В любых системах радиосвязи, что сотовых, что спутниковых, помехи — вечная проблема. Для спутниковых линий все помехи можно разделить на два класса: местные и бортовые.
Местные — это любые радиосигналы в рабочей полосе частот системы связи, попадающие на вход приёмника из местного эфира. Спутниковые системы по сравнению с нашими привычными сотовыми куда чувствительнее. Если вы орёте в ухо человеку на расстоянии 1 метра, шум листьев во дворе вас не волнует. А вот если вы стоите на расстоянии километра и шепчете, то даже при наличии у человека нужного приёмника листья будут мешать. Мощность на входе приёмника порядка минус 110 дБм, или 1х10-14Вт. Всё то же самое, только вместо листьев — наземные радиоточки, трамваи, системы зажигания автомобилей, антирадары.
Трамвай и его друзья
Наиболее характерными и типичными источниками местных помех для земных станций спутниковой связи (ЗССС) диапазона С (частоты приёма 3,4–4,2 ГГц) являются радиорелейные линии и системы радиодоступа. Поэтому при выборе места для размещения антенны ЗССС С-диапазона нужно прежде всего обращать внимание на наличие поблизости антенн РРЛ, направленных либо прямо в раскрыв антенны (возможность появления помех от этой антенны), либо точно «в спину» антенны (возможность появления помех от антенны РРЛ, работающей в паре с этой на другой стороне пролёта).
Приём в диапазоне Ku (10,9–12,7 ГГц) подвержен действию помех от электротранспорта (трамваи и троллейбусы), старых (индукционных) систем зажигания автомобилей и автомобильных радаров. Поэтому, если вы размещаете антенну ЗССС Ku-диапазона на крыше здания в центре города и антенна должна смотреть в сторону оживлённой улицы, разумнее расположить антенну так, чтобы антенна пряталась от улицы за срезом крыши. Только не спешите перевешивать свою тарелку, нацеленную на спутник с телеканалами.
Спутниковое ТВ имеет запас по мощности, которого обычно достаточно для компенсации подобных помех. И кратковременное воздействие помех на принятый сигнал не всегда приводит к заметным глазу «подрывам» или «рассыпанию» картинки. Но если картинка постоянно сыплется и после замены конвертера на более чувствительный или после монтажа на то же место антенны большего диаметра — задумайтесь.
Ну и конечно, если после предварительного обследования предполагаемого места для установки антенны возникли сомнения в «чистоте эфира», то лучше и правильнее произвести т. н. радиоразведку: посмотреть, что же на самом деле творится в эфире, присутствуют ли там мощные сигналы в районе предполагаемых рабочих частот, и если присутствуют, то с какого направления они приходят.
И на самом деле не все так печально, как может показаться. Практически с любой местной помехой можно совладать тем или иным способом. По крайней мере на моей памяти ещё не было ни одного случая, когда мы не смогли бы обеспечить приемлемое качество работы каналов и сервисов из-за помех. Хотя иногда действительно приходилось применять очень нетривиальные решения. Например, возведение сетчатого ограждения по одной из сторон антенны (Павлодар, Казахстан) или перевод работы одного из сегментов сети «предоставления каналов по требованию» на крайне неэффективную с точки зрения использования полосы, зато очень устойчивую к воздействию помех модуляцию и кодирование (терминалы на постах ГИБДД в Краснодарском крае).
Помехи от самой аппаратуры спутниковой связи
Бортовые помехи — тема гораздо более сложная и интересная. Любой спутник в этом плане можно сравнить с плавательным бассейном: чистота воды в нём прежде всего зависит от купающихся. Но если доступ в бассейн можно достаточно легко ограничить, то на спутник теоретически может попасть любое радиосредство, находящееся внутри т. н. зоны обслуживания этого спутника и излучающее в сторону спутника на его рабочих частотах и с должной мощностью. Спутник принципиально не может отделить полезные или свои сигналы от мешающих или чужих; он просто переизлучает в сторону Земли всё, что на него так или иначе попало. И если вместе с полезным сигналом, излучаемым одной из «законопослушных» ЗССС, на той же частоте со стороны Земли приходит помеха, то в сторону Земли уйдет уже сумма «сигнал плюс помеха». И выглядеть это будет примерно так:
Пологая трапециевидная линия — огибающая полезного сигнала. Высокие «палки» поверх неё — помеха.
