СПУТНИКОВЫЙ РЕТРАНСЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК H04B7/185 

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

Наиболее близким к предлагаемому устройству является спутниковый ретранслятор [2] который принят за прототип. Это устройство содержит ряд приемников, выход каждого приемника подключен ко входу соответствующего входного регистра и детектора синхронизации, причем выход каждого из детекторов синхронизации подключен ко входам управляющих систем, выходы которых подключены к другим входам соответствующих входных регистров, выходы которых подключены ко входам коммунитационной матрицы, выходы которой подключены ко входам соответствующих передатчиков; устройство управления переключением, выходы которого подключены к управляющим входам коммутационной матрицы и к вторым входам управляющих схем.

Недостатком спутникового ретранслятора является недостаточно эффективное использование пропускной способности выделенного диапазона частот. Данное устройство обеспечивает пространственно-временное разделение сигналов земных станций (ЗС) путем жесткого закрепления за каждым сигналом временных окон в приемных и передающих кадрах ретранслятора на всей длительности сеанса обмена. Такой принцип закрепления пропускной способности ретранслятора позволяет осуществить перераспределение каналов (временных окон) между ЗС только от сеанса к сеансу. При этом паузы между сообщениями, подаваемые на длительности сеанса, не используются, последнее существенно снижает эффективность использования пропускной способности ретранслятора.

Цель изобретения повышение эффективности использования пропускной способности ретранслятора за счет реализации устройством дисциплины обслуживания, позволяющей динамично перераспределять пропускную способность радиолиний не от сеанса к сеансу, а непосредственно между отдельными пакетами ЗС в течение сеанса обмена.

Предлагаемый ретранслятор обеспечивает работу спутниковой системы связи с многостанционным доступом земных станций (ЗС) к ресурсу пропускной способности ретранслятора. Причем ретранслятор обеспечивает в восходящих радиолиниях режим множественного доступа, т.е. земные станции, находящиеся в одной зоне видимости приемного луча ретранслятора, работают в соответствии с прототипом ALOHA или S-ALOHA (синхронная ALOHA). В последнем случае ЗС передают пакеты не в произвольные моменты времени, а в начале временных окон. Все окна имеют фиксированный размер и обеспечивают размещение одного пакета в каждом окне. Временной цикл одного приемного луча ретранслятора представляет собой непрерывную бесконечную последовательность временных окон. При этом, поскольку пакеты ЗС одной зоны передаются независимым образом, возможны "конфликты" взаимное наложение пакетов в приемнике ретранслятора, обслуживающем один приемный луч. Следует подчеркнуть, что фиксированные приемные лучи покрывают рядом зон необходимую территорию, т.е. за счет пространственной селекции сигналов обеспечивается возможность повторного использования частотных диапазонов в различных приемных лучах ретранслятора.

Передающая антенна ретранслятора имеет один широкий луч, который покрывает все земные станции, входящие в состав системы. Пакеты, которые передавались данной станцией и принятые ею в нисходящей радиолинии, без ошибок служат автоматической квитанцией (считается, что эти пакеты также успешно приняты и станцией, для которой они предназначены). Таким образом, использование одного широкого луча в режиме параллельного облучения всех земных станций обеспечивает как автоматическое квитирование переданных пакетов, так и возможность обмена информацией между земными станциями по принципу "каждый с каждым", т. е. образуется полносвязная структура сети. Следует отметить, что пакеты, успешно принятые ретранслятором, образуют очередь, которая обслуживается на передачу указанной нисходящей радиолинией. Наличие очереди пакетов на передачу в нисходящей радиолинии ретранслятора позволяет существенно повысить эффективность ее использования, что выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа. Временные диаграммы работы предлагаемого ретранслятора для случая реализация протокола S-ALOHA в восходящих радиолиниях показаны на фиг. 1, где
A_j(B_j) ось времени, на которой показаны пакеты, поступающие на вход ретранслятора от i-ой земной станции зоны А(В) соответственно;
К_а(В) ось времени, на которой показаны "конфликты" пакетов зоны А(В);
Р_прд ось времени, на которой показаны временные окна нисходящей радиолинии с размещенными в них пакетами всех зон системы связи;
t_ож(А_1i) время ожидания пакета в очереди на передачу в нисходящей радиолинии ретранслятора (для пакета, принятого от 1-й ЗС зоны А в i-ом временном окне).

