Системы фиксированной связи

Медленно начинает история свой бег от невидимой точки, вяло совершая вокруг нее свои обороты, но круги ее все растут, все быстрее и живее становится полет, наконец, она мчится, подобно пылающей комете, от звезды к звезде, часто касаясь старых своих путей, часто пересекая их, и с каждым оборотом все больше приближается к бесконечности.

Карл Маркс

Системы связи, работающие в диапазонах низких, средних и высоких частот

В начале XX века в области радиосвязи было сделано замечательное и неожиданное открытие, которое противоречило всем существовавшим в то время представлениям о возможностях создания протяженных линий радиосвязи. В 1901 году опытным путем сотрудниками фирмы Маркони была установлена связь на линии протяженностью 3500 километров. Знаменитые ученые Кеннели (США) и Хэвисайд (Великобритания) для объяснения данного эксперимента выдвинули гипотезу о том, что Земля окружена ионизированной оболочкой, находящейся на высоте нескольких сот километров и отражающей падающие на нее радиоволны на значительные расстояния.

Другим важнейшим достижением начала этого века, определившим на многие десятилетия развитие радиотехники, явилось создание электронных приборов диода и триода. Первые два десятилетия XX века развитие радиосвязи сопряжено в основном с развитием передающей, приемной и антенной техники. Хотя возможность передачи по радиоканалу сигналов речи была установлена, как отмечалось выше, еще в 1906 году, до начала 20-х годов передача телеграфных сигналов осуществлялась вручную ключом Морзе, а прием - на слух.

Актуальными задачами совершенствования систем радиосвязи являлись повышение скорости телеграфирования и одновременная передача по радиоканалу нескольких сообщений. В начале 20-х годов инженеры активно работали над внедрением в радиосвязь буквопечатающих телеграфных аппаратов.

В СССР первые исследования в этом направлении были проведены известным русским инженером А. Ф. Шориным. Подобные разработки продолжались и в последующие годы. В 1938 году советские инженеры В. И. Керби и В. В. Новиков разработали шестиканальную систему передачи по радиоканалам телеграфных сигналов, в которой предусматривалось при плохом прохождении радиоволн повторение одних и тех же сигналов в нескольких каналах данной системы (принцип французского инженера Вердана).

До 1924 года считалось, что для радиосвязи и вещания возможно использовать лишь низкие (НЧ) и средние (СЧ) волны. Диапазон радиоволн с частотой выше 200 кГц был предоставлен в распоряжение радиолюбителей. Эпохальным событием для развития радиосвязи и вещания явилась установленная в 1924 году радиолюбителями возможность организации на высоких частотах (ВЧ) в диапазоне частот до 30 МГц надежной радиосвязи на многие тысячи километров. С этого момента во многих странах мира начинают разрабатываться системы для ВЧ линий, и они в течение нескольких десятилетий становятся основным видом дальней радиосвязи. В СССР первая линия дальней ВЧ связи была построена в 1927 году.

Одной из важных особенностей ВЧ канала связи (а также радиоканалов в других диапазонах частот) является многолучевой характер распространения радиоволн, в результате которого возникают замирания уровня принимаемого сигнала. В 1925 году английскими инженерами Г. Бевереджем и Г. Питерсоном было сделано открытие метода борьбы с замираниями принимаемого сигнала путем приема сигналов на разнесенные в пространстве антенны. Оно имело исключительно большое значение для дальнейшего развития техники приема сигналов. С тех пор разнесенный прием широко применяется в системах связи разных назначений. Развитию теории и техники разнесенного приема с использованием разнесения сигналов по частоте, пространству и поляризации посвящены сотни теоретических и экспериментальных работ.

Совершенствование систем ВЧ связи шло по пути создания однополосных многоканальных систем связи, применения в них методов частотного и временного уплотнения, внедрения систем передачи сигналов с ЧМн, ДЧТ и ОФМ и разработки специальных методов обработки речевых сигналов (вокодеров и радиокомпандеров - устройств, сжимающих динамический диапазон речевых сигналов).

Применение в 1943 году на ВЧ линиях для передачи фототелеграфа ЧМн обеспечивало существенное повышение помехоустойчивости. С середины 50-х годов этот метод стал применяться при передаче метеорологических карт на линиях ВЧ и НЧ связи в США, Канаде и Японии.

В 1947 году в СССР создается система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), предложенная академиком А. Н. Щукиным еще в 1933 году. В этой системе для передачи двух телеграфных каналов впервые использовался простейший многопозиционный сигнал, и, в зависимости от комбинации передаваемых в каналах символов, в эфир излучалась одна из четырех частот. В течение многих лет эта система эксплуатировалась на линиях ВЧ связи в СССР. В 1969 году этот метод передачи нашел дальнейшее развитие в созданной в Великобритании системе многочастотной манипуляции "Пиколо", в которой использовались 32 частоты. Эта система давала значительный выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с обычной ЧМн.

В 1953 году известным голландским специалистом ван Дюреном - в течение многих лет (1948-1970) он возглавлял Третью Исследовательскую комиссию МККР - для ВЧ линий связи с ЧМн создается новый метод передачи телеграфных (цифровых) сигналов с автозапросом ARQ (Automatic Request Queuing). Метод состоял в том, что для передачи сообщений использовались коды, обнаруживающие ошибки, а на приеме при обнаружении ошибок осуществлялся автоматический запрос передатчика на повторение кодовых комбинаций, принятых с ошибками. Системы ARQ позволяли существенно повысить помехоустойчивость линий ВЧ связи при передаче цифровой информации и широко использовались на линиях ВЧ связи. В 1963 году подобная система была разработана в СССР.

В 1958 году были созданы две принципиально важные для дальнейшего развития радиосвязи новые системы - "Кинеплекс" и "Рейк".

Синхронная система "Кинеплекс" была создана для частотного уплотнения телефонного канала связи сигналами тональной телеграфии. В ней достигалась весьма высокая эффективность использования полосы частот за счет того, что разнос частот между соседними поднесущими, для модуляции которых использовалась ОФТ, был минимален и равнялся 1/Т, где Т - длительность элементарной посылки. Эта система обеспечивала передачу информации в телефонном канале шириной 3.4 кГц со скоростью 3000 бит/с.

В СССР подобная система разрабатывалась позднее в Ленинградском электротехническом институте связи. В этой системе предусматривались применение кодов, исправляющих ошибки, а также адаптация скорости передачи сообщений к условиям распространения радиоволн в ВЧ канале. Подобные принципы позднее были заложены в современную систему COFDM, о которой упоминалось выше и которая сегодня находит широкое применение во многих системах радиосвязи и вещания.

Система "Рейк" замечательна тем, что была открыта на "кончике пера" - путем синтеза оптимальной системы приема в многолучевом канале связи на основе теории потенциальной помехоустойчивости. В этой системе применялись широкополосные сигналы, что позволяло разделять отдельные лучи. Их когерентное сложение устраняло влияние замираний сигналов на качество приема. Аналогичные системы позднее создавались также для тропосферных каналов связи. Принципы, заложенные в систему "Рейк", получили широкое применение в радиорелейных, спутниковых и сотовых системах подвижной связи второго и третьего поколений, в которых применяются ШПС.

С середины 60-х годов появляется ряд разработок адаптивных систем связи, в которых осуществляется оптимальный прием сигналов в условиях межсимвольной интерференции. Эти системы позволяли устранить межсимвольные искажения, возникающие в канале связи из-за ограниченной полосы частот, и существенно повысить скорость передачи сигналов. Адаптивные компенсаторы межсимвольной интерференции и системы оптимального приема сигналов в условиях многолучевости разрабатывались как в нашей стране, так и за рубежом.

В 90-е годы подобные устройства нашли применение во многих системах: в системах сотовой подвижной связи, в цифровых радиорелейных системах связи с высокой скоростью передачи и т. п.

Важным усовершенствованием систем ВЧ связи, предназначенных для передачи сигналов телефонии, стало создание в 1965 году системы "Линкомпекс", в которой применялось компандирование речи. В этой системе осуществлялось выделение огибающей передаваемого сигнала, которая передавалась в узкой полосе частот на поднесущей методом ЧМ. Выделенная огибающая сигналов речи на передаче управляла работой компандера, осуществлявшего сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала. На приеме эта огибающая выделялась и управляла работой экспандера, с помощью которого восстанавливался принятый отраженных от метеорных следов речевой сигнал. Позже эта система совершенствовалась. В СССР было разработано подобное оборудование, в котором применялась новая система эхоподавления. В Канаде для повышения помехоустойчивости передачи огибающей сигнала речи использовались две поднесущие, модулированные по частоте и разнесенные на 1 кГц.

Позже на ВЧ линиях стали применяться вокодеры, что давало значительный выигрыш в помехоустойчивости приема речевых сигналов по сравнению с обычно применяемой в радиотелефонии аналоговой системой передачи с ОБП. В вокодере, разработанном в 1978 году в СССР, впервые при синтезе речи на приеме использовались цифровые методы.

Радиосвязь на ВЧ имеет ряд серьезных недостатков и не может обеспечить высоконадежную связь, так как она подвержена сильному влиянию возмущений ионосферы, требует смены рабочих частот в течение суток, сезона года и периода солнечной активности.

В середине 50-х годов начинают исследоваться и создаваться линии связи, использующие другие механизмы распространения: рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы (ИР) (в слоях D и Е и в спорадическом слое Es) и прерывистые механизмы рассеяния от метеорных следов в ионосфере (МР). На существование таких механизмов указывали исследования английского ученого Т. Л. Эккерслея, выполненные еще в 1929 году.

В отличие от радиосвязи на ВЧ, связь с помощью ИР и МР слабо подвержена влиянию ионосферных возмущений и позволяет создать линии большой протяженности с высокой надежностью связи в течение всего года. Линии ИР, работающие в диапазоне частот 30-60 МГц, начали создаваться в конце 50-х - начале 60-х годов. В СССР работы по созданию таких линий выполнялись под руководством Н. Н. Шумской с участием В. В. Вязникова и Я. А. Фикса. Была построена линия ИР, которая действовала на трассе Мурманск - Москва.

В 1955-1957 годах создаются первые линии метеорной связи в Канаде, США и других странах. Первая система МР "Джанет" работала в диапазоне частот 30-50 МГц на трассе протяженностью около 1000 км, имела передатчики мощностью в 500 вт, разнос между частотами передачи и приема составлял 1 МГц, а средняя скорость передачи информации была равна примерно 150 бит/с (максимальная скорость составляла 300 бит/с).

В конце 60-х годов в СССР также были созданы (под руководством А. А. Магазаника) две линии метеорной связи Норильск - Красноярск и Салехард - Тюмень, которые находились в эксплуатации около десяти лет.

В 1968 году в США создается система COMET (Communication by Meteor Trails) метеорной системы связи с ARQ протяженностью 2000 километров и с пропускной способностью 4-8 телеграфных каналов.

В 80-х годах создаются автоматизированные системы, обеспечивающие надежную ВЧ радиосвязь в диапазоне 2-30 МГц на ближние, дальние и сверхдальние (до 2000 км) расстояния. В этих системах, в зависимости от качества канала связи, возможна передача сообщений со скоростью от 75 до 2400 бит/с с высокой помехоустойчивостью. Современные технические средства ВЧ радиосвязи и их модульная архитектура позволяют создавать системы сухопутной и морской связи самого различного назначения.

