устройство контроля и управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи с кодовым многостанционным доступом

Формула изобретения

1. Устройство контроля и управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи с кодовым многостанционным доступом, содержащее приемник группового сигнала, на вход которого поступают сигналы от приемной антенны, а выход которого параллельно подключен ко входам демодуляторов и входу блока вычисления уровня энергии, выход которого соединен со входом логической схемы управления скоростью, выход которой подключен ко вторым управляющим входам микропроцессоров, информационные выходы которых соединены со входами соответствующих модуляторов, а управляющие выходы подключены к сетевому контроллеру, с выходом модуляторов сигналы поступают в сумматор, далее преобразуются в передатчике и излучаются передающей антенной, отличающееся тем, что дополнительно введен блок управления мощностью, причем группа входов блока управления мощностью соединена с управляющими выходами микропроцессоров, а первая группа управляющих выходов соединена с первыми управляющими входами микропроцессоров, вторая группа управляющих выходов блока управления мощностью соединена со входами логической схемы управления мощностью.

2. Устройство контроля и управления использованием ресурсов по п.1, отличающееся тем, что блок управления мощностью состоит из блока выделения приоритетов, блока памяти, блока вычислений и блока формирования команд, причем входами блока выделения приоритетов является группа управляющих выходов микропроцессоров, выходы блока выделения приоритетов соединены с группой входов блока памяти, группа выходов блока памяти является первой группой входов блока вычислений, вторая группа входов которого соединена с выходами сетевого контроллера, группа выходов блока вычислений является группой входов блока формирования команд, первая группа выходов которого соединена с первыми управляющими входами микропроцессоров, а вторая группа выходов соединена с входами логической схемы управления скоростью передачи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в комплексах автоматизированного управления систем спутниковой связи с кодовым доступом, осуществляющих приоритетное обслуживание абонентов.

Термин многостанционный доступ относится к совместному использованию фиксированных ресурсов системы связи множеством пользователей. В системах многостанционного доступа с кодовым разделением (МДКР, CDMA), использующих непосредственную модуляцию кодовой последовательностью для расширения спектра, определяется набор ортогональных или близких к ортогональным кодов расширения спектра (каждый из них использует всю ширину полосы канала) и каждому абоненту предоставляется один или несколько определенных кодов [1]. Сети спутниковой связи, в которых используется МДКР, состоят из совокупности абонентских земных станций (АС), одной или нескольких центральных земных станций (ЦС) и минимум одного спутника-ретранслятора (СР). ЦС выполняет весь комплекс задач по предоставлению ресурса системы по требованию абонентов, коммутации каналов, контролю качества сеансового обслуживания и наряду с аппаратурой радиоствола включает в свой состав подсистему автоматизированного управления сетью спутниковой связи. В сети спутниковой связи организуются линии АС-СР-ЦС, называемые прямыми линиями, и ЦС-СР-АС - обратными линиями связи. Целью функционирования сети спутниковой связи является обслуживание максимального количества абонентов с требуемым качеством, предоставляя услуги передачи речи, данных, факсимильных сообщений по требованию при существующих ограничениях на мощность излучаемого радиосигнала, ширину полосы частот и т.д.

При МДКР множество абонентов совместно используют ресурсы сети связи, создавая при этом друг другу взаимные помехи в процессе детектирования их сигналов на ЦС. При увеличении количества обслуживаемых абонентов уровень взаимных помех возрастает, снижая отношение сигнал - взаимные помехи в обратной линии до величины ниже допустимой, что приводит в конечном итоге к снижению качества сеансового обслуживания.

Одними из основных показателей, определяющих качество обслуживания, являются разборчивость при передаче речевых сообщений и время доставки данных и факсимильных сообщений определенного объема. Считая известными технические аспекты и особенности построения любой сети связи, эти параметры зависят от доступной для каждого абонента информационной скорости передачи сообщения по линии связи, которая в свою очередь напрямую зависит от отношения сигнал - взаимные помехи как в прямой, так и в обратной линиях связи. Это отношение, при известном способе обработки, однозначно определяет достоверность связи, показателем которой в цифровых системах связи является измеряемый в линии битовый (BER) или пакетный (FER) коэффициенты ошибки. Уровень взаимных помех, создаваемых в обратных линиях, определяет количество абонентов, обслуживаемых системой с требуемым качеством, поэтому для максимизации количества абонентов сети спутниковой связи необходимо снижать уровень взаимных помех в обратной линии.

Учитывая жесткие энергетические ограничения, связанные с взаимными помехами в обратной линии спутниковой связи, и необходимость обслуживания максимального количества абонентов с требуемым качеством, возникает задача эффективного управления имеющимися в распоряжении сети ресурсами. При этом под ресурсом сети, применительно к обратной линии, авторами понимаются суммарная мощность излучения АС и возможные скоростные режимы передачи, определяющие качество сеансового обслуживания.

Известно устройство управления ресурсом сети связи с кодовым доступом, описанное в патенте США №5056109 на «Способ и устройство управления мощностью передачи в сотовой телефонной системе CDMA» [2]. Данное устройство осуществляет управление мощностью передачи абонентских станций таким образом, что происходит снижение уровня взаимных помех на входе ЦС, предоставляя возможность увеличить количество обслуживаемых абонентов. При этом независимо от местоположения абонентов сигналы, принимаемые приемником ЦС, имеют одинаковый уровень. Чем ближе уровень мощности сигналов от абонентских станций на входе приемника центральной станции к одинаковому для всех обратных линий минимальному, соответствующему требуемому качеству обслуживания, тем меньше уровень взаимных помех в сети и, следовательно, выше степень использования ресурсов системы связи. Исходя из описания, наиболее эффективным вариантом работы такого устройства является обслуживание абонентов с одинаковыми требованиями к качеству обслуживания. В случае разнородных требований к качеству обслуживания возможна ситуация, когда абонентские станции с требованиями ниже среднего по сети будут излучать сигнал большей мощности, чем это необходимо, что, с одной стороны, снижает степень использования ресурсов сети, а с другой, создает дополнительный уровень взаимных помех на входе ЦС. Недостатком этого устройства управления является его низкая чувствительность к индивидуальному характеру требований к качеству сеансовых услуг при приоритетном обслуживании абонентов, что учитывается в большинстве как существующих, так перспективных ведомственных и корпоративных сетях спутниковой связи.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте США №96/06149 на «Способ и устройство задания скорости передачи данных в многопользовательской системе» [3], обеспечивающее достижение наивысшего качества обслуживания пользователей в среднем во всей многопользовательской системе связи за счет управления скоростью передачи данных. Сущность изобретения заключается в измерении степени использования ресурсов сети связи для прямой и обратной линий связи, его сравнении с заранее определенным значением порога и изменении скорости передачи данных или количества обслуживаемых абонентов в соответствии с результатом указанного сравнения. Скорость передачи регулируется с помощью вокодера, описанного в патенте США №08/004484 на «Вокодер с переменной скоростью» [4], в зависимости от интенсивности разговора и принудительно по командам, поступающим от ЦС. Достоинством данного устройства является возможность индивидуального управления скоростью передачи для отдельных абонентов сети, что описывается как вариант осуществления заявки и допускает возможность учета индивидуальных требований к качеству сеансового обслуживания. Однако заявляемый технический результат достигается в предположении выравнивания мощности сигналов абонентских станций на входе ЦС, как описано выше, и не учитывает возможность дополнительной подстройки мощности излучения сигнала в соответствии с индивидуальными требованиями к качеству сеансового обслуживания каждого абонента либо группы абонентов определенного приоритета. Данное обстоятельство является основным недостатком прототипа.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение степени использования ресурсов обратной линии сети спутниковой связи с многостанционным кодовым доступом при обслуживании абонентов с различными индивидуальными требованиями к качеству сеансового обслуживания в соответствии с их приоритетами, путем избирательного взаимозависимого управления скоростью передачи сообщений и излучаемой мощностью передатчиков абонентских станций.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство контроля и управления использованием ресурсов обратной линии связи на ЦС [3], содержащее приемную и передающую антенны, передатчик группового сигнала, группы модуляторов и демодуляторов, группы микропроцессоров по числу модуляторов, сумматор сигналов, приемник группового сигнала, выход которого параллельно подключен к входам демодуляторов и входу блока вычисления уровня энергии, выход которого соединен с входом логической схемы управления скоростью, выход которой подключен к вторым управляющим входам микропроцессоров, информационные выходы которых соединены с соответствующими модуляторами, а управляющие выходы подключены к сетевому контроллеру (на схеме не показан), дополнительно введен блок управления мощностью. Группа входов блока управления мощностью соединена с управляющими выходами микропроцессоров, а первая группа управляющих выходов соединена с первыми управляющими входами микропроцессоров. Вторая группа управляющих выходов блока управления мощностью соединена с входами логической схемы управления скоростью. Блок управления мощностью состоит из блока выделения приоритетов, блока памяти, блока вычислений и блока формирования команд. Входами блока выделения приоритетов является группа управляющих выходов микропроцессоров, выходы блока выделения приоритетов соединены с группой входов блока памяти. Группа выходов блока памяти является первой группой входов блока вычислений, вторая группа входов которого соединена с выходами сетевого контроллера. Группа выходов блока вычислений является группой входов блока формирования команд, первая группа выходов которого соединена с первыми управляющими входами микропроцессоров, а вторая группа выходов соединена с входами логической схемы управления скоростью передачи.

Применение в составе устройства контроля и управления использованием ресурсов обратной линии блока управления мощностью расширяет функциональные возможности устройства, позволяя осуществлять индивидуальное управление не только скоростью передачи сообщений, но и излучаемой мощностью передатчиков абонентских станций в допустимых пределах. Это позволяет увеличить количество одновременно обслуживаемых абонентов за счет уменьшения уровня взаимных помех на входе приемника ЦС.

Материалы, поясняющие сущность изобретения, включают:

фиг.1 - обобщенная схема системы спутниковой связи, поясняющая состав и взаимосвязь ее основных элементов;

фиг.2 - схема фрагмента системы спутниковой связи, иллюстрирующая влияние внешних условий на прием и передачу данных центральной и абонентскими станциями;

фиг.3 - рисунок А - зависимость уровней мощности сигналов АС на входе приемника ЦС Р_вхЦС во всех активных каналах N,

рисунок Б - распределение отношений сигнал/шум h² активных обратных каналах N,

рисунок В - распределение скоростей передачи данных для обратных каналов N, поясняющее случай избирательного управления скоростью передачи данных и одинаковых уровней мощности сигналов на входе центральной станции;

фиг.4 - структурная схема устройства контроля и управления, размещенного на центральной станции, для управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи;

фиг.5 - структурная схема блока управления мощностью излучения передатчиков абонентских станций, используемой в составе устройства контроля и управления использованием ресурсов обратной линии связи;

фиг.6 - рисунок А - зависимость уровней мощности сигналов АС на входе приемника ЦС Р_{вх ЦС} во всех активных каналах N,

рисунок Б - распределение отношений сигнал/шум h² активных обратных каналах N, поясняющее случай избирательного совместного управления скоростью передачи данных и излучаемой мощностью передатчиков абонентских станций.

На фиг.1 представлена схема системы спутниковой связи, реализующая кодовый многостанционный доступ, которая описана в патенте США №4901307 «Система и способ коллективного доступа с расширенным спектром, использующая спутниковые или наземные ретрансляторы (CDMA)» [5]. Основными элементами являются центральная станция (ЦС) 1, абонентская станция (АС) 2 и спутниковый ретранслятор (СР) 3. В свою очередь ЦС 3, взаимодействующая с телефонной сетью общего пользования, состоит из ВЧ-модуля 8, группы модуляторов 8, группы демодуляторов 10, процессора обработки сообщений 11, сетевого контроллера 12, вокодера и процессора данных 13, приемной антенны 14 и передающей антенны 15. Основными элементами абонентских станций 2 являются ВЧ-модуль 8, модем 16, контроллер и процессор обработки сообщений 17, вокодер и процессор данных 13, а также приемопередающая антенна 18. Основными элементами СР 3 являются прямой транспондер 19, обратный транспондер 20, приемопередающие антенны 21 и 22. Прямая линия связи, указанная выше, представлена двумя участками: прямая линия вверх 4 от ЦС к СР и прямая линия вниз 5 от СР к АС. Обратная линия состоит из участков, соединяющих АС и СР, - обратная линия вверх 6, СР и ЦС - обратная линия вниз 7 и включает совокупность обратных каналов, предоставляемых по запросу абонента на длительность сеанса связи.