Наличие в полосе сигнала подобных помех приводит как минимум к появлению ошибок на канале, подвергшемуся воздействию помехи. А как максимум — к полной неработоспособности канала и всех сервисов, идущих внутри него.
Источником бортовых помех, как правило, являются сами ЗССС (хотя, естественно, не следует полностью исключать и возможность злонамеренной или целенаправленной постановки помех с помощью неких «спецсредств»). Наиболее типичные причины появления помех (или, строго говоря, любых дополнительных или нежелательных сигналов) в спектре излучения ЗССС следующие:
- Обрыв оплётки кабеля или наличие незатерминированного входа (входов) тракта передачи ЗССС. В этом случае такая ЗССС может легко «поднять на борт» кусок своего местного эфира: или УКВ/ФМ-вещание (для ЗССС, работающих с т. н. ПЧ70/140МГц, т. е. со входными сигналами в полосе частот 50–180МГц), или сигналы местных сетей сотовой связи (для ЗССС, работающих с ПЧ по L-Band, т. е. со входными сигналами в полосе частот 950–1950 МГц).
- Неисправность либо работа в неправильном режиме одного из активных элементов передающего тракта ЗССС (модемы, конвертеры частот, мощный усилитель). «Лес палок» на картинке выше — один из примеров того, что может сгенерироваться при этом на выходе тракта передачи такой ЗССС. Также достаточно типичный пример — появление «плеч» у полезного сигнала ЗССС. Это происходит тогда, когда один из активных элементов тракта ЗССС работает в перегрузке. На картинке сигнала в этом случае снизу появляется эдакая подставка, которая по полосе в два раза шире основного сигнала. «Плечи» в виде добавочного шума попадают в полосы соседних каналов и могут повлиять (иногда существенно) на их работу.
- Случайное повторное включение ЗССС (или части оборудования ЗССС), некорректно выведенной из эксплуатации. Если ЗССС более не нужна, то её, естественно, выключают. Но при этом недостаточно просто выдернуть вилку из розетки. Сначала надо как минимум дать команду модему (а в некоторых случаях и передатчику), чтобы он выключил свою передачу. Тогда, если по той или иной причине кто-то снова подаст питание на оборудование, ЗССС не сможет при этом самопроизвольно выйти в эфир. И соответственно, не сможет никому помешать.
- Ещё следует упомянуть т. н. кросс-поляризационные помехи. Практически все современные спутники используют «поляризационное уплотнение»: работа идёт на одних и тех же частотах, но с разной поляризацией. Для диапазона С это в большинстве своём круговая поляризация — правая и левая (RHCP и LHCP), для диапазона Ku — линейная, вертикальная и горизонтальная (V и H). Подавляющее большинство проблем возникает с ЗССС, работающими в линейной поляризации: облучающую систему такой ЗССС нужно хорошо и правильно настроить при монтаже. Если этого не сделано, то такая ЗССС начинает излучать как в своей, так и в обратной (ортогональной) поляризации, создавая помехи тем, кто работает в этой поляризации. Но это очень хорошо видно для оператора спутникового сегмента (владельца спутника), и такие неправильно работающие ЗССС вычисляются на раз.
Главная и наиболее трудная задача при появлении помехи — вычислить, кто и откуда эту помеху может излучать. Но ещё раз: помеха может прилететь на спутник от любой ЗССС, хоть как-то смотрящей на этот спутник и расположенной внутри «зоны обслуживания». И вот, к примеру, картинка «зоны обслуживания» фиксированного луча Ku-диапазона спутника «Экспресс-АМ33»:
Как вычислить, где (или хотя бы на территории какого государства) располагается «проблемная» ЗССС?