С помощью этих систем можно организовать:

• линии двухсторонней радиотелефонной связи по принципу "каждый с каждым" с возможностью выхода в общегосударственную либо учрежденческую телефонную сеть;
• системы дипломатической связи, передачу метеопрогнозов и т. п.;
• передачу низкоскоростных данных, текстовых сообщений, двоичных файлов, факсов и качественных цветных и черно-белых изображений;
• объединение территориально разнесенных локальных вычислительных сетей.

Хронология

Этапы и перспективы развития систем радиосвязи, работающих в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ

Многие принципы построения систем радиосвязи, которые позже широко использовались при создании современных систем радиорелейной, спутниковой и подвижной радиосвязи, были установлены при проведении разработок систем ВЧ связи. Системы ВЧ связи в течение нескольких десятилетий были единственным средством создания линий дальней радиосвязи, и поэтому они нашли широчайшее применение во всем мире. Это вызвало чрезмерную загрузку ВЧ диапазона и серьезно обострило проблему помех между различными системами связи, работающими в этом диапазоне частот. Основные этапы развития таких систем состоят в следующем.

Первые двадцать лет XX столетия - в этот период закладываются основные принципы построения передающих, приемных и антенных радиотехнических устройств.

20-30-е годы - создаются радиолинии с применением буквопечатающей телеграфной многоканальной аппаратуры с ВУ и ЧУ, разрабатываются системы разнесенного приема, существенно повышающие надежность радиосвязи, осваивается диапазон ВЧ и внедряются многоканальные системы с ОБП, по которым передаются сигналы телефонии, фототелеграфии и телеграфии.

40-е годы - создаются системы передачи цифровых сигналов с применением ЧМн и ДЧТ.

50-е годы - создаются системы радиосвязи с повышенной помехоустойчивостью и надежностью: системы ВЧ связи с автозапросом информационных блоков, в которых на приеме были обнаружены ошибки (ARQ), системы ионосферного и метеорного рассеяния, система "Рейк", использующая широкополосные сигналы для разделения отдельных лучей в многолучевом канале (последние три вида систем широкого практического применения в ВЧ связи не получили).

60-70-е годы - создаются системы типа "Линкомпекс", в которых для повышения качества приема сигналов телефонии применяется глубокая компрессия речевого сигнала и передача его огибающей с помощью ЧМ на поднесущей; в ВЧ связи начинается применение вокодеров; разрабатываются системы типа "Кинеплекс" и системы с адаптивной коррекцией межсимвольной интерференции; создается система "Пиколо", в которой применялись многопозиционные сигналы.

80-е годы - создаются цифровые системы ВЧ связи, обеспечивающие аппаратными средствами, встроенными в приемопередающую аппаратуру, возможность автоматически регулировать (в соответствии с изменениями состояния ионосферы) рабочую частоту и настройку антенн; в этих системах применяются высокоскоростные модемы с адаптивной коррекцией переходной характеристики многолучевого канала связи и осуществляется адаптация к уровню радиопомех в канале связи. В будущем, по-видимому, диапазон ВЧ станет использоваться только для звукового вещания, а также, в некоторых случаях, для организации подвижной связи в регионах с низкой плотностью населения. Потребности в линиях связи, работающих в диапазонах частот ниже 50-60 МГц, значительно уменьшатся из-за развития современных средств радиосвязи, обладающих гораздо более высокой надежностью и пропускной способностью, - радиорелейных и особенно спутниковых систем абонентского доступа.

Радиорелейные линии связи

Принцип релейной связи, позволяющий организовать передачу сообщений на значительные расстояния путем ее переприема в промежуточных пунктах, известен с глубокой древности. Релейная линия связи состоит из цепочки последовательно соединенных однопролетных соединительных линий, в которой на промежуточных пунктах может происходить выделение передаваемых по линии сообщений, их ретрансляция или введение новых сообщений. Первая государственная сеть релейных станций подобного рода - оптический телеграф Шаппа - была создана во Франции еще в XVIII веке. После изобретения радио в 20-х годах XX века инженеры начали предлагать создание систем радиорелейной связи.

По-видимому, первый патент на систему радиорелейной связи был получен в СССР в 1921 году В. И. Коваленковым. В 1923 году в США компанией RCA создается первая двухпролетная радиорелейная линия (РРЛ), работающая на частоте 182 кГц. В ней применялась ОБП, и она служила для передачи сигналов телеграфии. В 1929 году М. А. Бонч-Бруевичем был разработан проект радиорелейной линии связи для передачи радиотелефонных сообщений на ВЧ. Однако серьезное развитие радиорелейная связь получает только с освоением диапазона метровых волн.

В 1931 году в диапазоне метровых волн создается первая однопролетная линия прямой видимости (РРЛ) через пролив Па-де-Кале. В СССР в 1932-1934 годах также была разработана приемопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва - Кашира и Москва - Ногинск. В США в 1934 году была построена РРЛ для передачи ТВ сигналов, полоса которых составляла 250 кГц. Эта РРЛ работала на частоте 100 МГц.

С 1939 года для передачи как сигналов ТВ, так и сигналов телефонии начали создаваться РРЛ с ЧМ. Для передачи многоканальной телефонии в таких системах применялось частотное уплотнение. В 1940 году была создана семиканальная РРЛ между Миланом и Кампо-дель-Фиоре (Италия), работающая на частоте 500 Мгц. В 40-х годах в США, Великобритании, Франции и Германии были развернуты работы по созданию РРЛ с ЧМ, по которым можно было передать до десяти телефонных (ТФ) каналов.

Наряду с разработкой радиорелейных многоканальных систем, использующих непрерывные виды модуляции, выдвигаются идеи применения в радиорелейной связи импульсных видов модуляции (ИМ) и временного разделения каналов. Интересно отметить, что эти идеи появляются еще задолго до того, как становится возможной и актуальной их реализация. Достоинством систем с ИМ является простота оборудования для объединения и разделения отдельных каналов.

Одна из первых идей о применении ИМ для передачи непрерывных сообщений была высказана еще в 1919 году И. Г. Фрейманом, предложившим использовать для осуществления такого преобразования катодно-лучевую трубку. Академик А. Л. Минц в 1930 году получил авторское свидетельство на импульсную систему радиотелефонной связи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Экспериментальная система многоканальной связи с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) испытывалась в СССР в 1937 году.

С середины 40-х годов начинают применяться многоканальные РРЛ с импульсными видами модуляции (РРЛ-ИМ). Первая подобная восьмиканальная система, работающая в диапазоне 5 ГГц, была создана фирмой Вестерн-Электрик в 1944 году.

Разработка и внедрение РРЛ-ИМ в СССР начались с 1945 года. Значительную роль в этом сыграли работы В. И. Сифорова, Н. М. Изюмова, Я. Д. Ширмана, Ф. П. Липсмана, Г. В. Длугача, С. В. Бородича, Г. А. Малолепшего и других. В СССР выпускались РРЛ-ИМ с импульсно-фазовой модуляцией с числом ТФ каналов от одного до двадцати четырех. Эти РРЛ работали в диапазонах частот от 70 до 2000 МГц.

Оборудование РРЛ, предназначенных для передачи сигналов ТВ и большого числа ТФ каналов, создавалось на основе применения ЧМ и ЧУ. Первое отечественное оборудование "Краб" в метровом диапазоне, разработанное в 1953-1954 годах, было использовано для создания РРЛ Красноводск - Баку. Позже была создана двенадцатиканальная аппаратура "Стрела-П", использующая полосу частот 1600-2000 МГц. В 1958 году была разработана первая отечественная РРЛ с ЧМ - Р60/120, работавшая в диапазоне 2 ГГц и позволявшая передавать до 120 ТФ каналов или один канал телевидения. В создании отечественных РРЛ значительную роль сыграли ведущие специалисты Научно-исследовательского института радио: В. А. Смирнов, Е. С. Штырен, С. В. Бородич, В. П. Минашин, А. В. Соколов, Н. Н. Каменский и другие. Аналоговые РРЛ с ЧМ получили весьма широкое распространение во всем мире и постепенно осваивали диапазоны 4, 6, 8 и 11 ГГц.

В начале 50-х годов была открыта возможность создания систем связи, использующих механизм распространения радиоволн путем тропосферного рассеяния. Эти системы давали возможность создания тропосферных РРЛ (ТРРЛ), в которых расстояние между соседними станциями значительно превосходило расстояние между соседними станциями РРЛ прямой видимости и доходило до 800 километров. Это позволяло развертывать такие линии в малонаселенных и труднопроходимых регионах, в которых создание РРЛ прямой видимости оказывалось невозможным либо очень дорогостоящим.

В ТРРЛ протяженность одного пролета составляла 200-600 километров, применялись антенны с большим коэффициентом усиления (до 40 дБ), мощные передатчики (до 10 кВт) и разнесенный прием. Эти системы создавались в диапазоне частот 800-4000 МГц. Их пропускная способность доходила до ста пятидесяти телефонных каналов. В 1957 году была созданы ТРРЛ между Испанией и Италией, США и Канадой, а также в других странах.

В СССР первую отечественную аппаратуру ТРРЛ создали в 1963 году. На этом оборудовании была построена сеть ТРРЛ "Север" протяженностью 14 000 километров. Ее пропускная способность составляла 60 ТФ каналов. Эта сеть постоянно модернизировалась, и в 1981 году ее пропускная способность возросла до ста двадцати ТФ каналов. Инициатором и руководителем первых работ по созданию отечественных ТРРЛ был С. В. Бородин. В этих разработках активно участвовали И. А. Гусятинский, А. С. Немировский, И. С. Цирлин, В. В. Плеханов, Г. М. Холодилин и другие. С развитием систем спутниковой связи значение ТРРЛ для организации связи в отдаленных районах уменьшилось.

Во второй половине XX столетия начинают разрабатываться и внедряться системы связи, в которых применяются цифровые методы передачи сигналов. В России на основе изобретения Л. А. Коробкова в 1947 году создается цифровая двенадцатиканальная однопролетная цифровая линия связи Москва - Раменское протяженностью 30 километров, в которой применялась дельта-модуляция. Этот год можно считать началом создания цифровых систем многоканальной радиосвязи, которые в конце XX века начали интенсивно внедряться во все сферы электросвязи. В 1948 году фирма "Белл" создала первую экспериментальную многоканальную цифровую систему связи с ИКМ.

Начиная с середины 70-х годов начинают создаваться цифровые РРЛ, позволяющие в одном стволе передавать цифровые потоки со скоростью 2, 8, 32 Мбит/с.

На первом этапе для внедрения цифровых методов передачи использовались существующие аналоговые РРЛ с ЧМ, для которых разрабатывались специальные модемы, позволяющие с использованием двухполярной либо четырехуровневой модуляции со скремблированием передать один либо два цифровых потока со скоростью передачи 8 Мбит/с в нижней части группового спектра РРЛ. Были разработаны также модемы, с помощью которых, одновременно с аналоговыми сигналами многоканальной телефонии или ТВ, на поднесущей, расположенной выше спектра аналогового сигнала, цифровые сигналы передавались методом ОФМ со скоростью передачи 2 Мбит/с.

В США первая цифровая РРЛ с ИКМ была создана в 1962 году. В СССР первые цифровые РРЛ с ИКМ в диапазоне частот выше 10 ГГц начали создаваться в 1978 году. В цифровых РРЛ первого поколения для передачи сигналов применялись простые методы модуляции: ЧМн, ОФМ либо ДОФМ.

На современном этапе развития систем фиксированной радиосвязи быстрыми темпами происходит внедрение цифровых методов передачи сообщений. Такие радиосистемы в ряде случаев оказываются экономически существенно эффективнее по сравнению с кабельными и оптоволоконными системами.

Имеются четыре вида основных применений РРЛ, для которых в последние двадцать лет в ряде стран был налажен выпуск оборудования.

Создание достаточно протяженных магистральных систем высокоскоростной связи со скоростью передачи вплоть до 622 Мбит/с. В современных магистральных РРЛ широко применяется КАМ и РКМ, обладающие весьма высокой помехоустойчивостью. Для увеличения спектральной эффективности таких систем в них начиная с 80-х годов, применяются адаптивные компенсаторы межсимвольных помех. Кроме того, в этих системах используется уплотнение имеющихся частотных каналов по поляризации и для устранения возникающих при этом кросс-поляризационных помех применяются адаптивные компенсаторы. Такие РРЛ обычно используют диапазоны частот 1-14 ГГц.

Создание линий связи для поддержки определенной инфраструктуры (например, для подключения базовых станций сотовых сетей связи к мобильному коммутатору, подачи ТВ программ на головные станции систем кабельного ТВ, соединения широкополосными радиолиниями большого числа терминалов, расположенных внутри здания на ограниченной площади, и т. п.). Такие линии обычно создаются в диапазонах частот 14-38 ГГц.

Создание сетей абонентского доступа, предназначенных для непосредственного подключения абонентов к сети телефонной связи общего пользования (ТФОП). Подобные РРЛ создаются в диапазонах частот 14-60 ГГц. В сельских районах с низкой плотностью населения, когда эта сеть должна охватывать значительный регион, для ее создания могут использоваться полосы частот в диапазоне ниже 1 ГГц. Для создания сетей абонентского доступа используются сотовые РРЛ и системы связи типа пункт - много пунктов (П-МП).

В сотовых РРЛ применяется МДВР, и их базовые станции (БС) разворачиваются в отдельных населенных пунктах на обширных территориях в регионах с низкой плотностью населения. Расстояния между БС может составлять несколько десятков километров. В этих сетях в зонах обслуживания БС предусмотрена возможность беспроводного доступа групп абонентов к отдельным каналам каждого из радиостволов РРЛ. В этих зонах устанавливаются и ретрансляционные станции, с помощью которых осуществляется объединение БС в единую сеть, подключенную к сети ТФОП. С помощью подобных систем возможно подключение к районным автоматическим телефонным станциям (АТС) до 60 тысяч абонентов, проживающих на территории 20-30 тысяч квадратных километров. Данные системы нашли широкое применение для организации связи в сельских районах с низкой плотностью населения во многих странах.

Системы связи типа П-МП могут использоваться как для создания сетей широкополосного абонентского доступа к автоматическим телефонным станциям, так и для подключения территориально распределенных компьютерных сетей к центральному серверу и т. п. Подобные системы находят применение как в городах, так и в сельских районах.

К системам типа П-МП относятся и системы распределения ТВ программ центральной станции как непосредственно к абонентам, так и к головным станциям кабельного ТВ. Такие системы были разработаны в диапазонах 2. 5 и 29 ГГц. Первая из них - MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Systems) - имеет радиус зоны обслуживания до 40 километров, и в ней используется AM. Она является аналоговой и имеет 33 канала шириной 6 МГц. Вторая - LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) -имеет радиус зоны обслуживания до 6 километров, и в ней используется ЧМ. Она занимает полосу частот 2 ГГц и имеет значительно большую емкость по сравнению с системой MMDS.

В Европе в диапазоне 40 ГГц была разработана весьма перспективная система MVDS (Multipoint Video Distribution Systems), аналогичная системе LMDS. В этой системе в зоне обслуживания одной базовой станции для каждого абонента можно организовать передачу 24 широкополосных (40 МГц) каналов.

В настоящее время системы MMDS, LMDS и MVDS усовершенствованы, и в них появилась возможность организации обратного канала связи от абонентов к центральной станции, что значительно расширяет возможности этих систем, так как появляется возможность их использования для подключения абонентов к ТФОП, к сети Интернет, предоставления интерактивных услуг и т. п.

Организация локальных соединительных сетей связи внутри помещений. Такие системы позволяют заменять кабельные линии связи, при необходимости устанавливать множественные широкополосные соединения между разными видами оборудования, расположенного на небольших (до 500 м) расстояниях друг от друга. В Европейском институте телекоммуникационных стандартов (ETSI) в диапазоне 5 и 17 ГГц в 1998 году разработана система Hiperlan (High Perfomance Radio Local Area Network). В ней возможна передача данных на больших скоростях: 10, 25 Мбит/с и выше. В данной системе возможна организация связи подвижных терминалов между собой без использования базовых станций или какой-либо другой фиксированной инфраструктуры. Это весьма ценно при установлении временных соединений или в случаях, когда невозможно установить фиксированное оборудование. Аналогичные системы, работающие в диапазонах 2. 4 и 5 ГГц, разработаны в США.

Хронология

Этапы развития систем радиорелейной связи

Начало развития радиорелейной связи относится к 20-м годам XX столетия, и сегодня этот вид связи продолжает развиваться весьма высокими темпами. Отметим основные этапы этого развития:

20-е годы - первые проекты создания радиорелейных линий связи в диапазонах средних и длинных волн, создание на средних волнах первой РРЛ для передачи сигналов телеграфии и фототелеграфии;

30-40-е годы - создание опытных малоканальных РРЛ на метровых волнах с использованием ЧМ и импульсных видов модуляции, передача по РРЛ сигналов малокадрового ТВ, создание первой цифровой многоканальной системы передачи ТФ сигналов с применением дельта-модуляции и ИКМ;

50-е годы - разработка в диапазоне 2 ГГц магистральных РРЛ с ЧМ, позволяющих передавать до 120 ТФ каналов и сигналы ТВ, начало стандартизации параметров РРЛ в МСЭ, разработка малоканальных РРЛ с ФИМ для местной связи, создание ТРРЛ, с помощью которых организуются сети радиорелейной связи в труднодоступных регионах;

60-е годы - разработка первой цифровой РРЛ с ИКМ, создание магистральных аналоговых РРЛ с ЧМ и числом ТФ каналов до 1920, освоение диапазонов частот до 10 ГГц, развитие сетей ТРРЛ;

70-е годы - создание первого поколения цифровых РРЛ, использующих специальные модемы для передачи цифровых сигналов в стволах аналоговых РРЛ; создание цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц и использующих для передачи сигналов ЧМн, ОФМ и ДОФТ; разработка сотовых РРЛ с многостанционным доступом, обеспечивающих возможность организации беспроводного доступа к сети связи общего пользования на обширных территориях с низкой плотностью населения;

80-е годы - создание РРЛ типа П-МП и их применение для организации систем эфирного распределения ТВ программ, разработка современных цифровых высокоскоростных магистральных РРЛ с КАМ и РКМ;

90-е годы - разработка широкополосных локальных распределительных систем типа Hiperlan.

В XXI веке аналоговые РРЛ быстрыми темпами будут заменяться цифровыми. Некоторые полосы частот в диапазоне ниже 1 ГГц будут использоваться для организации малоканальных протяженных РРЛ в сельской местности. В настоящее время в Европе в этом диапазоне частот действуют почти 130 тысяч радиорелейных станций. Ожидается быстрое развитие сетей РРЛ в диапазонах высоких частот до 30 ГГц. Полосы частот от 1 до 3 ГГц будут постепенно высвобождаться от систем фиксированной службы в целях развития сетей подвижной и спутниковой связи. В течение ближайших пяти лет в Европе общее число РРЛ возрастет на 35%. Особенно большой рост числа развернутых РРЛ будет происходить в диапазонах частот выше 20 ГГц. В XXI веке получат широкое развитие РРЛ в миллиметровом диапазоне частот, вплоть до 60 ГГц. Такие РРЛ с передатчиками малой мощности позволят при необходимости быстро организовывать короткие и весьма дешевые соединительные линии. Их предполагается, в частности, использовать в качестве соединительных линий для базовых станций сетей подвижной связи третьего поколения.

Системы широкополосного абонентского доступа типа П-МП и сотовые РРЛ будут создаваться в диапазонах частот выше 30 ГГц. Кроме того, получат развитие системы, предназначенные для создания сотовых сетей распределения ТВ программ. Для подобных систем выделены полосы частот в диапазонах до 60 ГГц.

Весьма интересным и многообещающим является проект организации глобальной сети РРЛ высокой плотности "Sky-Station". Этот проект по своему замыслу аналогичен проекту создания глобальной системы спутниковой связи "Teledeisic", о котором подробнее будет сказано ниже. В системе "Sky-Station", для которой в МСЭ используется аббревиатура HAPS (High Altitude Platform Station) вместо спутников Земли используется в качестве ретранслятора связная платформа, размещенная на дирижабле, поднятом на высоту более двадцати километров над Землей.

В этом ретрансляторе осуществляется обработка сигналов и используется многолучевая антенная система. Такая система позволяет обслужить до 3 миллионов абонентов в зоне обслуживания одной стратосферной станции, имеющей радиус порядка 500 километров. С помощью двухсот пятидесяти таких платформ возможно полное покрытие поверхности Земли этой системой. Абонентские терминалы позволят передавать и принимать потоки данных со скоростью от 64 до 2000 Кбит/с. Абоненты будут пользоваться всеми услугами, предоставляемыми сетью связи общего пользования и сетью Интернет. Подобная система оказывается почти на порядок дешевле системы "Teledesic", которую также планируется ввести в эксплуатацию в начале XXI века.

Системы спутниковой связи

Возможности создания современных систем спутниковой связи были заложены первыми теоретическими работами, выполненными еще в начале XX века К. Э. Циолковским (Россия, 1901 г.) и Р. Годардом (США, 1903 г.), по созданию ракетной техники и искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Протяженность трассы радиорелейной линии связи растет с увеличением высоты подвеса антенны ретранслятора. Идеи создания радиорелейной линии связи с переотражением ретранслируемых сигналов от космических тел возникла у ученых задолго до того, как появилась возможность их технической реализации.

В 1943 году в СССР академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси выполнили теоретические расчеты, показавшие возможность создания линии связи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора. В США в 1956 году была создана опытная система радиотелефонной связи между Вашингтоном и Гавайскими островами, в которой сигналы отражались от поверхности Луны. Эта линия имела небольшую пропускную способность, и в ней использовался передатчик мощностью 100 Вт, работавший на частоте 430 МГц. Линия находилась в эксплуатации до 1962 года. Несколько позже (в 1965 г.) в СССР также были проведены опыты по передаче фототелеграфных изображений через Луну.

Идея использования искусственных спутников, находящихся на геостационарных орбитах, для организации глобальных систем связи и вещания была выдвинута в 1945 году американским ученым и знаменитым писателем Артуром Кларком. В 1955 году известный американский ученый Дж. Р. Пирс публикует расчетные данные, позволяющие оценить технические параметры систем спутниковой связи.