Повышение использования восходящих радиолиний (приемных лучей) обеспечивается перераспределением временных окон между станциями одной зоны не только от сеанса к сеансу, как это осуществляется в прототипе (где под сеансом понимается интервал времени, на длительности которого осуществляется обмен информацией между корреспондирующими абонентами ЗС), но и на длительности самого сеанса, т.е. ресурс пропускной способности приемного луча ретранслятора каждой зоны перераспределяется между станциями одной зоны динамическим образом между всеми абонентами, обслуживаемыми станциями данной зоны. Поток заявок на установление сеансов связи между абонентами носит случайный характер. Этот случайный характер учитывается возможностью перераспределения ресурса пропускной способности ретранслятора от сеанса к сеансу. Однако на длительности сеанса обмена информация от абонентов, как правило, поступает порциями (в виде сообщений), которые разделяются паузами и порой достаточно значительными. Такой характер обмена напоминает диалог и в случае передачи называется интерактивным (диалоговым) обменом. В прототипе ресурс пропускной способности (канал) выделяется для пары абонентов и закрепляется за ними на весь сеанс обмена, что исключает возможность его использования для передачи информации других абонентов в паузах между сообщениями данного абонента. Причем это относится как к приемным, так и к передающим лучам ретранслятора, принятого за прототип. Таким образом, в прототипе реализуется режим коммутации каналов, при котором с помощью коммутационной матрицы осуществляется коммутация временного интервала одного из приемных лучей на заданный временной интервал требуемого передающего луча ретранслятора. Отсутствие возможности перераспределения ресурса ретранслятора между абонентами, обслуживаемыми ЗС внутри сеанса обмена, не позволяет использовать паузы между сообщениями для передачи информации от других абонентов, что снижает загрузку организованных каналов, а следовательно, и степень эффективности использования пропускной способности ретранслятора.

Предлагаемый спутниковый ретранслятор поддерживает работу станций в другом режиме режиме коммутации пакетов с использованием специальных протоколов множественного доступа, ориентированных на передачу данных в интерактивном режиме. Использование такого ретранслятора поддерживает работу станций в указанном режиме и позволяет повысить степень использования ресурса пропускной способности приемных лучей за счет динамического перераспределения временных окон между абонентами каждой зоны (использование пауз между сообщениями абонентов данной станции для передачи пакетов от других абонентов, принадлежащих в том числе и другим станциям данной зоны). При этом степень использования ресурса пропускной способности приемных лучей ретранслятора будет выше, чем в прототипе.

Что касается степени использования пропускной способности передающего луча, то здесь предлагаемый ретранслятор также имеет преимущество. Это преимущество объясняется тем, что на ретранслятор для повышения загрузки передающего луча организуется очередь пакетов, поступивших с различных приемных лучей. Наличие очереди пакетов позволяет повысить степень использования пропускной способности передающего луча, т.е. с точки зрения передающего луча ретранслятор выполняет функцию концентрации пакетов. При этом за более высокую эффективность использования пропускной способности передающего луча приходится "расплачиваться" некоторой величиной задержки ожидания начала обслуживания пакета передающим лучом ретранслятора, то есть осуществляется обмен задержка-эффективность. Выводы теории массового обслуживания строго подтверждают указанный эффект, который впрочем хорошо чувствуется и интуитивно. При этом в работе предлагаемого спутникового ретранслятора выполняется соотношение
v↓ ≤ ρnv↑
где v↓ скорость передачи информации в нисходящей линии;
v↑ скорость передачи информации в восходящих радиолиниях;
n число восходящих радиолиний (лучей) в системе;
ρ максимальная загрузка (коэффициент использования) восходящих радиолиний.

Так, для случая реализации протокола ALOHA r 1/2e 0,18, а для протокола S-ALOHA p 1/е0,36.

Для достижения поставленной цели в спутниковый ретранслятор дополнительно введены общие для всех информационных каналов буферный запоминающий блок, выходной распределитель, последовательно соединенный синтезатор частот и входной распределитель. В каждый из информационных каналов дополнительно введены счетчик состояний, решающий блок, выходной ключ и обнаружитель пакетов, 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.

На фиг. 1,2 даны временные диаграммы работы спутникового ретранслятора; на фиг. 3 -структурная схема спутникового ретранслятора; на фиг.4 -схема входного регистра; на фиг.5 схема сети связи.

Спутниковый ретранслятор содержит приемник 1 с приемной антенной, входной регистр 2, детектор 3 синхронизации, синтезатор 4 частот, входной распределитель 5, счетчик 6, буферный запоминающий блок (БЗУ) 7, выходной распределитель 8, решающий блок 9, выходной ключ 10, обнаруживатель пакетов 11 и передатчик 12 с передающей антенной.

Входной регистр 2 может быть построен по схеме, приведенной на фиг.3 и содержит И13, регистр 14, дешифратор 15 заголовка пакета, регистр 16 и дешифратор 17 наличия пакетов. Регистры 14, 16 являются регистрами смешанного типа (параллельно-последовательные).

Информационный вход первого регистра 19 соединен с выходом приемника 1, а синхронизирующий вход подключен к выходу детектора синхронизации 3, выходы первого регистра 4 поразрядно соединены с соответствующими входами второго регистра 16, синхронизирующий вход считывания которого подключен к выходу элемента И13, первый вход которого соединен с соответствующим выходом входного распределителя 5, а второй вход с вторым выходом синтезатора частот 4, синхронизирующий вход записи регистра 16 соединен с выходом дешифратора 15 заголовка пакета (флага начала пакета), входы которого подключены к ряду выходов младших разрядов регистра 14 (по числу знаков в заголовке пакета), ряд выходов младших разрядов регистра 16, (по числу знаков в заголовке и концевике пакета (флаге конца пакета) подключены к соответствующим входам дешифратора 17 наличия пакета, выход которого соединен с первым информационным входом счетчика состояний 6, последовательный информационный выход (младший разряд) регистра 16 подключен к соответствующему входу 7 буферного запоминающего блока 7, который может быть построен на сдвиговых регистрах с последовательным выводом информации.

Ретранслятор работает следующим образом.

Приемники 1 осуществляют преобразования принимаемых радиочастотных сигналов в видеосигналы, которые в свою очередь поступают на соответствующие входные регистры 2 и детекторы 3 синхронизации 5, которые вырабатывают пакеты импульсов тактовой синхронизации длительностью, равной длительности принимаемых информационных пакетов (см. фиг.2б). Таким образом, при помощи детекторов 3 синхронизации производится управление процессом записи во входные регистры 2.

Синтезатор 4 частот вырабатывает на своем первом выходе импульсы, которые следуют друг за другом с частотой, определенной числом информационных каналов (т. е. восходящих радиолиний, приемных лучей) и скоростью передачи информации в них. На время интервала между импульсами синтезатора 4 на выходах входного распределителя 5 последовательно появляется "единица", управляющая процессом перезаписи информационного пакета из входного регистра 2 в соответствующую зону буферного запоминающего блока 7. Каждая зона закреплена за своим информационным каналом и имеет объем, достаточный для накопления определенного числа пакетов.

Одновременно последовательность "единиц" от входного распределителя 5 подготавливает к работе соответствующий счетчик 6. Задача счетчика 6 фиксировать число пакетов в каждой из зон буферный запоминающий блок 7.

При вводе информации в буферный запоминающий блок 7 "единица" на одном из выходов входного распределителя 5 ставит счетчик 6 в состояние прямого счета. Изменение состояния счетчика 6 в режиме ввода происходит лишь тогда, когда из входного регистра 2 на вход счетчика 6 поступает "единица", определяющая, что во входном регистре 2 имеется пакет информации. В отсутствии пакета во входном регистре 2 состояние счетчика 6 при поступлении "единицы" с выхода входного распределителя 5 не имеется.

При наличии во входном регистре 2 информационного пакета он переписывается в соответствующую зону буферного запоминающего блока 7. В момент прихода следующего импульса от синтезатора 4 частот описанный процесс повторяется для следующего информационного канала и т.д.

Формирующие "единицы" при передаче одного пакета из соответствующего блока 7 поступают на соответствующие счетчики 6. При поступлении "единиц" от обнаружителя пакетов и решающего блока 9 одного информационного канала счетчик 6, закрепленный за ним, работает в режиме обратного счета.

При установлении одного из счетчиков 6 в нулевое состояние на его выходе формируется "нуль", меняющий сигнал на выходе соответствующего решающего блока 9, что приводит к снятию управляющего сигнала считывания с буферного запоминающего блока 7, закрытию соответствующего выходного ключа 10 и переводу выходного распределителя 8 в следующее состояние.

Если к выходу подключена зона БЗУ 7, закрепленная за первым информационным каналом, то происходит изменение состояния счетчика 6, закрепленного за ним, до тех пор, пока все пакеты не будут выведены из данной зоны. Когда в зоне БЗУ 7 не остается пакетов, счетчик 6 устанавливается в "нулевое" состояние, прекращается процесс считывания с этой зоны БЗУ 7 и соответствующий выходной ключ 10 закрывается по сигналу, формирующему решающим блоком 9.

