 50000 испытаний, приведены в таблице 2.2.5.1.
Таблица 2.2.5.1
Характеристики вариантов построения сети
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
С
1
0.47
0.37
0.31
0.23
0.47
0.37
0.31
0.23
0.47
0.37
0.31
0.23
0.47
0.37
0.31
0.23
0.47
0.37
0.31
0.23
Р
0
0.072
0.384
0.762
0.948
0.039
0.235
0.554
0.852
0
0
0
0
0
0
0
0.059
0
0
0
0.065
Pi
0.18
0.377
0.443
0.478
0.557
0.380
0.455
0.508
0.586
0.383
0.471
0.547
0.646
0.384
0.480
0.575
0.749
0.365
0.455
0.546
0.718
0.18
0.377
0.443
0.478
0.557
0.380
0.455
0.508
0.586
0.383
0.471
0.547
0.646
0.384
0.480
0.575
0.749
0.384
0.480
0.575
0.748
Г
0.278
0.920
1.450
1.967
4.411
1.025
2.238
4.634
9.358
1.148
3.180
7.251
13.990
1.028
1.547
2.389
7.748
0.908
1.368
2.109
6.443
Л
1
0.928
0.616
0.238
0.052
0.960
0.937
0.435
0.134
0.998
0.985
0.955
0.854
1
1
1
0.941
1
1
1
0.935

2.2. Использование технологии ATM в ССС 503
Размерные величины в таблице нормированы относительно Хт. В первой
колонке приведена суммарная пропускная способность каналов связи ЗС-СР либо
СР-ЗС. Анализ данных таблиц позволяет заключить следующее:
• наилучшие характеристики оперативности обеспечивает вариант 1, но
достигается это ценой плохого использования пропускной способности каналов
связи (пропускная способность выбирается из расчета на наихудший случай);
• варианты 2 и 3 (без управления и с ранним сбросом пакетов только на
входе сети) в условиях нестационарного трафика не обеспечивают требуемого
качества обслуживания (велика вероятность информационной перегрузки,
резко снижается производительность сети);
• варианты 4, 5 и 6 позволяют при сохранении производительности и
отсутствии информационных перегрузок более чем в 3 раза снизить требования
к пропускной способности каналов связи по сравнению с вариантом 1;
• с точки зрения оперативности варианты 5 и 6 обладают несомненным
преимуществом относительно 4, обеспечивая снижение задержек в 3,5 раза.
Имитационное моделирование проведено при следующих исходных данных [2.2.5.2]:
• входной трафик — пуассоновский;
• суммарная загрузка радиолиний связи вверх — 0,8, поддерживалась
постоянной в течение времени моделирования;
• длина пакетов (в ячейках) имеет равновероятное распределение от 1 до 10 ячеек;
• число наземных станций — 8;
• два варианта коэффициентов неравномерности («перекоса») входного
трафика по наземным станциям — равномерная загрузка и неравномерная с
групповой (две группы по четыре наземных станций в каждой группе)
неравномерностью загрузки и коэффициентами {1:1.5} (отношение интен-
сивностей входных потоков);
• длительность управляющего сигнала ретранслятора (включая служебную
синхропосылку) — 1000 бит;
• длительность ячейки — 53 байта;
• длительность интервалов анализа (в длительности пакетов) — от 10 до 300;
• длительность интервала нестационарности входного трафика принята
равной десяти длительностей интервалов анализа;
• длительность интервала стационарности — двадцать интервалов анализа;
• емкости БЗУ наземных станций — бесконечные;
• время распространения радиосигналов от ЗС до СР — 125 миллисекунд.
Результаты имитационного моделирования при применении алгоритма
управления в каналах ЗС-СР представлены на рисунках 2.2.5.1-2.2.5.8 [2.2.5.3].
На рис. 2.2.5.1 приведена зависимость средней задержки пакетов в каналах
ЗС-СР от длительности интервала анализа интенсивностей информационных
потоков Га, поступающих на вход СР от совокупности ЗС, расположенных в зоне
обслуживания одного приемного луча при функционировании в стационарном
режиме. Длительность интервала анализа выражена в среднем количестве
пакетов, поступающих от каждой из обслуживаемых станций (в случае
необходимости перехода к абсолютному значению длительности интервала анализа Г* еле-

504
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
Управление перегрузками в каналах связи ЗС-СР
10 50 100 150 200 250
Длительность интервала анализа — Га
300
Рис.
2.25.1. Зависимость средней задержки от длительности
интервала анализа
18,00
10
50 100 150 200
Интервал анализа
300
Рис. 2.2.5.2. Зависимость средней задержки передачи пакетов
от длительности интервала анализа при нестационарном трафике
дует использовать следующее соотношение: Г* ^ ncT.d / Х^, где пс — количество
земных станций, Х% — суммарная интенсивность входного трафика). Результаты
показали, что с увеличением Га средняя задержка пакетов монотонно
уменьшается, что является следствием более точной статистической оценки
управляющего параметра (интенсивности) и снижением относительного уровня служебных
затрат на синхронизацию. Причем эта зависимость является существенно
нелинейной. При величине времени анализа Га больших A0-20) средняя задержка
пакетов слабо зависит от Га, что свидетельствует о достаточной точности
статистической оценки управляющего параметра для рассматриваемого алгоритма
при указанных значениях Га. При значениях Га, больших 20, слабое
незначительное снижение задержки объясняется снижением уровня служебных затрат. При
значениях Га, меньших 10, резкое увеличение задержки объясняется
недостоверной оценкой управляющего параметра и высоким уровнем служебных затрат.

2.2. Использование технологии ATM в ССС
505
I
О
12,00
10,00 -
3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
10
&
I
Он
О
Pwc. 2.2.53. Диаграмма переходного процесса изменения задержки
передачи пакетов в перегруженном канале
12
10 -
6 -
2 -
3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
10
Рис. 2.2.5.4. Диаграмма переходного процесса изменения средней длины очереди
в перегруженном канале
На рис. 2.2.5.2 представлена аналогичная зависимость для нестационарного
трафика, из которой следует, что в данном случае существует оптимальное
значение интервала анализа, равное 10. Резкий рост задержки при больших
значениях Га вызван тем, что управление осуществляется в дискретные моменты
времени, а изменение входного трафика может происходить в любой момент.
Поэтому с ростом Га увеличивается запаздывание управляющего воздействия
относительно изменения характеристик входного трафика.

506 Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
В то же время в рассматриваемом случае время анализа ограничено снизу
задержкой распространения радиосигналов между земными станциями и спутником-
ретранслятором (как отмечалось ранее, задержка управляющего воздействия не
может быть меньше 0,25 секунд, что при типовой скорости передачи 2,048 Мбит/с —
канал Е1 — соответствует значению Та примерно 250). Поэтому дальнейшие
результаты приведены именно для этого значения.
На рис. 2.2.5.3 и 2.2.5.4 представлены переходные процессы изменения
задержки и длины очереди в перегруженных каналах. Параметром на представленных
кривых является величина сдвига между моментом скачкообразного изменения
трафика и ближайшим моментом принятия решения — перераспределения
пропускной способности. На переходной диаграмме наблюдается всплеск задержек
и средних длин очередей на первых двух интервалах анализа, следующих за
моментом изменения характеристик трафика. Это свидетельствует о том, что время
реакции алгоритма управления составляет 2Та вне зависимости от величины
временного сдвига, что характеризует устойчивость алгоритма.
Аналогичные зависимости для недогруженных каналов приведены на
рис. 2.2.5.5 и 2.2.5.6. Из них следует, что, в отличие от перегруженных каналов,
в данном случае скачкообразный рост задержек и длин очередей не наблюдается.
Это объясняется тем, что на первом интервале анализа (когда система
функционирует в соответствии со «старой» управляющей информацией при «новом»
входном воздействии) в недогруженных каналах тем не менее имеется избыток
пропускной способности, приводящий к снижению задержек и очередей.
Например, задержка уменьшается с 4 до 2,5 (рис. 2.2.5.5).
На рис. 2.2.5.7 и 2.2.5.8 представлены усредненные (по временным сдвигам)
диаграммы изменения задержки и длин очередей в перегруженных и
недогруженных каналах, соответственно.
Аналогичные зависимости при использовании алгоритма управления в каналах
связи СР-ЗС представлены на рис. 2.2.5.9-2.2.5.16. Их характер и поведение
аналогичны соответствующим кривым для каналов связи ЗС-СР. Отличие заключается
в том, что оптимальное значение интервала анализа равно примерно 50 (в каналах
связи ЗС-СР оптимум был равен 10). Это объясняется тем, что алгоритм
выравнивания длин очередей более чувствителен к погрешности оценки управляющего
параметра. В случае принятия решения о нулевой интенсивности трафика канал
связи не предоставляется, а это при ошибочном решении приводит к резкому росту
очередей на борту и соответствующему росту вероятности потерь. Чтобы избежать
таких ситуаций, необходимо повышать точность оценки и, соответственно,
увеличивать интервал оценки управляющего параметра. Причем именно это
оптимальное значение может быть использовано на практике, поскольку задержки
распространения радиосигналов не вносят в данном случае никаких ограничений.
Необходимо отметить, что длительность переходных процессов в данном
случае несколько увеличивается и составляет 4-5 интервалов анализа.
Таким образом, рассмотренные алгоритмы управления перегрузками в
спутниковых сетях обеспечивают эффективное управление перегрузками,
подтвердили свою устойчивость, обладают малой инерционностью, обладают
оптимальными параметрами, позволяющими максимизировать производительность сети и
снизить потери информации.

2.2. Использование технологии ATM в ССС
507
—♦— А
—о.. А
—А- А
-*- А
= 0
-Т/4
-Т/2
= Т-3/4
2 3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
Рис. 2.2.5.5. Диаграмма переходного процесса изменения задержки
передачи пакетов в недогруженном канале
я
ft
о
3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
10
Рис. 2.2.5.6. Диаграмма переходного процесса изменения длины очереди
в недогруженном канале

508
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
10,00
9,00
8,00 - -
7,00 - -
X
О
0,00
■— Задержка передачи
пакетов
>— Длина очереди
10
Номер интервала анализа
Рис. 2.2.5.7. Диаграмма переходного процесса задержки передачи пакетов
и длины очереди усредненных по моментам изменения трафика
в перегруженном канле
4,00
"■"*""■ Задержка передачи
пакетов
-_о_- дЛИНа очереди
0,00
3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
9 10
Рис. 2.2.5.8. Диаграммы переходных процессов задержки передачи пакетов
и длины очереди усредненных по моментам изменения трафика
в недогруженном канале

2.2. Использование технологии ATM в ССС
509
I
и
9,00
8,00 I
7,00 -
6,00 --
5,00 --
4,00
3,00
2,00 .-
1,00
0,00
30 50 100 150 200 250
Длительность интервала анализа — Га
300
Рис. 2.2.5.9. Зависимость средней задержки от длительности интервала анализа
16,00
I
14,00 ..
12,00 ..
10,00 ..
8,00 .Ч
6,00 ..
4,00 ..
2,00 . -
0,00
30 50 100 150 200 250
Длительность интервала анализа — Га
300
Рис. 2.2.5.10. Зависимость средней задержки передачи пакетов от длительности
интервала анализа при нестационарном трафике
3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
10
Рис. 2.2.5.11. Диаграмма переходного процесса задержки передачи пакетов
в перегруженном канале

510
Часть 2. Использование ССС в новых информационных технологиях
10
2 3 4 5 6 7 8
Номер интервала анализа
Рис. 2.2.5.12. Диаграмма переходного процесса изменения длины очереди
в перегруженном канале
8,00
I 7,00
Э|
I
и
Рис.
-4-
..43»
—A-
-~^
A-
A =
A =
A =
0
T
T
T
•1/4
•1/2
•3/4
0,00
10
2 3 4 5 6 7 8
Номер интервала анализа
2.2.5.13. Диаграмма переходного процесса изменения задержки передачи
пакетов в недогруженном канале
—•— А
—а- д
—А- А
—и— А
= 0
-Т-1/4
= Т • 1/2
- Т ■ 3/4
10
Рис.
2 3 4 5 6 7 8
Номер интервала анализа
2.2.5.14. Диаграмма переходного процесса изменения длины очереди
в недогруженном канале

2.2. Использование технологии ATM в ССС
511
* в
а,
О
0,00
12 3 4 5 6 7
Номер интервала анализа
- и Задержка передачи
пакетов
—о— Длина очереди
I
О)
1
О,
Рис. 2.2.5.15. Диаграмма переходных процессов задержки пакетов
и длины очереди усредненных по моментам
изменения трафика в перегруженном канале
■ Задержка передачи
пакетов
--Ф-. Длина очереди
Номер интервала анализа
Рис. 225.16. Диаграммы переходных процессов в недогруженном канале,
усредненных по моментам изменения трафика
в недогруженном канале

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Использованные аббревиатуры и полные
названия терминов и понятий

Аббревиатура
ABR
ACT
ADPCM
ADST
AGC
AMSS
ARQ
ASK
ASK
ATM
BBP
BER
BFN
B-ISDN
BoD
BOL
BPSK
Название на английском языке
Available Bit Rate
Adaptive Carrier Tracking
Adaptive Differential Pulse Code
Modulation
Asymmetric Digital Satellite
Terminal
Automatic Gain Control
Airborne Mobile Satellite
Service
Automatic Repeat reQuest
Amplitude Shift Keying
ASKnowledgment
Asynchronous Transfer Mode
Base Band Processor
Bit Error Rate
Beam Forming Network
Broadband Integrated Service
Digital Network
Bandwidth on Demand
Beginning Of Life
Binary Phase-Shift Keying
Название на русском языке
Доступная скорость передачи
Адаптивное отслеживание несущей
частоты (в схемах синхронизации)
Адаптивная разностная импульсно-кодо-
вая модуляция
Асимметричный цифровой терминал
спутниковой связи
Автоматическая регулировка усиления
Воздушная подвижная служба
Схема передачи с переспросом
Амплитудная манипуляция
Подтверждение правильной передачи
(положительная квитанция)
Асинхронный способ передачи
Процессор сигналов на видеочастоте
Вероятность ошибочного приема
двоичного символа
Блок формирования лучей многолучевой
антенны
Широкополосная цифровая сеть
интегрального обслуживания
Распределение полосы частот по запросу
(по потребности)
Начало срока службы
Однократная (двухфазная) фазовая
манипуляция

Использованные аббревиатуры и полные названия терминов и понятий
513

Аббревиатура
BRAM
BS
BSS
CBR
CDMA
CELP
CODEC
CSMA
DAB
DAMA
DBS
DCT
DD
DPCM
DPSK
DSI
DTH-TV
DVB
DVB-RCS
DVB-S
EEO
EIRP
EOL
ES
FAMA
FCC
FDD
FDM
Название на английском языке
Broadcast Recognition Access
Mode
Base Station
Broadcast Satellite Service
Constant Bit Rate
Code Division Multiple Access
Code Excited Linear Prediction
COderDECoder
Carrier Sense Multiple Access
Digital Audio Broadcasting
Demand Assignment Multiple
Access
Direct Broadcast Satellite
Discrete Cosine Transform
Direct Detection
Differential Pulse Code
Modulation
Difference Phase Shift Keying
Digital Speech Interpolation
Direct To Home TV
Digital Video Broadcasting
DVB Return Channel over
Satellite
Digital Video Broadcasting —
Satellite
Elliptical Earth Orbit
Equivalent Isotropical Radiated
Power
End Of Life
Earth Station
Fixed Assigned Multiple Access
Flight Control Center
Frequency Division Duplex
Frequency Division
Multiplexing
Название на русском языке
Эстафетный протокол передачи+С94
Базовая станция
Широковещательная спутниковая служба
Поток с постоянной скоростью
Разделение каналов по форме
Линейное предсказание с кодовым
возбуждением (при кодировании речи)
Кодек
Множественный доступ с прослушиванием
несущей
Цифровое радиовещание
Множественный доступ с предоставлением
канала по требованию
Спутник непосредственного вещания
Дискретное косинус-преобразование
Прямое детектирование
Разностная импульсно-кодовая модуляция
Относительная фазовая манипуляция
Цифровая интерполяция речи
Индивидуальный прием телевизионных
программ
Цифровое телевизионное вещание
Перспективный стандарт передачи в
спутниковых сетях
Стандарт уплотнения нескольких ТВ
каналов в одном стволе СР
Эллиптическая околоземная орбита
Эквивалентная изотропно излучаемая
мощность
Конец срока службы
Земная станция
Множественный доступ с фиксированным
уплотнением и разделением каналов
Центр управления полетом
Дуплексный режим с частотным
разделением каналов приема и передачи
Частотное мультиплексирование

514
Приложение 1

Аббревиатура
FDMA
FEC
FET
FIFO
FIFOR
FLL
FLL
FR
FSK
FSS
FTDMA
FTP
GEO
GH
GLONASS
GMPCS
GOP
GPS
GW
HDTV
HEMT
HES
HHT
HPPCH
HUB
IDU
IEC
Название на английском языке
Frequency Division Multiple
Access
Forward Error Correction
Field Effect Transistor
First In First Out
FIFO Reservation
Phase Lock Loop
Feeder Link
Frame Relay
Frequency Shift Keying
Fixed Satellite Service
Frequancy-Time Division
Multiple Access
File Transfer Protocol
Geostationary Earth Orbit
Global Information
Infrastructure
GLObal NAvigation Satellite
System
Global Mobile Personal
Communication Service
Group Of Pictures
Global Position System
Gate Way
High Definition TV
High Electron Mobility
Transistor
Hybrid Earth Station
HandHeld Terminal
High Penetration Paging
CHannel
In Door Unit
International Electrotechnical
Commission
Название на русском языке
Частотное разделение каналов
Помехоустойчивое кодирование
Полевой транзистор
Первым пришел — первым обслужен
Протокол конфликтного множественного
доступа по требованию с внешним
резервированием
Фазовая автоподстройка (частоты)
Фидерная линия
Сетевая технология
Частотная манипуляция
Фиксированная спутниковая служба
Частотно-временное разделение каналов
связи
Протокол передачи файлов
Геостационарная орбита
Глобальная информационная
инфраструктура
Глобальная спутниковая навигационная
система (Россия)
Глобальная подвижная персональная
спутниковая служба
Группа объединенных I, P и В-кадров
цифрового ТВ сигнала стандарта MPEG-2
Глобальная система местоопределения
(США)
Шлюз, шлюзовая станция, сопрягающая
станция
Телевидение высокой четкости
Транзистор с высокой подвижностью
электронов
Гибридная земная станция
Портативный терминал типа «трубка в руке»
Пейджинговый канал с высокой
проникающей способностью
Центральная станция (коммутационный
узел) сети VSAT
Внутренний блок оборудования связи
Международная электрическая комиссия

Использованные аббревиатуры и полные названия терминов и понятий
515

Аббревиатура
IF
IM
IP
IP
ISDN
ISL
ISO
ISP
LAN
LDTV
LEO
LMSS
LNA
LOS
LPWT
MAC
MAN
MEO
MF-
CDMA
MF-
TDMA
MMIC
MMSS
MOS
MPEG
MPELP
MP-MLQ
Название на английском языке
Intermediate Frequency
Intensity Modulation
Internet Protocol
Internet Packet
Integrated Services Digital
Network
Inter-Satellite Link
International Standards
Organization
Internet Service Provider
Local Area Network
Low Definition Television
Low Earth Orbit
Land Mobile Satellite
Service
Low Noise Amplifier
Line Of Sight
Linearized Traveling
Wave Tube
Multiple Access Control
Metropolitan Area Network
Medium Earth Orbit
Multi Frequency-Code Division
Multiple Access
Multi Frequency-Time Division
Multiple Access
Monolitic Microwave Integrated
Circuit
Maritime Mobile Satellite
Service
Mean Opinion Score
Motion Picture Experts Group
Multi Pulse Exciting Linear
Prediction
Multi Pulse Maximum Likehood
Quantization
Название на русском языке
Промежуточная частота
Модуляция по интенсивности
Протокол Интернет сетевого уровня
Сообщение в сети Интернет
Цифровая сеть интегрального
обслуживания
Межспутниковый канал связи
Международная организация по
стандартизации
Провайдер (оператор связи) услуг сети
Интернет
Локальная сеть (связи)
Телевидение высокой четкости
Низкая околоземная орбита (спутник-
ретранслятор)
Сухопутная подвижная спутниковая служба
Малошумящий усилитель
Линия прямой видимости (прямая
видимость)
Линеаризированная ЛБВ
Протокол множественного доступа
Городская (районная) сеть связи
Средневысотная околоземная орбита
Комбинированное уплотнение каналов
связи ЧРК-РКФ
Комбинированное уплотнение каналов
связи ЧРК-ВРК
Монолитные интегральные микросхемы
СВЧ
Морская спутниковая служба
Пятибалльная шкала экспертной оценки
качества речевой связи
1. Подкомитет ISO и IEC.
2. Стандарт сжатия и передачи ТВ-сигнала
Кодирование речи с линейным
предсказанием и многоимпульсным возбуждением
Многоимпульсное квантование по
критерию максимального правдоподобия

516
Приложение 1

Аббревиатура
MPSS
MS
MSAP
MSK
MSM
MSS
MTU
NF
NGSO
Nil
NOC
NRT-VBR
NTSC
OBP
OBPSK
OBS
ODU
OPSK
OQPSK
OSI
PAL
P-Aloha
РАМ
РАМА
PCE
PCM
PCM
Название на английском языке
Mobile Personal Satellite Service
Master Station
Mini Slotted Alternating
Priorities
Minimum Shift Keying
Microwave Switch Matrix
Mobile Satellite Service
Maximum Transfer Unit
Noise Figure (or Noise Factor)
Non Geostationary Orbit
National Information
Infrastructure
Network Operation Center
Non Real Time VBR
National Television System Color
On-Board Processing
Offset Binary Phase Shift Keying
On-Board Switching
Out Door Unit
Offset Phase Shift Keying
Offset Quadrature Phase Shift
Keying
Open System Interconnection
Phase Alternation Line
Pure Aloha
Pulse Amplitude Modulation
Permanently Assigned Multiple
Access
Power Conditioning Electronics
Pulse Code Modulation
Personal Computer
Название на русском языке
Подвижная персональная спутниковая
служба
Центральная станция сети
Эстафетный протокол — версия опросного
протокола с прослушиванием несущей и
распределенным управлением
Манипуляция с минимальным сдвигом
Коммутационная матрица СВЧ
Подвижная спутниковая служба
Максимально допустимый объем
сообщения, передаваемого по сети
Коэффициент шума приемника
Негеостационарная орбита
Национальная информационная
инфраструктура
Центр управления сетью
VBR нереального времени
Стандарт приема и передачи аналогового
ТВ сигнала в Японии
Бортовая обработка
Однократная относительная фазовая
манипуляция
Бортовая коммутация
Наружный блок оборудования
Относительная фазовая манипуляция
Двукратная (квадратурная)
относительная фазовая манипуляция
Эталонная модель соединения открытых
систем
Стандарт приема и передачи аналогового
ТВ сигнала в США
Чистая Aloha (протокол)
Амплитудно-импульсная модуляция
Множественный доступ с фиксированным
уплотнением и разделением каналов
Устройство распределения электроэнергии
между бортовыми потребителями
Импульсно-кодовая модуляция
Персональный компьютер

Использованные аббревиатуры и полные названия терминов и понятий
517

Аббревиатура
PCS
PD
PDH
PES
PODA
PRMA
PSDN
PSK
PSS
PSTN
PVC
QAM
QoS
QPSK
R-Aloha
RAMA
RELP
RF
ROT
RRR
RT-VBR
S-Aloha
SBS
Название на английском языке
Personal Communication
Services
Package Delivery
Plesiochronous Digital
Hierarchy
Personal Earth Station
Priority-Oriented Demand
Assignments
Packet Reservation Multiple
Access
Packet Switched Data Network
Phase Shift Keying
Personal Satellite Service
Public Switched Telephone
Network
Permanently Virtual Circuit
Quadrature Amplitude
Modulation
Quality of Service
Quadrilateral Phase Shift Keying
Reservation Aloha
Randomly Assigned Multiple
Access
Residual Excited Linear
Prediction
Radio Frequency
Receive-Only Terminal
Round Robin Reservation
Real Time VBR
Slotted Aloha
SubBand Coding
Название на русском языке
Персональные услуги связи
Многоадресная передача файлов для групп
пользователей
Плезиосинхронная (плезиохронная)
цифровая иерархия
Персональная земная станция
Распределенный протокол с внешним
резервированием и временным разделением
между запросным и информационным
каналами
Протокол множественного доступа с
резервированием
Сеть передачи данных с коммутацией
пакетов
Фазовая манипуляция
Персональная (индивидуальная)
спутниковая служба
Телефонная сеть общего пользования
(ТфОП)
Постоянный виртуальный канал
Квадратурная амплитудная модуляция
Показатель качества обслуживания
(передачи информации)
Квадратурная (двукратная) фазовая
манипуляция
Протокол Aloha с резервированием
Случайный множественный доступ
Линейное предсказание с усеченным
возбуждением (при кодировании речи)
Несущая (радио) частота
Станция космической связи, работающая
только на прием
Распределенный конфликтный протокол
случайного доступа с внутренним
резервированием
VBR реального времени
Тактированная (синхронная) Aloha
Многополосное кодирование речевого
сигнала

518
Приложение 1

Аббревиатура
SCPC
SCRMA
SDH
SECAM
SNG
SOHO
SPSK
SR-Aloha
SSPA
SS-TDMA
SVC
тем
TCP
TCP-
SACK
TDD
TDM
TDMA
TPC
TPC
TWT
UBR
UNI
UT
VBR
VC
VSAT
VSI
WAN
WWW
Название на английском языке
Single Channel Per Carrier
Split-Channel Reservation
Multiple Access
Synchronous Digital Hierarchy
Sequentid Couleur A Memoire
Satellite News Gathering
Small Office/Home Office
Straggered Phase Shift Keying
Select Reject Aloha
Solid State Power Amplifier
Satellite Switched Time Division
Multiple Access
Switched Virtual Circuit
Trellis Coded Modulation
Transport Control Protocol
TCP Selective ACKnowledge
Time Division Duplex
Time Division Multiplexing
Time Division Multiple Access
Transmit Power Control
Turbo Product Code
Traveling Wave Tube
Unspecified Bit Rate
User Network Interface
User's Terminal
Variable Bit Rate
Virtual Circuit
Very Small Aperture Terminal
Virtual Circuit Identifier
Wide Area Network
World Wide Web
Название на русском языке
Способ передачи «один канал на несущую»
Централизованный протокол с внешним
резервированием, использующий
частотное разделение между информационным,
запросным и ответным каналами
Синхронная цифровая иерархия
Стандарт приема и передачи аналогового
ТВ сигнала в Европе
Спутниковая служба новостей
Класс пользователей Интернет
Относительная фазовая манипуляция
Aloha с селективной повторной передачей
Полупроводниковый усилитель мощности
Временное разделение каналов связи с
бортовой коммутацией лучей на СВЧ
Коммутируемое виртуальное соединение
Модуляция посредством решетчатого
кодирования
Протокол транспортного уровня сети
Интернет
Протокол TCP с селективной повторной
передачей
Дуплексный режим работы с временным
разделением каналов приема и передачи
Временное мультиплексирование
Временное разделение каналов связи
Управление излучаемой мощностью
Матричный турбокод
Лампа бегущей волны
Неопределенная скорость передачи
Сетевой интерфейс пользователя
Пользовательский терминал
Поток с переменной скоростью
Виртуальный канал (соединение)
Терминал спутниковой связи с очень
малым размером апертуры (антенны)
Идентификатор виртуального канала
Региональная сеть связи
Всемирная паутина (наиболее популярная
услуга сети Интернет)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Список использованных сокращений
AM — Амплитудная манипуляция
АМБД — Адресно—маршрутная база данных
АНБШ — Аддитивный нормальный белый шум
АРУ — Автоматическая регулировка усиления
ATM — Асинхронный режим передачи
АФАР - Активная ФАР
БД — База данных
БМЛА — Бортовая многолучевая антенна
БП — Блок питания
БРТК — Бортовой ретрансляционный комплекс
БС — Базовая станция
БТС — Блок тактовой синхронизации
БФЛ — Блок формирования лучей
БЧХ — Код Боуза—Чоудхури—Хоквингема
ВИМ — Время—импульсная модуляция
ВК — Виртуальный канал
ВОЛС — Волоконно-оптическая линия связи
ВП — Виртуальный путь
ВРК — Временное разделение каналов
ВСМ — Временное статистическое мультиплексирование
Г — Гетеродин
ГО — Геостационарная орбита
ГСР — Геостационарный спутник—ретранслятор
ГСР-БО — ГСР с бортовой обработкой
ГСР-НР — ГСР с непосредственной ретрансляцией
ГССС — Спутниковая сеть связи, базирующаяся на ГСР
ДК — Декодер
ДКП — Дискретное косинус—преобразование
ДМ — Демодулятор
ДН — Диаграмма направленности антенны
ДПС — Добротность приемной системы
3 — ФАР — ЗА с ФАР в качестве облучателя
ЗА — Зеркальная антенна
ЗС — Земная станция

520
Приложение 2
ивк
ивп
ипвк
исз
ИУС
КА
КАМ
квк
КИМ
кис
кпд
КРК
КУ
ЛБВ
лчп
м
МККР
млс
ммис
ммс
мпсс
мсс
месс
мтк
МУ
МФМ
нвп
нппи
несс
НТВ
ог
олс
ОФМ
пвк
пвс
пим
пкз
пкт
ПлРК
пмд
пнв
пнз
по
пп
ппсс
ппт
ПРВ
ПРК
пес
- Идентификатор виртуального канала
- Идентификатор виртуального пути
- Интеллектуальный постоянный виртуальный канал
- Искусственный спутник Земли
- Информационно—управляющая система
- Космический аппарат
- Квадратурная амплитудная манипуляция
- Коммутируемый виртуальный канал
- Кодово-импульсная модуляция
- Командно-измерительная станция
- Коэффициент полезного действия
- Коэффициент развязки по кроссполяризации
- Кодирующее устройство
- Лампа бегущей волны
- Линейная часть приемника
- Модулятор
- Международный консультативный комитет по радио
- Межспутниковая линия связи
- Монолитная микроволновая интегральная схема
- Манипуляция с минимальным сдвигом
- Морская подвижная спутниковая служба
- Межзоновая сеть связи
- Мультимедийные спутниковые сети связи
- Матричный турбокод
- Малошумящий усилитель
- Многократная фазовая манипуляция
- Неэкранированная витая пара
- Наземный пункт приема—передачи информации
- Низкоорбитальная спутниковая сеть связи
- Непосредственное телевизионное вещание
- Орбитальная группировка
- Оптические линии связи
- Относительная фазовая манипуляция
- Постоянный виртуальный канал
- Процессор видеосигналов
- Поляризационно—импульсная модуляция
- Поток, критичный к задержке передачи
- Предоставление каналов по требованию
- Поляризационное разделение каналов
- Протокол многостанционного доступа
- Поток (информационный) нереального времени
- Поток, не критичный к задержке передачи
- Программное обеспечение
- Подвижный пользователь
- Персональная подвижная спутниковая служба
- Приемо—передающий (пользовательский) терминал
- Поток (информационный) реального времени
- Пространственное разделение каналов
- Подвижная служба связи

