Система контроля и диагностики на борту спутника-ретранслятора


Как известно, в реальных сетях спутниковой связи достаточно часто возникают различные нештатные ситуации, которые вызывают как ухудшение качества передачи, так и потерю связи из-за:

• 
  снижения энергетического потенциала;
  
• 
  нарушения условий синхронизации на разных уровнях;
  
• 
  наличия помех различного происхождения;
  
• 
  деградации или отклонения параметров оборудования земной станции (ЗС);
  
• 
  отклонения параметров ретранслятора;
  
• 
  отказа аппаратуры ЗС и т. д.
  

Обычно при поиске отказов наибольшее время затрачивается на выявление причин, которые связаны либо с энергетическими характеристиками образуемых каналов связи, либо с внутрисистемной или межсистемной электромагнитная совместимость (ЭМС).

Выявление конкретной причины отказа тех или иных направлений связи крайне важно, так как в зависимости от нее для восстановления канала зачастую приходится пользоваться прямо противоположными управляющими воздействиями.

Для эффективного решения этой задачи требуется довольно большой объем информации, получаемой с территориально разнесенных объектов. Это вызывает необходимость наличия системы контроля и диагностики спутниковых каналов связи (СКД СКС). Основные ее характеристики определяются, исходя из особенностей развернутых систем станции спутниковой связи (ССС), характеризующихся:

• 
  большим числом станций спутниковой связи - от нескольких сотен единиц в одной сети;
  
• 
  широким применением VSAT-технологии, работой ЗС в необслуживаемом режиме;
  
• 
  сложной электромагнитной обстановкой в местах установки ЗС;
  
• 
  работой ЗС в зонах с неуверенным приемом - на краю зон обслуживания спутником;
  
• 
  
  
• 
  использованием различных режимов многостанционного доступа к ретранслятору, в том числе и смешанных: МДЧР, МДВР (ТОМА и AA/TDMA - с адаптивным распределением загрузки), и т. д.
  

Данные параметры определяют такие характеристики СКД СКС как:

• 
  высокое быстродействие (анализируются параметры большого количества ЗС);
  
• 
  максимальная автоматизация и применение дистанционного контроля и анализа, позволяющих ЗС работать в необслуживаемом режиме;
  
• 
  использование гибких методов и алгоритмов обработки сигналов, обеспечивающих контроль "помеховой" обстановки в реальном масштабе времени;
  
• 
  применение комбинированных методов обработки, позволяющих контролировать системы, работающие в различных режимах многостанционного доступа;
  
• 
  обеспечение высокой аппаратной и программной надежности системы и т. д.
  

Учитывая отмеченные особенности контроля спутниковых каналов, а также естественную потребность в унификации оборудования СКД СКС для любого ствола РТР, контроль значений параметров РТР должен включать:

• 
  контроль величин, характеризующих РТР как СВЧ многополюсник с разночастотными входами и выходами, в котором происходят усиление и преобразование СВЧ сигналов по стволам;
  
• 
  контроль показателей каналов передачи, подтверждающих обеспечение контролируемым РТР нормируемых данных системы спутниковой связи в целом.
  

К последней категории относится и контроль обобщенных параметров прохождения сигналов.

С учетом такого разбиения, контроль спутниковых каналов связи, должен включать:

• 
  контроль параметров РТР, ЗС и радиолиний;
  
• 
  обнаружение помех и мешающих сигналов путем контроля загрузки стволов спутника-ретранслятора;
  
• 
  обнаружение помех на ретрансляторе КА и контроль несанкционированного доступа в местах установки ЗС;
  
• 
  
  
• 
  идентификацию помех.
  

Если контроль параметров не вызывает принципиальных трудностей, то определение уровня помех, возникающих при одновременной работе всех стволов РТР, предусматривает подачу в контролируемый канал измерительного сигнала и "загрузку" свободных стволов сигналом, имитирующим реальный. Вопрос выбора параметров, критериев и точности соответствия имитирующих сигналов реальным сигналам зависит от диапазона частот исследуемого ретранслятора, числа стволов, вида передаваемой информации.

