Архитектура абонентского терминала сети персональной спутниковой связи
ARCHITECTURE OF THE SUBSCRIBER TERMINAL OF THE PERSONAL SATELLITE COMMUNICATION NETWORK

Изобретение относится к области персональной спутниковой связи, а именно к архитектуре абонентского терминала сети персональной спутниковой связи в низкоорбитальной спутниковой системе.
Из уровня техники известны абонентские терминалы (АТ) сети персональной спутниковой связи (СПерСС) представляющие собой:
– спутниковый носимый телефонный аппарат, позволяющий работать как в СПерСС так и в сети подвижной связи (СПС) поколения 2G, обеспечивающий работу только на низких скоростях передачи информации (до 12 кбит/с), имеющий высокую стоимость и требующий постоянного нахождения на открытом воздухе для обеспечения радиовидимости спутников-ретрансляторов;
– специальные адаптеры спутниковых вызовов «Thuraya SatSleeve», в которые можно вставлять смартфон обеспечивающие работу только на низких скоростях передачи информации и требующие постоянного нахождения на открытом воздухе для обеспечения радиовидимости спутников-ретрансляторов (СР);
– точки доступа к узкополосному спутниковому каналу (ТДУ) связи «IridiumGO» (см. US9252868 от 02.02.2016, US2016087339 от 24.03.2016, USD768127 от 04.10.2016) и «Inmarsat IsatHub» (см. US6542117 от 01.04.2003, EP0845870 от 03.06.1998), работающие на малонаправленную антенну и обеспечивающие работу только на низких скоростях передачи информации;
– точки доступа к широкополосному (ТДШ) спутниковому каналу связи, работающие на остронаправленную антенну типа фазированная антенная решетка (ФАР) в L-диапазоне, которые имеют значительные массогабаритные характеристики, делающие их не носимыми, а возимыми и, кроме того, обеспечивающие не высокую скорость передачи информации (до 1 Мбит/с).
Отличительной особенностью таких АТ является то, что они работают, как правило, в диапазонах частот L и S.
Известно также техническое решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения, раскрытое в описании (см. RU2614049C2, 22.03.2017), в котором обеспечение абонентов доступом к телефонной связи осуществляется за счет снабжения низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (НОСР) многолучевыми антеннами и применения оптимизированного частотно-орбитального плана для уменьшения взаимовлияния абонентов и пересекающихся зон обслуживания космических аппаратов (КА) из разных орбитальных плоскостей, что позволит увеличить энергетику радиолиний и использовать в абонентских терминалах простые малогабаритные ненаправленные антенны, что снижает габариты, массу и энергопотребление абонентских терминалов.
Недостатком указанного в качестве наиболее близкого аналога технического решения является то, что данное решение не обеспечивает потребителя широкополосным доступом в сеть Internet.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение широкополосного доступа к сети Internet через СПерСС в местах, где отсутствует доступ к сети Internet через наземные проводные или радиосети;
достижение небольших размеров и веса, которые делают АТ персональным (носимым) и позволяют переносить ТДУ и ТДШ в одном чехле со смартфоном или планшетом;
обеспечение наличием ТДУ и ТДШ, которое позволяет абоненту свободно перемещаться в зоне радиодоступа сети “Blue Tooth” или “Wi-Fi”, не задумываясь о необходимости нахождения в зоне радиосвязи (ЗРС) НОСР;
обеспечение наличия ТДУ и ТДШ, которое  позволяет создать алгоритм работы, при котором постоянно в СПерСС работает только ТДУ, потребляющая значительно меньше электроэнергии, чем ТДШ, что позволяет снизить энергетические затраты АТ в целом, применение сразу двух диапазонов S и Ка позволяет абоненту при обильных атмосферных осадках всегда быть на связи, но без широкополосного доступа к сети Internet (т.к. в Ка-диапазоне во время дождя существенно ухудшается прохождение сигналов).
Технический результат заявленного изобретения достигается посредством создания архитектуры АТ СПерСС, содержащей АТ, который  состоит из трех независимых модулей, первый из которых может быть выбран из группы: смартфон, планшет или ноутбук; второй обеспечивает телефонную связь, третий обеспечивает широкополосной доступ в сеть Internet, при этом второй модуль обеспечивает доступ к узкополосному спутниковому каналу связи в S-диапазоне для приема на малонаправленную спиральную антенну пилот-сигналов, сигналов вызова и синхронизации в служебном канале и режим телефонной связи и SMS-сообщний, третий модуль обеспечивает доступ к широкополосному спутниковому каналу связи работающего в Ка-диапазоне для обеспечения широкополосного доступа в сеть Internet через СПерСС с использованием ФАР, при этом второй и третий модуль выполнены с возможностью совместного или раздельного использования, а их размеры соизмеримы с размерами первого модуля.
В частном варианте выполнения второй модуль содержит модем S-диапазона, ГЛОНАСС-приемник, модем Blue Tooth, интерфейс USB.
В другом частном варианте выполнения третий  модуль содержит  передающую ФАР Ka-диапазона, приемную активную фазированную антенную решетку (АФАР) Ka-диапазона, модем Ka-диапазона, интерфейс USB, модем Blue Tooth, модем Wi-Fi, интерфейс Ethernet.
В еще одном частном варианте выполнения размеры и форма третьего модуля повторяет размеры и форму первого модуля, а второй модуль имеет форму малогабаритного параллелепипеда, цилиндра или усеченного конуса с расположенной в верхней части раздвижной антенной на выдвигающемся стержне.
Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими рисунками:
Фиг. 1 – внешний вид ТДШ (спутникового маршрутизатора);
Фиг. 2 – внешний вид ТДШ (спутникового маршрутизатора) с подключенным к нему по USB-порту ТДУ (спутникового телефона);
Фиг. 3 – обобщенная схема организации связи АТ в СПерСС и СПС;
Фиг. 4 – функциональная схема АТ;
Фиг. 5 – структурная схема передающей щелевой ФАР ТДШ для ношения со смартфоном в одном чехле;
Фиг. 6 – структурная схема приемной щелевой АФАР ТДШ для ношения со смартфоном в одном чехле;
Фиг. 7 – алгоритм работы АТ при инициализации вызова с АТ в узкополосном канале связи;
Фиг. 8 – алгоритм работы АТ при получении сигнала вызова в узкополосном канале связи;
Фиг. 9 – алгоритм работы АТ при получении вызова в широкополосном канале связи;
Фиг. 10 – алгоритм работы АТ при инициализации широкополосного доступа в Internet (или широкополосного вызова) с АТ в Ка-диапазоне.
Позиции на фиг. 1 - 9 обозначают следующее:
1 –НОСР;
2 –КА ГЛОНАСС;
3 – модем S-диапазона ТДУ;
4 – модем Ка-диапазона точки доступа к широкополосному каналу связи ТДШ;
5 – смартфон или планшетный компьютер;
6 – базовая станция (БС) СПС;
7 – приемо-передающая малонаправленная антенна (МНА) S-диапазона;
8 – передающая ФАР Ka-диапазона ТДШ;
9 – приемная АФАР Ka-диапазона ТДШ;
10 –ТДШ;
11 –ТДУ;
12 – ГЛОНАСС-приемник ТДУ;
13 – модем Blue Tooth ТДШ;
14 – интерфейса USB ТДШ;
15 – интерфейс USB ТДУ;
16 – модем Blue Tooth ТДУ;
17 – модема Wi-Fi ТДУ;
18 – второй интерфейс USB ТДУ;
19 – интерфейс Ethernet ТДУ;
20 – ГЛОНАСС-приемник ТДУ;
21 – кварцевый генератор частоты ТДУ;
22 – малошумящий антенный усилитель-конвектор (МШУ-К) S-диапазона ТДУ;
23 – усилитель мощности-конвектор (УМ-К) S-диапазона ТДУ;
24 – модулятор ТДШ;
25 – демодулятор ТДШ;
26 – маршрутизатор ТДУ;
27 – интерфейс USB ТДУ;
28 – интерфейс Blue Tooth ТДУ;
29 – контролер управления работой ТДУ;
30 – кварцевый генератор частоты ТДШ;
31.1 – 31.N – МШУ-К Ка-диапазона ТДШ;
32 – предварительные МШУ Ка-диапазона ТДШ;
33 – усилитель мощности-конвектор (УМ-К) Ка-диапазона ТДШ;
34 – модулятор ТДШ;
35 – демодулятор ТДШ;
36 – маршрутизатор ТДШ;
37 – интерфейс USB ТДШ;
38 – интерфейс Blue Tooth ТДШ;
39 – контролер управления работой ТДШ;
40 – интерфейс Ethernet ТДШ;
41 – интерфейс Wi-Fi ТДШ;
42 – сумматор высокочастотных сигналов (ВЧ) ТДШ;
43 – делитель ВЧ-сигналов ТДШ;
44.1 – 44.N – фазовращатели (ФВ) приемной ФАР ТДШ;
45.1 – 45.N – ФВ передающей ФАР ТДШ;
46 – диаграммообразующая схема ТДШ;
47 – блок автосопровождения частоты ТДШ.
Заявленное устройство выполнено следующим образом.
АТ состоит из: смартфона или планшетного компьютера 5, ТДУ 11 и ТДШ 10, которые соединяются между собой проводными соединениями USB или беспроводными соединениями Blue Tooth, ТДУ 11 может подключаться непосредственно как к USB-порту ТДШ 10, так и к смартфону или планшетному компьютеру 5, кроме того, к ТДШ 10 беспроводными соединениями Wi-Fi могут быть подключены смартфоны, планшеты и ноутбуки, а по проводным соединениям Ethernet могут быть подключены ноутбуки и компьютеры.
Три варианта исполнения АТ:
6 дюймов1)  для ношения в одном чехле смартфона размером 6 дюймов, ТДШ 10, размером 6 дюймов и ТДУ 11;
8 дюймов2)  для ношения в одном чехле планшетного компьютера размером 8 дюймов, ТДШ 10 размером 8 дюймов и ТДУ 11;
10 дюймов3)  для ношения в одном чехле планшетного компьютера размером 10 дюймов, ТДШ 10 размером 10 дюймов и ТДУ 11.
Во всех трех вариантах исполнения размеры и форма ТДШ 10 повторяет размеры и форму смартфона (или планшетного компьютера) 5, а ТДУ 11 имеет форму малогабаритного параллелепипеда, цилиндра или усеченного конуса с расположенной в верхней части раздвижной антенны на выдвигающемся стержне. Такая конструкция позволяет хранить и переносить АТ в одном чехле.
ТДУ 11 состоит из: приемо-передающей МНА S-диапазона 7, выполненной из спиральной антенны на выдвигающемся стержне, модема S-диапазона 3, ГЛОНАСС-приемника 12, модема Blue Tooth 13 и интерфейса USB 14.
ТДШ 10 состоит из: передающей ФАР Ka-диапазона 8, приемной АФАР Ka-диапазона 9, модема Ka-диапазона 4, модема Blue Tooth 16, модема Wi-Fi 17, двух интерфейсов USB 15 и 18, интерфейса Ethernet 19.
Более подробно состав АТ представлен на обобщенной функциональной схеме.
Модем S-диапазона 3 ТДУ состоит из: приемо-передающей МНА 7 ГЛОНАСС-приемник S-диапазона, соединенной внутренними коаксиальными кабелями с МШУ-К 22 S-диапазона, усилителем мощности-конвектором (УМ-К) 23 S-диапазона и ГЛОНАСС-приемником 20; МШУ-К 22, соединен внутренним коаксиальным кабелем с демодулятором 25 и внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 21; демодулятор 25, соединен внутренней шиной передачи данных информационного канала с маршрутизатором 26, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 29 и внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 21; маршрутизатор 26, соединен внутренней шиной передачи данных информационного канала с интерфейсом USB 27 и интерфейсом Blue Tooth 28, а так же соединен, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 29;
УМ-К 23 S-диапазона соединен с соединен внутренним коаксиальным кабелем с модулятором 24 и внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 21; модулятор 24 соединен внутренней шиной передачи данных информационного канала с маршрутизатором 36, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 29 и внутренней шиной кварцевым генератором частоты 21.
Модем Ка-диапазона 3 ТДШ состоит из: приемной АФАР Ka-диапазона 9, соединенной волноводными трактами с предварительными МШУ 31.1 – 31.N, соединенных волноводными трактами с фазовращателями (ФВ) 44.1 – 44.N, соединенных с сумматором ВЧ-сигналов 42, соединенным волноводными трактами с МШУ-К Ка-диапазона 31, соединенным внутренним коаксиальным кабелем с демодулятором 35 и внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 30; демодулятор 35 соединен внутренней шиной передачи данных информационного канала с маршрутизатором 36, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 39 и внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 30; маршрутизатор 36, соединен внутренними шинами передачи данных информационного канала с интерфейсами: USB 37, Blue Tooth 38, Ethernet 40 и Wi-Fi 41, а так же соединен, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 49;
ФВ 44.1 – 44.N приемных АФАР соединены с диаграммообразующей схемой 46, соединенной с блоком автосопровождения частоты 47, соединенным внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 39, а так же соединен внутренней шиной с кварцевым генератором частоты 30;
передающая ФАР 8 Ka-диапазона соединена с ФВ 45.1 – 45.N, соединённых с делителем ВЧ-сигналов 43, соединенного с УМ-К Ка-диапазона 32, соединенного с модулятором 34, соединённого внутренней шиной передачи данных информационного канала с маршрутизатором 36, внутренней шиной передачи данных канала управления с контролером управления работой 39 и внутренней шиной с  кварцевым генератором частоты 30;
ФВ (45.1 – 45.N) передающие ФАР соединены с диаграммообразующей схемой 46.
Далее в качестве неисключающего примера приведены основные технические характеристики заявляемого устройства:
1) технические характеристики ТДУ:
1.1) Синхронизация встроенного кварцевого синтезатора частоты – внешняя от 1Гц, принимаемого внешним GPS/ГЛОНАСС-приемником и передаваемого через внешний разъем.
1.2) Характеристики радиоинтефейса абонентской спутниковой радиолинии в S-диапазоне:
1.2.1) протокол передачи информации – CDMA, применяемый в наземных сетях подвижной связи второго поколения (2G) стандарта IS-95;
1.2.2) способы модуляции – QPSK, BPSK;
1.2.3) способы кодирования: внутреннее – сверточное, внешнее – турбокод Рида-Соломона, широкополосное расширение спектра на основании кодов Уолша ;
1.2.4) способ разделения каналов – (MF-CDMA) множественный доступ с частотно-кодовым разделением каналов;
1.2.5) структура сигналов – шумоподобные широкополосные сигналы;
1.2.6) частотный диапазон:
– радиолиния вниз: 21,7 ÷ 2,2 ГГц;
– радиолиния вверх: 1,98 ÷ 2,01 ГГц;
1.2.7) мощность излучения – до 0,5 Вт;
1.2.8) скорость передачи информации:
– радиолиния вниз: 12 ÷ 24 кбит/с;
– радиолиния вверх: 6 ÷ 12 кбит/с.
1.3) габариты ТДУ:
– minium – 145*10÷20*8 ÷15 мм;
– medium – 185*10÷20*10÷20 мм;
– maximum – 250*10÷20*10÷20 мм.
2) технические характеристики ТДШ:
2.1) Синхронизация встроенного кварцевого синтезатора частоты – внешняя от 1Гц, принимаемого от ТДУ и через внешний разъем.
2.2) Характеристики радиоинтефейса абонентской спутниковой радиолинии в Ка-диапазоне:
2.2.1) технология – W-CDMA, применяемая в наземных сетях подвижной связи третьего поколения (3G) стандарта UMTS или ортогональное частотное мультиплексирование (OFDMA) WiMAX стандарта IEEE 802.16;
2.2.2) способы модуляции – QPSK, BPSK;
2.2.3) способы кодирования: внутреннее – сверточное, внешнее – турбокод Рида-Соломона, широкополосное расширение спектра на основании кодов Уолша ;
2.2.4) способ разделения каналов –множественный доступ с частотно-кодовым разделением каналов (MF-CDMA) для технологии W-CDMA или ортогональное частотное мультиплексирование (OFDMA) для технологии WiMAX;
2.2.5) структура для технологии W-CDMA сигналов  – шумоподобные широкополосные сигналы, а для технологии WiMAX – радиосигналы на ортогональных поднесущих частотах;
2.2.6) частотный диапазон:
– радиолиния вниз: 17,7 ÷ 20,2 ГГц;
– радиолиния вверх: 27,5 ÷ 30 ГГц;
2.2.7) мощность излучения – до 0,5 –  Вт;
2.2.8) скорость передачи информации:
– радиолиния вниз: 512 ÷ 4096 Мбит/с;
– радиолиния вверх: 128 ÷ 1024 Мбит/с.
2.3) габариты ТДШ без блока питания:
– minium – 145*75*8÷15 мм;
– medium – 185*105*10÷20 мм;
– maximum – 250*158*10÷25 мм.
Далее описана работа заявленного устройства.
Режимы работы АТ:
1) в узкополосном режиме работы в S-диапазоне:
1.1) прием АТ сигнала вызова в узкополосном режиме работы (УРР);
1.2) передача сигнала вызова в УРP;
2) в широкополосном режиме работы:
2.1) прием АТ сигнала вызова в широкополосном режиме работы (ШРР) от абонента или сервера сети Internet;
2.2) передача сигнала вызова абонента в ШРP или передача запроса серверу сети Internet.
АТ может работать только как смартфон в СПС, а при пропадании связи в СПС, переходит на режим работы в S-диапазоне (узком канале связи) абонентской радиолинии (АРЛ) спутниковой связи (СС), при этом активируется работа приемного тракта ТДУ. Для обеспечения работы в АРЛ спутниковой связи необходимо выйти на открытое место и установить ТДУ и ТДШ, направив их антенны вверх, при этом ТДУ в работе можно иметь при себе или подключить к интерфейсу USB ТДШ. Для обеспечения работы ТДШ необходимо установить её на горизонтальную площадку, т.к. антенны ТДШ остронаправленные. Смартфон с применением ТДУ в АРЛ СС может работать только на прием телефонии и SMS-сообщений, а если необходим широкополосный доступ в сеть Internet, то отдельно необходимо приобрести, установить и активировать ТДШ. На выбор пользователя можно приобрести только ТДУ и не приобретать ТДШ, но ТДШ отдельно от ТДУ работать не может, а ТДУ без ТДШ работать может.
ТДУ при активации переходит в дежурный режим приема пилот-сигналов и сигналов вызова в служебном канале АРЛ СС от НОСР. Принимая постоянно IP-пакеты в служебном канале, ТДУ читает их заголовки и определив, что в поле IP-адрес получателя указан его IP-адрес инициирует сперва процедуру выбора НОСР для регистрации, затем отсылает к выбранному НОСР запрос на регистрацию, получив положительный ответ, настраивает свой ВЧ-тракт для работы с предоставленным ресурсом бортового-ретрансляционного комплекса (БРК) НОСР (частота и код последовательности ШПС), затем формирует сигнал ответа вызывающему абоненту и передает его на НОСР, который ретранслирует его вызывающему абоненту.
Если ТДУ получает вызов, требующий ответа в широкополосном канале, то ТДУ по интерфейсу USB или радиоинтерфейсу Blue Tooth передает сигнал вызова на ТДШ, кроме того ТДУ активирует прием сигналов с баллистической информацией о трассе пролета НОСР в служебном канале и затем передает эту информацию на ТДШ. ТДШ, получив сигнал вызова и баллистическую информацию от ТДУ, формирует на передающей ФАР направленный на НОСР луч, а приемную АФАР настраивает на прием сигналов в определенном направлении от НОСР. Приемная АФАР и передающая ФАР ТДШ постоянно отслеживают свое направление на НОСР в режиме автосопровождения. При переключении на другой НОСР, приемная АФАР и передающая ФАР ТДШ переходят на его отслеживание. При окончании сеанса широкополосного доступа ТДШ переходит в дежурный режим приема сигналов вызова от ТДУ.
Обобщая вышесказанное, еще раз остановимся на отличительных особенностях заявленного изобретения:
1) состоит из трех модулей:
смартфона, или планшета, или ноутбука;
точки доступа к узкополосному спутниковому каналу связи, работающей в S-диапазоне для приема на малонаправленную спиральную антенну пилот-сигналов, сигналов вызова и синхронизации в служебном канале и для обеспечения режима телефонной связи и SMS-сообщений;
точки доступа к широкополосному спутниковому каналу связи работающего в Ка-диапазоне для обеспечения широкополосного доступа в сеть Internet через СПерСС с использованием фазированной антенной решетки (ФАР);
2) точка доступа к узкополосному спутниковому каналу связи и точка доступа к широкополосному спутниковому каналу связи не содержит встроенного модуля для работы в сети СПС поколений 2G, 3G и 4G, а подключается к любому смартфону, планшетному компьютеру или ноутбуку по беспроводным соединениям Blue Tooth или Wi-Fi, что уменьшает стоимость АТ, позволяет пользователю не держать при себе ТДУ и ТДШ СПерСС, а достаточно находиться в зоне действия радиосетей Blue Tooth или Wi-Fi, разрешает увеличить мощность передачи АТ выше допустимой в мобильном телефоне санитарными требованиями для увеличения скорости передачи информации;
3) в отличие от подобных решений в АТ «Thuraya SatSleeve» предлагаемая точка доступа к узкополосному спутниковому каналу связи может работать как подключенной к корпусу смартфона, так отдельно от него, что позволяет абоненту свободно перемещаться в зоне радиодоступа сети “Blue Tooth”, не задумываясь о необходимости нахождения в ЗРС НОСР;
4) в отличие от подобных решений в АТ «IridiumGO» и «Inmarsat IsatHub» предлагаемая точка доступа к широкополосному спутниковому каналу связи оснащена ФАР, а не малонаправленными антеннами и поэтому обеспечивает широкополосный доступ в сеть Internet;
5) в отличие от подобных решений в АТ «Iridium Pilot» предлагаемая точка доступа к широкополосному спутниковому каналу связи оснащена ФАР, работающих в Ка-диапазоне и поэтому имеющая меньшие габариты, позволяющие сделать АТ персональным (носимым), а не автомобильным (возимым);
6) кроме того, работа предлагаемой точки доступа к широкополосному спутниковому каналу связи в Ка-диапазоне позволяет обеспечить в несколько раз большую скорость передачи информации при сопоставимых с в АТ «Iridium Pilot», «IridiumGO» и «Inmorsat IsatHub» энергетических затратах;
Заявленное изобретение обеспечивает:
1) широкополосной доступ к сети Internet через СПерСС в местах где отсутствует доступ к сети Internet через неземные проводные или радиосети;
2) небольшие размеры и вес делают АТ персональным (носимым) и позволяют переносить ТДУ и ТДШ в одном чехле со смартфоном или планшетом;
3) наличие ТДУ и ТДШ  позволяет абоненту свободно перемещаться в зоне радиодоступа сети “Blue Tooth” или “Wi-Fi”, не задумываясь о необходимости нахождения в ЗРС НОСР;
4) наличие ТДУ и ТДШ  позволяет создать алгоритм работы при котором постоянно в СПерСС работает только ТДУ, потребляющая значительно меньше электроэнергии чем точка доступа к широкополосному каналу связи, позволяет снизить энергетические затраты АТ в целом;
5) применение сразу двух диапазонов S и Ка позволяет абоненту при обильных атмосферных осадках всегда быть на связи, но без широкополосного доступа к сети Internet (т.к. в Ка-диапазоне во время дождя существенно ухудшается прохождение сигналов).
Заявляемый технический результат достигается следующим:
1) применением ТДУ, постоянно работающей в СПерСС и обеспечивающей прием в S-диапазоне сигналов вызова, пилот-сигналов и сигналов синхронизации, а, так же, обеспечивающей работу в режиме телефонии и приема SMS-сообщений;
2) применением ТДШ, включающуюся в работу в СПерСС в Ka-диапазоне и обеспечивающей широкополосный доступ к сети Internet;
3) применением радиосетей Blue Tooth или Wi-Fi для доступа к СПерСС со смартфона через точки доступа, а, так же возможностью подключения к ТДУ по протоколу USB и возможностью подключения к ТДШ по протоколам USB и Ethernet.