В реально существующих ведомственных системах спутниковой связи существуют различия в процедуре обслуживания отдельных групп абонентов. Такая ситуация обусловлена тем, что абонентами являются представители разных звеньев управления, начиная от высшего уровня, к которому принадлежит руководство подразделением, и заканчивая низшим, к которому относятся обычные служащие. При этом каждому уровню управления присваивается свой приоритет (от 1 для высшего до n для низшего), количество приоритетов определяется числом уровней.

В рассматриваемой системе максимальное количество абонентов, обслуживаемых с требуемым качеством, является функцией уровня взаимных помех. В системах спутниковой связи, которые используют временной или частотный многостанционный доступ, существует «жесткий» предел количества обслуживаемых абонентов из-за конечного числа временных и частотных каналов. При использовании кодового многостанционного доступа с применением протокола ALOHA существует «мягкий» предел количества обслуживаемых абонентов. Для такого типа систем увеличение количества обслуживаемых абонентов выше этого предела вызывает снижение качества обслуживания для всех абонентов системы, а сигнал, передаваемый каждым из абонентов, выглядит как интерференционная помеха или шум для других абонентов системы. При превышении предела количества абонентов, обслуживаемых системой, уровень взаимных помех становится достаточно высоким и превышает допустимое значение BER или FER [3]. Это является основной причиной, которая приводит к необходимости управления скоростью передачи в обратной линии связи.

Фиг.2 иллюстрирует другие причины, приводящие к необходимости управления скоростью передачи в обратной линии для уменьшения уровня взаимных помех и увеличения количества обслуживаемых абонентов. Первой причиной является затухание сигнала и его многолучевое распространение, вызванное наличием различного рода препятствий 24 на пути распространения сигнала от АС к ЦС. Второй причиной является дополнительное затухание, вызванное атмосферными явлениями в виде осадков 23. Эти явления носят динамический характер, индивидуальный для каждого абонента, в связи с их различным местоположением в пространстве. На фиг.2 представлены различные типы АС 2, так, АС №1 и №2 реализованы в виде персонального спутникового терминала, предназначенного для передачи речи, тогда как АС №3 реализован в виде средства VSAT, который может быть использован для передачи данных. Это является дополнительным подтверждением индивидуального характера требований к качеству сеансового обслуживания, предъявляемых со стороны каждого абонента.

В соответствии с патентом на изобретение США №96/06149 на «Способ и устройство задания скорости передачи данных в многопользовательской системе» работа такой системы и управление скоростью передачи данных предполагается при выравнивании уровней мощности сигналов АС на входе приемника ЦС Р_{вх ЦС} во всех активных каналах N, показано на рисунке А фиг.3 [3]. На рисунке Б фиг.3 в виде столбиковой диаграммы представлен вариант распределения отношений сигнал/шум h² в активных обратных каналах при распределении уровней мощности сигналов АС на входе ЦС, представленном на рис.А фиг.3. Ломаной кривой изображено распределение требуемых значений отношения сигнал/шум h_{2 ТР} каждом активном из N каналов при учете распределения Р_{ВХ ЦС} (рис.А, фиг.3) и различных приоритетов абонентов, обусловленных индивидуальными требованиями к качеству обслуживания. Из рис.Б фиг.3 видно, что в отдельных каналах, предоставленных абонентам с низким приоритетом, существует значительное превышение h² над. h² _ТР. На рис.В фиг.3 представлен вариант распределения скоростей передачи данных для обратных каналов N для выше указанного случая. Различия в значениях скоростей R₁ и R ₂, а также соответствующих им h² и h² _ТР обусловлены различным видом передаваемых сообщений. Так, R₁ соответствует передаче речи, а R₂ - передаче данных. Данное обстоятельство допускает возможность создания более высокого уровня взаимных помех в отдельных каналах с менее жесткими требованиями по качеству обслуживания и соответственно меньшего уровня взаимных помех в каналах с более жесткими требованиями по качеству обслуживания. Реализация процесса оптимального перераспределения излучаемой мощности АС в обратных каналах совместно со скоростью передачи данных в соответствии с характером индивидуальных требований к качеству сеансового обслуживания и количества активных абонентов достигается с помощью устройства контроля и управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи, изображенного на фиг.4. Данное устройство состоит из приемной 14 и передающей антенны 15, передатчика группового сигнала 29, группы модуляторов 9 и демодуляторов 10, группы микропроцессоров 30 по числу модуляторов 9, сумматора сигналов 31, приемника группового сигнала 25, блока вычисления уровня энергии 26, логической схемы управления скоростью 27, блока управления мощностью 28. Выход приемника группового сигнала 25 параллельно подключен к входам демодуляторов 10 и входу блока вычисления уровня энергии 26, выход которого соединен с входом логической схемы управления скоростью 27, выход которой параллельно подключен к вторым управляющим входам микропроцессоров 30, информационные выходы которых соединены с соответствующими модуляторами 9, а управляющие выходы подключены к сетевому контроллеру 12 (на схеме не показан). Группа входов блока управления мощностью 28 соединена с управляющими выходами микропроцессоров 30, а первая группа управляющих выходов соединена с первыми управляющими входами микропроцессоров 30. Вторая группа управляющих выходов блока управления мощностью 28 соединена с входами логической схемы управления скоростью 27. Блок управления мощностью 28, изображенный на фиг.5, состоит из блока выделения приоритетов 32, блока памяти 33, блока вычислений 34 и блока формирования команд 35. Входами блока выделения приоритетов 32 является группа управляющих выходов микропроцессоров 30, выходы блока выделения приоритетов 32 соединены с группой входов блока памяти 33. Группа выходов блока памяти 33 является первой группой входов блока вычислений 34, вторая группа входов которого соединена с выходами сетевого контроллера 12. Группа выходов блока вычислений 34 является группой входов блока формирования команд 35, первая группа выходов которого соединена с входами микропроцессоров 30, а вторая группа выходов соединена входами логической схемы управления скоростью передачи 27.

Устройство контроля и управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи с кодовым многостанционным доступом работает следующим образом. Информационные сигналы и сигналы управления, передаваемые абонентами системы спутниковой связи, принимаются в обратной линии с помощью приемной антенны 14 и поступают на вход приемника группового сигнала 25, где подвергаются фильтрации и предварительному усилению. С выхода приемника 25 сигналы поступают на вход блока вычисления уровня энергии 26 и входы соответствующих демодуляторов 10. Вычисленное значение энергии от блока вычисления уровня энергии 26 передается на логическую схему управления скоростью 27, которая сравнивает энергию принимаемого сигнала с набором порогов. В соответствии с результатом сравнения логическая схема управления скоростью 27 передает сигнал управления скоростью на первые управляющие входы микропроцессоров 30, если энергия сигнала превышает значение верхнего порога или ниже нижнего порога.

Демодуляторы 10 осуществляют преобразование принятых информационных сигналов и сигналов управления в каждом из обратных каналов в поток данных, пригодных для дальнейшей обработки и передачи на первые информационные входы микропроцессоров 30. С управляющих выходов микропроцессоров 30 сигналы управления передаются на вход сетевого контроллера 12 и входы блока управления мощностью, а информационный сигнал, в случае необходимости, передается абонентам телефонной сети общего пользования (ТФОП). Группой входов блока управления мощностью является группа входов блока выделения приоритетов 32, где из принимаемого на этапе доступа сигнала управления происходит выделение значения приоритета каждого абонента. С выхода блока выделения приоритета 32 каждое выделенное значение записывается в блок памяти 33, где для каждого обратного канала происходит выбор допустимого значения битового (BER) или пакетного (FER) коэффициента ошибки в соответствии с выделенным приоритетом. С выхода блока памяти 33 допустимые значения BER или FER поступают на первую группу входов блока вычислений 34, на вторую группу входов поступают соответствующие вычисленные значения BER или FER с выхода сетевого контроллера 12 в процессе тестирования обратного канала и информационного обмена. В блоке вычисления 34 происходит определение отклонения вычисленных значений BER или FER от соответствующих им допустимых значений для каждого из обратных каналов. Результат вычислений поступает в блок формирования команд, где происходит формирование двух групп команд, первая группа - команды на увеличение или уменьшение мощности излучаемой передатчиками абонентских станций 3, в соответствии с вычисленными отклонениями BER или FER поступает на вторые управляющие входы микропроцессоров 30. Вторая группа команд - команды на увеличение или уменьшение скорости передачи в каждом из обратных каналов поступает на входы логической схемы управления скоростью и является дополнительной к тем командам, которые формируются логической схемой управления скоростью, описанным выше. Микропроцессоры 30 осуществляют объединение информационного сигнала с командами на увеличение или уменьшение мощности, излучаемой передатчиками абонентских станций 3, и увеличение или уменьшение скорости передачи, которые поступают на первые и вторые управляющие входы. С информационных выходов микропроцессоров 30 объединенный сигнал поступает на соответствующий модулятор 9, осуществляющий модуляцию сигнала. С выхода модуляторов 9 сигнал поступает для объединения в сумматор 31 и далее преобразуется к виду, пригодному для передачи по прямой линии в передатчике 29, и излучается передающей антенной 15. На рисунке А фиг.6 представлена зависимость уровней мощности сигналов АС на входе приемника ЦС Р_{ВХ ЦС} во всех активных каналах N для случая избирательного совместного управления скоростью передачи данных и излучаемой мощностью передатчиков абонентских станций, причем уровень мощности Р_{вх ЦС} не одинаков для всех активных каналов N. На рисунке Б фиг.6 в виде столбиковой диаграммы представлен вариант распределения отношений сигнал/шум h² в активных обратных каналах при распределении уровней мощности сигналов АС на входе ЦС, представленном на рис. А фиг.6. Ломаной кривой изображено распределение требуемых значений отношения сигнал/шум h² _ТР в каждом активном из N каналов при учете распределения Р_{ВХ ЦС}(рис.А, фиг.6) и различных приоритетов абонентов, обусловленных индивидуальными требованиями к качеству обслуживания. Из рисунков А, Б, представленных на фиг.6, видно, что для всех активных каналов превышение h² над h² _ТР существует либо значительно снижено, что приводит к повышению степени использования ресурсов обратной линии и соответственно расширению абонентской емкости системы спутниковой связи с кодовым многостанционным доступом.

Таким образом, анализ принципа работы заявляемого устройства контроля и управления использованием ресурсов обратной линии системы спутниковой связи с кодовым многостанционным доступом показывает очевидность того факта, что наряду с сохраненными возможностями управления использованием ресурсов обратной линии устройство способно эффективно функционировать, осуществляя контроль и управление использованием ресурсов при обслуживании абонентов с различными индивидуальными требованиями к качеству сеансового обслуживания в соответствии с их приоритетами, что имеет место в реально существующих ведомственных и корпоративных системах спутниковой связи.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

2. Патент США №5056109 на "Способ и устройство управления мощностью передачи в сотовой телефонной системе CDMA".

3. Патент США №96/06149 на "Способ и устройство задания скорости передачи данных в многопользовательской системе".

4. Патент США №08/004484 на "Вокодер с переменной скоростью".

5. Патент США №4901307 на «Систему и способ коллективного доступа с расширенным спектром, использующую спутниковые или наземные ретрансляторы (CDMA)».