Решающий блок 9 одновременно формирует на первом выходе сигнал, в соответствии с которым распределитель 8 переключается в следующее состояние, определяющее вывод информации из зоны БЗУ 7, закрепленной за следующим информационным каналом. Со второго выхода синхронизатора 4 частот на входы тактовой синхронизации входного регистра 2 и БЗУ 7 поступают импульсы тактовой синхронизации, которые используются в процессе считывания информационных пакетов из входных регистров 2 записи из БЗУ 7 и считывании оттуда при передаче в нисходящей радиолинии. Информационные пакеты, поступающие с выходных ключей 10 на вход передатчика 12, передаются в широком луче нисходящей радиолинией (см. фиг. 5).

Процесс функционирования входного регистра 2 поясняется временными диаграммами, изображенными на фиг.5. Принимаемые информационные пакеты поступают с приемника 1 на информационный вход регистра 19 (фиг.2а), которые туда записываются при наличии синхронизирующих последовательностей, поступающих с детектора 3 синхронизации на синхронизирующий вход регистра 14 (фиг.2б). По окончании процесса записи пакета в регистр 14 дешифратор 15 заголовка пакета, анализируя соответствующие разряды регистра 14, вырабатывает управляющий сигнал (фиг.2в), по которому происходит перезапись пакета в параллельном коде в регистр 16, освобождая регистр 19 для возможной записи следующего пакета, исключая таким образом их возможное наложение. Считывание информационного пакета из регистра 16 происходит по приходу синхронизирующей последовательности (фиг.2е) с выхода элемента И13, которая формируется из сигнала, поступающего с соответствующего выхода входного распределителя 5 (фиг.2г) и тактовых импульсов, поступающих со второго выхода синтезатора частот 4 (фиг. 2д). Дешифратор 17 наличия пакета, анализируя ряд младших разрядов регистра 16 на предмет наличия заголовка и концевика пакета, формирует на своем выходе "единицу" в течение времени, проходящего от момента записи пакета в регистр 16 до его полного выхода из этого регистра (фиг. 2ж). Эта "единица" с выхода дешифратора 17 наличия пакета и поступает на первый информационный вход счетчика 6 состояний. При считывании из регистра 16 информационный пакет поступает на соответствующий вход буферного запоминающего блока 7.

При работе входного регистра 2 соблюдается равенство
T₁F₁ T₂F₂
где Т₁ время записи информационного пакета во входной регистр;
F₁ тактовая частота записи;
Т₂ время считывания пакета из входного регистра;
F₂ тактовая частота считывания.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для ретрансляции сигналов в спутниковых системах связи с множественным доступом. В ретрансляторе повышается эффективность использования пропускной способности за счет реализации дисциплины обслуживания, позволяющего динамично перераспределять пропускную способность непосредственно между отдельными пакетами зеленых станин в течение сеанса обмена информацией. Ретранслятор содержит приемник 1, входной регистр 2, детектор 3 синхронизации, синтезатор 4 частот, входной и выходной распределители 5,8, счетчик, 6, буферный запоминающий блок 7, решающий блок 9, выходной ключ 10, обнаружитель пакетов 11 и передатчик 12. 5 ил.

Спутниковый ретранслятор, содержащий передающую антенну, вход которой соединен с передатчиком и N приемных цепей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных приемной антенны, приемника и входного регистра сдвига, а также детектора синхронизации, вход которого соединен с выходом приемника, а выход детектора синхронизации соединен с тактовым входом входного регистра сдвига, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные синтезатор частот и входной распределитель, а также выходной распределитель и буферный запоминающий блок, а в каждую приемную цепь введены счетчик состояний, решающий блок, обнаружитель пакетов и выходной ключ, причем в каждой приемной цепи первый выход входного регистра сдвига через последовательно соединенные счетчик состояний и решающий блок соединен с входом управления выходного ключа, буферного запоминающего блока и с входом обнуления счетчика состояний, в каждой приемной цепи выход обнаружителя пакетов соединен с входом счетчика состояний, выход выходного ключа соединен с соответствующим входом передатчика, сигнальные входы буферного запоминающего блока соединены с вторыми выходами соответствующих входных регистров сдвига каждой приемной цепи, второй выход синтезатора частот соединен соответственно с входами тактовой синхронизации буферного запоминающего блока и соответствующего входного регистра сдвига каждой приемной цепи, выходы входного распределителя соединены соответственно с тактовыми входами буферного запоминающего блока и соответствующего счетчика состояний и входного регистра сдвига соответствующей приемной цепи, вторые выходы решающих блоков каждой приемной цепи соединены с входом выходного распределителя, соответствующие выходы которого соединены с входами соответствующих решающих блоков приемных цепей, причем сигнальные выходы буферного запоминающего блока соединены с входами соответствующих выходных ключей и блоков обнаружения пакетов приемных цепей.