Радіомережі і радіотехнології Валяев В. В., СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
реклама
Радіомережі і радіотехнології 61 УДК 62-55:681.515 Валяев В. В., магистр СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ В СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 3-ГО И 4-ГО ПОКОЛЕНИЙ Валяєв В. В. Cупутникові системи в мережах мобільного зв'язку 3-го і 4-го поколінь. Зроблено аналіз послуг, зон покриття і технічних характеристик діючих глобальних і національних систем супутникового зв'язку. Розглянуто основні концепції розвитку МСС на основі рекомендацій і звітів Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ), систематизовано плани і прогнози для кожної із розглянутих в статті систем зв'язку. Валяев В. В. Cпутниковые системы в сетях мобильной связи 3-го и 4-го поколений. Сделан анализ предоставляемых услуг, зон покрытия и технических характеристик действующих глобальных и национальных систем спутниковой связи. Рассмотрены основные концепции развития МСС на основе рекомендаций и отчетов Международного союза электросвязи (МСЭ), систематизированы планы и прогнозы каждой из рассматриваемой в статье системы связи. Valyaev V.V. Satellite systems in 3G and 4G mobile communication networks. The analysis is made of provided services, coverage area and technical specifications of current global and national systems of satellite communication networks. Basic concepts of MSS development on the basis of recommendations and reports of the International Telecommunication Union (ITU) are considered. Plans and forecasts for each considered in the paper communication system are methodized. Постоянно растущий спрос на глобальные телекоммуникационные услуги является основным фактором развития услуг спутниковой связи. Неоспоримыми преимуществами спутниковой связи являются: низкие издержки на создание глобального покрытия земли и на предоставление услуг телерадиовещания, сжатые сроки строительства инфраструктуры спутниковой связи, возможность оказания услуг связи между различными регионами земного шара, и, безусловно, спутниковая связь – оптимальное решение для обеспечения населения регионов с низкой плотностью современными телекоммуникационными услугами. Особенностью современного состояния и развития телекоммуникаций является разносторонняя интеграция видов, служб, систем, средств, технологий связи, происходящая на фоне непрерывного сближения и взаимопроникновения сфер получения, обработки, доставки различных видов информации при расширении спектра и повышении качества предоставляемых пользователям услуг. Данный процесс стал возможным на рубеже тысячелетий благодаря качественно новым достижениям в таких областях как компьютеризация, электроника, обработка информации, волоконно-оптическая, спутниковая и наземная радиосвязь. Сегодняшний рынок информационных услуг ставит жесткие требования к системам связи 3-го и 4-го поколения: это прежде всего обеспечение передачи в любое время (вплоть до реального масштаба времени), в любое место (глобально), любому пользователю (персонально), любого вида информации (речь, данные, изображения, видео, мультимедиа, позиционирование), любого требуемого трафика данных и качества обслуживания QoS(Quality of Service); высокие требования к тактико-техническим характеристикам будущих систем 4G должны одновременно сочетаться с их экономичностью, массовостью, доступностью и персонализацией услуг глобальной беспроводной связи. Передача всех видов информации ведется в цифровой форме со скоростью от 9.6 до 492 Кбит/с. Телефонный режим организуется с помощью устройств преобразования скорости передачи сигналов, встроенных в абонентские терминалы, которые позволяют подключать компьютер и поддерживают разнообразный набор услуг – таких, как передача факсимильных сообщений, электронная и голосовая почта, персональный вызов и приоритетное обслуживание, шифрование, а также определение местоположения мобильного абонента [1]. 62 Наукові записки УНДІЗ, №5(7), 2008 В новых проектах космических аппаратов предполагается использование передовых технологий, позволяющих повысить пропускную способность каналов связи и улучшить энергетические характеристики технических средств. При проектировании и внедрении систем спутниковой связи особое внимание уделяется их сопряжению с наземными сетями, прежде всего с центрами или узлами коммутации того или иного уровня, а также использованию международных стандартов для сетевых интерфейсов и протоколов обмена, сигнализации, нумерации [2]. Мобильные спутниковые системы (МСС) играют значительную роль в развитии телекоммуникаций. Объем рынка услуг, предоставляемых МСС, характеризуется диаграммой, представленной на рис. 1. В 2007 г. доход от услуг МСС составил 2.1 млрд. долл. США [3]. Увеличению доходов от услуг спутниковой связи способствовали ряд причин: • Новые маркетинговые схемы, ориентированные на корпоративного клиента, заключение новых и продление существующих контрактов с вооруженными силами и другими государственными заказчиками. • Расширение коммерческих программно-аппаратных решений, основанных на интерактивном слежении за объектами и отображении их на карте, представление в удобной форме статистических данных по показаниям различных датчиков (температура, давление, уровень топлива, скорость, датчики дверей, кнопка SOS и т.д.). • Катаклизмы на Земле в 2005-2008 г. (ураган в США и цунами в Юго-Восточной Азии и др.). Рис.1. Объем услуг МСС. Различные системы персональной спутниковой связи обладают своими особенностями, обусловленными, главным образом, характеристиками их орбитальных группировок, но их пользовательские характеристики и предоставляемые услуги имеют много общего (как между собой, так и с наземными сотовыми системами) [4]. Основные технические характеристики и данные по количеству абонентов существующих глобальных МСС представлены в табл. 1. На сегодняшний день наиболее широкое практическое применение имеет МСС Inmarsat. Inmarsat – первая глобальная спутниковая система подвижной связи, которая была введена в эксплуатацию в 1982 г. На рынке этой МСС предлагается свыше 30 типов абонентских терминалов как переносимых, так и подвижных для морского, сухопутного и воздушного Радіомережі і радіотехнології 63 использования, обеспечивающих передачу речи, коротких сообщений, факса и передачу данных со скоростью от 64 до 492 кбит/с [4]. Для организации глобальной МСС используются также: GlobalStar, Iridium и Thuraya. Первое место по зоне покрытия занимает Iridium, эта МСС обеспечивает 100% покрытие земного шара. Основная сфера услуг, предоставляемых этой системой: передача речи, передача данных о местоположении объекта, передача коротких сообщений и пакетных данных на скорости до 9,6 Кбит/с. Все терминалы Iridium могут работать в GSM сети. Второе место по зоне покрытия занимает GlobalStar. Проект GlobalStar отличается высокой степенью совершенства технических решений, а именно система способна обеспечить непрерывную связь при переходе абонента из зоны действия одного луча в зону действия другого луча одного и того же спутника и из зоны видимости одного спутника в зону видимости другого. Система GlobalStar значительно повысила надежность связи с подвижными абонентами благодаря устранению эффекта затемнения приемной антенны пользовательского терминала складками рельефа местности за счет когерентного сложения сигналов нескольких спутников, а также сигналов, отраженных от различных препятствий на земной поверхности. Табл. 1 Технические характеристики глобальных МСС Высота орбит, км Cистема МСС Тип и кол-во спутников Orbocomm 36 микроспутников (4 на двух околополярных орбитах и по 8 в 4-х орбитальных плоскостях с наклонением 45 град.). Inmarsat 4 ГСО* А – судовые терминалы передачи данных; B – судовые терминалы передачи данных и телефонии; C – переносные портативные терминалы передачи данных; D – пейджер; M – переносные телефоны, laptop; P – мобильные телефоны и определение местоположения. Thuraya 2 ГСО 28.50E , 240E; 98,5 E не введен в эксплуатацию. 35768 Global Star 48 НГСО размещены на 8 круговых 1414 825; 775 35768 Зоны покрытия США, Канада, Россия, ЮАР, Нигерия, а также страны Южной Америки 110 стран Европы, Ближнего Востока, Северной и Центральной Африки, Средней Азии, части Индии. Страны ЮгоВосточной Азии. Тихоокеанский регион: Китай, Япония, Корея, Индонезия и Австралия. Европа, Африка, половина Азии. В ближайшее время Австралия, Индонезия, Китай, Россия. Глобальное покрытие Земли Кол. абон. Услуги 100000 Сбор данных о координатах и состоянии объектов, предоставление услуг Е-mail и определение местоположения пользователя с помощью автономной навигации ORBCOMM и устройств системы GPS, пакетная передача данных 57,6 кбит/с. 200800 Пакетная передача данных: до 64 кбит/c – мобильный терминал; до 492 кбит/с – стационарный терминал SMS, GSM, GPS. 280000 133000 Пакетная передача данных: до 9,6 кбит/c - мобильный терминал; до 144 кбит/с – стационарный терминал SMS, GSM. Пакетная передача данных: до 9,6 кбит/c - мобильный Наукові записки УНДІЗ, №5(7), 2008 64 Iridium орбитах (по 6), наклонение орбит 52 град. 66+6 НГСО, 6 квазиполярных орбит с наклонеием 86,4 градусов. (в поясе от 70 град.ю.ш. до 70 град. с.ш.). 780 100 % покрытие Земли. терминал; до 256 кбит/с – стационарный терминал SMS, GSM, GPS. Пакетная передача данных: до 9,6 кбит/c - мобильный терминал SMS, GSM, GPS. 183000 *) ГСО – геостационарная орбита. Переносимые терминалы этой системы могут передавать данные на скорости 256 кбит/с, основное назначение – предоставление услуг телефонной связи. Подвижные терминалы вышеописанных систем сравнимы по выполняемым функциям и размерам и приближаются к мобильным телефонам GSM. Система Orbocomm среди действующих в настоящее время низкоорбитальных систем связи занимает особое положение. Это первая и пока единственная развивающаяся система с постоянно расширяющейся географией рынка услуг. Пропускная способность системы рассчитана на подключение более 100 млн. абонентов. Система Orbocomm предоставляет услуги узкополосной передачи данных, такие как электронная почта, двусторонний пейджинг, услуги дистанционного контроля. В мире функционируют четыре региональные системы МСС, основные технические характеристики которых представлены в табл. 2 . В Северной Америке это Mobile Satellite Ventures (MVS), использующая два спутника MSAT. В 2000 г. начала работать система Azia Cellular Satellite (Индонезия) со спутником Garuda, предоставляющая услуги МСС в Азиатском регионе. В том же году два спутника NStar начали обслуживать абонентов морской МСС в 200-мильной прибрежной зоне Японии. В Австралии действует аналогичная система морской МСС Optus [4]. Все действующие региональные МСС используют геостационарные спутники связи. Основное отличие этих систем – зона покрытия. Мобильные терминалы этих систем очень похожи по внешнему виду, используемыми функциями и предоставляемыми услугами. МСС, использующие в качестве ретранслятора геостационарный спутник, как показала практика, более надежны и экономичны по сравнению с МСС, использующими низкоорбитальные и среднеорбитальные группировки спутников. Технические характеристики региональных МСС Выс орб. км Cистема МСС Тип и кол-во спутников Зоны покрытия Кол. абон. Mobile satellite Ventures 2 ГСО: 101 град зап. широты – 106 град. зап. широты 35768 Северная Америка – Garuda 1 ГСО: 123 град вост. широты 35768 ЮгоВосточная Азия 12000 N-STAR 2 ГСО: 132 град вост. широты – 136 град. вост. широты 35768 Япония OPTUS 3 ГСО: 156 град вост. широты 160 град. вост. широты 164 град. вост. широты 35768 Австралия, Новая Зеландия – – Табл. 2 Услуги Пакетная передачи данных 64 Кбит/с, передача сообщений, голос. Пакетная передачи данных 64 Кбит/с, передача сообщений, голос, GSM 900. пакетная передачи данных 64 Кбит/с, передача сообщений, голос. пакетная передачи данных 64 Кбит/с, передача сообщений, голос. Радіомережі і радіотехнології 65 В табл. 3 приведены прогнозы развития мобильной спутниковой связи до 2010, по годовому доходу и количеству абонентов [3]. Международный союз электросвязи определяет перспективы развития МСС как спутникового сегмента систем подвижной службы третьего поколения IMT-2000. Спутниковый сегмент будет обеспечивать покрытие тех зон обслуживания, где развитие наземной сети экономически неэффективно, в частности, в удаленных и сельских районах. Общий подход основан на создании так называемой дополнительной наземной составляющей (Ancillary Terrestrial component - ATC) [4]. Его главная особенность состоит в том, что абонентские устройства в зоне действия базовых станций работают с наземной сетью, а при выходе из нее переключаются на работу со спутником, используя одну и ту же полосу частот. При этом системы МСС также сохраняют возможность независимого функционирования и предоставления требуемых услуг независимо от АТС. Они должны работать с абонентским оборудованием любого типа, в частности, с трубкой, переносимым устройством, перевозимым устройством на борту судна, автомобиля и т.д. [6]. Также предполагается, что спутниковый компонент IMT-2000 будет использоваться для соединения базовых станций и их подключения к сети общего пользования. Прогнозы развития мобильной спутниковой связи Источник Оптимистичный прогноз Средний прогноз Пессимистичный прогноз GSM Association ING Barings Northern Sky Research Alcatel Alenia Space TelAstra UMTS forum Оптимистичный прогноз Средний прогноз OVUM Пессимистичный прогноз ESYS Количество абонентов, млн. 12,6 6,685 1,2 6 12,6 нет прогноза 11,6 6 18,5 11,8 3 1,3 Табл. 3 Годовой доход, млрд., US$. 8,8 нет прогноза 2,2 нет прогноза 8 2,3 нет прогноза нет прогноза нет прогноза 8,7 3,6 2,7 Международный союз электросвязи разработал методику оценки необходимого ресурса для развития спутникового сегмента IMT-2000. Согласно представленному прогнозу к 2010 г. для спутникового сегмента понадобится полоса частот 70 МГц в обоих направлениях [4]. В соответствии с регламентом радиосвязи в качестве корневой должна использоваться полоса 1980..2010 / 2170..2200 МГц. При необходимости дополнительных частот администрации могут выбрать любые из частот, распределенных для МСС в диапазоне 1-3 ГГц, в частности: 1525...1544/1626,5...1645,5 МГц; 1545...1559/1646,5...1660,5 МГц; 1610...1626,5/2483,5...2500 МГц; 2500..2520/2670...2690 МГц. На сегодняшний день уже обозначены программы реализации концепций развития существующих систем МСС. С февраля 2006 г. Inmarsat использует в эксплуатации широкополосную глобальную сеть (BGAN). Система обеспечивает услуги на подвижные и переносные абонентские устройства со скоростью передачи до 496 кбит/с и будет совместима с наземными сетями подвижной связи. GlobalStar, Iridium и MVS предполагают к 2012-2013 г. полное обновление группировки. В табл. 4 представлены планы развития действующих МСС. Все три компании планируют создание дополнительной наземной составляющей. Тем не менее следует учесть несколько факторов, которые могут значительно повлиять на общие заключения относительно экономической эффективности и перспектив развития МСС: Наукові записки УНДІЗ, №5(7), 2008 66 услуги МСС востребованы в основном специализированными группами абонентов, в частности, морскими и авиационными компаниями, различными государственными ведомствами и службами; например, самым крупным корпоративным пользователем системы Iridium является Министерство обороны США, двухгодовой контракт на 72 млн. долларов обеспечивает безлимитное подключение 20 000 пользователей [3]; GlobalStar и Iridium прошли через процедуру банкротства, таким образом, экономическая эффективность проектов на практике была достигнута за счет разорения инвесторов; технологическое развитие позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики спутниковых абонентских приемников; тем не менее, в связи с необходимостью обеспечивать высокую энергетику бортовых приемников и ограниченностью используемого спектра будет экономически невыгодно или технически невозможно обеспечивать для подвижного абонентского устройства те же услуги, что и при работе с наземной сетью подвижной связи [7]. Планы развития мобильной спутниковой связи Табл. 4 Компания Inmarsat Thauraya Globalstar Iridium MSV План 3-й геостационарный спутник 4-го поколения Inmarsat 4F3, BGAN (покрытие 90 % Земли) Геостационарный спутник Thauraya 3 (уже выведен на орбиту 15.01.2008 98,5 E) Замена группировки и создание наземной ретрансляционной сети (частично уже выполнено) GEO MSV F1 101 W GEO MSV F2 107,3 W Год ввода в эксплуатацию II квартал 2008 II квартал 2008 2009 2013 05.2009 09.2009 Таким образом, спутниковые технологии не могут рассматриваться как реальные конкуренты наземным сетям подвижной связи. Реализация проектов МСС может быть экономически оправдана только в случае государственного финансирования, как создания, так и эксплуатации системы. Развертывание АТС сетей на практике будет означать лишь то, что операторы наземных сетей получат возможность развиваться в диапазонах, распределенных для МСС. Перспективным направлением развития МСС является их использование не для передачи речи или широкополосного доступа в Интернет, а для предоставления различных вещательных услуг IMT-2000. В этом случае будут создаваться наложенные сети для наземных сетей подвижной связи, которые могут быть эффективны, как с точки зрения экономики, так и использования спектра, предоставлять услуги по топологии “точка-много точек”. Это может быть вещание звуковых и телевизионных программ и циркулярное распространение данных различного типа для всех или определенных категорий абонентов [5]. . Подтверждением такой тенденции развития могут быть исследования европейского консорциума Maestro и ETSI, направленные на разработку и внедрение в Европе спутниковой цифровой мультимедийной радиовещательной технологии (SDMB). Предполагается, что она будет обеспечивать IP-вещание со скоростью до 1 Мбит/с на приемники IMT-2000. Отметим, что планируется использование полосы 2170...2200 МГц – корневой полосы для спутникового сегмента IMT-2000, а не распределенной для радиовещательной спутниковой службы [4]. Крупнейший английский оператор спутникового телевиденья BSkyB подписал соглашение с Vodafon о создании пакета SKY Mobile TV, предлагающего абонентам сетей подвижной связи получать различные вещательные программы. Аналогичный проект Unlimited Mobile TV, предполагающий создание гибридной наземно-спутниковой радиовещательной сети, начат компаниями Alcatel и SFR во Франции. Другим частным вариантом применения услуг МСС, который сейчас исследуется в Европе, может стать предоставление всех видов услуг на Wi-Fi Радіомережі і радіотехнології групповые приемники, установленные на таких высокоскоростных средствах, как междугородние и международные поезда и автобусы [8]. 67 транспортных Выводы. Согласно различным прогнозам услугами МСС в 2010 г. будет пользоваться от 6 до 20 млн. человек. • К настоящему моменту произошел «естественный отбор» среди негеостационарных систем спутниковой связи, заявленных к разработке 1990-х гг. Остались в истории такие проекты, как Celestri, Ellipse, SkyBridge, Teledesic, «Сигнал», «Марафон», «Зеркало-КР». Globalstar и Iridium прошли через процедуру банкротства. Таким образом, экономическая эффективность проекта на практике была достигнута за счет разорения инвесторов. • Спутниковые технологии не могут рассматриваться как реальные конкуренты наземным сетям подвижной связи. Реализация проектов МСС может быть оправданна только в случае государственного финансирования в создании и эксплуатации системы. • Спектр услуг мобильной спутниковой связи ежегодно расширяется, используя новые и действующие технологии. • Развертывание дополнительной наземной составляющей (ATC) будет позволять абоненту практически непрерывно пользоваться услугами связи, где бы он не находился. • Услуги МСС всегда будут востребованы специализированными группами абонентов, в частности , моряками, авиаторами, грузоперевозчиками и различными государственными, в том числе силовыми структурами и ведомствами. • Полное покрытие мирового пространства и обеспечение глобального доступа к услугам 21-го века может быть реализовано только с использованием спутниковых систем. Литература 1. Мархасин А.Б. Перспективные широкополосные беспроводные технологии для будущих глобальных мобильных и спутниковых систем персональной связи 4G // Электросвязь. – 2003. – №8. – С. 20-26. 2. Андрианов В.И., Соколов А.В. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи. – СПб.: БХВ-Петрбург; Арлит, 2001. – 400 с. 3. Satellite Industry Association. 2007 Satellite Industry Statistics. – June 2008. 4. Ноздрин В.В. Технико-экономическое состояние и тенденции развития рынка услуг спутниковой связи и вещания // Электросвязь. – 2006. - №9. – С. 10-15. 5. Ноздрин В.В.Перспективы развития рынка услуг спутниковой связи и вещания // Технологии и средства связи. – 2006. – №4. – С. 88-94. 6. Аболиц А.И., Степанов Л.А. Интеграция спутникового и наземного беспроводного широкополосного доступа // Электросвязь. – 2007. – №9. – С. 22-26. 7. Измайлов Ю.Д. Итоги выполнения программы обновления государственной спутниковой группировки и перспективы развития до 2015 года // Электросвязь. – 2006. – №7. – С. 34-36. 8. ES/ESA. Digital divide cost benefit analysis for broadband connectivity in Europe // Final report. – 2004.