Спутниковский ретранслятор

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для ретрансляции сигналов в спутниковых системах связи с множественным доступом. Технический результат состоит в повышении эффективности использования пропускной способности протокола P-ALOHA за счет реализации дисциплины обслуживания, позволяющей блокировать пакеты, поступившие по остальным лучам при занятом моноканале. Для этого ретранслятор содержит N приемных каналов, каждый из которых включает: приемную антенну, входной усилитель, согласующее устройство, детектор, пороговое устройство, а также общие блоки: блок анализа активности, коммутатор, передатчик и передающую антенну. 7 ил., 1 прилож.

 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для ретрансляции сигналов в спутниковых системах связи с множественным доступом.

Известен спутниковый ретранслятор (СР) (США, патент, 4456988, кл. H04B 7/185, 1985 г.). Это устройство содержит N приемников, выход каждого приемника подключен к входу соответствующего входного регистра и детектора, причем выход каждого из детекторов подключен к другому входу соответствующего входного регистра, выходы которых подключены к другим входам соответствующих входных регистров, выходы которых подключены к входам коммутационной матрицы, выходы которой подключены к входам соответствующих передатчиков; устройство управления переключением, выходы которого подключены к управляющим входам коммутационной матрицы и к вторым входам управляющих схем.

Недостатком данного СР является недостаточно эффективное использование пропускной способности выделенного диапазона частот. В данном устройстве временные окна жестко закреплены за каждым сигналом на всей длительности сеанса обмена, при этом паузы между сообщениями, подаваемыми на длительности сеанса, не используются, что существенно снижает эффективность использования пропускной способности СР.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является СР с многолучевой приемной антенной (РФ, патент, 2101866, кл. H04B 7/185, 1998 г.), который принят за прототип. Это устройство содержит N приемников, выход каждого приемника подключен к первому входу соответствующего входного регистра и детектора синхронизации, причем выход каждого из детекторов синхронизации подключен к второму входу соответствующего входного регистра, первый выход входного регистра соединен с соответствующим информационным входом буферного запоминающего блока, каждый из выходов которого подключен к сигнальному входу выходного ключа соответствующего информационного канала, дополнительный выход входного регистра подключен к первому информационному входу счетчика состояний, второй информационный вход которого соединен с одним из выходов входного распределителя и с управляющими входами, а выход подключен к первому входу решающего блока, второй выход которого подключен к управляющим входам счетчика состояний, выходного ключа и соответствующему управляющему входу считывания буферного запоминающего блока, сигнальный вход выходного ключа соединен с входом обнаружителя пакетов, выход которого подключен к первому информационному входу счетчика, второй вход решающего блока соединен с соответствующим выходом выходного распределителя, вход которого соединен с первыми выходами решающих блоков, выходы выходных ключей подключены ко входу передатчика, второй выход синтезатора частот соединен со входами тактовой синхронизации входного регистра и буферного запоминающего блока.

Недостатком данного СР является необходимость обеспечения общесистемной синхронизации работы земных станций (ЗС), поскольку для передачи информации используется протокол S-ALOHA, кроме того, в состав СР входит N приемников, обеспечивающих прием и демодуляцию сигналов, после чего информация записывается в буферный запоминающий блок. Указанные недостатки характеризуют существенную сложность и избыточность технической реализации СР.

Целью изобретения является упрощение устройства и метода доступа при сохранении предельного значения эффективности использования пропускной способности моноканала ρ_max=1/e. Достижение поставленной цели достигается применением коммутируемого моноканала, снятием требования общесистемной синхронизации за счет использования протокола P-ALOHA и применением схемы СР с непосредственной ретрансляцией сигнала.

В рассматриваемой сети спутниковой связи (фиг.2) ЗС осуществляют обмен информацией в соответствии с протоколом P-ALOHA, при этом сигналы ЗС на входе ретранслятора являются равномощными. Поскольку пакеты ЗС имеют различную длительность и передаются независимым образом, возможны «конфликты» - взаимные наложения пакетов, поступивших по одному приемному лучу, либо блокировки пакетов, поступивших в остальных лучах (пакет, поступивший первым, бесконфликтно передается в моноканал, при этом пакеты в других лучах блокируются).

Передающая антенна ретранслятора имеет один широкий (глобальный) луч, который обеспечивает покрытие всех зон ЗС, входящих в состав системы спутниковой связи. Пакеты, которые были переданы данной станцией и принятые ею из нисходящей радиолинии без ошибок, служат автоматической квитанцией (считается, что эти пакеты также успешно приняты станцией, для которой они предназначены). Искаженные пакеты подлежат повторной передаче.

Повышение степени использования моноканала (нисходящей радиолинии) для протокола P-ALOHA обеспечивается за счет использования N приемных каналов и исключения на этой основе взаимоискажающих конфликтов пакетов, поступивших по разным лучам: пакет, поступивший первым, блокирует пакеты, поступившие из других лучей, что обеспечивает его бесконфликтную передачу в моноканал.

Для достижения поставленной цели в спутниковый ретранслятор дополнительно введены в каждый из N приемных каналов последовательно соединенные входной усилитель, согласующее устройство, детектор и пороговое устройство (ПУ), выход которого подключен к соответствующим входам блока анализа активности (БАА), являющегося общим для N приемных каналов, N выходов которого подключены к соответствующим входам коммутатора, являющегося общим для N приемных каналов, входы которого подключены к выходу входного усилителя каждого из N приемных каналов, а выход подключен к передатчику.

На фиг.1 представлена структурная схема СР; на фиг.2 представлена схема сети спутниковой связи, в которой работает предлагаемый ретранслятор; на фиг.3 - временные диаграммы работы СР; на фиг.4 - алгоритм работы СР; на фиг.5 - структурная схема блока анализа активности; в приложении 1 представлена математическая модель коммутируемого моноканала. Анализ результатов математического моделирования показывает, что при N→∞ коэффициент эффективности использования пропускной способности ρ→1/e.

Ретранслятор содержит: N приемных каналов, каждый из которых включает: приемную антенну 1, входной усилитель 2, согласующее устройство 3, детектор 4, пороговое устройство 5, а также общие блоки: блок анализа активности 6, коммутатор 7, передатчик 8 и передающую антенну 9.

Рассмотрим прохождение сигнала через СР, представленный на фиг.1, для следующих вариантов:

1). Вариант №1. Передача пакетов без конфликтов (фиг.3 - интервал T_a);

2). Вариант №2. Конфликт пакетов, поступающих в одном луче (фиг.3 - интервал T_б);

3). Вариант №3. Блокировка пакетов, поступающих по другим лучам (фиг.3 - интервал T_в).

Работа предлагаемого устройства по указанным вариантам осуществляется следующим образом:

Вариант №1. Пакет информации от ЗС поступает из луча 1 в приемный канал 1 на вход приемной антенны 1. С выхода антенны сигнал поступает на входной усилитель 2, с выхода которого сигнал поступает на соответствующий вход коммутатора 7 и на вход согласующего устройства 3, которое обладает высоким входным сопротивлением и предназначено для обеспечения отбора минимально необходимой мощности принимаемого сигнала для анализа активности приемного луча. С выхода согласующего устройства сигнал поступает на вход детектора 4. Детектор на своем выходе формирует низкочастотный сигнал, соответствующий мощности сигнала в луче, который поступает на вход ПУ 5. ПУ предназначено для выявления наличия сигнала в луче (по мощности сигнала, соответствующего одной ЗС). Выбор порога в ПУ 5 обеспечивает исключение срабатывания устройства от шумов в приемном луче. Сигнал лог.«1» с выхода ПУ 5 приемного канала активного луча поступает на соответствующий вход БАА 6. БАА предназначен для формирования сигнала управления, поступающего на коммутатор 7. Сигнал управления обеспечивает срабатывание коммутатора, в результате чего выход входного усилителя 2 активного луча подключается ко входу передатчика 9. При этом все остальные приемные каналы блокируются. По окончании пакета уровень сигнала на входе детектора 4 становится меньше, чем порог срабатывания ПУ, что приводит к появлению на его выходе сигнала лог.«0». В соответствии с этим сигналом БАА 6 формирует запрещающий сигнал на коммутатор 7, по которому выход входного усилителя 2 отключается от передатчика 8.

Вариант №2. Работа устройства осуществляется аналогично варианту №1, однако, если при ретрансляции пакета из приемного луча 1 на интервале {t₁,t₃} в нисходящей радиолинии (моноканале) в этом же приемном луче на интервале {t₂,t₄} поступает еще один пакет, то это приводит к их наложению, т.е. конфликту. В результате конфликта пакетов, поступающих в одном луче, пакеты взаимно искажаются. Искажения пакетов выявляются ЗС, что в соответствии с протоколом P-ALOHA обуславливает их повторную передачу.

Вариант №3. Работа устройства осуществляется аналогично варианту №1, однако, если при ретрансляции пакета из приемного луча 1 на интервале {t₅,t₇} в нисходящей радиолинии (моноканале) в приемном луче 2 на интервале {t₆,t₈} поступает еще один пакет, то сигнал с выхода антенны 1 приемного канала 2 проходит через последовательно соединенные входной усилитель 2 и согласующее устройство 3 на вход детектора 4 и далее на вход ПУ 5. При этом сигнал лог.«1» с выхода ПУ приемного канала 2 поступает на соответствующий вход БАА 6. Поскольку этот сигнал поступил в БАА 6 позже, чем сигнал, ретранслируемый по приемному каналу 1, то БАА 6 продолжает блокировать сигнал 2-го луча, обеспечивая бесконфликтную передачу сигнала из 1-го луча в моноканал. Блокировка 2-го луча осуществляется до момента окончания передачи в нем пакета {t₈}, т.е. до его освобождения. Момент освобождения идентифицируется в момент уменьшения сигнала на выходе детектора 4 ниже порога ПУ 5 и формировании на выходе ПУ 5 сигнала лог.«0».

Возможная реализация БАА 6, который содержит N каналов анализа активности приемного луча, представлена на фиг.5. Работа БАА 6 осуществляется следующим образом. Исходное состояние БАА соответствует отсутствию сигналов во всех приемных лучах. С выходов ПУ 5 всех приемных каналов на входы каналов анализа активности поступает сигнал лог.«0». Триггеры 1.2-N.2 находятся в состоянии лог.«0», что обеспечивает формирование сигнала лог.«0» на выходах схем «И» 1.3-N.3 и закрытие аналоговых ключей АК1-AKN коммутатора 7.

Вариант №1 (фиг.3 - интервал T_а). При появлении сигнала в 1-м приемном луче срабатывает ПУ 5 этого луча. На выходе ПУ 5 формируется сигнал лог.«1», который поступает на C-вход D-триггера 1.2 и на первый вход схемы «И» 1.3. При этом D-триггер 1.2 переходит в «единичное» состояние и на его Q-выходе появляется сигнал лог.«1», который поступает на второй вход схемы «И» 1.3, а также через схемы «ИЛИ» 2.1-N.1 поступает на R-входы D-триггеров 2.2-N.2 остальных каналов анализа и удерживает их в состоянии лог.«0» (остальные каналы анализа «закрыты»). На выходе схемы «И» 1.3 формируется сигнал лог.«1», который открывает аналоговый ключ АК1, обеспечивая прохождение сигнала активного луча приемного канала 1 с выхода входного усилителя ВУ 2 на вход передатчика 8.

В момент окончания передачи пакета в луче 1 на выходе ПУ 5 появляется сигнал лог.«0», что обеспечивает формирование сигнала лог.«0» на выходе схемы «И» 1.3. Этим сигналом закрывается АК1, что обеспечивает отключение сигнала 1-го луча от входа передатчика 8. Сигнал лог.«0» с выхода схемы «И» 1.3, проходя через инвертор «НЕ» 1.4, инвертируется в сигнал лог.«1», который поступает на C-вход D-триггера 1.5. При этом на Q-выходе D-триггера 1.5 формируется короткий импульс длительностью Т_И, продолжительность которого определяется быстродействием инверторов 1.6, 1.7, на которых выполнена активная линия задержки. С Q-выхода D-триггера 1.5 короткий единичный импульс длительностью Т_И поступает на соответствующий вход схемы «ИЛИ» 1.1 и далее на R-вход D-триггера 1.2, что обеспечивает его возврат в исходное «нулевое» состояние. При этом сигнал лог.«0» с Q-выхода D-триггера 1.2 через схемы «ИЛИ» 2.1-N.1 «открывает» остальные каналы анализа, переставая удерживать D-триггеры 2.2-N.2 по R-входу в нулевом состоянии.

Вариант №2 (фиг.3 интервал T_б). Работа схемы БАА 6 осуществляется аналогично описанному выше варианту №1. При конфликте пакетов, поступающих в приемном луче 1 БАА 6 продолжает формировать сигнал лог.«1», удерживающий АК1 коммутатора 7 в открытом состоянии до момента {t₄} окончания передачи в нем проконфликтовавших пакетов.

Вариант №3 (фиг.3 интервал T_в). Работа схемы БАА 6 осуществляется аналогично описанному выше варианту №1. При этом D-триггер 1.2 находится в «единичном» состоянии, АК1 открыт, остальные каналы анализа «заблокированы» путем удержания сигналом лог.«1» по R-входу D-триггеров 2.2-N.2 в «нулевом» состоянии. При передаче пакета в другом луче (например, в приемном канале 2) на выходе ПУ 5 приемного канала 2 в момент {t₆} появится сигнал лог.«1», который поступит на C-вход D-триггера 2.2. Поскольку D-триггер 1.2 приемного канала 1 находится в «единичном» состоянии, то сигнал лог.«1» с его Q-выхода поступает через схемы «ИЛИ» 2.1-N.1 на R-входы D-триггеров 2.2-N.2, удерживая их в состоянии лог.«0». При этом сигналы лог.«0» с выходов схем «И» 2.3-N.3 запрещают прохождение сигналов через АК2-AKN остальных приемных лучей. Последнее обеспечивает бесконфликтную передачу пакета из приемного канала 1 через открытый АК1 в моноканал. В момент {t₇} окончания передачи пакета в луче 1 схема возвращается в исходное состояние аналогично описанному выше варианту №1. При этом, несмотря на наличие сигнала лог.«1», на выходе ПУ 5 приемного канала 2 D-триггер 2.2 сохраняет «нулевое» состояние, т.к. в момент {t₆} появления переднего фронта импульса на C-входе производилось его удержание сигналом лог.«1» по R-входу. Снятие блокировки с приемного канала 2 осуществляется в момент {t₈}, соответствующий окончанию активности приемного луча 2.

Спутниковый ретранслятор, содержащий многолучевую приемную антенну, N выходов которой подключены к соответствующим входам приемных каналов, и передатчик с передающей антенной, отличающийся тем, что дополнительно введены в каждый из N приемных каналов последовательно соединенные входной усилитель, согласующее устройство, детектор и пороговое устройство, выход которого подключен к соответствующим входам блока анализа активности, являющегося общим для N приемных каналов, N выходов которого подключены к соответствующим входам коммутатора, являющегося общим для N приемных каналов, входы которого подключены к выходу входного усилителя каждого из N приемных каналов, а выход подключен к передатчику.