Список использованных сокращений
521
ПТ — Приемный (пользовательский) терминал
ПУМ — Полупроводниковый усилитель мощности
ПФЭ — Полупроводниковый фотоэлемент
ПЧ — Промежуточная частота
РК — Решетчатое кодирование
РКФ — Разделение каналов по форме
РН — Ракетоноситель
PC — Код Рида-Соломона
РУ — Регулировка усиления
СБ — Солнечная батарея
СВЧ — Сверхвысокая частота
СКМ — СВЧ коммутационная матрица
СКО — Система коррекции орбиты
СКСО — Система коррекции сигнала ошибки
СМ — Смеситель
СМО — Система массового обслуживания
СНТВ — Спутниковое непосредственное телевещание
СО — Система ориентации
СОС — Эталонная модель соединения открытых систем
СППСС — Сети персональной подвижной спутниковой службы
СПСС — Сухопутная подвижная спутниковая служба
СР — Спутник-ретранслятор
ССС — Спутниковая сеть связи
СТ — Система терморегулирования
СФ — О Г со случайной фазировкой орбит К А
СЭ — Система энергообеспечения
ТМО — Теория массового обслуживания
УГ — Управляемый генератор
УМ — Усилитель мощности
УПЧ — Усилитель промежуточной частоты
УРЧ — Усилитель радиочастоты
ФАП — Фазовая автоподстройка частоты
ФАР — Фазированная антенная решетка
ФД — Фазовый детектор
ФМ — Фазовая манипуляция
ФНЧ — Фильтр нижних частот
ФСС — Фиксированная спутниковая служба
ФФ — ОГ с фиксированной фазировкой орбит КА
ЦЗС — Центральная земная станция
ЦСИО — Цифровая сеть интегрального обслуживания
ЧМ — Частотная манипуляция
ЧНН — Час наибольшей нагрузки
ЧРК — Частотное разделение каналов
ШС — Шлюзовая станция
ШСС — Широковещательная спутниковая служба
ШЦСИО — Широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания
ЭВП — Экранированная витая пара
ЭИИМ — Эффективная изотропно излучаемая мощность
ЭП — Энергетический потенциал (радиолинии)

Список
использованной литературы
Введение
1. Эйнджел Дж. Спутниковые сети: ключ на старт? LAN/Журнал сетевых
решений. — М.: Открытые системы, №7, 1999.
2. Hadjitheodosion M., Ephremides A, Friedman D. Broadband access via satellite. -
Technical Research Report, CSHCN T.R. 99-2.
3. Grami A, Gordon K. Multimedia satellites: A high-level assessment. Workshop on
Satellite Communications in the Global Information Infrastructure. — Jet Propulsion
Laboratory GPL), Pasadena, California, June, 1997.
4. Ведерко А.В. Доступ к Интернет на основе спутниковых технологий. — М.: Сети
и системы связи, №13, 1999.
5. Evans B.G. Satellite communication systems. Peter Peregrinus Ltd., 1991.
6. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. — М.: Связь, 1978, -240 с.
7. Материалы сервера www.lsi.usp.br.
8. Регламент радиосвязи. Том 1. — М.: Радио и связь, 1985. — 509 с.
9. Справочник по радиолокации/Под ред. М.Сколника. — М.: Советское радио,
1976, т.1. - 455 с.
10. Эйдус А.Г., Гладких С.А., Анпилогов В.Р. Спутниковая связь: ситуация в мире
и России. — ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www.vsat-tel.ru.
11. INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.
1.1.1.
1.1.1.1. Материалы сервера www.eutelsat.com.
1.1.1.2. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. — М.:
Радио и связь, 2000. — 254 с.
1.1.1.3. Материалы сервера www.boeing.com.
1.1.1.4. Материалы сервера www.1ockheed.com.
1.1.1.5. Анпилогов В.Р. Эффективность и стоимость геостационарных ИСЗ
фиксированной связи и вещания. — ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www.vsat-tel.ru.
1.1.2.
1.1.2.1. Зайцев С.С. и др. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей.
Справочник. — М.: Радио и связь, 1990.
1.1.2.2. Советов В.Я., Рухман Е.А., Яковлев С.А. Системы передачи информации от
терминалов к ЦВМ. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. - 240 с.

Список использованной литературы 523
1.1.2.3. Лисовский Я.Л. Архитектура систем спутниковой связи. — Технологии и
средства связи, №6, 1998.
1.13.
1.1.3.1. Справочник по радиолокации/Под ред. М. Сколника. — М.: Советское радио,
1976, т.1. - 455 с.
1.1.3.2. Intelsat Earth Station Standards (IESS). Doc. IESS-207 (Rev3) Standards Д B, F
and H. Antenna and Wideband RF Performance Characteristics.
1.1.3.3. Регламент радиосвязи. Том 1. — M.: Радио и связь, 1985. — 509 с.
1.1.4.
1.1.4.1. Справочник по радиолокации/Под ред. М. Сколника. — М.: Советское радио,
1976, т.1. - 455 с.
1.1.4.2. Спутниковая связь и вещание: Справочник/Под ред. Л.Я.Кантора. — М.: Радио
и связь, 1997. — 528 с.
1.1.4.3. Crane R.K. Prediction on attenuation by rain. — IEEE Transaction on
Communications, COM-28, №.9, September 1980.
1.1.4.4. Ippolito LJ. Propagation effects handbook for satellite systems design. A summary
of propagation impairments on 10 to 100 GHz satellite links with techniques for
system design. - NASA Reference Publication 1082 D), N89-17060, February 1990.
1.1.4.5. Тепляков И.М. Шумовая температура антенн наземных станций спутниковой
связи. — В кн.: Системы и средства коммуникаций, №3, 1993, с. 12-19.
1.1.4.6. Энергетические характеристики космических радиолиний./Под ред.О.А.
Зенкевича. — М.: Советское радио, 1972. — 436 с.
1.1.4.7. Christopher P. Atmospheric attenuation for correlated satellite communications
ground sites. — Proceedings of the International Communications Conference,
Boston, June 1983.
1.1.4.8. Ippolito LJ. Radiowave propagation in satellite communications. — N.Y.: Van Nos-
trand Reinhold Company, 1986, pp.239.
1.1.4.9. Регламент радиосвязи. Том 1. — M.: Радио и связь, 1985. — 509 с.
1.1.5.
1.1.5.1. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. — М.: Советское радио, 1969. — 680 с.
1.1.5.2. Градштейн И.С, Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и
произведений. - М.: Физматгиз, 1963. - 1108 с.
1.1.5.3. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных
помехах. — М.: Советское радио, 1972. — 448 с.
1.1.5.4. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь/Пер, с англ. Под ред. В.В. Маркова. —
М: Связь, 1979. - 592 с.
1.1.5.5. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении. /Пер. с англ. — М.:
Советское радио, 1978. — 600 с.
1.1.5.6. Стиффлер Дж. Теория синхронной связи./Пер. с англ. — М.: Связь, 1975. — 488 с.
1.1.6.
1.1.6.1. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. — М.: Советское радио, 1996. — 680 с.
1.1.7.
1.1.7.1. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных
помехах. — М.: Советское радио, 1972. — 448 с.
1.1.7.2. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Советское радио, 1970.

Спутниковые сети связи
Rudolf L.D., Mitchell M.E. Implementation of decoders for cyclic Codes. — IEEE
Transaction, IT-10, №3, 1964, pp.259-260.
Хэмминт Р.В. Коды с обнаружением и исправлением ошибок. — В кн.: Коды с
обнаружением и исправлением ошибок. — М.: ИЛ, 1956, с.7-22.
Golay M.Y. Notes on digital coding. — Proceeding IRE, 37, Correspondence, p. 657.
Мак-Вильяме Дж. Перестановочное декодирование систематических кодов.
Кибернетический сборник, вып.1. — М.: Мир, 1966.
Рид И.С. Класс кодов с исправлением ошибок и схема декодирования.
Кибернетический сборник, вып.1. — М.: ИЛ, 1960.
Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. — М.: Госэнер-
гоиздат, 1958.
Плоткин М. Двоичные коды с заданным минимальным расстоянием.
Кибернетический сборник, вып.7. — М.: ИЛ, 1963.
Боуз Р.К., Чоудхури Р.К. Об одном классе двоичных групповых кодов с
исправлением ошибок. Кибернетический сборник, вып.2. — М.: ИЛ, 1961.
Боуз Р.К., Чоудхури Р.К. Дальнейшие результаты относительно двоичных
групповых кодов с исправлением ошибок. Кибернетический сборник. Вып. 6. — М.:
ИЛ, 1963.
Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. — М.: Мир, 1976.
Forney G.D. Generalized Minimum Distance Decoding. — IEEE Transaction, IT-12,
1966, pp.125-131.
Рид И.С, Соломон Г. Полиномиальные коды над некоторыми конечными
полями. Кибернетический сборник. Вып.7. — М.: ИЛ, 1963, с.74-79.
INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.
Hagenawer J., Hocher P. A Viterbi algorinhm with soft-desision outputs and its
applications. - IEEE Globecom '89, November 1989, pp. 1680-1685.
Elias P. Error-free coding. — IRE Transactions on Information Theory, PGIT-4,
September 1954, pp.29-37.
Pyndiah R. Near-optimum decoding of product codes: Block Turbo Codes. -IEEE
Transactions on Communications, Vol.46, August 1998, pp. 1003-1010.
Specification. AHA4501: 36 Mbits/sec Turbo Product Code encoder/decoder.
November 1998. Материалы сервера www.aha.com.
TPC Technology. Материалы сервера www.eccincorp.com.
Wozencraft J.M. Sequential decoding for reliable communication/National IRE
Convention Record, 5, Part 2, 1947, pp.11-25.
Fano R.M. A Heuristic discussion of probabilistic decoding. — IEEE Transaction, IT-
9, №2, 1963, pp. 64-74.
Jelinek F. Fast sequential decoding algorithm using a stack. — IBM J.Res.Dev, 13,
1969, pp.675-685.
Зигангиров К.Ш. Некоторые последовательные процедуры декодирования. —
М.: Проблемы передачи информации, №2, 1966, с. 13-25.
Viterbi AJ. Error bounds for convolutional codes and an asymptotially optimum
decoding algorithm. - IEEE Transaction, IT-13, 1967, pp.260-269.
INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.
1.1.8.
1.1.8.1. Intelsat Earth Station Standards (IESS). Doc. IESS-207 (Rev3) Standards ДВ, F
and H. Antenna and wideband RF performance characteristics.