Пожалуй, самый простой случай — это подъём на борт некоей ЗССС с ПЧ70/140МГц своего УКВ/ФМ-вещания. В большинстве случаев вычислить такую ЗССС может и сам оператор спутниковой сети, без помощи оператора спутникового сегмента. Ведь такая проблемная ЗССС однозначно работает в том же транспондере спутника, где и наблюдается помеха. А для таких крупных операторов, как «Вымпелком», это, скорее всего, одна из ЗССС собственной сети. Кто конкретно — узнать не так уж и трудно: большинство современных анализаторов спектра имеют режим «демодулятор ФМ». Настраиваемся на помеху, слушаем — и очень скоро можно понять, что это за радиостанция. Ну а дальше совсем просто: вбиваем название радиостанции и её частоту вещания в поиск, находим город, где она вещает на этой частоте, и сравниваем со списком расположения ЗССС с ПЧ.
Несколько сложнее дело обстоит с вычислением источника помех в виде подъёма на борт сигналов сотовой связи. Тут уже не обойтись без помощи оператора спутникового сегмента. У них имеется аппаратура, способная вытащить из сигнала сотовых сетей всю служебную информацию: название сети, ID оператора, номер БС и т. д. Имея эту информацию и имея информацию о всех ЗССС, работающих через данный спутник, оператор может вычислить проблемную ЗССС. Ну и после этого — сообщить оператору, хозяину ЗССС, что эту станцию нужно срочно приводить в порядок.
Самый тяжёлый случай — это помехи непонятного происхождения, возникающие из-за сбоев в работе аппаратуры ЗССС. Причём очень часто такие помехи не присутствуют постоянно, а появляются и пропадают или, что ещё хуже, постоянно изменяют форму, амплитуду и частоту (т. н. нестационарная помеха).
Тривиальный, но очень сложный и долгий путь вычисления источника такой помехи — это поочерёдное отключение всех ЗССС, работающих через данный спутник. Понятно, что это очень непростая задача: таких ЗССС могут быть сотни. А выключать их надо не просто так, а именно в момент наличия помехи. И выключать желательно не «софтово», а путём снятия питания с передатчика. Понятно, что скоординировать и успешно провести такие работы практически невозможно.
Но выход есть. Современные методы обработки сигналов и применение больших вычислительных мощностей позволяют практически творить чудеса. И для вычисления таких помех используются специальные системы спутниковой геолокации. Задача антенны любой ЗССС — сформировать более-менее узкий луч в направлении на спутник. Но ширина этого луча всё равно конечна. К тому же у любой антенны есть т. н. боковые лепестки, куда уходит часть энергии. Очень незначительная, но уходит. Спутники на орбите стоят достаточно плотно, соответственно, любая ЗССС хотя бы малую часть излучаемого сигнала посылает не только на «свой» спутник, но и на соседние.
Спутники и их «зоны обслуживания» изначально конструируются и размещаются так, чтобы два соседних спутника не мешали друг другу. Соответственно, та очень небольшая часть энергии ЗССС, излучаемая на «чужой» спутник, становится ещё меньше. И при нормальной работе сигнал от ЗССС «чужого» спутника находится глубоко под уровнем естественного шума данного спутника. Тем не менее сигнал этот так или иначе присутствует на соседних спутниках, значит, его можно попытаться вытащить. Делается это с помощью использования антенн достаточно большого диаметра (больше диаметр — больше чувствительность и более узкая диаграмма направленности) и достаточно сложной аппаратуры корреляционного приёма системы спутниковой геолокации. Слабые отголоски помехи ищутся среди шумов соседних спутников, а дальше вычисляются параметры этих найденных отголосков: разница по времени, по частоте, по фазе между «образцовым» сигналом помехи и отголосками и изменение этой разницы от времени. Спутники ведь — даже геостационарные — не прибиты гвоздями к небу, они движутся, соответственно, разница времён, амплитуд и частот тоже меняется. Ну а дальше система геолокации по результатам измерений строит на поверхности Земли несколько линий, пересечение которых указывает на район наиболее вероятного положения ЗССС, излучающей помеху на спутник. Таким образом, задача, по сути, схожа с той, что решается любым навигатором или смартфоном при ориентировании по карте, только для её решения нужны заметно более серьёзные инструменты.
