Получение информационного доступа к сигналам спутниковых систем передачи информации

В настоящее время для передачи информации коммерческими, военными и правительственными организациями активно задействуются системы спутниковой связи (ССС).

Спутниковая связь существенно отличается от других видов радиосвязи – радиорелейной, тропосферной, ионосферной, сотовой или транкинговой. В ССС основными показателями, определяющими размеры зоны обслуживания и энергетику радиолиний, являются тип орбиты и ее характеристики. ССС, ориентированные на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, можно классифицировать по следующим признакам.

Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса – системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO.

Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы – фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).

Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные.

Геостационарная

Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, из-за доплеровского эффекта. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности за исключением зон полюсов. Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых – задержка распространения сигнала.

Рис.1 Схема связи через геостационарный КА

Средневысотные

Средневысотные системы обеспечивают более качественное обслуживание подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в зоне радиовидимости абонента одновременно находится более одного КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25-30⁰ . А это, в свою очередь, позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии зданий, деревьев и других преград).

Однако, зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать орбитальную группировку из 8-12 спутников. Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5-2 часа).

Низкие круговые

В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 0⁰), полярные (наклонение 90⁰) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются, в основном, для научно-исследовательских целей, навигации, метеорологических наблюдений и фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 6-8 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700-1500 км, а также экваториальные высотой 2000 км.

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА.

Для обеспечения глобального охвата земной поверхности и непрерывного обслуживания абонентов необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило 48 КА (см. Таблицу №1).

Таблица №1.  Характеристика спутниковых систем связи

Фиксированная

Системы ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными пользователями. Первоначально они разворачивались исключительно для организации магистралей большой протяженности и региональной связи. Каналы связи организуются с использованием как больших земных станций, так и с использованием небольших терминалов. Широкое распространение получила технология создания сетей на базе терминалов VSAT. Такая технология применяется для объединения в единую информационную сеть удаленных пользователей (например филиалов компании). Кроме того, в системах ФСС все чаще применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена (в том числе через сеть ИНТЕРНЕТ). Для ФСС выделены следующие диапазоны частот: С (4/6 ГГц), Кu (11/14 ГГц) и Ка (20/30 ГГц). При этом подавляющим большинством КА спутниковых систем (на линии связи КА-Земля). используются для передачи информации диапазоны 3,7 - 4,2 ГГц; 10,95-11,7 ГГц и 11,725 - 12,2 ГГц.

Наиболее крупными поставщиками услуг ФСС являются международные организации Intelsat, Intersputnik, PanamSat, Eutelsat, Arabsat, AsiaSat и др.

Подвижная

Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовой станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными станциями. Потоки в сетях с предоставлением сигналов по требованию были невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных или корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т.д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях.

Качественный скачек в развитии ПСС произошел с внедрением цифровых методов передачи речи и данных и появлением первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты таких спутников близки к к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и средневысотных орбитальных группировок существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала “телефонная трубка”.

Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны проекты Iridium, Globalstar, Orbcomm.

 
Рис. 2. Пользователи спутниковой системы персональной связи Iridium.

Отличительными особенностями систем ПСС второго поколения являются:

• применение цифровых технологий для передачи речи и данных;
• интеграция с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь - с цифровыми сотовыми);
• совместимость и взаимодействие сетей ПСС с телефонной сетью общего пользования;
• многообразие типов абонентских терминалов.

Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазоне L (1,5/1,6 ГГц) и S(1,9/2,2 и 2,4/2,5 ГГц).

Из всех ПСС наиболее мощная орбитальная группировка на базе геостационарных КА принадлежит международной системе Inmarsat.

 2. Получение информационного доступа

С развитием вычислительной техники и совершенствованием радиоэлектронных средств значительно усложнилась структура и характеристики передаваемых сигналов. Для решения задачи получения информационного доступа необходимо решить ряд сложных технических проблем.

Условно решение задачи получения информационного доступа можно разбить на несколько этапов:

• Обеспечение электромагнитного доступа к излучению.
• Вскрытие его детальных технических характеристик.
• Разработка в короткие сроки аппаратно-программных комплексов (АПК) контроля данных излучений, обеспечивающих полный цикл обработки сигналов и выделения заданного числа информационных каналов.

Далее после разработки АПК и передачи его заказчику задача получения информационного доступа сводится к двум этапам:

• Обеспечение электромагнитного доступа к излучениям контролируемого КА.
• Поиск излучений в которых передается оперативно-ценная информация или, при наличии априорных данных, настройка на конкретное излучение с последующей обработкой семантической информации оператором поста.

Электромагнитный доступ обеспечивается путем правильного выбора антенно-фидерных устройств с учетом предполагаемого места съема информации и характеристик контролируемых источников.

