Rambler's Top100
Статьи ИКС № 6 2005
Александр Борисович УГЛОВ  01 июня 2005

Об адаптивном использовании ресурса спутниковых каналов Кu-диапазона

Диапазон частот, выделенный для гражданской спутниковой связи, достаточно широк – от единиц гигагерц до десятков гигагерц. В столь обширной полосе свойства среды распространения радиосигнала между поверхностью Земли и геостационарными спутниками существенно различаются, и это должны учитывать в своей повседневной практике операторы спутниковых каналов. Например, для C-диапазона, довольно стационарного с точки зрения относительно малых вариаций затухания сигнала в атмосфере, стандартный запас на фединг (превышение уровня сигнала над пороговым отношением сигнал/шум модема) – 2 дБ, а для Кu-диапазона – 4 дБ и более для климатических районов и углов места антенн, типичных для России. Запас по отношению сигнал/шум должен обеспечивать интервал времени, в течение которого коэффициент ошибок Ре (главный показатель качества работы канала) был бы не хуже величины, оговоренной в нормах на доступность (availability) канала связи. Не вдаваясь в детали, отметим, что запас на фединг выбирается таким, чтобы, согласно нормам на доступность спутниковых каналов, суммарный интервал времени недоступности составлял бы доли процента времени наихудшего месяца.

Оборотной стороной этого метода является неэффективное использование спутникового ресурса. Из теории приема сигналов известно, что скорость передачи информации и отношение сигнал/шум в точке приема взаимосвязаны, и это наглядно подтверждает формула К. Шеннона:

R=B log2 (1 +S/N),

где R – скорость передачи, B – полоса частот, S – мощность сигнала, N – мощность шума.

Если же оператор обеспечивает запас 4 дБ и более по отношению сигнал/шум в течение «благоприятных» более чем 99% времени, но не разменивает этот запас по мощности сигнала на скорость передачи в периоды присутствия высокого отношения сигнал/шум, то это и есть неоптимальное использование отведенного ресурса практически в 100% времени работы. Использование для Ku-диапазона хотя бы 3 дБ из этого запаса на отношение сигнал/шум означало бы потенциальную возможность двукратного (!) увеличения скорости передачи спутниковых каналов в промежутке времени, приближающемся к 100%, и при условии реализации соответствующего механизма адаптации средств передачи и приема, и при отсутствии правовых и технических ограничений, о которых речь пойдет далее.

Наиболее простым способом размена запаса по мощности на скорость передачи было бы увеличение скорости передачи при наличии «чистого неба» в месте приема, однако в условиях действия стандартных договоров со спутниковым оператором, оговаривающих занятие определенной полосы частот, это практически нереализуемо. Поэтому, чтобы продолжать полностью использовать выделенную полосу при начальных установках на модемах приема и передачи, например r =1/2 (относительная скорость кодирования), QPSK, и увеличить пропускную способность, необходим переход на меньшую скорость кодирования (например, с 1/2 на 3/4) с соответствующим увеличением скорости передачи.

Оценим по практическим характеристикам стандартного модема преимущества автоматического адаптивного использования стандартных режимов последовательного (sequential) кодирования с относительной скоростью r =1/2 и r =3/4 и при условии постоянной мощности передаваемого сигнала. Если пороговое отношение сигнал/шум для модема равно 6,4 дБ при Ре =10 ( – 8) при кодировании 1/2, то при запасе на фединг 4 дБ отношение сигнал/шум на входе демодулятора должно составлять 10,4 дБ в условиях «чистого неба». В тех же условиях переход на кодирование 3/4 позволяет уменьшить ширину занимаемой полосы в 1, 5 раза, при этом скорость передачи потенциально может увеличиться также в 1,5 раза, т. е. так, чтобы не допустить увеличения занимаемой полосы сверх оговоренной в договоре величины.

Переход на кодирование 3/4 приведет к снижению помехоустойчивости демодулятора с 6,4 дБ до 7,3 дБ (при Ре =10 ( – 8) ), а увеличение скорости передачи в 1,5 раза даст дополнительное снижение энергии сигнала на 1,76 дБ в расчете на 1 бит, что означает суммарное уменьшение запаса на фединг с 4 дБ до 4 – (7,3 – 6,4) – 1,76 =1,34 дБ.

