مقاله در مورد شبکه ای کردن ماهواره

بخشی از مقاله

شبكه اي كردن ماهواره

1-1مزايا و معايت ماهواره هاي چند پرتوي
شبكه هاي ماهواره اي تك پرتوي ممكن است يكي از معايب زير را داشته باشند :
- ماهواره ممكن است پوششي از كل ناحيه زمين كه توسط آن قابل ديد است فراهم نمايد و بدين ترتيب ايجاد لينك هايي با مسافت طولاني به عنوان مثال از يك قاره به قاره ديگر امكان پذير شود . در اين حالت بهره آنتن ماهواره توسط پهناي پرتو آن بوسيله پوشش تحميل مي شود محدود مي گردد . براي يك ماهواره زمين ثابت ، پوشش عمومي مستلزم يك پهناي پرتو db 3 به اندازه 174 و در نتيجه بهره آنتن حداكثر db 20 مي باشد .

- ماهواره ممكن است پوششي از يك بخش از زمين را توسط يك پرتو باريك فراهم نمايد . بدين ترتيب به علت كاهش زاويه دهانه پرتو آنتن ، بهره آنتن بيشتر مي شود اما سيستم مي تواند فقط توسط لينك هاي زميني يا بين ماهواره اي به ايستگاههاي كه خارج از پوشش ماهواره قرار گرفته اند مرتبط شود .

با يك ماهواره تك پرتوي ، انتخاب بين ارتباط داخلي تعداد زيادي ايستگاه زميني و تامين بودجه لينك مطلوب با يك بهره بالاي آنتن ماهواره ضروري است .
ماهواره چند پرتوي هر دو انتخاب را با هم امكان پذير مي سازد . پوشش ماهواره به علت كنار هم قرار دادن چندين پوشش پرتو گسترش مي يابد و هر پرتو يك بهره آنتن ايجاد مي كند بطوريكه اين بهره يا كاهش پهناي پرتو آنتن افزايش مي يابد . با افزايش تعداد پرتوها عملكرد بهتر مي شود . اما تكنولوژي آنتن و جرم ماهواره كه با افزايش تعداد پرتوها پيچيدگي اش بيشتر مي شود محدوديت ايجاد مي كند .

در شكل 1-1 الف ماهواره پوشش عمومي را توسط يك پرتو با پهناي پرتو فراهم مي كند و در شكل 1-1ب ماهواره پرتوهاي نقطه اي را با پهناي پرتور با يك پوشش كاهش يافته تامين مي كند . در هر دو مورد تمام ايستگاههاي زميني در شبكه ماهواره اي در محدوده پوشش ماهواره قرار دارند .

1-1-1 مزايا
1-1-1-1 تاثير بر بخش زميني
عبارت براي لينك بالا رو طبق رابطه زير مي باشد .
(1-1)
با اين فرض كه دماي نويز در ورودي گيرنده ماهواره و مستقل از پوشش پرتو مي باشد . اگر و از تلفات پياده سازي صرفنظر شود عبارت (1-1) بصورت زير مي شود.
(1-2)
كه در آن بهره آنتن گيرنده ماهواره مي باشد . اين ارتباط در شكل 1-2 براي دو حالت زير نشان داده شده است .

- پوشش عمومي كه مستلزم مي باشد .
- پوشش پرتو نقطه اي كه مستلزم مي باشد .
عبارت براي لينك پايين رو طبق رابطه زير مي باشد :

با اين فرض كه توان حاصل ارسال شده بوسيله ماهواره مي باشد اگر و از تلفات پياده سازي صرفنظر شود عبارت (1-3) بصورت زير مي شود .
(1-4)
اين ارتباط در شكل 1-3 براي دو حالت زير نشان داده شده است :
- پوشش عمومي كه مستلزم مي باشد .
- پوشش پرتو نقطه اي كه مستلزم مي باشد .
در شكل هاي 1-2 و 1-3 فلش هاي مورب ، كاهش را هنگام تغيير از يك ماهواره با پوشش عمومي به يك ماهواره چندپرتوي با پوشش چندين پرتو نقطه اي نشان مي دهد . در اين حالت ماهواره چند پرتوري موجب صرفه جويي در اندازه و در نتيجه صرفه جويي در هزينه بخش زميني مي شود مثلا كاهش به اندازه Db 20 ممكن است منجر به ده برابر كاهش اندازه آنتن به همراه كاهش هزينه ايستگاه زميني تقريبا از 10 ميليون دلار به 50 ميليون دلار گردد. حال اگر عينا همان بخش زميني حفظ شود C/N0 افزايش مي يابد بطوريكه مي تواند منجر به اف

زايش ظرفيت در كيفيت ثابت سيگنال شود به شرطي كه پهناي بند كافي در دسترس باشد .

1-1-1-2 استفاده مجدد از فركانس
استفاده مجدد از فركانس شامل چندين بار استفاده از همان باند فركانسي است بطوريكه موجب افزايش طرفيت كل شبكه بدون افزايش پهناي باند تخصيص داده مي شود . در مورد يك ماهواره جديد پرتوي جداسازي ناشي از جهت دهندگي آنتن مي تواند جهت استفاده مجدد از همان باند فركانسي و پوشش پرتوهاي مجزا بهره برداري شود . شكل 1-4 هر دو اصل استفاده مجدد از فركانس بوسيله پلاريزاسيون متعامد و استفاده مجدد از فركانس بوسيله جداسازي زاويه اي پرتو را نشان مي دهد . در اين شكل يك پرتو به يك پلاريزاسيون و يك پوشش مفروض مربوط مي شود.

در هر دو مورد پهناي باند اختصاص داده شده به سيستم B مي باشد .فركانس مركزي براي لينك بالارو fu و براي لينك پايين رو fd مي باشد . اما در مورد استفاده مجدد از فركانس بوسيله پلاريزاسيون متعامد ، پهناي باند B فقط دوبار استفاده مي شود اما در مورد استفاده مجدد از فركانس بوسيله جداسازي زاويه اي پهناي باند B مي تواند براي پرتوها تا آنجايي كه سطح تداخل محاز اجازه مي دهد استفاده مجدد شود . علاوه بر اين هر دو نوع استفاده مجدد از فركانس مي توانند تركيب شوند .

فاكتور استفاده مجدد از فركانس به صورت تعداد دفعاتي كه پهناي باند B مورد استفاده قرار مي گيرد تعريف مي شود . در تئوري يك ماهواره چند پرتوي با M پرتو تك پلاريزاسيون كه به هريك عرض باند B اختصاص يافته و مي تواند استفاده مجدد از فركانس بوسيله جداسازي زاويه اي و پلاريزاسيون متعامد را تركيب كند ممكن است فاكتور استفاده مجدد از فركانس برابر 2M داشته باشد .

بنابراين ماهواره چند پرتوي مي تواند ظرفيتي را كه توسط يك ماهواره تك پرتو با پلاريزاسيون تكي با استفاده از پهناي باند عرضه مي شود به خود اختصاص دهد. در عمل فاكتور استفاده مجدد از فركانس به آرايش ناحيه سرويس بستگي دارد بطوريكه پوشش را قبل از اينكه توسط ماهواره در اختيار گذاشته شود تعيين مي كند . اگرناحيه سرويس شامل چندين منطقه جدا شده با فاصله

زياد از هم باشد امكان استفاده مجدد از همان باند در تمام پرتوها وجود دارد . پس فاكتور استفاده مجدد از فركانس مي تواند به مقدار تئوري M نشان مي دهد . هنگامي كه پوشش پرتوها به هم پيوسته هستند از باند فركانسي يك پوشش نمي تواند براي پوشش كناري آن استفاده كرد . در اين مثال پهناي باند اختصاص داده شده به سه زير باشد مساوي جدا از هم تقسيم مي شود و هر كدام در پوشش پرتوها (1و2و3) با جداسازي زاويه اي كافي از يكديگر استفاده مي شوند .

پهناي باند معادل در صورت عدم استفاده مجدد از فركانس توسط پلاريزاسيون متعامد مقدار بدست آمده را براي M=13 پرتو دارد . پس فاكتور استفاده مجدد از فركانس بجاي 13، 3/4 مي شود . با استفاده مجدد از فركانس بوسيله پلاريزاسيون متعامد در محدوده هر پوشش پرتو تعداد پرتوها M=26 خواهد بود و فاكتور استفاده مجدد از فركانس برابر 6/8 مي شود.
1-1-2 معايب
1-1-2-1 تداخل بين پرتوها
شكل 1-6 ايجاد تداخل را در يك سيست ماهواره اي چند پرتوي نشان مي دهد . پهناي باند اختصاص يافته B به دو زيرباند B2,B1 تقسيم مي شود . اين شكل سه پرتو را نشان مي دهد. پرتوهاي 1 و 2 از باند B1 و پرتو 3 هم از باند B2 استفاده مي كند .

در لينك بالارو حاملي كه در فركانس fu1 از پهناي باند B1 بوسيله پرتو 2 ايستگاه زميني ارسال مي شود توسط آنتني كه پرتو 1 را در گلبرگ جانبي اش با يك بهره كم غيرصفر شناسايي مي كند دريافت مي شود . طيف اين حامل روي همان فركانسي كه توسط پرتو 1 ايستگاه زميني ارسال مي شود قرار دارد بطوريكه در گلبرگ اصلي با حداكثر بهره آنتن دريافت مي شود . بنابراين حامل پرتو 2 بصورت نويز تداخل در طيف حامل پرتو 1 ظاهر مي شود. اين نويز تداخل هم كانال (CCI)

ناميده مي شود.علاوه بر اين بخشي از توان حامل در فركانس fu2 كه توسط ايستگاه زميني از پرتو 3 ارسال شده به عنوان نتيجه فيلتر كردن ناقص فيلترهاي IMUX كه كانالهاي ماهواره را در كانال اشغال شده بوسيله حامل fui مشخص مي كند ارائه مي شود . در اين حالت تداخل كانال مجاور ACI همانند آنچه كه در ارتباط بوسيله دسترسي چندگانه با تقسي

م فركانسي در بخش 1-3-2 مواجه شديم وجود دارد .
در لينك پايين رو پرتو 1 ايستگاه زميني حاصل ارسالي در فركانس fd1 را با حداكثر بهره در گلبرگي از آنتن كه پرتو 1 را مشخص مي كند دريافت مي كند . تداخل لينك پايين رو از سهم هاي چگالي طيفي توان كه بر روي طيف اين حامل قرار داده شده ودرادامه آمده اند بوجود مي آيد .
- طيف نويز تداخل كانال مجاور و طيف نويز تداخل هم كانال لينك بالارو كه توسط ماهواره دوباره ارسال شده است .
- طيف حامل در همان فركانس fd1 كه با حداكثر بهره در پرتو 2 و با يك بهره كم غيرصفر در جهت پرتو 1 ايستگاه انتشار يافته است و اين موضوع نشان دهنده تداخل هم كانال CCI اضافي مي باشد .
اثر تداخل بصورت افزايش نويز حرارتي تحت همان شرايطي كه نويز تداخل بين سيستمها تحليل شد ظاهر مي شود و بايد همانطور كه در عبارت ظاهر مي شود در جمله منظور گردد. با توجه به منابع گوناگون تداخل كه با افزايش تعداد پرتوها بسيار زياد مي شوند. ممكن است مقادير نسبتا كم بدست آيد و تاثيراين شرايط عملكرد را بر حسب كل لينك تضعيف مي كند . تاثير نويز تداخل بر يك لينك ماهواره اي چند پرتوري طبق تخمين حدود 40% نويز كل مي باشد .
1-1-2-2 ارتباط داخلي بين نواحي پوشش
يك سيستم ماهواره اي چند پرتوي بايد در موقعيتي باشد كه ارتباط داخلي تمام ايستگاهها زميني شبكه را برقرار نمايد و درنتيجه ارتباط داخلي نواحي پوشش را ايجاد كند . پيچيدگي محموله به زير سيستم آنتن ماهواره چند پرتوري كه خود بسيار پيچيده تر از زير سيستم آنتن ماهواره تك پرتوي است افزوده مي شود. با بكارگيري كانالهاي تكرار كننده شفاف سه روش براي ارتباط داخلي نواحي پوشش مي تواند پيش بيني شود :
- ارتباط داخلي از طريق برش ترانسپوندري
- ارتباط داخلي از طريق سوئيچينگ روي برد
- ارتباط داخلي از طريق جاروب پرتوي
اين سه روش در ادامه توضيح داده خواهد شد .