Понятно, что успешный поиск таких помех сильно зависит от наличия подходящих «соседних» спутников в нужной точке. Но зачастую подходящий «соседний» спутник принадлежит совсем другому оператору. И поскольку с ростом общего числа ЗССС проблема поиска таких помех стала для каждого оператора достаточно острой и актуальной, в 2009 году была создана «Ассоциация спутниковых данных» (Space Data Association, SDA; www.space-data.org). Ассоциация была создана тремя ведущими мировыми спутниковыми операторами: Inmarsat (www.inmarsat.com), Intelsat (www.intelsat.com) и SES (www.ses.com), чуть позже к ней присоединился ещё и Eutelsat (www.eutelsat.com).
Стандартизация методов, систем, аппаратуры и формата данных систем геолокации, обмен данными и базами данных между членами Ассоциации позволяют достаточно успешно вычислять и устранять помехи на спутниках, мешающие нормальной работе каналов и сервисов. Тем не менее нельзя дать гарантии, что помеха будет однозначно или быстро вычислена и устранена. В особенности если эта помеха относится к самому сложному типу — «нестационарной помехе». К примеру, SES «вычислил» и устранил источник «нестационарной помехи», существенно влиявшей на значительную часть каналов/сервисов спутника NSS-703. Но для этого им потребовалось два года усиленной работы. Мы, в свою очередь, оказываем посильную помощь в поиске помех: по просьбе оператора мы поднимаем несущую с одной из наших ЗССС, наиболее близко расположенной к району возможного нахождения источника помехи. Это позволяет провести оператору более точную калибровку систем геолокации.
Ну и в заключение — про «пиратов»
В предыдущем посте задавался вопрос: «может ли простой смертный своими силами соединить две точки между собой без участия третьих лиц?» Или, перефразируя, «можно ли сделать спутниковый канал, и при этом не платить владельщам спутника за бортовой ресурс?»
Теоретически — можно, если обе ваших станции находятся внутри «зоны обслуживания», и если энергетика линии, поднимаемой с ваших станций, достаточна для работы канала. Но давайте смотреть правде в глаза:
- Аппаратура спутниковой связи — мало того, что достаточно специфичная, так еще и и недешевая. А если речь идет о более-менее широком канале, то маленькими «тазиками» тут не обойтись (см. предыдущй пост, «энергетика спутниковых линий»). Поэтому предполагаемому «пирату» — нужны как минимум связи среди поставщиков аппаратуры спутниковой связи. Ну и у нашего «пирата» — должен быть неплохой стартовый капитал.
- Установка и настройка — требуют специфических знаний. Расчет энергетики, хотя бы прикидочный — тем более. Значит, наш «пират» — должен быть не простым, а «ученым пиратом».
- Владельцы спутников достаточно пристально следят за частотным ресурсом. И чтобы подольше оставаться незамеченным — «пирату» придется либо поднимать очень узкий канал, либо включать его на очень непродолжительное время. Потратить кучу сил и денег, и довольствоваться каналом 9,6к в течение нескольких часов — это как-то не по-пиратски…
- Ну и если нашего «пирата» все-таки вычислят — то приписать ему можно очень много, начиная от «незаконной предпринимательской деятельности». Оно ему надо?
Итого, усилий много, а выгоды — практически никакой. Да и практика подтверждает: «космический пират» — это, скорее, что-то из области ненаучной фантастики. И если оператор обнаруживает некий незаконно работающий канал, то обычно это не чей-то злой умысел, а вполне привычные «кривые руки»: попутали борт, ствол, поляризацию, частоты (нужное подчеркнуть).
Ссылки: