Satellitkommunikation er en af de typer rumradiokommunikation , baseret på brugen af kunstige jordsatellitter som repeatere , som regel specialiserede kommunikationssatellitter . Satellitkommunikation foregår mellem såkaldte jordstationer , som enten kan være faste eller mobile.
Satellitkommunikation er udviklingen af traditionel radiorelækommunikation ved at placere repeateren i meget stor højde. Da det maksimale areal af dens synlighed i dette tilfælde er næsten halvdelen af kloden, er der ikke behov for en kæde af repeatere - i de fleste tilfælde er en nok.
I 1945 foreslog den engelske videnskabsmand, forfatter og opfinder Arthur C. Clarke i artiklen "Extra-terrestrial Relays", offentliggjort i oktoberudgaven af Wireless World magazine [1] ideen om at skabe et system med kommunikationssatellitter i geostationære baner , hvilket ville gøre det muligt at organisere et globalt kommunikationssystem. Efterfølgende svarede Clarke, da han blev spurgt, hvorfor han ikke patenterede opfindelsen (hvilket var meget muligt), at han ikke troede på muligheden for at implementere et sådant system i løbet af sin levetid, og mente også, at en sådan idé skulle gavne hele menneskeheden .
De første undersøgelser inden for civil satellitkommunikation i vestlige lande begyndte at dukke op i anden halvdel af 1950'erne. I USA var de drevet af øget efterspørgsel efter transatlantisk telefoni.
I 1957 blev den første kunstige jordsatellit med radioudstyr om bord opsendt i USSR .
Den 12. august 1960 sendte amerikanske specialister en oppustelig ballon i kredsløb i en højde af 1500 km [2] . Dette rumfartøj blev kaldt " Echo-1 ". Dens metalliserede skal med en diameter på 30 m fungerede som en passiv repeater . Den 10. juli 1962 blev verdens første aktive kommunikationssatellit Telstar opsendt i kredsløb . Det gav tovejs telefonkommunikation over 60 kanaler eller udsendelse af et tv-program.
Den 20. august 1964 underskrev 11 lande ( USSR var ikke inkluderet i deres antal) en aftale om oprettelse af den internationale satellitkommunikationsorganisation Intelsat (International Telecommunications Satellite organisation) [3] . På det tidspunkt havde USSR sit eget udviklede satellitkommunikationsprogram, som kulminerede den 23. april 1965 med den vellykkede opsendelse af den sovjetiske kommunikationssatellit Molniya-1 .
Den 6. april 1965, som en del af Intelsat -programmet , blev den første kommercielle kommunikationssatellit Early Bird ("early bird") [4] opsendt, fremstillet af COMSAT Corporation , med en båndbredde på 50 MHz, den kunne levere op til 240 telefonkommunikationskanaler [5] . På et hvilket som helst tidspunkt kunne kommunikation udføres mellem en jordstation i USA og kun én af tre jordstationer i Europa (i Storbritannien , Frankrig eller Tyskland ), som var forbundet med kabelkommunikationslinjer [6] .
Intelsat IX-satellitten havde allerede en båndbredde på 3456 MHz [5] .
I lang tid i USSR blev satellitkommunikation kun udviklet af hensyn til USSR's forsvarsministerium . På grund af rumprogrammets større nærhed forløb udviklingen af satellitkommunikation i de socialistiske lande anderledes end i vestlige lande. Udviklingen af civil satellitkommunikation begyndte med en aftale mellem 9 lande i den socialistiske blok om oprettelsen af Intersputnik- kommunikationssystemet , som først blev underskrevet i 1971 [7] .
I de tidlige år med forskning blev der brugt passive satellittranspondere (eksempler er Echo og Echo-2 satellitterne ), som var en simpel radiosignalreflektor (ofte en metal- eller polymerkugle med en metalbelægning), som ikke bar noget transceiverudstyr ombord. Sådanne satellitter har ikke modtaget distribution. Alle moderne kommunikationssatellitter er aktive. Aktive repeatere er udstyret med elektronisk udstyr til at modtage, behandle, forstærke og genudsende et signal.
Satellitrepeatere kan være ikke -regenerative og regenerative [8] . En ikke-regenerativ satellit, der har modtaget et signal fra en jordstation, overfører det til en anden frekvens, forstærker og sender det til en anden jordstation. En satellit kan bruge flere uafhængige kanaler, der udfører disse operationer, som hver især opererer med en bestemt del af spektret (disse behandlingskanaler kaldes transpondere [9] ).
Den regenerative satellit demodulerer det modtagne signal yderligere og modulerer det igen. På grund af dette korrigeres de akkumulerede fejl under transmissionsprocessen to gange: på satellitten og på den modtagende jordstation. Ulempen ved denne metode er kompleksiteten (og dermed de meget højere omkostninger ved satellitten) samt den øgede signaltransmissionsforsinkelse.
De baner, der er vært for satellittranspondere, er opdelt i tre klasser [10] :
En vigtig variation af den ækvatoriale bane er den geostationære bane , hvor satellitten roterer med en vinkelhastighed svarende til Jordens i en retning, der er den samme som Jordens rotation. Den åbenlyse fordel ved den geostationære bane er, at modtageren i tjenesteområdet "ser" satellitten konstant på næsten samme punkt.
Der er dog kun én geostationær bane, og dens kapacitet, bestemt af kredsløbets omkreds divideret med satellitternes størrelse, under hensyntagen til "sikkerhedsintervallerne" mellem dem, er begrænset. Derfor er det umuligt at bringe alle de satellitter, som vi gerne vil have med til den. . Dens anden ulempe er dens høje højde (35.786 km), og dermed de høje omkostninger ved at sætte en satellit i kredsløb. Den høje højde af den geostationære bane fører også til store forsinkelser i transmissionen af information (den tid, det tager for et signal at rejse fra en jordstation til en anden gennem en geostationær satellit, kan selv teoretisk set ikke være mindre end 240 ms (to kredsløb højder divideret med lysets hastighed). Desuden falder kraftfluxtætheden af jordoverfladen ved signalmodtagelsespunktet i retningen fra ækvator til polerne på grund af den elektromagnetiske energivektors mindre hældningsvinkel til jordoverfladen, samt på grund af signalets stigende vej gennem atmosfæren og den tilhørende absorption.Derfor er en satellit i geostationær kredsløb praktisk talt ikke i stand til at betjene jordstationer i de cirkumpolære områder.
En skrå bane løser disse problemer, men på grund af satellittens bevægelse i forhold til jordobservatøren er det nødvendigt at opsende mindst tre satellitter pr. kredsløb for at give kommunikationsadgang døgnet rundt.
En polær bane er et ekstremt tilfælde af en skrå bane (90º hældning ).
Ved brug af skrå baner er jordstationer udstyret med sporingssystemer, der peger antennen mod satellitten og sporer den [11] .
Moderne satellitter, der opererer i geostationær kredsløb, har en ret høj nøjagtighed til at holde på et givet punkt (som regel ikke værre end 0,1 grader i længdegrad og hældning [12] ); Sporing af en geostationær satellit af en modtageantenne bliver kun nødvendig, hvis bredden af antennemønsteret er sammenlignelig med satellittens svingninger omkring stationen. For eksempel for Ku-båndet er disse antenner med en diameter på mere end 5 meter [13] . For en mindre størrelse er det nok at pege antennen mod satellitpositionen én gang. Sporing er dog stadig nødvendig i tilfælde af en nødsituation for satellitten, når ejeren af forskellige årsager ikke (slet eller sjældnere end det planlagte tidspunkt) udfører proceduren for at holde satellitten ved ståsted.
Da radiofrekvensbåndet er en begrænset ressource, er det nødvendigt at sikre, at de samme frekvenser kan bruges af forskellige jordstationer. Dette kan gøres på to måder [14] :
Et typisk dækningskort for en satellit i geostationær kredsløb omfatter følgende komponenter [15] :
I dette tilfælde bruges alle frekvenser (med undtagelse af dem, der er reserveret til den globale stråle) gentagne gange: på den vestlige og østlige halvkugle og i hver af zonerne.
Valget af frekvens for transmission af data fra en jordstation til en satellit og fra en satellit til en jordstation er ikke vilkårlig. For eksempel afhænger absorptionen af radiobølger i atmosfæren af frekvensen såvel som de nødvendige dimensioner af sende- og modtageantennerne. Frekvenserne, ved hvilke jordstation-til-satellit-transmissioner forekommer, er forskellige fra dem, der bruges til satellit-til-jord-stationstransmissioner (generelt er førstnævnte højere).
De frekvenser, der bruges i satellitkommunikation, er opdelt i bånd, angivet med bogstaver. Desværre, i forskellig litteratur, er de nøjagtige grænser for intervallerne muligvis ikke sammenfaldende. Vejledende værdier er angivet i ITU -R V.431-6 [16] :
| Områdenavn | Frekvenser (ifølge ITU-R V.431-6) | Ansøgning |
|---|---|---|
| L | 1,5 GHz | Mobil satellitkommunikation |
| S | 2,5 GHz | Mobil satellitkommunikation |
| FRA | 4 GHz, 6 GHz | Fast satellitkommunikation |
| x | For satellitkommunikation definerer ITU-R anbefalingerne ikke frekvenser. For radarapplikationer er 8-12 GHz-området specificeret. | Fast satellitkommunikation |
| Ku | 11 GHz, 12 GHz, 14 GHz | Fast satellitkommunikation, satellitudsendelse |
| K | 20 GHz | Fast satellitkommunikation, satellitudsendelse |
| Ka | 30 GHz | Fast satellitkommunikation, inter-satellitkommunikation |
Højere frekvenser bruges også, men deres stigning hæmmes af atmosfærens høje absorption af radiobølger af disse frekvenser. Ku-band tillader modtagelse med relativt små antenner og bruges derfor i satellit-tv ( DVB ), på trods af at vejrforholdene i dette bånd har en væsentlig indflydelse på transmissionskvaliteten.
Til datatransmission af store brugere (organisationer) bruges ofte C-båndet. Dette giver bedre modtagekvalitet, men kræver en ret stor antenne.
Et træk ved satellitkommunikationssystemer er behovet for at arbejde under forhold med et relativt lavt signal-støjforhold på grund af flere faktorer:
Som et resultat er satellitkommunikation ikke velegnet til at transmittere analoge signaler . For at transmittere tale er den derfor præ - digitaliseret ved hjælp af for eksempel pulskodemodulation (PCM) [17] .
For at sende digitale data over en satellitkommunikationskanal skal de først konverteres til et radiosignal, der optager et bestemt frekvensområde. For at gøre dette bruges modulering (digital modulering kaldes også keying ). De mest almindelige typer digital modulation til satellitkommunikationsapplikationer er faseskiftnøgle og kvadraturamplitudemodulation [18] . For eksempel bruger DVB-S2- systemer QPSK, 8-PSK, 16-APSK og 32-APSK [19] .
Modulationen udføres på jordstationen. Det modulerede signal forstærkes, overføres til den ønskede frekvens og føres til sendeantennen . Satellitten modtager et signal, forstærker, regenererer nogle gange , overfører til en anden frekvens og sender ved hjælp af en bestemt sendeantenne til jorden.
På grund af den lave signalstyrke er der behov for fejlkorrektionssystemer. Til dette bruges forskellige støjkorrigerende kodningsskemaer , oftest forskellige varianter af foldningskoder (nogle gange i kombination med Reed-Solomon-koder ), samt turbokoder [20] [21] og LDPC-koder [22] .
For at sikre muligheden for samtidig brug af en satellittransponder af flere brugere, anvendes flere adgangssystemer [23] :
Derudover har mange brugere ikke brug for konstant adgang til satellitkommunikation. For disse brugere tildeles en kommunikationskanal (timeslot) efter behov ved hjælp af DAMA (Demand Assigned Multiple Access) teknologi.
Oprindeligt var fremkomsten af satellitkommunikation dikteret af behovet for at transmittere store mængder information. Det første satellitkommunikationssystem var Intelsat -systemet , derefter blev lignende regionale organisationer oprettet ( Eutelsat , Arabsat og andre). Over tid har stemmetransmissionens andel af den samlede mængde af backbonetrafik været konstant faldende, hvilket har givet plads til datatransmission.
Med udviklingen af fiberoptiske netværk begyndte sidstnævnte at fortrænge satellitkommunikation fra backbonekommunikationsmarkedet [24] .
VSAT -systemer (Very Small Aperture Terminal) leverer satellitkommunikationstjenester til kunder (normalt små organisationer), der ikke kræver høj båndbredde . Dataoverførselshastigheden for en VSAT-terminal overstiger normalt ikke 2048 kbps [25] .
Ordene "meget lille blænde" refererer til størrelsen af terminalantennerne sammenlignet med ældre backbone-antenner. VSAT-terminaler, der opererer i C-båndet, bruger normalt antenner med en diameter på 1,8-2,4 m, i Ku-bånd - 0,75-1,8 m.
VSAT-systemer bruger on-demand kanaliseringsteknologi.
Et kendetegn ved de fleste mobile satellitkommunikationssystemer er den lille størrelse af terminalantennen, hvilket gør signalmodtagelse vanskelig. For at signalstyrken, der når modtageren skal være tilstrækkelig, anvendes en af to løsninger:
Mobiloperatører konkurrerer med operatører af personlig satellitkommunikation . Både Globalstar og Iridium var i alvorlige økonomiske problemer, der bragte Iridium til reorganiseringskonkurs i 1999, men virksomheden er nu kommet sig og forbereder sig på at trække sin anden generations satellitkonstellation tilbage.
I december 2006 blev en eksperimentel geostationær satellit Kiku-8 opsendt med et rekordstort antenneområde, som formodes at blive brugt til at teste teknologien til satellitkommunikation med mobile enheder, der ikke er større end mobiltelefoner.
Satellitkommunikation finder anvendelse i organiseringen af "den sidste mil " (kommunikationskanal mellem internetudbyderen og klienten), især på steder med dårligt udviklet infrastruktur [28] .
Funktioner ved denne type adgang er:
Afhængigt af typen af udgående kanal er der:
I begge tilfælde overføres data fra udbyderen til klienten, som regel i overensstemmelse med DVB -standarden for digital udsendelse , som giver dig mulighed for at bruge det samme udstyr både til at få adgang til netværket og til at modtage satellit-tv.
De store afstande mellem jordstationer og satellitten gør, at signal-støjforholdet ved modtageren er meget lavt (meget mindre end for de fleste mikrobølgeforbindelser). For at give en acceptabel fejlsandsynlighed under disse forhold er det nødvendigt at bruge store antenner , støjsvage elementer og komplekse fejlkorrigerende koder . Dette problem er især akut i mobile kommunikationssystemer, da de har begrænsninger på størrelsen af antennen, dens retningsegenskaber og som regel på sendereffekten.
Kvaliteten af satellitkommunikation er stærkt påvirket af effekter i troposfæren og ionosfæren [29] .
Absorption i troposfærenGraden af signalabsorption af atmosfæren afhænger af dens frekvens. Absorptionsmaksima er ved 22,3 GHz ( vanddampresonans ) og 60 GHz ( iltresonans ) [ 30] . Generelt påvirker absorption signifikant udbredelsen af signaler over 10 GHz (dvs. startende fra Ku-båndet). Ud over absorption, når radiobølger forplanter sig i atmosfæren, er der en fading effekt , hvis årsag er forskellen i brydningsindekserne for forskellige lag af atmosfæren.
Ionosfæriske effekterEffekter i ionosfæren skyldes fluktuationer i fordelingen af frie elektroner. De ionosfæriske effekter, der påvirker udbredelsen af radiobølger, omfatter scintillation , absorption , udbredelsesforsinkelse , spredning , frekvensændring , rotation af polarisationsplanet [31] . Alle disse effekter dæmpes med stigende frekvens. For signaler med frekvenser større end 10 GHz er deres indflydelse lille [32] .
| Effekt | 100 MHz | 300 MHz | 1 GHz | 3 GHz | 10 GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Rotation af polariseringsplanet | 30 omgange | 3,3 omgange | 108° | 12° | 1,1° |
| Yderligere signalforsinkelse | 25 ms | 2,8 ms | 0,25 ms | 28 ns | 2,5 ns |
| Absorption i ionosfæren (ved polen) | 5 dB | 1,1 dB | 0,05 dB | 0,006 dB | 0,0005 dB |
| Absorption i ionosfæren (ved mellembreddegrader) | <1 dB | 0,1 dB | <0,01 dB | <0,001 dB | <0,0001 dB |
Relativt lavfrekvente signaler (L-bånd og delvist C-bånd) lider af ionosfærisk scintillation på grund af uregelmæssigheder i ionosfæren. Resultatet af denne flimren er en konstant skiftende signalstyrke.
Problemet med signaludbredelsesforsinkelse påvirker på den ene eller anden måde alle satellitkommunikationssystemer. Systemer, der bruger en satellittransponder i geostationær kredsløb, har den højeste latenstid. I dette tilfælde er forsinkelsen på grund af endeligheden af radiobølgeudbredelseshastigheden cirka 250 ms, og under hensyntagen til multipleksing, switching og signalbehandlingsforsinkelser kan den samlede forsinkelse være op til 400 ms [33] .
Udbredelsesforsinkelse er mest uønsket i realtidsapplikationer såsom telefoni og videokommunikation. I dette tilfælde, hvis signaludbredelsestiden over satellitkommunikationskanalen er 250 ms, må tidsforskellen mellem abonnenternes replikaer ikke være mindre end 500 ms.
I nogle systemer (f.eks. VSAT-systemer, der anvender en stjernetopologi), transmitteres signalet to gange via en satellitforbindelse (fra en terminal til en central placering og fra en central placering til en anden terminal). I dette tilfælde fordobles den samlede forsinkelse.
Når Solen nærmer sig satellit-jordstationens akse, forvrænges det radiosignal, der modtages fra satellitten af jordstationen, såvel som det leveres til satellitten som følge af interferens .
| Satellitforbindelse | |
|---|---|
| Hovedartikler | |
| Udstyr | |
| Standarder og protokoller | |
| Operatører af satellitudsendelser |
|
| Kommunikationssatellitoperatører og -tjenester | |
| Produktion af kommunikationssatellitter | |