Использование спектра распространения в высокоскоростной передаче данных для спутникового интернета
Понимание спектра распространения в спутниковой связи
Спутниковый интернет стал критической инфраструктурой для обеспечения широкополосного подключения к регионам, где наземное волокно или кабель не могут достичь экономически. От морских и авиационных сетей до сельских общин и операций по восстановлению после стихийных бедствий спутниковые системы должны преодолевать огромные расстояния, затухание сигнала и враждебную электромагнитную среду. В основе современной высокоскоростной спутниковой передачи данных лежит технология широкого спектра , сложная технология обработки сигналов, которая изменила надежность, безопасность и пропускную способность беспроводной связи.
Спектр распространения — это не один метод, а семейство методов модуляции, которые намеренно передают сигнал по полосе пропускания, намного более широкой, чем минимальный, требуемый отправляемой информацией. Хотя это может показаться нелогичным — растрачивая драгоценный спектр — подход дает исключительные преимущества в отказе от помех, безопасности и множественном доступе. Теоретическая основа уходит корнями в теорему Шеннона-Хартли , которая демонстрирует, что пропускная способность канала увеличивается с пропускной способностью и отношением сигнал-шум; Спектр распространения использует это, торгуя полосой пропускания для надежности.
В этой статье рассматриваются принципы, лежащие в основе спектра распространения, его две основные реализации - спектр частотного скачка (FHSS) и спектр прямого секвенирования (DSSS) - и их конкретные приложения в современных системах спутникового интернета. В ней далее рассматривается, как эти методы обеспечивают высокую скорость передачи данных, сопротивление помехам, поддержку нескольких пользователей и интеграцию с архитектурами следующего поколения, такими как неземные сети 5G (NTN).
Принципы технологии распространения спектра
Обычная узкополосная передача концентрирует энергию сигнала в минимальную полосу пропускания, делая его восприимчивым к узкополосным помехам, подслушиванию и затуханию сигнала. Спектр распространения намеренно распределяет энергию по гораздо более широкой полосе частот, снижая спектральную плотность мощности (PSD), так что сигнал может даже появляться в качестве фонового шума для непреднамеренных приемников. Предполагаемый приемник, зная код распространения или шаблон перескакивания, может растрачивать принятый сигнал и восстанавливать исходные данные с высокой точностью.
Ключевые параметры включают в себя усиление обработки, определяемое как отношение передаваемой полосы пропускания к скорости передачи данных в базовой полосе. Более высокий прирост обработки обеспечивает большее сопротивление помехам и помехам, но требует большей полосы пропускания. Для спутниковых линий связи, работающих в перегруженных частотных диапазонах, таких как Ku (12-18 ГГц) и Ka (26-40 ГГц), распределённый спектр позволяет сосуществовать с наземными службами и снижает риск помех соседним спутникам и от них.
Спектр распространения также поддерживает код-дивизион множественного доступа (CDMA), где несколько пользователей одновременно используют один и тот же широкополосный канал, используя различные, ортогональные коды распространения.В отличие от частотно-дивизионного множественного доступа (FDMA) или многократного доступа с разделением времени (TDMA), CDMA не требует строгой частотной или временной координации, упрощая управление спутниковой сетью и повышая спектральную эффективность в сценариях с разрывным трафиком.
Спектр частотного скачка (FHSS)
В FHSS несущая частота передаваемого сигнала быстро перескакивает между набором заданных частот согласно псевдослучайной последовательности, известной как передатчику, так и приемнику. Время нахождения на каждой частоте короткое — обычно порядка миллисекунд. Если на одной частоте присутствует узкополосный интерферентор, затрагивается только небольшая часть данных; прямая коррекция ошибок (FEC) может восстановить потерянные биты. FHSS особенно эффективен против преднамеренного помех, поскольку помехи не могут предсказать следующую частоту перескакивания.
Спутниковые системы с использованием FHSS часто реализуют медленный прыжок (несколько символов данных на прыжок) или быстрый прыжок (несколько прыжков на символ). Быстрый прыжок обеспечивает превосходную производительность против помех, но требует более сложных синтезаторов и более тесной синхронизации. Спутниковая группировка Iridium, например, использует комбинацию FDMA/TDMA, но также использует частотный прыжок в определенных каналах управления для повышения надежности.