Возможность создания систем спутниковой связи появилась только в 1957 году после запуска созданного под руководством академика С. П. Королева первого искусственного спутника Земли. Это эпохальное событие в истории человеческой цивилизации дало мощный толчок в развитии многих новых направлений науки и техники, в том числе и радиосвязи. Почти сразу же после первого запуска искусственного спутника Земли создаются экспериментальные линии спутниковой радиосвязи.

В 1958 году в США запускается первый активный экспериментальный спутник "Атлас-Скор" на эллиптическую орбиту и через него организуется опытная радиосвязь. Через несколько месяцев после его запуска появилась историческая статья американских ученых Дж. Р. Пирса и Р. Компфнера, в которой были даны технические основы создания надежной трансокеанской связи с помощью ИСЗ.

Всего несколько лет понадобилось для реализации крупных технических проектов. В этот период были запущены:

• пассивный спутник связи "Эхо", выполненный в виде тонкостенного отражающего радиоволны шара диаметром несколько десятков метров, и "Вест-Форд", образованный поясом толщиной порядка 20-30 километров из нескольких сот миллионов диполей "иголок" длиной 2 сантиметра (от создания линий связи на пассивных ИСЗ в дальнейшем отказались, так как они имели узкую полосу частот линии связи и требовали применения на Земле весьма мощных передатчиков и чувствительных приемников);
• активный спутник-ретранслятор "Телстар", находившийся на негеостационарной орбите, с помощью которого осуществлялась передача сигналов телевидения и многоканальной телефонии между Европой и Америкой;
• геостационарный спутник-ретранслятор "Синком".

Спутниковые системы связи, в которых использовались пассивные спутники, имели серьезные недостатки: весьма высокую энергетику линий и узкую полосу пропускания. Из-за этого линии спутниковой связи с 60-х годов начали создаваться исключительно с использованием активных спутников.

Для создания национальной сети спутниковой связи в СССР в 1965 году на высокоэллиптическую орбиту выводится ИСЗ "Молния-1", через который была организована передача сигналов телефонии и телевидения между Москвой и Владивостоком.

Поскольку на первом этапе развития спутниковых систем (60-е годы) широко использовалась ЧМ с большим индексом модуляции, то в это время проводятся многочисленные разработки различных устройств снижения порога приема ЧМ сигналов. Применение таких устройств позволяло существенно снизить необходимую энергетику спутниковых линий связи.

В этот же период создаются экспериментальные и действующие системы спутниковой связи, в которых используются различные методы многостанционного доступа: МДЧР, МДВР и МДКР. В системах МДЧР первое время используется ЧМ. Разрабатываются системы многостанционного доступа типа один канал на несущую (ОКН) и многоканальные системы, в которых на каждой несущей частоте передается несколько телефонных каналов (МКН).

Позднее в системах спутниковой связи начинают применяться цифровые методы передачи сигналов. Применяются методы модуляции ФМн, ОФМ, ММС, коды, корректирующие ошибки, и другие. Для повышения эффективности использования каналов связи применяются методы сокращения избыточности звуковых и телевизионных сообщений, методы подавления несущей в паузах речи, разделение сигналов, передаваемых в одном частотном канале, по поляризации и другие. Важным этапом развития спутниковых систем связи стали разработки систем "SPADE" (ИКМ-ОКН) и "SMAX" (ИКМ-МДВР). Подобные разработки проводятся в разных странах.

В СССР первая линия цифровой связи, соединившая Москву с городами Дальнего Востока, была введена в эксплуатацию в 1977 году. Она имела скорость передачи 40 Мбит/с и позволяла передавать 120 дуплексных ТФ каналов.

В конце 60-х годов разрабатываются спутниковые ретрансляторы с обработкой сигналов на борту, которые позволяют существенно повысить пропускную способность спутниковых систем, применяя в них коммутационные матрицы и многолучевые антенны. Коммутационные матрицы путем соответствующей коммутации принятых временных пакетов на разные временные позиции в кадре передаваемого сигнала обладают большим быстродействием и позволяют осуществлять маршрутизацию обрабатываемых сигналов на борту спутника, связывая абонентов, расположенных в зонах обслуживания одного и того же или разных лучей.

Системы с коммутацией сигналов на борту спутника весьма перспективны, так как позволяют существенно уменьшить сложность земного сегмента. Применение этой технологии для организации линий связи позволяет избежать многоскачковых соединений и уменьшать задержки передаваемых сообщений. Коммутация сигналов на борту ИСЗ для организации межспутниковых линий связи нашла применение в системе спутниковой подвижной связи "Иридиум", она заложена в проекте системы глобальной спутниковой связи "Teledesic", реализация которого намечена на начало XXI века.

Разработанные в 60-70-е годы технологии связи находят широкое применение в создаваемых во многих странах спутниковых системах.

В СССР в 70-х годах создаются различные системы многостанционного доступа:

• аналоговые системы (система ОКН "Градиент-Н" и МКН "Группа" с ЧУ-ЧМ);
• цифровая система "МДВУ-40" с временным уплотнением со скоростью передачи сообщений 40 Мбит/с;
• цифровая система ОКН "Интерчат", аналогичная американской системе "SPADE", обеспечивающая передачу в одном стволе до 800 каналов связи со скоростью передачи сообщений 64 Кбит/с. Эта система была разработана совместно советскими и венгерскими специалистами;
• система цифровой спутниковой связи ДКН-400, в которой применялась адаптивная дифференциальная ИКМ.

