Globalstar: супутникова система персонального зв'язку

Однією з найбільш помітних тенденцій у розвитку телефонії в останнє десятиліття є швидке зростання кількості абонентів стільникового зв'язку. За 26 років, що минули від моменту зародження ідеї до теперішнього часу, число абонентів, що користуються послугами стільникових систем, досягло 200 млн, а до 2001-2002 років воно збільшиться до 500-600 мільйонів. Однак можливість ефективної побудови наземних стільникових систем існує далеко не скрізь, і альтернативним варіантом -- особливо для надання телекомунікаційних послуг у важкодоступних та малонаселених районах - є застосування супутникових систем персональної зв'язку (ССПБ). Ідея побудови ССПС полягає у використанні методів стільникового зв'язку, але з розміщенням ретрансляторів базових станцій у космічному просторі. У результаті зона обслуговування однієї станції багаторазово збільшується, і з'являється можливість створення на базі штучних супутників Землі (ШСЗ) глобальної системи, що забезпечує користувача зв'язком у будь-якій точці планети. Поєднання наземних і супутникових систем персонального зв'язку та їх інтеграція забезпечать можливість прийому та передачі мови, даних і факсиміле в будь-якому регіоні Землі із прийнятним рівнем цін на послуги, що надаються.

КомпьютерПресс уже знайомив своїх читачів (див. № 10 '1998) з першим і поки єдиною супутниковою системою персонального зв'язку Iridium, яка забезпечує користувача, де б він не перебував, високонадійної якісним телефонним зв'язком за допомогою апарата, що має розміри і вагу сьогоднішніх стільникових телефонів систем. Але технічний прогрес не стоїть на місці, і в унікальній ССПС в Нині зароджується серйозний конкурент. Мова йде про супутникової системі зв'язку Globalstar, розгляду основних характеристик якої і присвячена ця стаття.

Globalstar - Це глобальна цифрова система персонального зв'язку, заснована на використанні низькоорбітальних супутників. При розробці системи Globalstar був використаний досвід створення стільникових систем зв'язку з кодовим поділом каналів фірми QUALCOMM/FONT>, Inc. Набір послуг системи Globalstar в цілому аналогічний послугах ССПС Iridium і включає передачу мови, даних, факсимільних повідомлень, сигналів персонального радіовиклику (пейджингових повідомлень) і, крім того, -- визначення координат рухомих об'єктів. Слід зазначити, що система призначена для абонентів не тільки мобільного, а й звичайного зв'язку.

Так ж, як у ССПС Iridium, перш ніж встановити зв'язок, мобільний термінал Globalstar повинен буде спочатку перевірити можливість роботи в наземної стільникового мережі зв'язку і лише при неможливості цього буде встановлюватися з'єднання через супутник. У цьому випадку сигнал з абонентського терміналу (телефонного апарату користувача) передаватиметься через супутник на найближчу земну станцію сполучення, яка з'єднає його з необхідним абонентом звичайної телефонної мережі, мережі або з абонентом системи Globalstar. Принцип дії системи ілюструється на рис. 1. При цьому максимальна затримка сигналу не повинна перевищувати 150 мс, а час встановлення з'єднання - 5 с. Світовий роумінг дозволить додзвонитися до абонента за одним і тим же номером, незалежно від його географічного розташування.

При передачі мови вихідний сигнал перетворюється в цифрову форму з допомогою адаптивного вокодера c лінійним пророкуванням (CELP), що створює трафік від 1,2 до 9,6 Кбіт/с (середня швидкість для даного алгоритму приблизно дорівнює 2,4 Кбіт/с). Вокодер, встановлені на земних станціях, включають в свій склад ехоподавітелі. Якість передачі мови при цьому, за середньою оцінкою думок (MOS), еквівалентно цифровим стільниковим системам. Цифрові дані передаються зі швидкістю до 9600 біт/с, що помітно вище, ніж у ССПС Iridium (до 2400 біт/с). Імовірність помилки при цьому не перевищує 10-6.

передбачуваними абонентами Globalstar стануть люди, що роблять часті поїздки і потребують глобальної бездротової комунікаційної системи.