Список использованной литературы 525
1.1.8.2. Sari H., Karam G., Paxal V. Trellis-coated constant envelope modulations with linear
receivers. — IEEE Transaction on Communications, Vol. 44, №10, October 1996.
1.1.8.3. Диденко М.Г., Столяров И.Н. Магистральная спутниковая связь: проблемы и
решения. Спутниковая связь, №1, 2001/Приложение к журналу Технологии и
средства связи, с. 18-24.
1.1.8.4. Ungerbock G. Channel coding with multilevel phase signaling. — IEEE Transactions
on Information Theory. Vol.IT-25, January 1982, pp.55-57.
1.1 S.
1.1.9.1. Камнев Е.Ф., Петрович Н.Т., Каблукова Н.В. Космическая радиосвязь. — М.:
Советское радио, 1979. — 278 с.
1.1.9.2. Хармут X. Передача информации ортогональными функциями./Пер. с англ. —
М.: Связь, 1975. - 279 с.
1.1.9.3. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении./Пер с англ. — М:
Советское радио, 1978. — 600 с.
1.1.9.4. Hung A, Montpetit M.J., Kesidis G. ATM via Satellite: A Framework and implen-
taion. - Wireless Networks, vol.4, №2, April 1998, pp.141-145.
1.1.9.5. Saito S., Takami T. Adaptive carrier tracking (ACT) demodulation for QPSK mobile
transmission. — Electronics and Communications in Japan. Part 1, vol.76, №8, 1993.
1.1.10.
1.1.10.1. Celandroni N., Ferro E. et al. Delay analysis for interlan traffic using two suitable
TDMA satellite access schemes. — International Journal of Satellite
Communications, vol.15, 1997, pp.141-153.
1.1.10.2. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложения. — М.:
Советское радио, 1971. — 650 с.
1.1.10.3. Кемени Ю., Снелл Ю. Введение в конечную математику/Пер, с англ., под ред.
И.М. Яглом. - М.: ИЛ, 1963. - 486 с.
1.1.10.4. Климов Г.П. Стохастические системы обслуживания. — М.: Наука, 1966. — 243 с.
1.1.10.5. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1979. —
432 с.
1.1.10.6. Кокс Д.Р. Смит Ч.Л. Теория очередей/Под ред. А.Д. Соловьева — М: Мир,
1966; - 218 с.
1.1.10.7. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Том 1. — М.:
Советское радио, 1969.
1.1.10.8. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир. 1979. — 600 с.
1.1.10.9. Abramson N. The ALOHA system — another alternative for computer
communications. — AFIPS Conference Proceedings, 1970 Fall Joint Computer Conference, 37,
pp. 281-285.
1.1.10.10. Binder R. et al. ALOHA packet broadcasting — a retrospect. — Proceedings of the
National Computer Conference, 1975.
1.1.10.11. Abramson N. The throughput of packet broadcasting channels. — IEEE Transactions
on Communication, vol. 25, №1, January 1977, pp. 117-128.
1.1.10.12. Bellini S., Borgonovo P. On the throughput of an ALOHA channel with variable
length packets. — IEEE Transactions on Communications, vol. 25, November 1980,
pp. 1932-1935.
1.1.10.13. Berger T, Mehravari N. An improved upper bound on the throughput of a multiaccess
broadcast channel. — IEEE Infocommunication Theory Symposium, February 1981.
1.1.10.14. Abramson N. Packet switching with satellites. — AFIPS Conference Proceeding, 42,
1973, pp. 695-702.

526 Спутниковые сети связи
1.1.10.15. Kleinrock L., Lam S. Packet switching in slotted satellite channel. — AFIPS
Conference Proceeding, 42, 1973, pp. 703-710.
1.1.10.16. Roberts L. ALOHA packet system with and without slots and capture. — Computer
Communication Revue, vol. 5, April 1975.
1.1.10.17. Hansen L., Schwartz M, An assigned-slot listen-before-transmission protocol for
multiaccess data channel. — IEEE Transactions on Communications, №27, June
1979, pp. 846-857.
1.1.10.18. Chlamtac I., Far age A, Levin К. В РАМ: The broadcast recognizing access mode. —
IEEE Transactions on Communications, №27(8), August 1979, pp. 1183-1189.
1.1.10.19. Crowther W. et al. A system for broadcast communications: Reservation АЮНА —
Proceedings of the Sixth Hawaii International System Science Conference, January 1973.
1.1.10.20. Lam S. Packet broadcast networks — A performance analysis of the R-Aloha
protocol. - IEEE Transactions on Computers, №29G), July 1980, pp. 596-603.
1.1.10.21. Jacobs I., Binder R., Hoverstein E. General purpose packet satellite networks. —
IEEE Proceedings, № 66AN 1978, pp. 1448-1467.
1.1.10.22. Binder R. A dynamic packet switching system for satellite broadcast channels. —
Proceedings of the ICC, 1975.
1.1.10.23. Roberts L. Dynamic allocation of satellite capacity through packet reservation. —
Proceedings of the National Computer Conference, AFIPS NCC73, №42, June 1973,
pp. 711-716.
1.1.10.24. Tobagi E, Kleinrock L. Packet switching in radio channels: Part III — polling and
dynamic split channel reservation multiple access. — IEEE Transactions on
Communications, №24(8), August 1976, pp. 832-845.
1.1.10.25. Tobagi F. Multiaccess protocols in packet communication systems. — IEEE
Transactions on Communications, №28D), April 1980, pp. 468-488.
1.1.10.26. Камнев В.Е. Эффективность протоколов фиксированного доступа в
спутниковых системах связи. — В кн.: 4-я Международная конференция «Спутниковая
связь-2000», 26-29 сентября 2000 г. Том 2. - М., с. 115-120.
1.1.10.27. Камнев В.Е. Эффективность протоколов доступа в спутниковых системах
связи. — В кн.: VII-я Международная научно-практическая конференция «Наука —
индустрия сервиса», 22-23 апреля 2002г. — М., с. 47-49.
1.1.11.
1.1.11.1. Потегов В.И. Спутниковая система слежения и ретрансляции данных TDRSS.
Часть 2. — М.: Зарубежная радиоэлектроника, 1984. №6.
1.1.11.2. Blyth R., Haldeman D. TDRSS Multiple Access Telecommunications Service. —
AIAA&Comsat Conference, 1980.
1.1.11.3. Ivancic W., Shalkhauser M. et al. Destination-directed packet-switched for a
geostationary communications satellite network. — NASA Technical Paper 3379, 1993.
1.1.11.4. Shalkhauser M., Quintana J. Fault tolerant onboard packet switch architecture for
communication satellites: shared memory per beam approach. — 15th International
Communications Satellite Systems Conference, San Diego, California, February 28
- March 3, 1994.
1.1.11.5. Proceedings of the Third Ka-Band utulization conference, 1997. Genoa, Italy: Isti-
tuto Internazionale Delle Communicazioni, 1997.
1.1.11.6. Satorius E., Tong L. Analysis of rain compensation algorithm for K/Ka-band
communications. — International Journal of Satellite Communications, vol. 14, №3,
May/June 1996.
1.1.11.7. INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.

Список использованной литературы 527
1.1.11.8. Bergamo M. Terminal system and capability for ARPA-NASA high speed SoNET/
ATM experiments over NASA's ACTS. - MILCOM'93, pp. 235-241.
1.1.11.9. Del Re E., Fantacci R. An advanced satellite communication system with on-board
packet switching capabilities. — International Journal of Satellite Communications,
vol. 13, 1994, pp. 147-155.
1.1.11.10. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1979. —
432 с.
1.1.11.11. Камнев.В.Е. Проблемы и пути создания геостационарных спутниковых
ретрансляторов с высокой пропускной способностью. — В кн.: VI Международная
научно-техническая конференция «Современные средства управления бытовой
техникой», 2002 г. - М, с. 30-32.
1.1.11.12. Камнев В.Е. Бортовая коммутация в спутниковых системах связи. — В кн.: VI
Международная научно-техническая конференция «Современные средства
управления бытовой техникой», 2002 г. — М., с.33-35.
1.2.
1.2.1. Дорнан Э. Последние пятьсот миль. LAN, №5, 2001. — М.: Открытые системы.
1.2.2. Эйнджел Дж. Спутниковые сети: ключ на старт?. LAN, №№7-8, — М.:
Открытые системы, 1999.
1.2.3. Спутниковая связь и вещание: Справочник/Под ред. Л.Я.Кантора. — М.: Радио
и связь, 1997. - 528 с.
1.2.4. The Satellite Encyclopedia (TBS Internet). Материалы сервера www.TBS-satel-
lite.com.
1.2.5. IRIDIUMTM/SM: Personal communications for the world. System Description
September 1992.
1.2.6. Материалы сервера www.globalstar.com.
1.2.7. Власов В.Н. и др. Низкоорбитальная система связи «Гонец». Сборник докладов
2-ой Международной Конференции «СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ - ICSC-1996». -
М.: 1996.
1.2.8. Sturza M.A Architecture of the Teledesic satellite system. — 4th International
Mobile Satellite Conference 1995, Ottawa, Canada, June 6-8, 1995, pp. 212-218.
1.2.9. Материалы сервера www.skybndgesatellite.com.
1.2.10. Makita E, Smith K. Design and Implementation of ICO System. 17th AIAA
International Communications Satellite System Conference and Exhibit, 23-27 February
1998, pp. 57-65
1.2.11. Материалы сервера www.hns.com.
1.2.12. Материалы сервера www.orblink.com.
1.2.13. Baird, Т., Bush, W. Odyssey System Overview. - TRW Space and Electronics Group,
One Space Park, Redonodo Beach, CA 90278, The United States of America
Presented at Satellite Summit '96, London, England, June 24-26, 1996.
1.2.1.
1.2.1.1. Энергетические характеристики космических радиолиний./Под ред. О.А.
Зенкевича. — М.: Советское радио, 1972. — 436 с.
1.2.1.2. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. — М.:
Радио и связь, 2000. - 254 с.
1.2.1.3 Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. — М., Связь, 1978, — 240 с.
1.2.1.4. Акимов А.А., Талмуд М.Я., Палкин И.А. Применение метода обобщенных зон для
анализа и проектирования систем спутниковой связи. Материалы 2-й
международной конференции «Спутниковая связь», Т. 1, Москва, 1996. — с. 141-151.

528 Спутниковые сети связи
1.2.1.5. Baird Т., Bush W. Odyssey system overview. — TRW Space and Electronics Group,
One Space Park, Redonodo Beach, CA 90278, USA Presented at Satellite Summit '96,
London, England, June 24-26, 1996.
1.2.1.6. Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. — М.: Радио и связь,
1982. - 264 с.
1.2.1.7. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир, 1979.
1.2.1.8. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1979. —
432 с.
1.2Л.9. Шварц М. Сети ЭВМ: Анализ и проектирование. — М.: Радио и связь, 1981. — 336 с.
1.2.1.10. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. — М: Мир, 1989. — 544 с.
1.2.1.11. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложения. — М.:
Советское радио, 1971. — 650 с.
1.2.1.12. Камнев В.Е. Преимущества и недостатки спутниковых сетей связи,
использующих негеостационарные орбитальные группировки рентрансляторов. Сборник
докладов 4-й Международной Конференции «СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ — IC-
SC-2000» B6-29 сентября, 2000). - М.: МЦНТИ, 2000. - 2 тома - 362 с.
1.2.1.13. Тамаркин В.М., Невдяев Л.М., Сергеев СИ. Низкоорбитальные сети
спутниковой связи. — М.: ЦНТИ «Информсвязь», 1994.
1.2.2.
1.2.2.1. Система спутниковой связи «Кентавр». — ЛОНИИР, Санкт-Петербург,
Материалы сервера www.loniir.spb.ru.
1.2.2.2. Камнев В.Е. Преимущества и недостатки спутниковых сетей связи,
использующих негеостационарные орбитальные группировки рентрансляторов. Сборник
докладов 4-й Международной конференции «СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ - IC-
SC-2000» B6-29 сентября, 2000). - М.: МЦНТИ, 2000. - 2 тома, - 362 с.
1.2.2.3. Камнев В.Е. Место негеостационарных спутниковых сетей в глобальной
информационной инфраструктуре. — М.: Электросвязь, №4, 2001.
1.2.2.4. Ли У. Техника подвижных систем связи. — М.: Радио и связь, 1985.
1.2.3.
1.2.3.1. Энергетические характеристики космических радиолиний./Под ред.О.А.
Зенкевича. — М.: Советское радио, 1972. — 436 с.
1.2.3.2. Машбиц Л.М. Компьютерная картография и зоны спутниковой связи. — М.:
Радио и связь, 2000. - 254 с.
1.2Л.
Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир, 1979. — 600 с.
Шварц М. Сети ЭВМ: Анализ и проектирование. — М.: Радио и связь, 1981. —
336 с.
Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. — М: Мир, 1989. — 544 с.
Maxemchuk N. F. Routing in the Manhattan street network. — IEEE Transactions
on Communications, vol. 35, №5, May 1987, pp. 503-512.
Fultz G.L. Adaptive routing techniques for message switching computer
communication networks. U.C., Report UCLA-ENG-352, 1972.
McQuillan J.M. Adaptive routing algorithms for distributed computer networks. -
BBN, Report 2831, 1974.
Rudin H. On routing and "delta routing": Taxonomy and performance comparison on
techniques for packet-switched networks. — IEEE Transaction on Communications,
COM-24, №43, January 1976.

Список использованной литературы
529
1.2.4.8. Kleinrock L., Kamoun F. Hierarchical routing for large networks: Performance
evaluation and optimization. — Computer Networks, 1,155, January 1977.
1.2.4.9. McDonald AB. Survey of adaptive short-path routing in dynamic packet-switched
networks. - U.P., April 1997.
1.2.4.10. Dijkstra E.W. Self stabilizing systems in spite of distributed control.
-Communications of the ACM, №17, 1974, pp.643-644.
1.2.4.11. Ford L.K., Fulkerson D.R. Flows in Networks. Princetone University Press, 1962.
1.2.4.12. Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973.
1.2.4.13. Bellman R.E. Dynamic programming. Princetone University Press, 1957.
1.2.4.14. Comer D. E. Internetworking with TCP/IP. Vol.1: Principles, Protocols and
Architecture. - Prentice Hall, 1991.
1.2.4.15. Farinacci D. Introduction to enhanced IGRP (EIGRP). - www.cisco.com, CISCO
Systems, July 1993.
1.2.4.16. Hedrick С Routing information protocol. - RFC 1058, June 1988.
1.2.4.17. Moy J. OSPF Version 2. - RFC 1583, March 1994.
1.2.4.18. Corson M.S., Ephremides A A distributed routing algorithm for mobile wireless
networks. - Wireless Networks, 1995, №1, pp. 61-81.
1.2.4.19. Gafni M., Bertsekas D.P. Distributed algorithms for generating loop-free rotes in
networks with frequently changing topology. — IEEE Transactions on Communications,
COM-29, 1981, №1, pp. 11-18.
1.2.4.20. Jaffe J.M., Moss F.H. A Responsive distributed routing algorithm for computer
networks. - IEEE Transactions on Communications, COM-30, 1982, №7, pp.1758-1762.
1.2.4.21. Merlin P.M., Segall A A Failsafe distributed routing protocol. — IEEE Transactions
on Communications, COM-27, 1979, №9, pp.1280-1287.
1.2.4.22. Плешаков В. CISCO Internetworking technology overview. — Материалы сервера
Марк-ИТТ.
1.2.4.23. Goodman J., Greenberg AG. Sharp approximate models of adaptive routing in mesh
networks. — Preliminary report: Teletraffic analysis and computer performance
evaluation/ Boxma О J., Cohen J. W., Turns H. C. (ed). Elsevjer Science Publishers B.V
(North-Holland), 1986, pp. 255-270.
1.2.4.24. Clare L. P. A Traffic analysis of satellite constellation networks. — Proceedings of
IEEE INFOCOM '87, pp. 918-927.
1.2.4.25. Henderson T.R., Katz R.H. Network simulation for LEO satellite networks. -
Proceedings of 18th International Communication Satellite Systems Conference,
Oakland, СД April 2000.
1.2.4.26. Тамаркин В.М., Чечин Г.В., Хромов А.В., Азии Н.В. Анализ алгоритмов
управления информационными потоками в межспутниковых каналах низкоорбитальных
сетей передачи данных. -В кн.: 2-я Международная конференция «Спутниковая
связь», 22-24 сентября 1996, Москва, 1996. Том 1. -М.: МЦНТИ, с.173-177.
1.2.4.27. Janoso R.F. Performance analysis of dynamic routing protocols in a low earth orbit
satellite data networks. - AFIT/GE/ENG/96D-08, Wright-Patterson Air Force
Base, Ohio, December 1996.
1.2.4.28. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования. — М.:
Статистика, 1979. - 254 с.
125.
1.2.5.1. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир, 1979. — 600 с.
1.2.5.2. Котов В. Е. Сети Петри. - М.: Наука, 1984.
1.2.5.3. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука./Пер. с
англ. - М.: Мир, 1978.

530 Спутниковые сети связи
1.2.5.4. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1988.
1.2.5.5. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS. /Пер. с англ. — М.: Машиностроение,
1980.
1.2.5.6. Гусаков Г.С. Тузов Г.И. Моделирование региональной низкоорбитальной
системы спутниковой связи с наземными ретрансляторами. — М.: Электросвязь.
№2,1998.
1.2.5.7. Чечин Г.В. Метод исследования низкоорбитальных сетей связи с различными
алгоритмами построения системы информационного обмена. — В кн.: 2-я
Международная конференция «Спутниковая связь», 22-24 сентября 1996, Москва,
1996. Том 1. - М.: МЦНТИ, с. 178-184.
1.2.5.8. Энергетические характеристики космических радиолиний./Под ред. О.А.
Зенкевича. — М.: Советское радио, 1972. — 436 с.
1.2.5.9. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и
инженеров. - М.: Наука, 1968. - 720 с.
1.2.5.10. Dijkstra E.W. Self stabilizing systems in spite of distributed control. —
Communications of the ACM, №17, 1974, pp. 643-644
1.2.6,
1.2.6.1. Гусаков Г. С, Тузов Г. И. Моделирование региональной низкоорбитальной
системы спутниковой связи с наземными ретрансляторами. — М.: Электросвязь.
№2,1998.
1.2.6.2. Акимов А.А. Особенности размещения наземных станций в системах связи
через негеостанционарные ИСЗ. — М.: Электросвязь. №2,1998.
1.2.6.3. Pattan В. Satellite-Based cellular communications. McGraw Hill, 1998.
1.2.6.4. Jamalipour A Low earth orbital satellites for personal communication networks.
Artech House, 1998.
1.2.6.5. Чечин Г.В., Азин Н.В. Анализ вероятностно-временных характеристик
информационного обмена в низкоорбитальных сетях связи с различными вариантами
организации адресно-маршрутной базы данных. — В кн.: 2-я Международная
конференция «Спутниковая связь», 22-24 сентября 1996, Москва, 1996. Том 1. —
М: МЦНТИ, с. 188-193.
1.2.7.
1.2.7.1. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир, 1979. — 600 с.
1.2.7.2. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. — М: Мир, 1989. — 544 с.
1.2.8.
1.2.8.1. Akyol B.A, Cox D.C. Rerouting for handoff in wireless ATM networks. — IEEE
Personal Communications, №3E), October 1996, pp. 26-33.
1.2.8.2. Carter P., Beach M.A Evaluation of handover mechanizm in shadowed low earth
orbit land mobile systems. — International Journal of Satellite Communications, №13,
1995, pp. 177-190.
1.2.8.3. Del Re E., Fantacci R., Giambene G. Handover requests queueing in low earth orbite
mobile satellite systems. -In Proc. of the Second European Workshop on Mobile/
Personal Satcoms, 1996, pp. 213-232.
1.2.8.4. Toh С The Design and implementaion of a hybrid handover protocol for multimedia
wireless LANs. - In Pros, of MOBICOM '95, 1995, pp. 49-61.
1.2.8.5. Dosiere E, Zein T, Maral G., Boutes J.P. A Model for the handover traffic in low
earth-orbiting (LEO) satellite networks for personal communications. -International
Journal of satellite Communications, №11, 1993, pp.145-149.

Список использованной литературы 531
1.2.8.6. Чечин Г.В., Колышко Е.В. Оптимизация параметров алгоритмов
резервирования при обеспечении непрерывности соединений и переназначении каналов в
низкоорбитальных сетях связи. — В кн.: 3-я Международная конференция
«Спутниковая связь», 22-24 сентября 1998, Москва. Том 2. -М.: МЦНТИ, 1998,
с.170-172.
1.2.8.7. Ercetin О. et al: A Predictive QoS routing scheme for broadband LEO networks. —
HRL Laboratories, LLC, 1999, - 11 p.
2.1.1
2.1.1.1. Von Deak T. NASA's Advanced communications technology satellite program and
its applications. -Proceedings of the MILCOM, 1992, San Diego, Calif., Oct. 1992,
pp. 22.6.1-22.6.5.
2.1.1.2. International Journal of Satellite Communications — Special Issue on ACTS, vol.14,
№3, May/June 1996.
2.1.1.3. Hoder D., Bergamo M. Gigabit satellite network for NASA's Advanced
Communications Technology Satellite (ACTS). — International Journal of Satellite
Communications, vol.14, 1996, pp. 161-173.
2.1.1.4. Kirkwood T.J., Campanella SJ. Satellites in the national information infrastructure.
-Technical Research Report, CSHCN TR.95-1 (ISR T.R.95-20), www.isr.umd.edu.
2.1.1.5. COST 226. Integrated Space/Terrestrial Networks. — Final Symposium, Budapest-
Hungary, 10-12 May, 1995.
2.1.1.6. Eligondo E., Gobbi R. et al. Evolution of the ASTROLINK system. - Third Ka-
Band utilization conference, September 15-18, 1997, pp. 3-7.
2.1.1.7. Fernandez R. Internet in the Sky: The Ka-Band quest continues. — Via Satellite
Magazine, March 1997, pp. 52-66.
2.1.1.8. Bulloch C. Ka-Band Abroad: The world rises to the challenge. - Via Satellite
Magazine, March 1997, pp. 68-78.
2.1.1.9. Losquardo G., Marinelli M. The Euro Sky way system for interactive multimedia and
the relevant traffic management. — Third Ka-Band utilization conference, September
15-18, 1997, pp.17-24.
2.1.1.10. Zuk W. MIT Lincoln Lab quarterly review for milstar joint program office.
September 1995.
2.1.1.11. McAulife AR. IC's continue to populate satellites. — Military&Aerospace
electronics, March 1996.
2.1.1.12. Bendetto J. Economy-class ion-defying IC's in orbit. — IEEE Spectrum, March 1998.
2.1.1.13. Piccini M. Skystation stratospheric telecommunication system payload description. —
Third Ka-Band utilization conference, September 15-18, 1997, pp. 49-56.
2.1.1.14. Анпилогов В.Р. Эффективность и стоимость геостационарных ИСЗ
фиксированной связи и вещания. — ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www.vsat-tel.ru.
2.1.1.15. Спутниковая связь и вещание: Справочник/Под ред. Л.Я.Кантора. — М.: Радио
и связь, 1997. - 528 с.
2.1.1.16. Хаджинс-Бонафилд К. Небесные» высокоскоростные сети. Сети и системы
связи. — М.: ООО «Антонюк Консалтинг», 1998, №7,8.
2.1.2.
2.1.2.1. Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. -
International Technology Research Institute/WTEC Division, 1995.
2.1.2.2. Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. -
International Technology Research Institute/WTEC Division, 1998.
2A.23. Материалы сервера www.lockheed.com.

532 Спутниковые сети связи
2.1.2.4. Спутниковая связь и вещание: Справочник/Под ред. Л.Я.Кантора. — М.: Радио
и связь, 1997. - 528 с.
2.1.2.5. Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. — М: Радио и связь,
1982. - 264 с.
2.13.
2.1.3.1. Джакония В.Е. и др. Телевидение. — М.: Радио и связь, 1998. — 480 с.
2.1.3.2. Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. — М.: Радио и связь,
1982. - 264 с.
2.1.3.3. Кривошеев М.И., Бэрон С.Н. Цифровая передача изображения и звука. — М.:
Радио и связь, 1998. - 400 с.
2.1.3.4. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. — М.: Советское радио, 1969. — 680 с.
2.1.3.5. Стандарт DVB-S. ETS 300 421, 1994.
2.1.3.6. Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. —
International Technology Research Institute/WTEC Division, 1998.
2.1.3.7. Анпилогов В.Р. Спутниковое вещание — тенденции развития рынка. — М.:
ВИСАТ-ТЕЛ. Спутниковые сети связи VSAT. Материалы сервера www.vsat-
tel.ru.
2.1.4.
2.1.4.1. Материалы сервера www.inmarsat.ru.
2.1.4.2. Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. —
International Technology Research Institute/WTEC Division, 1998.
2.1.4.3. Материалы сервера www.globalstar.ru.
2.1.4.4. Bowen R., Kingsbury G., Shoamenesh A The accommodation of spectrum capacity
for mobile-satellite systems. December 9, 1998.
2.1.4.5. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Том 1. — М.:
Советское радио, 1969.
2.1.4.6. INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.
2.1.4.7. Вентцель Е. С, Овчаров Л. А. Прикладные задачи теории вероятностей. М.:
Радио и связь. 1983. — 416 с.
2.1.4.8. Ворсано Д. Кодирование речи в цифровой телефонии. Сети и системы связи.
№1,1996 г.
2.1.4.9. Grubb J. Indium Overview. -IEEE Communications Magazine, vol.29, №11,
November 1991.
2.1.4.10. Leopold R., Miller A The Iridium communications system. -IEEE Potentials, vol.12,
№2, April 1993, pp. 6-9.
2.1.4.11. Keller H., Salzwedel H. Link Strategy for the Mobile Satellite System Iridium. -
Proceeding of the 1996 IEEE Vehicular Technology Conference, vol.2, 1996, pp.
1220-1224.
2.1.4.12. Brunt P. Iridium-Overview and Status. — Space Communications, vol.14, №2, 1996,
pp. 61-68.
2.1.4.13. Hubbel Y. A comparison of the Iridium and AMPS systems. -IEEE Network, vol.11,
№2, March 1997, pp. 52-59.
2.1.4.14. Pratt S. et al. An operational and performance overview of the Iridium how earth
orbit satellite system. -IEEE Communications Surveys, vol.1, №3, 1999, pp. 2-10.
2.1.4.15. Henderson T, Katz R. Network simulation for leo satellite networks. -AIAA Paper,
2000-1237.
2.1.4.16. Материалы сервера www.globalstar.com.

Список использованной литературы 533
2.1.4.17. Hendrickson R. Globalstar for the military. - MILCOM'97, vol.3, 1997, pp. 1173-1178.
2.1.4.18. Alexovich I. et al. The Hughes Geo-Mobile satellite system. — International mobile
satellite conference, June 16-18 1997, pp. 159-165.
2.1.4.19. Концепция развития связи Российской Федерации./Под ред. В.Б.Булгака,
Л.Е.Варакина. — М.: Радио и связь, 1995. — 224 с.
2.1.4.20. Werner M. Analysis of system connectivity and traffic capacity requirements for
LEO/MEO S-PCNs. Mobile and Personal Communications. — Proceedings 2nd Joint
COST 227/231 Workshop, Florence, Italy, April 1995.
2.1.4.21. Stuart C, Taylour A, Adiwoso A The Sellular Satellite System. 16th AIAA
International Communications Satellite Systems Conference, Washington, DC, 1996, pp.
1239-1249.
2.1.4.22. Forest M., Richard S., McDonald С ACeS antenna feed arrays. — International
Mobile Satellite Conference 1997, June 16-18 1997, pp. 387-391.
2.1.4.23. Nam P., Pedro A, Buhion J. The Asia cellular satellite system. — International
Mobile Satellite Conference 1997, June 16-18 1997, pp. 145-152.
2.1.4.24. Miller B. Satellite Free the mobile phone. - IEEE Spectrum, March 1997, pp. 26-35.
2.1.4.25. Ananasso E, Delly F. The role of satellites in personal communications systems. —
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 13, №2, February 1995,
pp. 180-196.
2.1.4.26. Материалы сервера www.hughessapace.com.
2.1.4.27. Материалы сервера www.lockheedmartin.com.
2.1.4.28. Робинсон Б. и др. Станет ли ACeS азиатским Iridium'oM? TeleMulty Media, №4
D), 2000. (Материалы сервера www.telemultymedis.ru).
2.1.4.29. Violet M. The development and application of a cost per minute metric for the
evaluation of mobile satellite systems in a limited-growth communications market. —
MIT, Cambridge, МД USA September 1995.
2.1.5.
2.1.5.1. INTELSAT. Digital satellite communications technology handbook. Revision 2,
April 1995.
2.1.5.2. Универсальные решения на фоне рынка VSAT. Мнение специалистов. — М.:
Технологии и средства связи, №5, 2000.
2.1.5.3. VSAT спешат на помощь. — М.: Технологии и средства связи, №6, 2000.
2.1.5.4. VSAT systems and earth station. Handbook on satellite communications,
Supplement №3. — ITU Radiocommunication, Bureau, 1995.
2.1.5.5. VSAT Compendium. -I NTELSAT, October 1993.
2.1.5.6. Пехтерев СВ., Андреев А.В., Ермаков Е.Ю. Выбор технологии и системы
спутниковой связи для корпоративной или ведомственной сети. — М.: Сети и
системы связи, №2(80), март 2002.
2.1.5.7. Большова Г., Невдяев Л. Корпоративные VSAT-сети. — М.: Сети, №4, 2000.
2.1.5.8. Анпилогов В.Р., Эйдус А.Г. Сети VSAT: обзор технологий и сфер применения. —
М.: ВИСАТ-ТЕЛ. Материалы сервера www.vsat-tel.ru.
2.1.6
2.1.6.1. Postel J. et al. Transmission control protocol — protocol specification. — RFC 793,
September 1981.
2.1.6.2. Stevens W.R. TCP/IP Illustrated. - AWPC, 1996.
2.1.6.3. Материалы сервера www.hughessapace.com.
2.1.6.4. Jacobson V, Braden R., Borman D. TCP extensions for high performance. — RFC
1323, May 1992.