1-1-3 نتيجه گيري
سيستمهاي ماهواره اي چند پرتوي كاهش اندازه ايستگاه هاي زميني و بنابراين كاهش هزينه بخش زميني را امكان پذير مي كنند . استفاده مجدد از فركانس از يك پرتو به پرتو ديگر موجب افزايش ظرفيت بدون افزايش پهناي باند اختصاص داده شده به سيستم مي شود . با وجود اين تداخل بين كانالهاي مجاور كه بين پرتوهايي كه از فركانسهاي يكسان استفاده مي كنند اتفاق مي افتد ، افزايش ظرفيت بالقوه را محدود مي كند مخصوص

ا هنگامي كه تداخل در ايستگاههاي زميني مجهز به آنتن هاي كوچك بيشتر است .
1-2 ارتباط داخلي از طريق پرش ترانسپوندري
بايد اختصاص داده شده به سيستم به تعداد پرتوها به زيرباند تقسيم مي شود . يك مجموعه فيلتر در داخل ماهواره حامل ها را طبق زيرباند اشغال شده جدا مي كند خروجي هر فيلتر از طريق يك ترانسپوندر به آنتن پرتو مقصد مرتبط مي شود. تعداد فيلترها و ترانسپوندرها حداقل بايد برابر مجذور تعداد پرتوها باشد . شكل 1-7 اين مفهوم را براي يك مثال با دو پرتو نشان مي دهد . ب

ر طبق نوع پوشش ، ايستگاههاي زميني بايد قابليت ارسال و با دريافت روي چندين فركانس و پلاريزاسيون را به منظور پرش از يك ترانسپوندر به ترانسپوندر ديگر داشته باشند . جدول 1-1 نوع دنباله روي سريع فركانس مورد نياز را به منظور تضمين ارتباط داخلي بين پرتوها بر طبق نوع پوشش نشان مي دهد . ظرفيت پيشنهاد شده براي ترافيك مي تواند بين پرتوها در محدوده اي كه كل ظرفيت توسط پهناي باند سيستم تعريف شده بوسيله تصحيح تخصيص هاي زيرباند و بنابراين توسط تصحيح ارتباطهاي بين فيلترهاي ورودي وترانسپوندرها تغيير كند .اين عمليات لحظه به لحظه توسط فرمان از راه دور متناسب با نوسانات بلند مدت ترافيك انجام مي شود .

1-3 ارتباط داخلي از طريق سوئيچينگ روي برد(SS/TDMA)
1-3-1 اصول كار
هنگامي كه تعداد پرتوها كم است سوئيچينگ پرتو بوسيله پرش ترانسپوندري يك راه حل مي باشد . تعداد ترانسپوندرها حداقل به اندازه مجذور تعداد پرتوها افزايش مي يابد . و اگر تعداد پرتوها زياد باشد ماهوئاره بسيار سنگين مي شود . بنابراين در نظر گرفتن سوئيچنگ روي برد ضروري است . اصول كار در شكل بعدي نشان داده شده است . محوله از يك ماتريس سوئيچ قابل برنامه ريزي تشكيل شده است كه داراي تعداد ورودي و خروجي برابر با تعداد پرتوها مي باشد . اين ماتريس هر پرتو بالارو را به هر پرتو پايين رو از طريق يك گيرنده و يك فرستنده مرتبط مي كند . بنابراين تعداد تكرار كننده ها برابر تعداد پرتوها مي باشد . واحد كنترل توزيع مربوط به ماتريس سوئيچ، توالي حالتهاي ارتباط بين هر ورودي و خروجي را در طول يك فريم ايجاد مي كند به طوري كه حامل هاي رسيده به ماهواره در هر پرتو به پرتوهاي مقصد مسيردهي مي شوند . از آنجايي كه ارتباط داخلي بين دو پرتو دوره اي است . ايستگاهها بايد ترافيك كاربرها را ذخيره كنند و هنگامي كه ارتباط داخلي مورد نياز بين پرتوها ايجاد شد آن را بصورت برست ارسال نمايند. اين روش مي تواند در عمل فقط با ارسال ديجيتال و دسترسي نوع TDMA استفاده شود و به اين د ليل دسترسي چندگانه با تقسيم زماني سوئيچ شده از ماهواره SS-TDMA ناميده مي شود.

1-3-2 ساختار فريم
شكل 1-9 الف ساختار يك فريم را براي يك ماهواره سه پرتوي نشان مي دهد . فريم شامل يك فيلد همزمان سازي ويك فيلد ترافيك مي باشد . برست ها از ايستگاههاي ترافيك به مقصدهايشان در فيلد ترافيك مسيردهي مي شوند . فيلد ترافيك شامل يك رشته از حالتهاي سوئيچ مي باشد . در طول يك حالت فرضي سوئيچ ماتريس سوئيچينگ همان حالت ارتباط را حفظ مي كند . بخاطر اينكه تقاضاي ترافيك كمتر از ظرفيت است فيلد ترافيك همچنين شامل يك فضاي رشد است . مدت زمان ارتباط بين يك پرتو بالارو و يك پرتو پايين رو يك پنجره ناميده مي شود. يك پنجره مي تواند مدت زمان چندين حالت سوئيچ را طولاني تركند .
1-3-3 ساختار پنجره

شكل 1-10 طرز چيده شدن برست ها را در فاصله زماني يك پنجره نشان مي دهد . طبق شكل برست ها توسط ايستگاههاي C,B,A در پنجره اي كه متناسب با يك ارتباط از پرتو 3 به پرتو 2 است ارسال مي شوند .هر برست ارسال شده توسط يك ايستگاه در مدت زمان پنجره مورد نظر از چندين زيربرست تشكيل شده است كه شامل اطلاعات ايستگاه به ايستگاه مي شود .

1-3-4 تخصيص بسته ها در فريم
تخصيص برست ها در فريم بايد استفاده از ترانسپوندرهاي ماهواره را به حداكثر برساند زماني كه پنجره ها كاملا توسط برست هاي ترافيك اشغال مي شوند ترانسپوندرها بهتر مورد بهره برداري قرار مي گيرند و اين فقط زماني است امكان پذير است كه توزيع ترافيك بين پرتوها متوازن باشد اما عملا اين اتفاق نمي افتد. ماتريس ترافيك طوري ايجاد مي شود كه تقاضاي ترافيك را از يك پرتو به پرتو ديگر نشان دهد. به عنوان مثال براي يك ماهواره سه پرتوي (1و2و3) اين ماتريس در شكل نشان داده شده است كه در اينجا txy تقاضاي ترافيك را از پرتو x به پرتو y نشان مي دهد .

مجموع هر رديف يعني (i=1,2,3)si ترافيكي را كه توسط تمام ايستگاهها در پرتو I به سمت بالا ارسال مي شود نشان مي دهد . مجموع هر ستون يعني (j=1,2,3)Ri ترافيك پرتوي را كه در پرتو j به سمت پايين ارسال مي شود نشان مي دهد . در حالت توزيع متوازن ترافيك بين پرتوها ، مجموع Ri,SI مساوي باشند . در غير اينصورت يكي از مجموع ها بزرگتر از ديگري مي شود . خط متناظر با آن در ماتريس خط بحراني ناميده مي شود .
مي توان نشان داد كه حداقل زمان براي فرستادن برست هاي ترافيكي ارسال شده توسط تمام ايستگاهها ، زماني است كه براي ارسال ترافيك خط بحراني ماتريس ترافيك در نرخ در نظر گرفته شده موردنياز مي باشد . الگوريتم هاي زيادي پر كردن فريم ها را به وسيله برست ها بطريقي كه مدت زمان فيلد ترافيك فعال حداقل باشد امكان پذير مي كنند . طبقه بندي اين الگوريتم ها در [MAR-87] آمده است .
يك شبكه SS-TDMA مي تواند با تخصيص ثابت يا تخصيص بر حسب تفاضا كار كند . در تخصيص بر حسب تقاضا ، تغييرات ظرفيت اختصاص داده شده به ايستگاهها بوسيله تغيير طول برست همچون در TDMA بدست مي آيد. تغيير طول برست ايستگاه با تغيير موقعيت برست هاي ايستگاههاي ديگر و در نتيجه تغيير در تخصيص برست هاي ديگر همراه مي شود . سه نوع تغيير طرح زماني برست وجود دارد .
- تغيير طرح زماني برست بدون تغيير تخصيص مد سوئيچين

