Частотне розподілення пропускної здатності

Как правило, один геостационарный спутник работает в довольно широкой полосе частот (например, 500 МГц), которая делится на несколько каналов, имеющих меньшую ширину (например, по 40 МГц). В каждом из таких каналов требуется распределить пропускную способность. Иногда, например, при телевещании или передаче единичного потока цифровых данных со скоростью 50 Мбит/с, весь канал выделяется для одного пользователя или приложения. В то же время если отбросить такие крайние случаи, то можно сказать, что экономное использование спутника невозможно без разделения канала между несколькими пользователями. Поэтому задача распределения, в основном, сводится к уплотнению каналов. В некоторых случаях распределение проводится под централизованным управлением, осуществляемым обычно со спутника. Пропускная способность может также распределяться динамически посредством команд, передаваемых наземными станциями. Ниже на примерах рассмотрены оба случая.

Все стратегии распределения относятся к одной из трех категорий.

· Множественный доступ с частотным разделением (Frequency Division Multiple Access — FDMA).

· Множественный доступ с временным разделением (Time Division Multiple Access — TDMA).

· Множественный доступ с кодовым разделением (Code-Division Multiple Access — CDMA).

Уплотнение с частотным разделением (FDM)

Как уже упоминалось, полная пропускная способность спутника связи делится на несколько каналов. Это верхний уровень уплотнения, далее пропускная способность распределяется внутри каждого канала. На рис. 12 приведен пример схемы уплотнения с частотным разделением (FDM), типичной для геостационарных спутников связи.

б) Горизонтальная поляризация

б) Вертикальная поляризация

Рис. 12. Типичный план распределения частот спутникового транспондера для нисходящих каналов связи (чтобы составить план для восходящих каналов связи, к приведенным на рисунке значениям следует прибавить 2225 МГц)

Эта схема используется в спутниках Galaxy корпорации PanAmSat[3]. Используемые спутником частоты принадлежат полосе С, ширина полосы спутника равна 500 МГц и разбита на 24 канала по 40 МГц. Втиснуть 24 канала в полосу шириной 500 МГц удается посредством многократного использования частоты: каждая из выделяемых частот используется двумя несущими, поляризации которых ортогональны. В каждый канал шириной 40 МГц входит защитная полоса, составляющая 4 МГц, так что реальная ширина каждого канала равна 36 МГц. При использовании двухточечной конфигурации (рис. 10, а) каждый канал можно применять для различных альтернативных целей. Например:

· 1200 каналов речевого диапазона (VF);

· один поток данных со скоростью 50 Мбит/с;

· 16 каналов со скоростью 1,544 Мбит/с в каждом;

· 400 каналов со скоростью 64 Кбит/с в каждом;

· 600 каналов со скоростью 40 Кбит/с в каждом;

· один аналоговый видеосигнал;

· от шести до девяти цифровых видеосигналов.

Ширина полосы для аналогового видеосигнала может показаться слишком большой. Рассчитаем ее. Ширина полосы видеосигнала, сопровождаемого аудиосигналом, приблизительно равна 6,8 МГц. Затем суммарный сигнал посредством частотной модуляции (FM) переносится на несущую 6 ГГц. Максимальное отклонение частоты сигнала при использовании этой процедуры равно ΔF= 12,5 МГц. Определим ширину полосы передаваемого сигнала:

,

что приемлемо для транспондера на 36 МГц.

В цифровом видео использование сжатия может привести к тому, что скорость передачи данных в одном канале составит 3-5 Мбит/с, в зависимости от того, насколько видеоматериал насыщен движением.

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA)

Ранее предполагалось, что спутник используется в качестве промежуточного устройства, обеспечивающего, по сути, двухточечную связь между двумя наземными станциями. Поскольку зона обслуживания спутника весьма велика, он может выполнять гораздо больше функций. Например, для серии спутников INTELSAT[4] канал шириной 36 МГц можно разделить, используя уплотнение с частотным разделением, на несколько меньших каналов, в каждом из которых можно использовать частотную модуляцию. Каждый из этих меньших каналов, в свою очередь, несет несколько сигналов речевого диапазона (VF), для чего используется уплотнение с частотным разделением. Возможность получения несколькими наземными станциями доступа к одному и тому же каналу называется схемой FDMA (frequency division multiple access — множественный доступ с частотным разделением).

Количество подканалов, на которые можно разбить спутниковый канал с помощью технологии FDMA, ограничено тремя факторами:

· тепловой шум;

· комбинационные помехи;

· перекрестные помехи.

Воздействие первых двух факторов прямо противоположно. Передаваемый сигнал очень малой интенсивности будет искажаться фоновым шумом. При очень большой интенсивности сигнала нелинейные эффекты, имеющие место в усилителях спутников, приведут к сильным комбинационным помехам. Перекрестные помехи происходят при попытках увеличить пропускную способность путем многократного использования частот. Перекрестные помехи ограничивают применение этой практики, однако не сводят ее на нет. Полосу частот можно многократно использовать в том случае, если имеются антенны, которые могут излучать два поляризованных сигнала одинаковой частоты с ортогональными поляризациями. Как и ранее, если интенсивность сигнала слишком высока, то становится значительной и интерференция.

Возможны две формы FDMA.

· Множественный доступ с фиксированным распределением (fixed-assignment multiple access — FAMA). Распределение пропускной способности спутникового канала между множеством станций производится заранее. В результате значительная часть пропускной способности не используется, поскольку спрос на частоты может меняться в процессе связи.

· Множественный доступ с распределением по запросу (demand-assignment multiple access — DAMA). Распределение пропускной способности среди множества станций меняется с изменением спроса на частоты. Это позволяет оптимально распределить пропускную способность спутника.