Спутниковые сети связи
2.1.6.5. Butts N.P. Bharadway V.G., Baras J.S. Internet service via broadband satellite
networks. — Multymedia Systems and Applications: Proceedings of SPIE, 3528:169-
180, February 1999.
2.1.6.6. Mathis M. et al. TCP Satellite acknowledgment options. - RFC 2018, October 1996.
2.1.6.7. Романцов В.П., Литвиненко В.В. Высокоскоростной Интернет с обратным
спутниковым каналом. — М.: Вестник связи, №4, 2002, с. 116-125.
2.1.6.8. Агога V. et al. Asymmetric internet access over satellite-terrestrial networks. -Proc.
16th AIAA Int.Comm.Satellite Systems Conf., Washington, DC, 1996.
2.1.7.
Евдокименко Е. Через космос — в медвежьи углы. — М.: Сетевой журнал, №4,
2002, с. 80-84.
Хаджинс-Бонафилд К. Небесные» высокоскоростные сети. — М.: Сети и
системы связи, № 7 B9), 1998, с. 90-97.
Evans J.V. New satellites for personal communications. — Scientific American,
vol.278, №4, April 1998, pp. 70-77.
Global Satellite Communications Technology and Systems. WTEC Panel Report. —
International Technology Research Institute/WTEC Division, 1998.
Hadjitheolosion M.H., EphremidesA, Friedman D. Broadband access via satellite. —
Technical Research Report CSHCN T.R. 99-2 (ISR T.R. 99-9). Материалы сервера
www.isr.umd.
Grami A A summary of the proposed Ka-band multimedia satellites. — Telesat
Internal Report, October 1995.
Seidman L.P. Satellites for wideband access. — IEEE Communication Magazine,
October 1996.
DTT Consulting. Multimedia satellite communications. — The Ka-band report,
January 1997.
Эйнджел Дж. Спутниковые сети: ключ на старт? LAN/Журнал сетевых
решений. — М.: Открытые системы, №7, 1999.
Eligonto E. et al. Evolution of the Astrolink system. — In Third Ka-Band utilization
conference, September 15-18, 1997, pp. 3-7.
Christopher P. Millimeter wave advantages for satellite communications. — MIL-
COM'83, 1983.
Романцов В.П., Литвиненко В.В. Высокоскоростной Интернет с обратным
спутниковым каналом. — М.: Вестник связи, №4, 2002, с. 116-125.
Камнев Е.Ф., Белов А.С., Соколов В.А. Эффективность применения тяжелых
космических платформ в спутниковых системах связи и управления. — М.:
Электросвязь, №6, 1990. с. 6-8.
2.1.8.
Grami A, Gordon К. Multimedia Satellites: A high-level assessment. Workshop on
Satellite Communications in the Global Information Infrastructure. — Jet Propulsion
Laboratory (JPL), Pasadena, California, June, 1997.
Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложения. — М.:
Советское радио, 1971. — 650 с.
Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических
вычислений. — М.: Мир, 1980. — 234 с.
Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. — М.: Мир. 1979. — 600 с.
Камнев В.Е. Интеграция низкоорбитальных спутниковых и сотовых сетей связи
с использованием протоколов физического и канального уровней. — В кн.: MAC
«Сотовая связь XXI века», 23-24 ноября 1999 г., Швеция, Стокгольм, 1999, с. 38-42.

Список использованной литературы 535
2.2.1.
2.2.1.1. Baras J.S. ATM in hybrid networks. Technical research report CSHCN T.R. 96-3
(ISR T.R. 96-21). Center for Satellite and Hybrid Communication Networks.
Institute for Systems Research University of Mariland, USA 1995.
2.2.1.2. Chitre D.M. The role of satellite communication in the ISDN era. — International
Journal of Satellite Communication, 10,1992, pp. 209-215.
2.2.1.3. Prycer D. Asynchronous transfer mode. Second Edition. — Ellis Horwood, 1993.
2.2.1.4. Lee B.G. et al. Broadband telecommunications technology. — Artech House, 1993.
2.2.1.5. Назаров H.C., Симонов M.B. ATM: Технология высокоскоростных сетей. — М.:
Эко-Трендз, 1998. - 234 с.
2.2.1.6. ATM Forum. ATM User Network Interface Specification. Version 3.1, 1994.
2.2.1.7. ITU-T. Recommendation 1.362. B-ISDN ATM Adaptation Layer (AAL) function
description. Rev.l, Geneva, 1993.
2.2.1.8. Akylidiz I.F., Jeong S. Satellite ATM networks: A survey. - IEEE Communication
Magazine, vol.35, 1997, pp. 30-44.
2.2.2.
2.2.2.1. Захаров Г.П. и др. Пути внедрения технологии ШЦСИО о России. — М.:
Электросвязь, №5, 1995.
2.2.2.2. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложения. — М.:
Советское радио, 1971. — 650 с.
2.2.2.3. Камнев В.Е. Основные принципы, определяющие технический облик
спутниковой ATM сети. — В кн.: Современные инфокоммутационные технологии в
мегаполисах, Москва, 1998 г., с.56-62.
2.2.2.4. Камнев В.Е. Методика расчета основных показателей качества ATM-сетей,
реализованных с использованием специализированных спутниковых сетей связи. —
В кн.: Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах. — М.,
1998 г., с. 63-71.
2.2.2.5. ITU-T. Recommendation I.362. B-ISDN ATM Adaptation Layer (AAL) function
description. Rev.l, Geneva, 1993.
2.23.
2.2.3.1. Камнев В.Е. и др. Мультимедийная транспортная сеть для мегаполисов на базе
использования радиорелейных линий миллиметрового диапазона и ATM
коммутаторов. — В кн.: Современные инфокоммутационные технологии в
мегаполисах. - М., 1998, с. 24-28.
2.2.3.2. Камнев В.Е. Перспективы использования спутников связи для ускорения
внедрения услуг глобальных ATM сетей. — В кн.: Форум МАС'98 «Глобализация
и персонализация инфокоммуникационных услуг и технологий». — М., 1998,
с. 18-22.
2.2.3.3. Baras J.S. ATM in hybrid networks. Technical research report CSHCN T.R. 96-3
(ISR T.R. 96-21). Center for Satellite and Hybrid Communication Networks.
Institute for Systems Research University of Mariland, USA 1995.
2.2.3.4. Faris F. et al. On board B-ISDN fast packet switch architectures. - NASA Contract
NAGW-4528 Final Report, NASA CR-189144, 1993.
2.2.3.5. Del Re E., Fantacci R. Performance evalution of input queueing techniques in ATM
switching systems. — IEEE Transaction on Communications, COM-41, №10,1993,
pp. 1565-1575.
2.2.3.6. Prycer D. Asynchronous transfer mode. Second Edition. — Ellis Horwood, 1993.

536 Спутниковые сети связи
2.2.3.7. Lee B.G. et al. Broadband telecommunications technology. — Artech House, 1993.
2.2.3.8. Bae J.J., Suda T. Survey of traffic control schemes and protocols in ATM Networks. —
Proc. IEEE, 79, B), 1991, pp. 170-189.
2.2.3.9. ITU-T. Recommendation 1.362. B-ISDN ATM Adaptation layer (AAL) function
description. Rev.l, Geneva, 1993.
2.2.3.10. Hass Z., Winters J.H. Congestion control by adaptive admission. — IEEE INFO-
COM, 1991, pp. 560-569.
2.2.3.11. Bonomi E, Fendik K.W., Meir-Hellstern K. A comparative study of EPRCA
compatible intelligent congestion indication schemes for the support of fair ABR service. —
ATM Forum Contribution 94-08292, September 1994.
2.2.3.12. Rubin I., Lin K.D. A burst-level adaptive input-rate flow control scheme for ATM
networks. - IEEE INFOCOM, 1993, pp.386-394.
2.2.3.13. Kroner H. Comparative performance study of space priority mechanisms for ATM
neywoks. - IEEE INFOCOM, 1990, pp.1136-1143.
2.2.3.14. David E., McDysan R., Darren L. ATM: Theory and application. — McGraw-Hill,
1994. - 636 p.
2.2.3.15. ITU-T Recommendation 1.371. Traffic control and congestion. Control in B-ISDN. -
Geneva, 1993.
2.2.3.16. Handel R., Huber M.N., Schruder S. ATM Networks: Concepts, protocol,
applications. — Addison-Wesley Publishing Company, 1994. — 288 p.
22.4.
2.2.4.1. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1. — М.: Мир,
1984. - 528 с.
2.2.4.2. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: Технология высокоскоростных сетей. — М.:
Эко-Трендз, 1998. - 234 с.
2.2.4.3. Кемени Ю., Снелл Ю. Введение в конечную математику/Пер, с англ. под ред.
И.М. Яглом. - М.: ИЛ, 1963. - 486 с.
2.2.4.4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Том 1. — М.:
Советское радио, 1969.
2.2.4.5. David E., McDysan R., Darren L. ATM: Theory and application. — McGraw-Hill,
1994. - 636 p.
2.2.4.6. Камнев В.Е. Исследование характеристик качества обслуживания спутниковой
ATM-сети с коммутатором на борту. — В кн.: Модели и методы исследования
информационных сетей. Выпуск 2, СПб, 2001 г. с. 81-89.
2.2.4.7. Камнев В.Е. Исследование характеристик качества обслуживания в
спутниковой ATM сети с коммутатором на борту. — В кн.: 4-я Международная
Конференция «Спутниковая связь-2000», 26-29 сентября 2000 г., Москва, том 2. — М.:
МЦНТИ, с. 1-6.
2.2.5.
2.2.5.1. Камнев В.Е. Способы управления информационными перегрузками в ATM сети
с использованием спутниковых систем связи. — В кн.: Современные инфоком-
мутационные технологии в мегаполисах. — М., 1998, с. 86-94.
2.2.5.2. Камнев В.Е. Исследование алгоритмов управления и предотвращения
перегрузок в спутниковой ATM сети. 4-я Международная Конференция «Спутниковая
связь-2000», 26-29 сентября 2000 г., Москва, том 2. - М.: МЦНТИ, с. 7-10.
2.2.5.3. Камнев В.Е. Исследование алгоритмов управления и предотвращения
перегрузок в спутниковой ATM-сети. — В кн: Модели и методы исследования
информационных сетей. Выпуск 2, СПб, 2001 г. с. 89-92.