Энергетический бюджет спутниковых радиолиний связи

УДК 621.391

С. Н. НАЗАРОВ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЮДЖЕТ СПУТНИКОВЫХ РАДИОЛИНИЙ СВЯЗИ

Рассматривается решение задачи выбора структуры передаваемых сигналов и способов их обработки, позволяющих наилучшим образом адаптироваться к стандартизованным параметрам стволов бортового ретрансляционного комплекса для решения конкретных прикладных задач. При этом возникает необходимость рассмотрения различных сочетаний методов модуляции и кодирования.

Ключевые слова: модуляция, кодирование, квадратурная фазовая манипуляция, энергетический бюджет спутниковых каналов связи

При разработке спутниковых сетей связи (ССС) важной задачей является выбор рациональных способов модуляции и кодирования передаваемых цифровых сигналов. При этом следует стремиться к компромиссу между количеством связных ресурсов канала, расходуемых на передачу цифровой информации с заданной скоростью, и качеством и сложностью используемых алгоритмов обработки, а также вносимой ими задержкой.

При фиксированных скорости и качестве передачи информации в радиоканале связи существуют обменные соотношения между частотным и энергетическим ресурсами канала связи. На практике возникает задача выбора структуры передаваемых сигналов и способов их обработки таким образом, чтобы наилучшим образом адаптироваться к стандартизованным параметрам стволов бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) спутника-ретранслятора (СР) для решения конкретных прикладных задач. При этом возникает необходимость рассмотрения различных сочетаний методов модуляции и кодирования.

На рисунке 1 точками отмечены некоторые комбинации способов модуляции-кодирования в координатах «Требуемое пороговое отношение

сигнал/шум — (требуемый энергетический

потенциал канала на 1 бит передаваемой информации) — отношение полосы частот передаваемого по каналу связи сигнала к информационной полосе частот полезного сигнала (полоса частот канала связи на 1 бит передаваемой информации)» [9], рекомендуемые организацией Intelsat для применения в ССС: ФМ-4 + СК — квадратурная фазовая манипуляция в сочетании со сверточным кодированием и декодированием по

© Назаров С. Н., 2010

алгоритму Витерби с «мягкими» решениями на входе второй решающей схемы. Сверточные коды имеют длину кодовых ограничений, равную 7, и возможные скорости 1 (безызбыточное кодирование); 0,875 (7/8); 0,75 (3/4); 0,5 (1/2); ФМ-4 +СК + КРС - квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с каскадным кодированием. В качестве внутреннего кода используется сверточный код со скоростями 3/4 или 1/2, а внешнего - код Рида-Соломона (219,201) со скоростью

0,917 (11/12); ФМ-8 + РК - восьмиуровневая фазовая манипуляция в сочетании с решетчатым кодированием со скоростью 0,67 (2/3); КАМ-16 + СК - шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная манипуляция в сочетании со сверточным кодированием со скоростями 0,875 (6/7) и 0,75 (3/4); не входящая в состав рекомендованных Intelsat комбинация ФМ-4 и матричного турбокодирования со скоростью 0,75 (3/4).

Из рисунка 1 следует, что наилучшими показателями помехоустойчивости при достаточно экономичном расходовании полосы частот обладают матричные турбокоды (МТК). Высокая помехоустойчивость МТК объясняется практической реализуемостью итерационного декодирования кодов со значительной блоковой длиной. Однако задержка обработки при этом максимальна среди всех перечисленных выше способов модуляции-кодирования. Наилучшее использование полосы частот при сохранении приемлемо высокой помехоустойчивости обеспечивает восьмифазная ФМ в сочетании с решётчатым кодированием — РК (ТСМ - Trellis Coded Modulation) [1]. Достоинством РК является также то, что оно в наименьшей степени подвержено негативному влиянию нелинейных явлений в спутниковом радиоканале. Однако РК является само по себе нелинейной схемой, и его практическое применение ограничивается чрезмерной сложностью оптимального приёмника.

Ь2Я [дб] 1 1 <1

13 ^ 7 г» 0,875 О

12- \

8\г-0,75

11 - КАМ-16 + СК

10- 9 о г= 0,67

9- ФМ-8 + РК

8.

7-

6-

5-

4.