گ
- تغيير طرح زماني برست كه با تغيير تخصيص مد سوئيچينگ همراه است اما با تغيير ترتيب حالت سوئيچ همراه نيست
- تغيير طرح زماني برست كه با تغيير ترتيب حالت سوئيچ همراه است .
در مورد اول فقط ايستگاههاي زميني مطرح مي باشند در دو مورد ديگر بار كردن اطلاعات حافظه واحد كنترل توزيع (DCU) توسط يك لينك با منظور خاص با توجه به ترتيب جديد حالت هاي جديد يا حالت هاي تخصيص مد جديد سوئيچينگ ضروري مي باشد . تغييرات تخصيص در شروع يك فريم بزرگ به منظور تضمين همزمان سازي تغيير مابين تمام ايستگاهها و ماهواره اتفاق مي افتد .
1-3-5 همزمان سازي
در حالت براي همزمان سازي شبكه وجود دارد :
- همزمان سازي ايستگاههاي زميني
- همزمان سازي بخش زميني با ماهواره
همزمان سازي ايستگاههاي زميني همانطور كه در TDMA تك پرتوي از طريق يكي از روشها بيان شد انجام مي شود. در روش حلقه بسته يك مشكل وجود دارد كه ناشي از اين حقيقت است كه ايستگاههايي كه يك پرتو را مي فرستند برست هاي خود را كه به پرتوهاي ديگر ارسال شده اند دريافت نمي كنند و بدين ترتيب نمي توانند خطاي موقعيتشان را اندازه گيري كنند يك راه حل اين مشكل همزمان سازي حلقه بسته بسخورد مشترك ناميده مي شود كه مستلزم اندازه گيري خطاي موقعيت در ايستگاه مقصد پرتو مي باشد كه اين دستگاه بطور منظم مقدار خطاي مشاهده شده در يكي از برست هايش را كه مربوط به ايستگاه مبدا پرتو مي باشد نشان مي دهد . اين روش ظرفيت قابل پذيرش فريم را كاهش مي دهد و فقط در صورتي كه تعداد پرتوها كم باشد مي تواند استفاده شود . براي اينكه ظرفيت قابل پذيرش فريم با تعداد پرتو زياد كاهش پيدا نكند استفاده از يك روش حلقه باز بهتر است .
همزمان سازي بخش زميني با ماهواره مستلزم انتخاب مكان ساعت شبكه است . آيا اين ساعت بايد مانند TDMA بر روي زمين در ايستگاه مرجع باشد يا روي برد ماهواره با اين حسن كه مكانش در يك نقطه گره ي محرمانه قرار گيرد؟ قرار دادن ساعت در ايستگاه مرجع مستلزم يك دمدولاتور و يك مدل آشكار ساز كلمه روي برد ماهواره مي باشد .

نصب ساعت روي برد ماهواره مستلزم يك دمدولاتور براي بخش اين ساعت بر روي تمام پرتوها مي باشد . در هر دو مورد به تجهيزات اضافي روي برد ماهواره نياز مي باشد و اين مي تواند بخاطر از كار افتادگي باشد . در حالتي كه اين ساعت روي برد ماهواره قرار گرفته است در مورد پايداري ساعت اين ترديد وجود دارد كه آيا با توصيه G811,CT1TT كه هم ساعتي بين شبكه ها و بدين ترتيب پايداري 11-10 را پيشنهاد مي كند منطبق است ؟ يك راه حل در نظر گرفتن ساعت واحد كنترل توزيع به عنوان ساعت شبكه است.

ايستگاه مرجع نرخ اين ساعت را مشخص و ارسال برست را همزمان مي كند اصول كار در شكل 1-11 نشان داده شده است . ايستگاه مرجع برست ديگري را كه برست اندازه گيري ناميده مي شود قبل از برست مرجع ارسال مي كند . در همزمان سازي حالت پايدار اين برست در فيلد همزمان سازي فريم كه بر دو مد نخست سوئيچ سوار مي شود به ماهواره مي رسد