Следовательно, при контроле загрузки ствола необходимы:

• 
  определение суммарной мощности сигнала в стволе;
  
• 
  оценка уровня шумов ретранслятора;
  
• 
  определение положения рабочей точки и точки насыщения ретранслятора;
  
• 
  вычисление запаса по частотному и энергетическому ресурсу ретранслятора;
  
• 
  определение коэффициента загрузки ствола;
  
• 
  автоматическая идентификация радиолиний и выдача результатов изменений по параметрам (центральная частота, занимаемая полоса, уровень сигнала);
  
• 
  оперативная оценка изменения параметров загрузки ствола (по полосе частот, энергетике).
  

При контроле "помеховой" обстановки в стволе следует:

• 
  обеспечить распознавание полезных сигналов сети;
  
• 
  выдавать информацию о наличии сигналов, не соответствующих частотному плану, и определять их параметры - частоту, полосу, уровень, наличие модуляции.
  

При анализе типа и источника помех должна осуществляться классификация помех по следующим признакам: сигнал связной несанкционированный или с другим видом модуляции.

При поиске несанкционированного доступа необходимо определить:

• 
  частоты, занятые несанкционированными абонентами;
  
• 
  параметры несанкционированных сигналов;
  
• 
  ресурс, занятый несанкционированными сигналами.
  



Обобщая вышеизложенное, СКД СКС должна с максимальной достоверностью и в кратчайшие сроки установить:

• 
  наличие сигналов с заданными параметрами на "своих" местах и их основные характеристики (отношение сигнал/шум на борту ретранслятора, уровень приема сигналов на контрольной станции);
  
• 
  наличие помех или сигналов несанкционированного доступа;
  
• 
  отсутствие заданных сигналов на своих местах;
  
• 
  относительную мощность полезных сигналов, сигналов несанкционированного доступа и помех;
  
• 
  общую относительную мощность.
  

Очевидно, что реализация всех этих функций невозможна без соответствующего управления заданием полей допусков на контролируемые параметры, а также параметрами постановщика и компенсатора помех.

Для достижения достоверности контроля необходимо, чтобы время анализа сигналов при работе с анализатором спектра ограничивалось требованиями многостанционного доступа и количеством анализируемых стволов. В режиме МДЧР:

• 
  при анализе одного ствола РТР - не более 20 с на один ствол;
  
• 
  при анализе параметров помехи- в зависимости от ее параметров;
  
• 
  при определении типа помехи и ее параметров время анализа на один сигнал - до 1 мин.
  

При работе в многоствольном режиме время анализа одного ствола должно быть не более 15 с, а в режиме МДВР - не более длины пакета ЗС и не менее максимальной длительности символов.

Полученную в результате информацию (спектр полезных сигналов, спектр помех и мешающих сигналов, графики и гистограммы по обработке сигналов, таблицы и параметры баз данных и т. д.) следует отображать в виде, удобном для восприятия оператором, в необходимом объеме и с требуемым разрешением. Результаты контроля должны архивироваться и документироваться, чтобы имелась возможность последующей статистической обработки по:

• 
  суточному изменению параметров ЗС;
  
• 
  сезонному изменению параметров радиолиний;
  
• 
  времени появления и изменения параметров помех и т. д.
  



Наиболее эффективно эти задачи могут быть решены с использованием системы контроля спутникового ресурса, разрабатываемой в компании Syrus Systems совместно с ЗАО "Руднев и Шиляев" по заказу ОАО "Газком" и позволяющей оператору в автоматизированном режиме выполнять мониторинг частотно-энергетического ресурса спутника-ретранслятора.

СКД СКС представляет собой систему мониторинга спутниковых каналов связи и помеховой обстановки с вторичной обработкой полученных результатов для оценки соответствия каналов установленным нормам. Выполняя функции СКД СКС, система обеспечивает сканирование полного стандартного ствола спутника-ретранслятора (36 МГц) за 20 с, при необходимости число стволов может быть увеличено.

Ее отличительной особенностью является то, что она может функционировать как самостоятельная система мониторинга, а также интегрироваться в состав автоматизированной системы управления сетью спутниковой связи.

Базовая структура СКД СКС

Принцип действия СКД СКС основан на использовании:

• 
  компьютерного анализатора спектра (КАС);
  
• 
  тестового спутникового модема (ТСМ);
  
• 
  оборудования сопряжения СКД СКС с земной станцией спутниковой связи.
  