Для реалізації ССПС Globalstar в 1991 році компаніями Loral Aerospace Corporation (Нью-Йорк) і QUALCOMM Incorporated (Сан-Дієго, шт. Каліфорнія) був створений консорціум Globalstar Limited Partnership. До нього увійшли також провідні міжнародні фірми - виробники супутникових систем і телекомунікаційного обладнання - Elsag Baily (Італія), Alenia (Італія), Alcatel (Франція), Hyundai Electronics Industries (Південна Корея), DACOM (Південна Корея) і оператори зв'язку - France Telecom (Франція), AirTouch Communications (США), Vodafone Group (Великобританія). У роботі з реалізації проекту активну участь бере група Alliance. До виготовлення супутникових платформ залучена компанія Space Systems/Loral (Пало Альто, шт. Каліфорнія). Паризька фірма Alcatel Espace виготовляє для кожного ШСЗ корисне навантаження, у тому числі гостронаправлених антени. Корпорація QUALCOMM відповідає за розробку абонентської апаратури і обладнання для наземних центрів управління, що забезпечить зв'язок супутників з наземними мережами. Італійської компанією Alenia в Римі ще в 1997 році було побудовано і офіційно введено до ладу підприємство по збірці, комплектації і випробувань космічних апаратів (КА). Компанія Air Touch Communications буде надавати послуги супутникового зв'язку на території США. Також в проекті беруть участь фірми Finmecanica/Elsag Bailey Company (Італія), DASA (Deutshe Aerospace AG/Daimler-Benz AG, Німеччина), Airospatial (Франція), China Telecom та ін Загальна вартість системи, включаючи космічний і наземний сегменти, оцінюється приблизно в 2,6 млрд. дол США. Річні експлуатаційні витрати мають скласти 227 млн. доларів.

Система Globalstar включає три основні сегменти: космічний (космічні апарати), наземний (земні станції контролю, управління та сполучення) і сегмент користувача (термінальні пристрої). Розглянемо їх більш докладно.

В Відповідно до проекту космічний сегмент повинен складатися з 48 основних ШСЗ і 4 резервних (що набагато менше, ніж у ССПС Iridium), розташованих на 8 орбітах - по 6 основних ШСЗ на кожній (рис. 2). Орбіти - похилі, кругові з нахилом до екватора - 52 ° (на відміну від полярних орбіт з нахилом 86 ° сх ССПС Iridium), що звужує ширину зони обслуговування системи в цілому. Період звернення ШСЗ на орбіті дорівнює 113 хв. Висота орбіт складає 1414 км (майже в два рази вище, ніж висота орбіт ШСЗ Iridium). Велика висота орбіти обумовлює, з одного боку, велику зону обслуговування кожного ШСЗ і більший термін служби КА (7,5 років), з іншого, - більше запізнювання і загасання сигналу, дорожчий виведення супутника на орбіту.

Космічний сегмент побудований так, щоб забезпечити найкраще обслуговування користувачів у середніх широтах. Саме в середніх широтах доступними є не менше двох КА. Ширина всієї зони обслуговування обмежена 70 ° північної і південної широти (рис. 3). Тому в Антарктиді, на Північному полюсі, в північних регіонах Росії та Гренландії, в деяких районах Північного морського шляху користування системою Globalstar неможливо. У ССПС Iridium подібної проблеми не виникає.

Однією з важливих характеристик супутникових систем персонального зв'язку, що впливають на якість з'єднання і доступність системи, є мінімальний кут піднесення ШСЗ над поверхнею Землі. При великому куті підвищення сигнали від супутника до Землі повинні пройти через менший шар земної атмосфери, що впливає на загасання сигналу, а всілякі перешкоди на Землі (гори, рослинність, будівлі) будуть надавати менше вплив. Вимоги до мінімального кутку піднесення визначають число супутників в системі. Для полярних число орбіт супутників вибирається виходячи з необхідності покриття екваторіальних районів, так як перетин орбіт на полюсах призводить до істотного переповнення ємності системи в цих місцях. У ССПС Iridium мінімальний кут піднесення у екватора дорівнює 8 °, а в системі Globalstar в екваторіальних районах мінімальний кут піднесення становить 15-20 °, що сприяє більш якісному обслуговуванню користувачів.

ШСЗ Globalstar є ретранслятор з перетворенням частот, який здійснює прийом сигналів у межах зони обслуговування, їх перетворення і передачу на земну станцію. Всі операції з обробки викликів, їх комутації, перетворення сигналів і розділенню каналів виробляються на Землі, де реалізація цих функцій обходиться дешевше, апаратура доступна для технічного обслуговування і може бути згодом модернізована. Відсутність обробки сигналу на борту КА, а також відсутність у системі Globalstar ліній межспутніковой зв'язку (на відміну від ССПС Iridium) роблять КА простіше і надійніше.