В создании отечественных систем спутниковой связи значительную роль сыграли А. Д. Фортушенко, Н. В. Талызин, С. В. Бородич, Л. Я. Кантор, М. Ф. Решетнев, М. С. Немировский, В. Л. Быков, В. М. Дорофеев, А. П. Биленко, Н. И. Калашников, М. Д. Венедиктов, Е. Ф. Камнев, М. Р. Капланов, И. С. Цирлин, В. М. Цирлин, В. П. Кокошкин, Г. Н. Чернявский и другие. Важные при проектировании спутниковых систем связи программы для расчета зон обслуживания геостационарных спутниковых систем были разработаны в 80-х годах Л. М. Машбицем.

Спутниковая связь развивается во всем мире весьма быстрыми темпами. Совершенствование техники спутниковой связи позволило в 1984 году создавать небольшие необслуживаемые земные станции (ЗС) цифровой спутниковой связи с антеннами с малой апертурой (VSAT-Very Small Aperture Terminal), которые позволяют развертывать массовые сети спутниковой связи, аналогичные сетям РРЛ типа П-МП. Новая техника обеспечивает достаточно высокую скорость передачи информации (до 2 Мбит/с) и позволяет отдельным пользователям сетей VSAT предоставить, наряду с традиционными, значительное количество современных услуг связи (Интернет, видеоконференцсвязь, видеотелефония и т. д.). Сети VSAT создаются в диапазонах 6-4, 14-11 и 30-20 ГГц, выделенных для фиксированной спутниковой службы.

Начиная с 1984 года, за пятнадцать лет своего развития, количество введенных в эксплуатацию ЗС сетей VSAT в мире составило около трехсот тысяч.

Сети спутниковой связи имеют глобальный характер и требуют при создании весьма значительных инвестиций. Это диктует необходимость объединения ресурсов многих стран для развития подобных систем.

В 1965 году создается первая международная организация спутниковой связи "Интелсат", которая объединяет 143 страны. Глобальная система спутниковой связи "Интелсат" имеет сегодня 17 ИСЗ и 130 земных станций в разных регионах мира. В этой системе возможны организация сетей связи общего пользования, передача видеосигналов, создание магистральных линий связи большой емкости и корпоративных сетей связи и т. п.

В 70-х годах создается ряд других международных организаций спутниковой связи:

• организация "Интерспутник", объединяющая в настоящее время двадцать три страны Восточной Европы, Азии и страны СНГ и предоставляющая сегодня пользователям возможность организации сетей ТВ и 3В вещания, передачу телефонии, данных, видеоконференций, сетей VSAT. Эта организация имеет 8 спутников связи и 70 земных станций в разных странах мира;
• организация "Евтелсат", объединяющая пятьдесят стран Европы, Азии, Африки и Америки. Она имеет 15 ИСЗ, с помощью которых обеспечивается организация тысяч корпоративных сетей, передача сигналов телефонии и данных, а также 550 ТВ каналов на 75 миллионов приемных установок во многих частях мира.

За последние двадцать пять лет был создан также ряд региональных систем спутниковой связи: "ПанАмСат", "Орион", "Арабсат", "Азиасат" и другие. В 90-х годах национальные сети спутниковой связи были созданы в Канаде, России, США, Франции, Китае, Японии, а также во многих других странах.

Хронология

Этапы и перспективы развития систем спутниковой связи

В развитии спутниковых систем можно выделить следующие основные этапы.

40-е годы: выдвижение идей создания линий спутниковой связи и первые расчеты, позволяющие оценить их основные параметры.

Конец 50-х - начало 60-х годов: создание первых экспериментальных линий спутниковой связи (с использованием вначале пассивных, а затем активных ИСЗ, расположенных на негеостационарных и геостационарных орбитах).

60-е и начало 70-х годов: разработка различных методов многостанционного доступа (МДЧР, МДВР, МДКР), разработка систем, использующих аналоговые и цифровые методы передачи сообщений, различные методы сокращения их избыточности, разработка методов коммутации сигналов на борту спутника.

Последние тридцать лет XX века характеризуются существенным расширением применений технологий спутниковой связи и созданием международных и национальных сетей спутниковой связи, обеспечивающих возможности организации как протяженных магистральных многоканальных линий связи большой емкости, так и локальных и региональных линий связи с многостанционным доступом, а также сетей спутниковой связи с применением технологии VSAT для большого числа пользователей.

С 60-х годов в МСЭ начинается разработка Рекомендаций по стандартизации оборудования и требований к качеству каналов спутниковой связи.

Развитие спутниковых систем связи происходит в следующих направлениях:

• предоставление абонентам возможностей передачи высокоскоростных данных и подключения к сети Интернет;
• создание спутников с низкими удельными затратами на ствол/год (за счет большого срока службы, большого числа стволов и/или дешевых средств вывода на геостационарную орбиту (ГСО);
• создание необслуживаемых сетей VSAT.

Весьма перспективной представляется глобальная система спутниковой связи "Teledesic", которую планируется ввести в эксплуатацию в 2004 году. Эта система должна обеспечить широкополосный доступ к сети Интернет и к мультимедийным услугам в любой точке земного шара. Для нее на ВРК-97 выделены полосы частот 28.6-29.1 ГГц (линия вверх) и 18.8-19.3 ГГц (линии вниз). В системе используется 288 негеостационарных спутников связи, находящихся на низких орбитах. Спутники движутся в двенадцати плоскостях, в каждой из которых находится по 24 спутника. В любой области земного шара радиусом 100 километров система обеспечивает обслуживание потока данных с суммарной скоростью в 500 Мбит/с от пользовательских терминалов. Пользователям будут предоставляться каналы для передачи сообщений со скоростью от 16 Кбит/с до 2 Мбит/с, принимать сообщения они смогут со скоростью до 64 Мбит/с. Система способна одновременно обслуживать миллионы абонентов, предоставляя им услуги по передаче данных, мультимедиа и другие услуги. В разных странах в настоящее время разрабатываются несколько проектов подобных систем.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.