Спектр прямого распространения последовательности (DSSS)
DSSS распространяет сигнал, умножая каждый бит данных на высокочастотный псевдослучайный шум (PN) код. Полученная последовательность чипов имеет полосу пропускания, равную скорости чипа, которая во много раз больше, чем исходная скорость передачи данных. На приемнике используется синхронизированная реплика того же PN-кода для разбрасывания сигнала, сжимая широкополосную энергию обратно в узкополосный сигнал при распространении любых помех. Поскольку PN-код имеет низкую перекрестную корреляцию с другими кодами, несколько пользователей могут совместно использовать ту же полосу пропускания без вмешательства, образуя основу CDMA.
DSSS широко используется в спутниковой связи для его устойчивости против многолучевого затухания - распространенная проблема в спутниковых линиях связи, когда отражения от зданий, местности или самого тела спутника вызывают задержку копий сигнала, чтобы прибыть к приемнику.Свойства автокорреляции распространяющегося кода позволяют приемнику разрешать многолучевые компоненты и конструктивно комбинировать их с использованием рейкового приемника, улучшая бюджет связи и обеспечивая более высокие скорости передачи данных.
Обработка усиления в DSSS обычно выражается как 10 log10 (скорость передачи данных / скорость передачи данных). Для спутникового интернет-сервиса, предлагающего 100 Мбит/с со скоростью чипа 1,2288 Гбит/с (аналогично сотовой связи 3G), прирост обработки составляет около 10,9 дБ — достаточно для преодоления значительных помех и поддержания закрытия линии связи в сложных условиях.
Почему спектр распространения необходим для спутникового интернета
Высокоскоростной спутниковый интернет сталкивается с уникальными проблемами, которые непосредственно затрагивают спектр распространения. Длительная задержка распространения (обычно 25-40 мс на геостационарный спутник или 1-4 мс на спутники с низкой околоземной орбитой) в сочетании с необходимостью высокой пропускной способности требует надежной модуляции и кодирования. Спектр распространения способствует в нескольких критических областях:
Смягчение помех в общем спектре
Спутниковые операторы должны совместно использовать полосы частот с наземными микроволновыми линиями, радиолокационными системами и другими спутниковыми сетями. Сигналы с широким спектром, с их низким PSD, вызывают минимальные помехи узкополосным системам, будучи по своей сути устойчивыми к узкополосным помехам от других. Эта характеристика жизненно важна для нелицензионных или слабо лицензированных полос , таких как полосы 5 ГГц и 60 ГГц, все чаще используемые для спутниковых магистралей и пользовательских терминалов. Регулирующие органы, такие как FCC и ITU, признали свойства смягчения помех с расширенным спектром, позволяя более высокую мощность передачи и расслабленные спектральные маски для этих сигналов.
Повышение безопасности и низкая вероятность перехвата
Поскольку сигнал с разбросанным спектром появляется как широкополосный шум для любого приемника, который не знает распространяющийся код, он предлагает низкую вероятность перехвата (LPI) и низкую вероятность обнаружения (LPD) . Для военной и правительственной спутниковой связи это имеет первостепенное значение. Коммерческие спутниковые интернет-провайдеры также получают выгоду: прослушивание становится непрактичным без доступа к кодовой последовательности, обеспечивая неотъемлемый уровень шифрования за пределами безопасности на уровне протокола. Даже если третья сторона захватывает сигнал, распространение без кода вычислительно невозможно для высоких выигрышей обработки.
Многократная эффективность доступа
CDMA на основе DSSS позволяет всем терминалам в спутниковом луче передавать одновременно на одной и той же частоте без планирования времени. Это статистическое мультиплексирование идеально подходит для взрывного интернет-трафика — просмотра веб-страниц, электронной почты, социальных сетей — где среднее использование низкое, но пиковые требования высоки. Спутник действует как хаб, соотнося уникальный код каждого пользователя. По сравнению с TDMA, где неиспользуемые временные интервалы теряют емкость, CDMA может достигать более высокой совокупной пропускной способности при переменной нагрузке. Современные системы терминала с очень малой апертурой (VSAT) часто объединяют CDMA с адаптивной модуляцией для оптимизации скорости передачи данных по ссылке.