На супутниках Globalstar передбачена тривісна система стабілізації. Вага ШСЗ -- близько 450 кг. Сонячні батареї мають потужність 1100 Вт Потужність передавальної системи ШСЗ приблизно дорівнює одному кіловату. За рахунок оперативної регулювання споживаної потужності бортового ретранслятора в кожному каналі в Відповідно до умов прийому мінімізуються енергетичні ресурси ШСЗ. Загальний вигляд ШСЗ зображений на рис. 4 і 5.

Для зв'язку із земними станціями (фідерні лінії зв'язку) на супутниках встановлюються по дві рупорні антени (для прийому та передачі), що працюють в С-діапазоні частот (5091-5250 МГц для лінії "вгору" Земля-ШСЗ і 6875-7055 МГц для лінії "Вниз" ШСЗ-Земля). Цей діапазон за рахунок застосування правої і лівої кругової поляризації буде використовуватися двічі.

Для ліній зв'язку ШСЗ з мобільними користувачами передбачена експлуатація частот L-діапазону (1610-1626,5 МГц) для лінії "вгору" абонент-ШСЗ і S-діапазону (2483,5-2500 МГц) для лінії "вниз" ШСЗ-абонент. Антени L-і S-діапазонів являють собою активні фазованих антенні решітки (ФАР) з 16 променями. Кожен промінь (пелюстка) має свою зону обслуговування на поверхні Землі площею приблизно 2,9 млн. км 2. Сукупність променів утворює зону обслуговування ШСЗ, близьку за формою до кола діаметром 7600 км. Приймальна антена (L-діапазон) складається з 61 елемента. Передавальна ФАР (S-діапазон) порушується 91 друкованим підсилювальним елементом потужністю 4 Вт кожен. Загальна потужність ШСЗ в S-діапазоні досягає 400 Вт і може плавно перерозподілятися між променями.

Для ущільнення телефонних каналів в системі Globalstar буде використовуватися комбінація методів багатостанційні доступу з частотним і кодовим поділом каналів (МДЧР і МДКР). Загальна смуга частот шириною 16,5 МГц, відведена для зв'язку в L-і S-діапазонах, розділена на 13 піддіапазонів шириною 1,25 МГц, в кожному з яких виконується кодове ущільнення сигналів від декількох (близько 50) абонентів. Для цього сигнал абонента перетворюється на широкосмуговий сигнал (1,25 МГц).

Широкосмугові сигнали на відміну від вузькосмугових дозволяють істотно знизити вимоги до розв'язки між сусідніми променями багатопроменевий антени. Такі сигнали забезпечують м'яку перевантаження, тобто перевищення номінальної завантаження не призводить до відмови, а лише трохи знижує на короткий час якість передачі кожного сигналу, що звичайно вважається припустимим. Застосування МДКР дозволяє витончено вирішити проблему перемикання абонента з призахідного супутника на висхідний. Як тільки відбувається зниження рівня пілот-сигналу під час роботи абонента в будь-якому промені, термінал по команді станції сполучення автоматично перемикається на двоканальний режим роботи, в якому забезпечується одночасний прийом і когерентне складання сигналів від двох різних променів або від різних супутників. Через деякий час надходить команда на відключення перший променя, і обмін інформацією проводиться тільки через другий промінь. Якийсь час сигнал від абонента приймається і передається одночасно з двох супутників, а земні станції обробляють сумарний сигнал, що робить процес перемикання супутників непомітним для користувача. Така технологія - можливість когерентного складання сигналів від декількох супутників в приймальному пристрої користувача - дозволяє також зменшити вплив затінення від перешкод на поверхні Землі. До недоліків МДКР слід віднести той факт, що використання широкосмугових сигналів ускладнює устаткування для користувача терміналів і збільшує час входження в зону зв'язку.

За рахунок МДКР, обліку мовної активності і застосування багатопроменевий антени забезпечується повторне використання частот, внаслідок чого кожен ШСЗ здатний до одночасної ретрансляції близько двох тисяч телефонних каналів. При це на 1 мільйон кмFONT> 2 поверхні Землі ШСЗ Globalstar одночасно забезпечує всього декілька десятків каналів зв'язку, що ще раз підтверджує той факт, що супутникові системи персонального зв'язку на відміну від наземних стільникових систем не орієнтовані на використання в густонаселених районах.

Наземний сегмент ССПС Globalstar включає земні станції сполучення, а також центри управління та контролю орбітальної угрупованням (Satellite Operations Control Center) і наземними засобами (Ground Operations Control Center). Центр управління та контролю орбітального угрупування на основі телеметричної інформації контролює поточний стан ШСЗ і параметри їх орбіт, при необхідності видає відповідні команди. Центр управління та контролю наземних засобів відповідає за планування і розподіл ресурсів системи, контроль за її функціонуванням. Центри будуть розташовані на території США і пов'язані між собою і з іншими земними станціями системи за допомогою спеціальної мережі передачі даних GDN (Globalstar Data Network).

Оскільки система Globalstar більшою мірою орієнтована на інтеграцію з існуючими наземними телекомунікаційними інфраструктурами, станції сполучення є в ній основними комунікаційними елементами. Фактично земні станції сполучення є шлюзами, на які покладено функції забезпечення інтерфейсу з існуючими та майбутніми телекомунікаційними системами, зокрема з наземними телефонними мережами загального користування та стільниковими системами зв'язку в зоні обслуговування кожного ШСЗ. Всі дзвінки (місцеві та міжнародні) повинні оброблятися і комутованого на станції сполучення. У цьому полягає так званий регіональний принцип побудови зв'язку - обов'язковий вихід кожного абонента на найближчу станцію сполучення і далі - на існуючу фіксовану мережу або на зв'язок з іншим абонентом. Таким чином, в організації будь-якого з'єднання беруть участь земні станції. Оскільки основну частина трафіку в кожному регіоні зазвичай складають місцеві виклики (більше 80%), таке рішення виглядає досить раціональним, полегшує зв'язок з абонентами мереж загального користування, скорочуючи трасу для основної маси сполук, а також дозволяє зробити систему частиною національної мережі кожної країни, що привертає операторів зв'язку, що дозволяє їм отримувати додаткові доходи.

З іншого боку, так як в системі задіяно велику кількість земних станцій сполучення, з'єднання стають залежними від стану наземних мереж. Для глобального покриття земної поверхні (в межах 700 Roman "> північній широти - 700южной широти) з урахуванням національних кордонів і мінімізації наземного трафіку, за оцінками розробників Globalstar, буде потрібно 150-210 станцій сполучення, в тому числі 9 - на території Росії. Типова станція сполучення містить 4 ідентичні стежать параболічні антени з діаметром рефлектора 5,5 м з лівого і правою круговою поляризацією (мал. 6, 7) і коштує близько 5,5 млн. дол На стику земної станції з наземними мережами загального користування використовується стандартний інтерфейс Т-1/Е-1 і системи сигналізації R1, R2 і № 7.

Сегмент користувача системи Globalstar може включати один з трьох основних типів терміналів: портативні (аналогічні стільниковим - див. рис. 8, 9), мобільні (що встановлюються в автомобілях або інших транспортних засобах - див. рис. 10) й стаціонарні (телефонні апарати, таксофони - див. рис. 11). Послідовний порт вводу/виводу даних дозволить підключати до терміналів користувача комп'ютер, факсимільний апарат або інші зовнішні пристрої і забезпечувати передачу даних або факсимільних повідомлень. Передбачається адаптивне керування потужністю передавача термінала.

Портативні і мобільні апарати обладнані ненаправленої антенами та можуть функціонувати також у наземної стільникової мережі стандарту GSM, AMPS або IS-95. Фірмою QUALCOMM передбачається випуск портативних і мобільних терміналів трьох типів: трехрежімних (Globalstar/AMPS/IS-95), дворежимних (Globalstar/GSM) та однорежімних (Globalstar). Термінали Globalstar, що працюють більш ніж в одному режимі, повинні спочатку перевірити можливість роботи в наземної мережі персональної радіозв'язку і, якщо це неможливо, спробувати встановити З'єднан?? ение через супутник. При переході таких терміналів від режиму роботи в стільникової мережі зв'язку в режим роботи в системі Globalstar автоматичне перемикання не передбачається. Якщо абонент покинув зону дії стільникового мережі, зв'язок буде перервано і для її відновлення необхідно буде знову запросити з'єднання, але вже в ССПС Globalstar.

Вага портативного терміналу - близько 350 г, розміри 190 х 60 х 30 мм, а його потужність не перевищує 0,6 Вт Заряду акумулятора при роботі в режимі системи Globalstar буде вистачати на 8 годин чергового прийому і на 1 годину розмови. В режимі наземної стільникової системи зв'язку тривалість його роботи збільшиться до 12 час чергового прийому і 2 час розмови (чи навіть більше); в даному режимі термінали Globalstar повинні в середньому споживати менше енергії, ніж аналогові мобільні телефони, і, відповідно, тривалість роботи їх акумуляторів повинна бути більше.

Мобільні термінали відрізняються від портативних додатковим підсилювачем потужності і зовнішньою антеною. Потужність мобільного терміналу не перевищує 3 Вт

Стаціонарні апарати Globalstar нададуть послуги зв'язку у віддалених районах, де немає ні стільникових систем, ні наземних комунікацій. Такі термінали призначені для роботи тільки в ССПС Globalstar. Вони обладнані підсилювачем і зовнішньою антеною з посиленням 7 дБ і мають еквівалентну изотропно-випромінювану потужність 3,2 Вт

Компанія Globalstar має намір пропонувати послуги зв'язку за нижчими тарифами, ніж ті, що використовуються в даний час в системі Iridium. Передбачається диференціювання цін в залежності від географічного району та рівня сервісних послуг: 0,35; 0,53; 1; 3 дол за 1 хв розмови. У середньому вартість одномінутного з'єднання має бути в межах 0,35-0,65 дол США плюс плата за послуги місцевих (наземних) ліній зв'язку. Очікувана ціна портативного термінального пристрою виробництва фірми QUALCOMM також набагато менше, ніж супутникового телефону системи Iridium, і складає близько 700 дол. Компанія Globalstar L.P. вважає, що прийнята нею структура ціноутворення буде сприяти більш швидкому поширенню послуг і дозволить їй створити широке коло постійних клієнтів. Очікується, що до 2002 року число абонентів ССПС Globalstar перевищить 2,7 млн., а до 2012 року, на думку розробників проекту, система зможе обслуговувати до 14 млн. користувачів.

Є підстави припускати, що після введення в дію системи Globalstar та усунення монопольного становища на ринку послуг супутникового персонального зв'язку ССПС Iridium ціни на послуги та обладнання останньої будуть у значній мірі знижені.

Передбачається використання системи Globalstar і на російському ринку, тому що він стає все більш відкритим для іноземних постачальників послуг. Крім того, в Росії вимоги користувачів до рівня послуг останнім часом зросли, і з'явилися споживачі, здатні оплачувати послуги ССПС. Запланований ринок Globalstar в Росії становить приблизно 7,5% від світового. Проект російського сегмента ССПС Globalstar розроблений інститутом "Діпрозв'язок" на замовлення "АТ Ростелеком". У Згідно з даним проектом в даний час на території Росії вже будуються 3 станції сполучення (в Москві, Новосибірську і Хабаровську), а до 2005 року передбачається спорудити 9 станцій сполучення, здатних обслуговувати 260 тис. користувачів. Національним оператором і ексклюзивним постачальником послуг системи Globalstar в Росії є ЗАТ "ГлобалТел", яке засноване компанією Globalstar Ltd. і "АТ Ростелеком" в 1996 році.

В даний час консорціум Globalstar має угоди з провайдерами послуг більш ніж у 100 країнах. Комерційну діяльність з надання послуг зв'язку планувалося почати з 1 кварталу 1999 року. Перші 8 космічних апаратів були виведені на орбіту Землі ще на початку 1998 року з використанням ракет-носіїв (РН) Delta II, але 9 вересня 1998 спроба запуску 12 космічних апаратів Globalstar за допомогою РН "Зеніт" зазнала невдачі. У зв'язку з цим початок комерційної експлуатації ССПС Globalstar було перенесено на III квартал 1999 року. Наприкінці 1998-початку 1999 року передбачається провести 3 запуску супутників Globalstar з використанням РН "Союз" (по 4 ШСЗ в кожному запуску), а до травня 1999 року - створити орбітальну угруповання з 32 ШСЗ, достатню для початку функціонування ССПС. Повну угруповання ШСЗ з 48 основних і 4 резервних планується створити до кінця 1999 року. Всього передбачається здійснити 5 запусків РН "Союз" (по 4 КА), 6 запусків РН Delta II (по 4 КА) і 2 запуску РН "Зеніт".

Після 2004 року, коли система виробить свій ресурс, компанія планує Globalstar заміну існуючої апаратури першого покоління на вдосконалену апаратуру системи Globalstar-II, яка забезпечить більш високу швидкість передачі інформації, покращена якість роботи і більше число каналів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.i2n.ru