RESEARCH OF EFFICIENCY OF USE OF DIGITAL PROCESSING IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS

Full Text

Исторически развитие спутниковых систем связи началось в середине прошлого века. В настоящее время существует большое количество спутниковых систем связи (ССС). Интенсивное развитие спутнико- вой связи обусловлено глобальной зоной покрытия и возможностью обеспечения связью труднодоступных районов Земли. Несмотря на все преимущества, спут- никовая связь имеет существенные недостатки: высо- кую стоимость и узкий ассортимент предоставляемых услуг, высокую стоимость абонентских терминалов, низкую пропускную способность каналов связи. Ис- пользование цифровой обработки сигналов (ЦОС), крупногабаритных многолучевых антенн позволяет повысить эффективность работы ССС и делает воз- можным уменьшение стоимости оказываемых услуг. Анализ существующих систем связи позволяет сде- лать вывод о перспективности разработки новых ти- пов транспондеров для космического аппарата (КА), использующих бортовую цифровую платформу для регенерации и коммутации большого количества сиг- налов от абонентских терминалов. Применение ЦОС на борту КА помимо ряда других преимуществ позволяет добиться снижения стоимости наземного сегмента за счет возможности обеспечения прямой связи абонент–абонент, что приведет к сокра- щению количества наземных станций ретрансляции. Особый интерес представляет возможность использо- вания на борту КА технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode) для коммутации сигналов. Принципы работы АТМ-коммутации заключаются в следующем. Передача речевого сигнала от одного из собеседников ведется примерно в течение 40 % обще- го времени разговора. АТМ-коммутация позволяет использовать это время для передачи речевых сигна- лов других абонентов или других типов сигналов (данные, видео и пр.) [1]. Все сигналы, которые уча- ствуют в сети АТМ, проходят дополнительную циф- ровую обработку в пограничных устройствах АТМ- сети, которая основана на разбиении на пакеты. Пакет состоит из заголовка и полезных данных. Информа- ции, содержащейся в заголовке, достаточно для того, чтобы доставить пакет по назначению. Далее все па- кеты поступают в матрицы временного ожидания. Каждый канал коммутатора АТМ периодически оп- рашивает матрицы ожидания. Если в них находятся пакеты, то они тут же отправляются по назначению, если нет, то формируются пустые пакеты. На входе приемного устройства все пакеты собираются в со- общение по информации, которая содержится в их заголовке. Рассмотрим структурную схему бортового мар- шрутизатора (рис. 1). Рис. 1. Структурная схема бортового маршрутизатора Коммутатор потоков обеспечивает высокоскоро- стную установку маршрутов передачи для всех пото- ков. Имеет защиту от вторжений, поскольку не ис- пользует протокол маршрутизации (метод таблично- несвязанной маршрутизации). Запись в маршрутную таблицу осуществляется после прохождения этапа криптозащиты канала связи. Формирователь пакетов (ФП)/Деформирователь пакетов (ДФП) обеспечивает упаковку и распаковку всех потоков в пакеты и выстраивание трафика с уче- том качества обслуживания для каждого потока. Адресный модуль обеспечивает задание/установ- ление адреса отправителя. Модуль содержит допол- нительный механизм аутентификации отправителя. При переходе на новый канал связи осуществляется 113 Авиационная и ракетно-космическая техника перерегистрация адреса отправителя, что обеспечива- ет мобильность соединения. Модуль криптозащиты использует типовые мето- ды для защиты канала связи. В оборудовании канала связи (приемнике и передатчике) используются типо- вые методы модуляции, полосы частот и мощности излучения. На сегодняшний день технология АТМ остается достаточно дорогой, но стоимость спутниковых сис- тем связи гораздо выше, что позволяет найти ей при- менение в этой области. В настоящее время сущест- вует яркий пример применения технологии АТМ в спутниковой связи – это КА Kizuna, который пред- назначен для обеспечения скоростным интернетом труднодоступных районов Японии. Данный КА обес- печивает скорость 155 МБит/с на линиях вверх и вниз при работе с наземным терминалом с антенной Ø 1,2 м или 1,5 МБит/с на линии вверх и 155 МБит/с на линии вниз при работе с наземным терминалом с антенной Ø 0,45 м. Преимуществом использования АТМ-тех- нологии является возможность ее сопряжения с ос- новными наиболее распространенными протоколами взаимодействия (IP, ISDN, HDTV). Важным этапом в создании спутниковых систем связи нового поколе- ния является разработка многолучевых антенн в Ка- диапазоне. Одна из основных проблем разработки и функ- ционирования телекоммуникационных систем – за- щита каналов связи от помех естественного и искус- ственного происхождения. С каждым годом радиоэлектронная обстановка в промышленно развитых регионах усложняется. Дей- ствующие процедуры распределения ограниченного радиочастотного ресурса не гарантируют оператору работу без помех. Поэтому требуются эффективные способы обеспечения защиты от помех. Методы защиты от радиопомех были разработаны еще в середине ХХ в., тщательно систематизированы и описаны в отечественной и зарубежной специаль- ной литературе, например в известных работах [2; 3]. Применение различных методов защиты