При получении технического доступа к цифровым потокам, их обработка и выделение информационных каналов успешно решается с помощью средств СОРМ. Средства СОРМ имеют модульную структуру и благодаря таким качествам как масштабируемость, взаимозаменяемость и универсальность они могут быть легко адаптированы для обработки любых типов сигналов.

Рис. 3. Один из вариантов применения средств СОРМ.

Основными методами многостанционного доступа (МСД) являются МДЧР, МДВР, МДКР. Наиболее распространенным является МДЧР, как наиболее дешевый и простой в реализации.

При передаче информации в подавляющем большинстве излучений используются фазовые методы модуляции.

В спутниковых системах связи при передаче цифровой информации применялется помехоустойчивое кодирование с относительными скоростями R=1/2; 3/4; 7/8, а также скремблирование - самосинхронизирующееся и аддитивное - с образующими полиномами до 23 степени.

В Таблице №2 представлены наиболее распространенные типы передач отмечаемые в ССС.

Таблица №1

Используемые сокращения:

ИКМ (G.711) – цифровой поток в котором уплотнены информационные каналы (N*64 кбит/с) с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) согласно рекомендации G.711.

АДИКМ (G.721) – цифровой поток в котором уплотнены информационные каналы (N*32 кбит/с) с использованием адаптивной дифферинцированной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) согласно рекомендации G.721.

DCME - Аппаратура систем цифрового уплотнения каналов (Digital Circuit Multiplication System), является общим классом аппаратуры, обеспечивающим максимально эффективное использование средств передачи цифровой информации методами цифровой интерполяции и низкоскоростного кодирования различных типов трафика. Уровень снижения общей скорости передачи входных 64 кбит/с каналов характеризуется коэффициентом уплотнения или сжатия каналов.

В настоящее время на международных спутниковых линиях связи наиболее широко используется аппаратура DCME второго поколения:

• DTX - 240F (DTX – 240Е; DTX – 240Т)
• Celtic - 3G
• DX - 3000;
• NCM - 501

Аппаратурой третьего поколения является оборудование DTX-360 разработанное фирмой "ECI Telecom". . В данной аппаратуре для кодирования речевых сообщений используется метод LD-CELP - 16 кбит/с на 1 ТЛФ канал - согласно рекомендации МККТТ G.728, , что позволяет уплотнять до 360 входных 64 кбит/с каналов в стандартный ствол со скоростью 2.048 Мбит/с (коэффициент компрессии информационных каналов 10 к 1). Передача факсимильных сообщений осуществляется в цифровом виде с использованием факсимильного компрессора (DTX-360C) - на основе рекомендации МККТТ G.766.

Оборудование пакетного мультиплексирования каналов (PCME) расширяет возможности аппаратуры DCME добавляя к ним гибкость пакетной технологии, возможность обработки факсимиле, выделение полосы по требованию, интеграцию с пакетными сетями, многоадресность, установление виртуального соединения и т.д. Гибкость пакетной технологии позволяет использовать один и тот же терминал для различных применений. Такие возможности PCME как сжатие трафика речевого диапазона, обработка факсимиле группы 3, сжатие цифровых данных, управление подтверждением и встроенное эхоподавление доступны для всех применений. Оборудование PCME стало дальнейшим шагом повышения пропускной способности линий связи, снижения стоимости передачи информации на большие расстояния, обеспечения более гибкого управления перегрузкой в линиях связи. Дополнительной чертой PCME, наряду с использованием цифровой интерполяции речи (DSI) и низкоскоростного кодирования (АДИКМ в соответствии с рекомендациями МККТТ G/726 и G.727), является возможность управления скоростью передачи информации корреспондента в процессе её трансляции через промежуточные узлы за счет отбрасывания блоков из передаваемых пакетов, что позволяет гибко управлять сетью в режиме перегрузки.

VSAT - цифровые потоки принадлежащие сетям типа VSAT. Сети VSAT предназначены, в основном, для создания ведомственных и корпоративных сетей. Могут передаваться любые виды информации речь, аналоговое факсимиле, данные. Способы преобразования речи и факсимильных сообщений в цифровую форму зависит от конкретной сети.

ПДКП – каналы передачи данных большая часть которых принадлежит глобальной сети ИНТЕРНЕТ, что связано с активным развитием данной сети и быстрым ростом числа ее пользователей. Анализ каналов ПДКП сети ИНТЕРНЕТ показывает, что основная часть трафика приходится на передачу мультимедиа - информации (гипертекста, аудио, видео данных, графики и др.). Для ее представления, в основном, используются следующие форматы и способы кодирования данных:

а) при передаче документов:

• doc - формат графического редактора MsWord6.0 (7.0) for Windows;
• pdf - формат переносимого документа, используемый в издательских системах. Разработан фирмой ADOBE;
• ps, eps - языки описания страницы Postscript, Encapsulated Postscript. Разработаны фирмой ADOBE;
• vsd, dwg, dxf, ai, cdr - форматы представления технической документации (чертежей, принципиальных схем и т.д.)
• dp - формат электронных документов;
• fpk, fr*, fa* - форматы электронных форм (где * - означает любой символ);
• max - формат MахMате;
• ppt - формат файлов презентаций, электронных слайдов;
• htm, html - формат гипертекста.

б) утилиты кодирования данных для спецификации MIME:

• UUENCODE, XXENCODE, BINHEX, BASE64 (для передачи двоичных файлов по каналам электронной почты).

в) форматы видео данных:

• avi - video for Windows;
• mpg, mpeg;
• dat - формат записи видео информации на CD-ROM;
• mov - Quick Time for Windows;
• viv, vdo, avs.

г) форматы аудио данных:

• av, aiff, aif, wav, mid, midi, snd.

д) форматы графических данных:

• gif, jpeg, jpg, tif, tga, wrl (трехмерная графика) и др..

е) форматы баз данных:

• dbf, db - форматы файлов баз данных dBase, dBase3+, dBase4;
• mdb - MsAccess for Windows 2.0 и 7.0.

ж) форматы сжатия файлов:

• zip, z, Z, gz, tar, tgz, cab, sit.

з) исполняемые программы:

• class - файлы скриптов (откомпилированных программных модулей, написанных на языке JAVA);
• exe - cаморазворачивающиеся архивы, установочные версии программных продуктов.

Факсимиле – факсимильные сообщения могут передаваться в любых вышеописанных передачах. В настоящее время большинство передаваемых факсимильных сообщений принадлежит к 3 группе. Основные способы кодирования факсимильных бланков – код Хафмана; Read; MRC;.UMRC. Кодированные факсимильные сообщения преобразовываются в аналоговую форму и передаются в канал связи. Для уплотнения факсимильных сообщений в стандартные цифровые потоки они (например с помощью ИКМ или АДИКМ методов ) преобразуются в цифровой вид.

Анализ характера международных сообщений передаваемых в каналах систем связи показывает, что объем передаваемых факсимильных сообщений возрастает чрезвычайно быстрыми темпами. В среднем, факсимильные сообщения третьей группы составляют 90% всех сообщений передачи данных, передаваемых в речевом диапазоне.

Передача факсимильных сообщений в аппаратуре DCME со скоростью 40 кбит/с с использованием АДИКМ быстро исчерпывает пропускную способность ствола. С целью увеличения пропускной способности аппаратуры DCME по передаче факсимильных сообщений третьей группы, без ухудшения качества передачи речевых каналов, рядом иностранных фирм-производителей аппаратуры связи разработаны различные модификации аппаратуры обработки факсимиле, получившей название “факсимильный компрессор”. В 1992 году Международным Консультативным Комитетом по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) была принята рекомендация G.766 определяющая использование в аппаратуре DCME факсимильного компрессора.

В работу факсимильного компрессора заложен принцип обработки факсимиле позволяющий не только увеличить пропускную способность аппаратуры DCME, но и значительно улучшить качество передачи факсимильных сообщений по сравнению с существующими ИКМ и АДИКМ методами.

При получении факсимильного сообщения аппаратура DCME, имеющая в своем составе факсимильный компрессор, демодулирует его в исходный цифровой поток бит, мультиплексирует с другими цифровыми факсимильными данными и передает их в канале со скоростью 32 кбит/с. Тем самым исключается ухудшение фазовых характеристик факсимильного сигнала, возникающее при аналогово-цифровом преобразовании и передачи ИКМ сигнала по каналам связи. На оконечном устройстве системы связи факсимильный сигнал восстанавливается за счет процесса модуляции для дальнейшей передачи его абоненту. Таким образом, базовая модель факсимильного компрессора позволяет передавать в стандартном канале АДИКМ до трех факсимильных сообщений со скоростью 9600 бит/с и действует как регенератор факсимильных сигналов, исключая накопление искажения формы сигнала. Факсимильный компрессор может быть как встроенным в аппаратуру DCME, так и отдельным блоком в зависимости от конфигурации системы. Использование факсимильного компрессора позволяет достичь коэффициента уплотнения до 6:1 для факсимильных сигналов третьей группы, передаваемых со скоростями 9.6; 7.2; 4.8 и 2.4 кбит/с. Для высокоскоростных сигналов типа V.17 (12 кбит/с, 14.4 кбит/с) обеспечивается коэффициент уплотнения 4:1. В настоящее время на линиях связи отмечается активное использование факсимильных компрессоров, разработанных фирмами NEC и “ECI Telecom.

Статья опубликована на сайте: 16.03.2000