3-

2. \ теоретичес

1.

0 1 1

р- 10

-7

ФМ-4 + СК

г~ 0,5

5 *г=0,69

^5:

10 • г =0,75 ФМ-4 + МТК

С 6 г=0,46

0,3 0,5 0,7 0,9 1,1, 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 5 =

Д/и

Рис. 1. Пороговое отношение сигнал/шум для некоторых способов модуляции-кодирования

цифрового сигнала

Использование же более простых линейных приёмников приводит к потере эффективности [2]. Шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная манипуляция наиболее эффективна с точки зрения полосы частот, но имеет наихудшие показатели помехоустойчивости и предъявляет наиболее жёсткие требования к линейности тракта передачи. Поэтому использование КАМ-16 ограничивается лишь ретрансляторами с избыточным энергетическим потенциалом. Кроме того, увеличение кратности модуляции приводит к увеличению времени вхождения в связь (в синхронизм), что чаще всего неприемлемо. В силу указанных причин наибольшее практическое использование в спутниковых радиоканалах нашла квадратурная фазовая манипуляция.

Рассмотрим энергетический бюджет спутниковых каналов связи глобальной ССС фиксированной службы диапазона 6/4 ГГц. Основным назначением подобных ССС является организация магистральных каналов связи, а также первичное распределение и обмен телевизионных программ. Под каждый магистральный канал выделяется один из стволов ретранслятора. Земные станции магистральной спутниковой связи обычно выполняют многоканальными, способными организовать несколько магистральных каналов через несколько стволов одного ретранслятора. ЗС оборудуются следящими приёмопередающими антеннами диаметром 9-15 метров. Усилителем мощности обычно является

клистрон или лампы бегущей волны (ЛБВ), в зависимости от ширины полосы частот. Выходная мощность передатчиков составляет 0,75-3 кВт на каждый ствол. Типовое значение ЭИИМ земной станции в глобальных сетях равно 26-30 дБВт. Стволы ретрансляторов С-диапазона в подобных сетях обычно имеют полосу пропускания 36 МГц и усилители с выходной мощностью 10-30 Вт. Оценка энергетических соотношений в каналах связи сети выполнена при следующих исходных данных: угол обзора области обслуживания из точки стояния ГСР р = 16°, диаметр антенны ЗС равен 11 м, мощность передатчика на ствол 500 Вт, шумовая температура приёмной системы ЗС - 150 К. Полоса пропускания ствола ретранслятора - 36 МГц, а его выходная мощность - 20 Вт.

Расчёт значений основных параметров осуществлён на основе математических зависимостей, приведённых в работах [3-9]. Результаты расчётов показаны в таблицах 1, 2.

В таблице 2 приведены результаты расчёта пропускной способности спутникового канала связи, полученные в соответствии с приведёнными соображениями для способов модуляции-кодирования, показанных на рисунке 1. Из этой таблицы следует, что в рассматриваемом примере наилучшим образом сочетается использование энергетического и частотного ресурсов спутникового ствола при комбинировании ФМ-4 и свёрточного кода со скоростью 3/4, что позволяет обеспечить высокую пропускную способность канала связи. Использование менее мощных по энергетике кодов приводит к необходимости для обеспечения требуемого качества передачи увеличивать отношение сигнал/шум на входе д

нии пропускной способности и соответствующем сокращении полосы частот передаваемого сигнала. Например, при безызбыточном кодиро-

* - 1-3’ А' т!

вании для обеспечения требуемого Ь =13,4 дБ приходится ограничиться пропускной способностью канала 8,2 Мбит/с. При этом будет использоваться лишь 23% доступной полосы частот, причём освободившаяся часть полосы частот никакой практической пользы принести не может, поскольку необходимая для этого энергия отсутствует. Более того, при непосредственной ретрансляции избыточная полоса частот даже вредна, поскольку часть полезной мощности передатчика ретранслятора отбирается на бесполезное переизлучение шумов радиолинии ЗС-ГСР, попадающего в эту «лишнюю» полосу частот. Использование более мощных кодов с меньшей скоростью также невыгодно. В этом

что возможно лишь при сниже-

°кодср

Энергетический бюджет каналов связи ЗС-ГСР

Параметр Значение

Тип ССС, площадь области обслуживания, млн кв. км Глобальная 140

Угол обзора области обслуживания, град 16

Частотный диапазон, ГГц 6

Диаметр передающей антенны, м 11

Коэффициент усиления передающей антенны ЗС 55,2

Ширина диаграммы направленности передающей антенны ЗС, град 0,3

Выходная мощность передатчика ЗС, дБВт

Потери сигнала на передающей стороне, дБ 1

ЭИИМ ЗС, дБВТ 81,2

Полоса частот, МГц 36

Потери наведения антенн, дБ 3,3

Потери сигнала в свободном пространстве, дБ 200

Потери сигнала в невозмущённой атмосфере, дБ 0,2

Коэффициент усиления приёмной антенны ретранслятора, дБ 20

Полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора, К 1000

Добротность приёмной системы ретранслятора, дБ/ К -10

Потери сигнала в приёмном тракте ретранслятора, дБ 1

Мощность полезного сигнала на входе приёмника ретранслятора, дБВт -103,3

Таблица 2

Пропускная способность и энергетический запас магистрального спутникового канала

при разных способах модуляции-кодирования

Способ модуляции г К [ДБ] h2 [ДБ] С [Мбит/с] Af [МГц] 'Н

ФМ-4+СК 1 1 13.4 0 8,2 8,2 0,23

2 0.875 9,4 0 20,7 23,7 0,66

3 0,75 8,3 0 26,6 35,5 0,97

А т 0.5 У V 6.7 •У • 1 Й X KJ f А

ФМ-4 5 0.69 5,8 УХ- /-V 2,5 Л J Л /4,5 Л /• .30 *1 і

+СК+КРС 6 0.46 '-1 ю , 6,16 16,6 36 1

КАМ- 7 0,875 12.8 0 14,0 10,7 0,3

16+СК 8 0.75 11.7 0 >—* оо о 1 16,0 0,44

ФМ-8+РК 9 0,67 9,8 0 18,8 18.8 0,52

ФМ-4+МТК 10 0,75 4,1 2,9 . 27,0 36 1

случае приходится идти на снижение пропускной способности канала связи, чтобы «втиснуть» полосу частот передаваемого сигнала в доступную полосу частот ствола ретранслятора. При этом возникает энергетический запас, который, конечно, повышает качество передачи, но с точки зрения разработчика является расточительством. Узкополосные виды модуляции КАМ-16 и ФМ-8 в данном случае неконкурентоспособны, поскольку они ориентированы в первую очередь на эффективное использование по-

лосы частот при наличии свободных энергоресурсов [3].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Hung, A, Montpetit M.J., Kesidis G. ATM via Satellite: A Framework and implentaion. - Wireless Networks, vol.4, №2, April, 1998. - Pp. 141—145.

2. Sari, H., Karam G., Paxal V. Trellis-coated constant envelope modulations with linear receivers.

— IEEE Transaction on Communications, Vol. 44, №10, October, 1996.

3. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи : учеб. пособие / В. Е. Камнев, В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. - М. : «Альпина Паблишер», 2004. -536 с.

4. Справочник по радиолокации / под ред. М. Сколника. - М. : Советское радио, 1976. -Т.1.-455 с.

5. Crane, R. К. Prediction on attenuation by rain.

— IEEE Transaction on Communications, COM-28, №.9, September, 1980.

6. Ippolito, L. J. Propagation effects handbook for satellite systems design. A summary of propagation impairments on 10 to 100 GHz satellite links with techniques for system design. - NASA Reference Publication 1082 (4), N89-17060, February, 1990.

7. Christopher, P. Atmospheric attenuation for correlated satellite communications ground sites. -

Proceedings of the International Communications Conference, Boston, June, 1983.

8. Регламент радиосвязи. Т. 1. - М. : Радио и связь, 1985. - 509 с.

9. Диденко, М. Г. Магистральная спутниковая связь: проблемы и решения М. Г. Диденко, И. Н. Столяров // Спутниковая связь. - 2001. - №1. -С. 18-24. - (Приложение к журналу «Технологии и средства связи»).

Назаров Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики У ВАУ ГА (института), докторант УлГГУ с 2008 г., круг интересов: системы и сети беспроводной связи, математические методы моделирования.

*