Устойчивость к угасанию и доплеровскому сдвигу
В созвездиях спутников на низкой околоземной орбите (LEO) терминалы испытывают быстрые доплеровские сдвиги при прохождении спутников над головой. Сигналы спектра распространения, особенно при прямой модуляции последовательностей, более терпимы к доплеровским, чем к чистым узкополосным сигналам, поскольку алгоритмы синхронизации могут самостоятельно отслеживать фазу кода и несущую частоту. Более того, широкая полоса пропускания увеличивает частотное разнообразие, уменьшая воздействие глубоких блекнов, которые могут поразить узкополосные связи. Рецепторы Rake используют это, комбинируя многолучевые компоненты, эффективно превращая угасающий канал в аддитивный шумовый канал.
Преодоление проблем высокоскоростной передачи спутниковых данных
В то время как спред-спектр предлагает существенные преимущества, его реализация для высокоскоростных (сотни Мбит/с до Гбит/с) спутниковых линий вводит конструктивные компромиссы. Широкая полоса пропускания, необходимая для высокого прироста обработки, может конфликтовать с ограниченным доступным спектром. Например, сигнал DSSS со скоростью чипа 1 ГГц будет занимать 2 ГГц полосы пропускания, если использовать двоичную фазовую передачу ключей (BPSK), что трудно поддается при типичных распределениях диапазона Ku/Ka. Спутниковые операторы решают эту проблему с помощью методов переменного коэффициента распространения , где коэффициент обработки адаптируется на основе условий связи. Когда связь сильна, коэффициент распространения уменьшается для увеличения скорости передачи данных; когда помехи или затухание высоки, коэффициент распространения увеличивается для надежности.
Другая проблема заключается в нелинейности усилителя мощности . Сигналы спектра распространения демонстрируют высокое отношение мощности к пиковой мощности (PAPR), особенно в многокодовых системах CDMA. Сигналы высокого PARPR толкают спутниковые встроенные усилители в насыщение, вызывая искажение и спектральный рост, которые мешают смежным каналам. Передовые методы линеаризации, такие как цифровые преискатели и усилители мощности Доэрти, используются для поддержания качества сигнала при максимизации эффективности. Новые спутники LEO также используют антенны с фазированной антенной решеткой с распределенным усилением, уменьшая нелинейность на элемент.
Кроме того, синхронизация в системах с расширенным спектром должна быть чрезвычайно точной. Фаза кода PN должна быть выровнена в пределах доли чипа; для скорости чипа 100 Мп или выше, это требует точности времени порядка наносекунд. GPS-дисциплинированные осцилляторы и замкнутые циклы отслеживания кода стандартны в спутниковых модемах. Передача между спутниками в созвездиях LEO может быть бесшовной, потому что структура кода с расширенным спектром позволяет мягкую передачу (сделать до разрыва), где терминал взаимодействует с двумя спутниками одновременно.
Реальные мировые внедрения в спутниковом Интернете
Несколько операционных спутниковых систем используют спред-спектр в качестве основной технологии. Спутниковая телефонная сеть Globalstar использует CDMA (производное от FLT: 1) на основе DSSS для поддержки голосовых и низкоскоростных данных. Для широкополосного интернета [FLT: 2] Iridium NEXT [FLT: 3]] использует сочетание FDMA, TDMA и частотного перехода для надежности в своих L-диапазонных каналах, достигая скорости передачи данных до 1,5 Мбит/с на канал. Однако более новые спутниковые системы высокой пропускной способности (HTS), такие как [FLT: 4]]Viasat-3 [FLT: 5] и [FLT: 6] Хьюз JUPITER [FLT: 7] в основном используют DVB-S2X с расширенной модуляцией (например, 64/256 APSK) и мультиплексированием с разделением времени, но они включают спред-спектр для конкретных приложений, таких как защищенная связь государственного уровня и морская служба, где преобладают помехи.
Starlink, управляемый SpaceX, использует ортогональный частотно-дивизионный множественный доступ (OFDMA) в нисходящей и восходящей линии связи, а не в традиционном спектре распространения. Однако OFDMA можно рассматривать как форму спектра распространения (распространение на несколько несущих), где данные распространяются по многим поднесущим. Воздушный интерфейс Starlink, подобный 5G, включает в себя такие функции, как адаптивная модуляция, переключение луча и отторжение помех, которые основаны на принципах спектра распространения. Антенна с фазированной решеткой пользовательского терминала и цифровое формирование луча обеспечивают пространственное разнообразие, дополнительно повышая надежность связи.
Для военной и правительственной спутниковой связи Wideband Global SATCOM (WGS) и Advanced Extremely High Frequency (AEHF) системы используют распределённый спектр для борьбы с помехой и LPI. Система AEHF, работающая в полосе EHF (44 ГГц восходящей линии связи, 20 ГГц нисходящей линии связи), использует частотный скачок и DSSS с высоким коэффициентом обработки для обеспечения связи даже в оспариваемых средах. Эти системы демонстрируют зрелость технологии распределённого спектра в экстремальных эксплуатационных условиях.
Будущие направления: Спектр распространения и неземные сети 5G
Интеграция спутникового интернета с 5G New Radio (NR) привела к усилиям по стандартизации в 3GPP Release 17 и далее для неземных сетей (NTN). Воздушный интерфейс NTN предназначен для поддержки как прозрачной полезной нагрузки (bent-pipe) и регенеративной полезной нагрузки (бортовая обработка) спутников. В то время как 5G NR использует OFDM с циклическим префиксом, методы спред-спектра рассматриваются для конкретных случаев использования, особенно для массовых коммуникаций машинного типа (mMTC) и сверхнадежных коммуникаций с низкой задержкой (URLLC) по спутниковым каналам связи.
Один многообещающий подход — spread-OFDM, где данные распространяются по поднесущим в частотной области, обеспечивая многообразие частот без штрафа PAPR DSSS. Другой — non-orthogonal multiple access (NOMA) с распространяющимися кодами, что позволяет увеличить плотность подключения в спутниковых лучах. Исследуются когнитивные системы с расширенным спектром, которые ощущают спектр и адаптивно изменяют свой распространяющийся код или шаблон перехода, чтобы избежать помех, потенциально позволяя спутниковым сетям динамически делиться спектром с наземными базовыми станциями 5G.
Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МЛ) также входят в эту область: нейронные сети могут оптимизировать генерацию распространяющегося кода для низкой перекрестной корреляции в динамически изменяющихся условиях канала или прогнозировать интерференционные модели для выбора лучших последовательностей скачков. Эти интеллектуальные системы с расширенным спектром могут значительно повысить спектральную эффективность при сохранении надежности, необходимой спутниковым связям.
Наконец, квантовый спектр распространения (FLT:0) является новой теоретической концепцией, в которой квантовое распределение ключей (QKD) и спектр распространения объединяются для обеспечения как высокоскоростной передачи данных, так и доказуемо безопасного шифрования.
Заключение
Технология широкополосного спектра остается краеугольным камнем высокоскоростного спутникового интернета, обеспечивая надежную связь на огромных расстояниях при наличии помех, многолучевого затухания и преднамеренного помех. От фундаментальных методов частотного скачка и прямой последовательности до современных гибридных систем, которые сочетают OFDM и CDMA, принципы распространения сигналов по широкой полосе пропускания обеспечивают устойчивость, необходимую для спутниковых соединений. По мере того, как индустрия движется к мега-созвездиям, более высоким частотным диапазонам (Q / V и W) и более тесной интеграции с наземными сетями 5G, спектр распространения будет продолжать развиваться - становясь более адаптивным, интеллектуальным и спектрально эффективным. Для инженеров, операторов и конечных пользователей понимание спектра распространения имеет важное значение для оценки того, как спутниковый интернет обеспечивает высокоскоростную связь в самых сложных местах на Земле.
Для дальнейшего чтения обратитесь к специальным выпускам журнала IEEE Communications Magazine по спутниковой связи, руководству NASA по связи с малым спутником и техническому отчету 3GPP 38.811 по неземным сетям.