от помех определяется техническими возможностями их реали- зации. Наиболее широко они используются и разви- ваются в специальных и военных системах связи, од- нако все чаще и чаще операторы гражданских систем связи вынуждены также прибегать к защите от радио- помех. В общем виде можно выделить организацион- ные, энергетические, сигнальные и пространственные методы защиты от радиопомех. В данной статье будут рассмотрены методы повышения помехоустойчивости за счет использования шумоподобных сигналов. Развитие методов цифровой обработки и элемент- ной базы позволяет реализовать на практике методы защиты от помех, основанные на формировании шу- моподобных сигналов и обеспечивающие потенци- альную помехоустойчивость в 20…30 дБ. Это прежде всего применение псевдослучайных, многочастотных и широкополосных шумоподобных сигналов, а также использование методов помехоустойчивого кодиро- вания сигналов, которые широко используются в со- временных системах спутниковой связи и демонстри- руют удовлетворительную эффективность. Главный недостаток этих методов – необходимость в более широкой полосе частот для обеспечения защиты от радиопомех. В условиях естественной ограниченно- сти радиочастотного ресурса это существенный не- достаток, который снижает эффективность примене- ния таких методов, особенно в высокоскоростных системах. Известно, что увеличение скорости переда- чи информации при неизменной ширине полосы по- лезного сигнала приводит к пропорциональному сни- жению коэффициента помехозащищенности. Поэтому помехозащищенные системы связи обладают низкой пропускной способностью. Основными базовыми методами расширения спек- тра сигналов, широко применяемыми в современных системах связи, управления и распределения инфор- мации, являются [4]: – метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП); – метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ); – метод совместного (комплексного) использова- ния различных методов, например метода непосред- ственной модуляции несущей ПСП и метода ППРЧ. Рассмотрим новый вид сигналов, полученных мо- дуляцией сигнала биортогональной вейвлет-функции, которые являются достаточно перспективными и обес- печивают наибольшую помехозащищенность [5; 6]. Моделирование проводилось в пакете MatLab. При этом были заданы следующие параметры сигнала: – скорость передачи информационного символа V = 1 кбит/с; – длина ПСП Голда N = 31. Для модуляции ПСП использовалась функция биортогонального вейвлета [7]. Анализ полученных спектров показал увеличение ширины полосы сигнала, модулированного биортого- нальной вейвлет-функцией (рис. 2) в 9 раз по сравне- нию с шириной полосы сигнала, модулированного ФМ ШПС (рис. 3). Увеличение помехозащищенности полученного сигнала пропорционально увеличению ширины полосы. Относительная помехозащищенность составляет: ФМ ШПС – 17 дБ; (W) ШПС – 26 дБ. Для обеспечения большей вероятности правильно- го выделения полезного сигнала на фоне шумов необхо- димо обеспечить наибольшее отношение сигнал/шум на входе демодулятора. Для этого в работе проведен анализ эффективности полиномиальной фильтрации (Савицко- го–Голея) [8] для наиболее распространенных в ССС типов сигналов BPSK, 8PSK, QPSK, 16QAM при от- ношении сигнал/шум 3 дБ (рис. 4–7). Значения выигрыша отношения сигнал/шум после полиномиальной фильтрации приведены в таблице. Выигрыш в отношении сигнал/шум после полиномиальной фильтрации 114 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Полученные результаты свидетельствуют о высо- кой эффективности и перспективности использования в ССС цифровой фильтрации сигналов. Итак, анализ современных тенденций развития ме- тодов формирования, фильтрации и коммутации сиг- налов показал, что спутниковые системы связи нового поколения необходимо проектировать с использова- нием единой цифровой бортовой подсистемы. Данная подсистема должна обладать высокоскоростной АТМ-коммутацией, иметь возможность менять режи- мы работы в зависимости от помеховой обстановки, выполнять адаптивную фильтрацию помех. Рис. 2. Спектр сигнала модулированного вейвлет-функцией на несущей частоте 1 660 МГц Рис. 3. Спектр сигнала ФМ ШПС на несущей частоте 1 660 МГц 115 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 4. Исходный, зашумленный и отфильтрованный сигнал BPSK Рис. 5. Исходный, зашумленный и отфильтрованный сигнал 8PSK 116 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Рис. 6. Исходный, зашумленный и отфильтрованный сигнал QPSK Рис. 7. Исходный, зашумленный и отфильтрованный сигнал 16QAM 117 Авиационная и ракетно-космическая техника Проведенные исследования показали, что модуля- ция ПСП биортогональной вейвлет-функцией повы- шает относительную помехозащищенность на 9 дБ, поэтому вопрос формирования сигналов с использо- ванием ортогональных и биортогональных вейвлет- функций требует дальнейших исследований. Прове- денный эксперимент по цифровой фильтрации пока- зал, что отношение сигнал/шум обработанного сигна- ла можно повысить на 2…7 дБ. Таким образом, для создания эффективных систем спутниковой связи необходимо развивать и внедрять методы цифровой обработки сигналов.

About the authors

A. V. Kuzovnikov

Email: ujub@list.ru.

I. A. Gulyaev

Email: dasqwaer@gmail.com.

References

Supplementary files