Можно отметить также, что в этом режиме работы отношение сигнал/шум остается выше порогового (для которого мы оговорили Ре =10 ( – 8) ) на 1,34 дБ. Это, в свою очередь, означает, что Ре будет не хуже 10 ( – 10), а скорость передачи нам удалось увеличить на 50% (!) при сохранении допустимо малого коэффициента ошибок. Аналогичным образом можно определить, например, что даст переход с r =1/2 на 7/8 или с 3/4 на 7/8.

А как оценить ситуацию, когда игнорируется возможность существенно оптимизировать использование спутникового ресурса? С одной стороны, ученые и инженеры тратят значительные материальные и временные ресурсы на разработку новых методов кодирования, пытаясь выиграть «лишний» децибелл, а с другой – никто не обращает внимания на возможность рационального использования сразу нескольких децибелл в оптимизации ресурса. Особенность ситуации еще и в том, что по мере совершенствования систем кодер-декодер необходимость в сохранении запаса по отношению сигнал/шум в нестационарных каналах будет всегда, а следовательно, останется возможность его использования.

Современные модемы имеют практически все необходимое для реализации механизма адаптации к реальному отношению сигнал/шум в спутниковом канале, так как содержат встроенные средства оценки на приеме отношения сигнал/шум и/или коэффициента ошибок, а также средства управления темпом кодирования и скоростью передачи, используемые вручную при конфигурировании модема.

Между тем параметры оценки качества сигнала на приеме достаточно просто трансформируются в соответствующие команды, которые при наличии служебного канала (overhead) между модемами могут быть использованы в соответствии с алгоритмом управления для автоматической установки нужного темпа кодирования и управления скоростью передачи на передающей стороне.

На этом основании автор и полагает, что путем есложной доработки модемов возможна организация дополнительного адаптивного режима их работы для оптимизации использования спутниковых каналов.

Алгоритм работы взаимодействующих модемов может быть таким:
  • исходное состояние настроек модемов – r =1/2;
  • если демодулятор «видит» высокое отношение сигнал/шум, то по служебному каналу передается команда перехода, например, на r =3/4 и соответствующего увеличения скорости передачи (модулятор при этом должен задавать на источник сигнал синхронизации) ;
  • если демодулятор «увидел», что отношение сигнал/шум снизилось до установленного минимума, то на модулятор поступает команда возвращения к исходному состоянию.
Практика показывает, что упомянутые встроенные средства оценки сигнала используются фактически только при первичном вводе канала связи в эксплуатацию (процедура line-up) – для того, чтобы правильно установить тот самый запас на фединг, и при наличии проблемных ситуаций в процессе эксплуатации.

Конечно, всякая попытка что-то выиграть и оптимизировать имеет свои ограничения, причем как административные, так и технические.

В России к административным ограничениям относятся в первую очередь обязательства оператора работать в определенном режиме в соответствии со сведениями, заявленными им в карточке ТТХ к решению ГКРЧ.

Технические ограничения и проблемы следующие:
  • если модем «привязан» к источнику информации «последней милей» соответствующей иерархии SDH, то практически невозможно использовать механизм изменения скорости передачи;
  • для того чтобы правильно работать с источником информации, необходим корректный механизм прерываний работы с источником при смене темпа кодирования и изменения скорости передачи.
Несмотря на упомянутые ограничения, автор полагает, что реальная возможность увеличения на 50% скорости передачи в спутниковых каналах Kuдиапазона не менее чем в 99% времени заслуживает внимания и соответствующей технической реализации.

Более того, несложная доработка в части дополнительной интеллектуализации модемов потенциально позволяет использовать еще один вид адаптации. Известно, что подавляющее большинство выделенных спутниковых каналов симметричны и имеют закрепленную скорость передачи. Вместе с тем реальные источники информации в точках терминации канала вряд ли всегда обладают одинаковой производительностью, и было бы полезно согласовывать скорость передачи каждого направления с источником так, чтобы продолжать полностью использовать арендованную на спутнике полосу частот, имея при этом возможность варьировать соотношение скоростей передачи для каждого направления.

Для этого вида адаптации модем должен «уметь» понимать и сравнивать запросы источников информации на обслуживание для выработки решения, какому источнику и в какой мере отдать предпочтение для обеспечения большей скорости передачи в пределах отведенной полосы. Такой вид адаптации одинаково пригоден для отношения сигнал/шум C-и Ku-диапазонов и уникален именно для спутниковой связи, так как практически нереализуем на наземных сетях, использующих иерархию SDH.
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: