д.т.н., профессор Артюшенко В.М., Кучеров Б.А.

Финансово-технологическая академия, Россия

Адаптивная регулировка параметров сигналов наземных станций спутниковой системы связи

Представлено краткое описание разработанной программы по контролю и управлению параметрами узловой сети для рабочего места оператора центральной наземной станции. Показано, что данная программа позволяет решать целый ряд задач, к числу которых относится: контроль параметров сигналов на выходе ретранслятора, определение отклонения параметров от заданных, расчет оптимальных значений мощности и скорости передачи подчиненными земным станциям, а также частоты несущей и полосы сигнала.

Ключевые слова: адаптивное управление мощностью, земная станция, помехозащищенность, многостанционный доступ.

Современные тенденции развития средств телекоммуникаций характеризуются все возрастающим использованием систем спутниковой связи. Анализ обобщенных требований к корпоративным системам спутниковой связи показывает, что для их решения наиболее приемлемым является сеть с многостанционным доступом к ретрансляторам с частотно-кодовым разделением, позволяющая реализовать принцип «каждый с каждым». Однако при всей своей привлекательности многостанционный доступ с частотно-кодовым разделением с использованием широкополосных сигналов проигрывает по энергетике многостанционному доступу с временным разделением. Поэтому для повышения эффективности использования ретранслятора при многостанционном доступе с частотно-кодовым разделением с широкополосными сигналами необходимо применять методы регулирования мощности и скорости передачи земной станции.

Принципы автоматического регулирования мощности, частоты и скорости передачи с использованием обратной связи начали разрабатываться еще с 50-х годов. Основное применение данные принципы нашли в линиях связи по коротким и ультракоротким волнам, тропосферной и радиорелейной связи, в которых каналы связи являются, как правило, нестационарными [1, 2].

Для расчета показателей качества регулируемой системы использовался, в основном, статистический подход. В настоящее время известно большое число работ, посвященных синтезу алгоритмов и анализу эффективности частотной адаптации в отдельных радиолиниях. Как правило, данные задачи решались с использованием методов оптимизации распределения ресурсов с ограничениями [3].

К сожаленью, в спутниковых линиях связи регулировка мощности и скорости передачи, а также адаптация по частоте пока не нашли широкого применения. Это было связано, в основном, с тем, что спутниковый канал в диапазоне 1…10 ГГц является относительно стабильным (стационарным). Однако в последнее время все большее применение находят системы спутниковой связи в миллиметровом диапазоне, в котором ослабление в дожде, тумане, снеге может достигать 8…10 дБ [4]. В последнее время разрабатываются новые системы спутниковой связи с низколетящими космическими аппаратами. В таких системах, при пролете спутника, длина радиолинии может изменяться в несколько раз [5]. Все это обуславливает необходимость адаптивного регулирования мощности излучения земной станции.

Использование многостанционного доступа с кодовым разделением позволяет повысить помехозащищенность линий спутниковой связи за счет снижения пропускной способности. Однако не всегда линии спутниковой связи работают в условиях преднамеренных помех, поэтому для повышения их пропускной способности, в среднем, необходимо регулировать скорость передачи информации в зависимости от мощности действующей помехи или числа одновременно работающих в одной полосе станций [6].

Все станции ствола используют один и тот же частотный ресурс. При отсутствии регулирования значений несущей частоты или полосы сигнала, излучаемого земной станцией, существенно снижается эффективность использования общего частотного ресурса.

Проведенные исследования показали, что задачи регулирования мощности, частоты и скорости передачи информации в спутниковых системах связи имеют ряд существенных отличий по сравнению с аналогичными задачами в системах связи по коротким и ультракоротким волнам, радиорелейной и тропосферной связи.

Особенностью системы спутниковой связи по сравнению с другими является то, что сигнал с выхода ретранслятора может наблюдаться всеми станциями сети [7]. При этом узловая станция, наблюдая сигнал на выходе ретранслятора может с высокой достоверностью определить помеховую обстановку на земной станции при действии помехи по входу ретранслятора с прямой ретрансляцией. При обработке сигнала на борту, принимая групповой поток с выхода ретранслятора, можно определить достоверность передачи информации по наиболее непомехозащищенной линии вверх.

В системах спутниковой связи, особенно с низколетящими космическими аппаратами (КА), или летящими по эллиптической орбите, всегда присутствует динамика процессов из-за движения КА, даже если станции связи не работают в движении [8, 9]. В силу специфики организации связи и управления в системах спутниковой связи, разработанные ранее принципы регулирования [1] не в полной мере подходят для систем спутниковой связи.

В корпоративных системах спутниковой связи через один ретранслятор будет работать, как правило, много земных станций с различными характеристиками и при различных условиях. Для эффективного использования пропускной способности ретранслятора необходимо согласовать параметры земных станций друг с другом. Проведенный анализ показывает, что измерение и оценка помеховой обстановки должны носить комплексный характер [6].

Для адаптивного регулирования мощности излучения земной станции была разработана специальная программа контроля и управления параметрами узловой сети для рабочего места оператора центральной станции.

В качестве среды разработки была выбрана среда Embarcadero C++ Builder XE3 из состава Embarcadero RAD (Rapid Application Development) Studio XE3. Для создания пользовательского интерфейса использовалась сторонняя библиотека компонентов Developer Express VCL (Visual Component Library).

Хранение сведений о сетях спутниковой связи, необходимых для работы программы, было реализовано с помощью базы данных (БД) разработанной в системе управления базами данных Microsoft Office Access 2007, относящейся к реляционным БД, доступ к которой осуществляется посредством технологии ADO (ActiveX Data Objects – объекты данных ActiveX).

Разработанная программа, предназначенная для установки на рабочее место оператора узловой станции, созданного на базе персонального компьютера, позволяет:

– контролировать параметры сигналов на выходе ретранслятора;

– определять отклонения параметров от заданных;

– проводить расчет оптимальных значений мощности, скорости передачи подчиненными земным станциям, частоты несущей и полосы сигнала;

– доводить по каналам управления до подчиненных ЗС информацию по оптимальным параметрам их работы на данный момент времени;

– запоминать состояние системы в любой момент времени и в последующем, при необходимости, проводить анализ работы системы;

– накапливать информацию в базе данных по станциям и ретрансляторам.

Частично, данная программа может устанавливаться и на рабочем месте оператора абонентской земной станции, что позволяет ему использовать все ее возможности, за исключением управления параметрами станций.

Программа состоит из 7 основных форм:

1. Главная форма для контроля и управления основными параметрами сети связи (рис. 1);

2. Подчиненная форма для ретранслятора;

3. Подчиненная форма центральной станции;

4. Подчиненная форма абонентских земных станций;

5. Вспомогательная форма схемы организации связи;

6. Вспомогательная форма зон обслуживания;

7. Вспомогательная форма анализатора спектра сигналов.

Рис. 1. Главная форма программы

На главной форме программы реализован анализатор спектра сигналов с выхода ретранслятора. Номер анализируемой частоты и уровень сигнала на данной частоте подается с выхода приемника на компьютер по стыку RS 232. Данные значения отображаются в окне анализатора спектра сигналов.

Анализатор спектра сигналов отображает весь спектр на выходе ретранслятора. При частотно-кодовом разделении сигналов на анализаторе дополнительно отображается информация о сети, работающей в том или ином частотном спектре. В случае отличия частот станций от частот других сетей, выбранная для анализа сеть выделяется определенным цветом.

В программе присутствует возможность редактирования сведений о сетях связи, ретрансляторах, центральной станции сети, абонентских станциях сети, способе организации связи и т.д., а также возможность просмотра схемы организации связи. Ввод расчетных данных в систему может выполняться как оператором (вручную), так и в автоматическом режиме. При работе в ручном режиме ввод осуществляется посредством передачи расчетных данных по каналу управления с последующим получением подтверждения. При получении подтверждения выводится соответствующее сообщение. При автоматическом режиме расчетные данные передаются по каналу управления через заданное время, которое может быть изменено в настройках программы.

Расчетные и действительные параметры режимов работы контролируемых направлений связи (скорость передачи информации, мощность передачи на направление, расчетная помехозащищенность по входу ретранслятора и по входу земной станции, вероятность ошибки) отображаются в таблице на главной форме.

Критерий оптимизации устанавливается с помощью соответствующего переключателя. Оптимизация может осуществляться как по критерию минимальной мощности, так и по максимальной скорости или максимальной помехозащиты. Рассчитанные оптимальные параметры появляются в таблице в правых колонках в полях, выделенных определенным цветом. Если оптимальные параметры не найдены, то появляется сообщение «Оптимальные параметры не найдены, установите другие ограничения».

Таким образом, была разработана специальная программа контроля и управления параметрами узловой сети для рабочего места оператора центральной станции, позволяющая решать целый ряд важнейших задач, к числу которых относятся: контроль параметров сигналов на выходе ретранслятора, определение отклонения параметров от заданных, расчет оптимальных значений мощности, скорости передачи подчиненными земным станциям, частоты несущей и полосы сигнала.

Литература:

1. Пахомов И.С., Постюшков В.П. Непрерывное управление мощностью излучения передатчика в радиолинии с замираниями сигналов. // Радиотехника. Т. 36, N 4, 1981, С. 89 – 93.

2. Людвиг В.А., Чуднов А.М. Оптимальное управление скоростью передачи информации в нестационарных радиолиниях. // Радиоэлектроника. Т. 25, N4, 1982, С. 83-84.

3. Березин Е.А. Оптимальное распределение ресурсов и элементы синтеза систем. - М.: Сов. радио, 1974. - 204 с.

4. PRATT Т., BOSTIAN C.W. Satellite Communication. Jon Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA. 1986.

5. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Повышение оперативности бесконфликтного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т.9. №3. С. 59–66.

6. Business Earth Station For Telecommunication, Walter L. Morgan and Denis Rouffet, 1988, WILEY Series in Telecommunication.

7. Artuschenko V.M., Kucherov B.A. Analysis of information exchange in the process of distribution of control facilities for spacecrafts with resource restrictions // European Science and Technology: materials of the VI international research and practice conference, Vol. II, Munich, December 27th – 28th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg. – Munich – Germany. – 2013. – p.243-246.

8. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Информатизация управления группировкой космических аппаратов. // Прикладная информатика. 2013. №6 (48). С.6–14.

9. Артюшенко В.М., Кучеров Б.А. Организация информационного обмена между элементами наземного комплекса управления группировкой космических аппаратов// Прикладная информатика. 2014. №1 (49). С.33–43.