Часове розподілення пропускної здатності

Хотя уплотнение с частотным разделением до сих пор широко используется в спутниковой связи, все большую популярность приобретают схемы уплотнения с временным разделением. Перечислим причины, по которым это происходит.

· Непрерывное падение стоимости цифровых составляющих.

· Преимущества цифровых методов обработки, включая возможность исправления ошибок.

· Повышенная эффективность схем TDM, которая обусловлена отсутствием комбинационных помех.

Как и при частотном разделении, все схемы временного разделения обеспечивают множественный доступ и включают схемы FAMA-TDMA и DAMA-TDMA. Метод FAMA-TDMA, по сути, не отличается от синхронного временного разделения. Передача осуществляется в форме повторяющейся последовательности кадров, каждый из которых делится на несколько временных интервалов. Каждое положение интервала в последовательности кадров соответствует определенному передатчику. Периоды кадров лежат в диапазоне от 10 мкс до более чем 2 мс и состоят из 3-100 интервалов и более. Скорость передачи данных составляет от 10 Мбит/с до более чем 100 Мбит/с.

Типичный формат кадра показан на рис. 15. Как правило, кадр начинается с двух опорных пакетов, определяющих начало кадра, эти два пакета предоставляются двумя разными наземными станциями, так что система может продолжать функционировать даже при потере связи с одной из опорных станций вследствие неисправности. Каждый опорный пакет начинается с последовательности для восстановления тактовой синхронизации и несущей, являющейся уникальной и позволяющей синхронизироваться с центральным тактовым генератором. Каждой из N станций выделяется один или несколько интервалов в кадре. Станция использует выделенный ей интервал для передачи пакета данных, состоящего из предварительной последовательности и пользовательской информации. Предварительная последовательность содержит управляющую информацию и информацию о синхронизации плюс данные, идентифицирующие станцию назначения. Отдельные пакеты разделены защитными интервалами, предотвращающими наложение данных.

Рис. 15. Пример формата кадра TDMA

На рис. 16 показан принцип действия систем FAMA-TDMA. Отдельные наземные станции по очереди используют восходящий канал связи и могут помещать пакеты данных в выделенные для них временные интервалы. Спутник ретранслирует входящие данные всем станциям. Таким образом, передача и прием информации каждой станцией осуществляется в определенный временной интервал. Спутник также повторяет опорные пакеты данных, поэтому все станции, принимающие эти пакеты, имеют возможность синхронизировать свою работу.

Каждый из повторяющихся временных интервалов является каналом и не зависит от других каналов. Поэтому его можно использовать любым способом, по выбору передающей станции. Можно, например, организовать коммутацию, включив в каждый временной интервал поле адреса. Тогда, хотя временные интервалы и останутся закрепленными за станциями, в каждом нисходящем интервале несколько станций смогут ожидать данные, адресованные именно им. С помощью еще одной схемы передающая наземная станция может разделить свой временной интервал на подинтервалы и, таким образом, отправлять данные по нескольким подканалам в одном канале TDMA.

а) Восходящий канал связи б) Нисходящий канал связи

Рис. 16. Функционирование системы FAMA-TDMA

Обычная схема ТDМА эффективнее традиционной схемы FDMA, так как на защитные интервалы и управляющие биты TDMA расходуется меньшая пропускная способность, чем на защитные полосы FDMA. Это проиллюстрировано на рис. 17. Обратите внимание на существенное падение пропускной способности для FDMA по мере увеличения числа каналов. В случае использования схемы TDMA при увеличении числа временных интервалов (тех же каналов) пропускная способность уменьшается гораздо медленнее. Кроме того, при использовании более длинных кадров также увеличивается эффективность связи. Для сравнения, система SCPC обеспечивает постоянную пропускную способность в 800 каналов, независимо от того, поделена ее полоса частот между множеством станций или между всего несколькими наземными станциями.

Рис. 17. Относительная эффективность различных спутниковых схем распределения пропускной способности

В полосах с более высокой частотой (Ku и K) можно достичь даже большей эффективности. При таких частотах лучи, передаваемые со спутника, можно довольно точно сфокусировать, что позволит передавать много лучей одной и той же частоты в разные зоны. Таким образом, спутник сможет обслуживать довольно много зон, в каждой из которых может находиться много наземных станций. Сообщение между этими станциями в пределах одной зоны осуществляется по обычной схеме FAMA-TDMA. Более того, можно организовать сообщение между станциями, принадлежащими различным областям, если спутник имеет возможность переключать временные интервалы с одного луча на другой. Этот метод известен как TDMA со спутниковой коммутацией (satellite-switched TDMA — SS/TDMA).

На рис. 18 показана простая система SS/TDMA, обслуживающая две зоны, в каждой из которых расположено по две станции. Как и в обычной схеме TDMA, в пределах одной зоны в каждый момент времени передавать может только одна станция. Таким образом, в пределах зоны А в любой конкретный временной интервал может передавать либо станция 1, либо станция 2. Так же ив пределах зоны В передавать в данный момент времени может либо станция 3, либо станция 4. Сигналы со станций из разных зон не интерферируют, благодаря использованию по-разному поляризованных сигналов либо использованию разных частот. На спутнике принимаемые данные тут же ретранслируются на частоте нисходящего канала связи. При этом используются два различных нисходящих луча. На спутнике имеется коммутатор для соединения входящих и выходящих лучей. Варианты соединений, выполняемых коммутатором, могут меняться со временем. На рисунке нисходящий луч А повторяет восходящий луч А в течение периодов 1 и 3 и повторяет восходящий луч В в течение периода 2. Таким образом, любая станция в любой зоне может отправлять данные любой другой станции.

а) Восходящий канал связи б) Нисходящий канал связи

Рис. 18. Функционирование системы SS/TDMA

Для спутника, обслуживающего N зон, существует N входящих потоков TDM. В любой конкретный момент времени переключатель настроен на особый вид преобразования этих восходящих лучей в N нисходящих лучей. Каждая конфигурация называется режимом, и для полной связности системы требуется M различных режимов. В табл. 2 приведены режимы для системы с тремя лучами. Например, станции в зоне А могут сообщаться друг с другом в режимах 1 и2, сообщаться со станциями зоны В в режимах 3 и 5 и т.д. Спутник периодически меняет режим. Скорее всего, смена режимов будет происходить один раз за интервал. Структуру режима и его длительность обычно можно настраивать командами с Земли, чтобы вовремя реагировать на изменившиеся требования.

Таблица 2. Режимы системы SS/TDMA (три луча)

Наконец, со спутниковыми схемами TDMA используются методы DAMA. Система SS/TDMA является в определенном смысле системой DAMA, если структура режима может быть изменена командой с Земли. Довольно часто, если речь заходит о временном разделении, схему DAMA называют схемой множественного доступа с совместным использованием одного канала. Такие методы обычно служат основой для кооперации наземных станций с целью совместного использования канала.