КАС предназначен для получения и обработки спектрограмм анализируемых стволов, а ТСМ используется для проверки наличия ретрансляции в проверяемом стволе, загрузке ствола и подавления сигналов несанкционированного доступа.

Измерительное оборудование (см. рисунок) может подключаться как по L-диапазону (в этом случае из-за использования вместо КАС универсального анализатора спектра время сканирования стволов увеличивается), так и по диапазону промежуточной частоты.

В состав СКД СКС входят:

• 
  базовый измерительный комплект (БИК);
  
• 
  средства сопряжения БИК с земной станцией спутниковой связи;
  
• 
  центральный сервер;
  
• 
  рабочее место оператора.
  



Базовый измерительный комплект представляет собой автономный модуль, состоящий из собственно измерительных средств и управляющего контроллера БИК на базе промышленного компьютера с архитектурой Intel под управлением операционной системы UNIX. БИК полностью функционирует в автоматическом режиме, загружая необходимые данные для проведения измерений с центрального сервера.

В соответствии с полученными указаниями контроллер БИК выстраивает алгоритм управления измерительными средствами и при необходимости средствами сопряжения БИК и ЗС. Полученные результаты БИК обрабатывает и передает на центральный сервер.

Средства сопряжения БИК с земной станцией спутниковой связи обеспечивают его подключение к аппаратуре контрольной земной станции. В их состав входят конвертер вниз (на L- или ПЧ-диапазон), необходимые кабели и переходники для подключения анализатора спектра и модема, а также, при необходимости, конвертер на ПЧ-диапазон и (или) коммутаторы (если БИК подключается по ПЧ). Управление всеми средствами сопряжения выполняет контроллер БИК.

Центральный сервер системы обеспечивает администрирование всех БИК, архивирование результатов измерений, полученных ото всех БИК за календарный месяц, и до ступ операторов ПКД СКС к результатам контроля. При этом рабочее место оператора системы строится на базе компьютера под управлением операционной системы Windows NT.

В системе существует три уровня доступа:

• 
  оператор имеет право только на просмотр результатов контроля ресурса в стволах спутника-ретранслятора;
  
• 
  диспетчер имеет дополнительные права по настройке конфигураций отдельных БИК;
  
• 
  администратор имеет дополнительные права по администрированию базы данных, изменению паролей и т. д.
  

Основные функции системы

На основании обработки полученных результатов контроля, ПКД СКС выполняет следующие функции:

• 
  поиск сигналов несанкционированного доступа к ресурсу спутника-ретранслятора и помех;
  
• 
  
  
• 
  поиск отсутствующих рабочих сигналов в спектре ствола спутника-ретранслятора;
  
• 
  определение основных энергетических показателей как отдельных сигналов, так и сети в целом;
  
• 
  определение сигналов, выходящих за рамки допусков по энергетике;
  
• 
  формирование сигналов тревоги по отсутствующим сигналам;
  
• 
  формирование предупреждений по несоответствию параметров сигналов заданным.
  

Контроль параметров радиолиний и каналов спутниковой связи

В общем случае контроль параметров предусматривает выполнение следующих функций:

• 
  контроль параметров радиолиний;
  
• 
  анализ тенденций изменения параметров на основе вторичной обработки;
  
• 
  статистическую обработку и анализ отказов;
  
• 
  оценку и контроль качества каналов спутниковой связи и др.
  

Для уменьшения времени контроля количество контролируемых параметров задается оптимальным образом, а продолжительность опроса устанавливается в зависимости от значимости параметра.

Для раннего обнаружения изменения параметров, вызывающих снижение качества канала, их контроль проводится непрерывно с минимально возможным интервалом времени. При этом программно анализируется не только абсолютное значение параметров, но и тенденция их изменения, с целью прогнозирования возможной потери связи и своевременного принятия мер, например, для обнаружения снижения уровня сигнала из-за осадков и включения режима автоматической регулировки мощности в линии для компенсации потенциала.

Контроль ведется с заполнением базы данных и последующей статистической обработкой, на основе которой выбираются значения порогов, определяющих выход параметров за пределы нормы, например, уровня сигналов для разного времени суток. Достоверность контроля соответствия достигается благодаря высоким точностным характеристикам аппаратной части с использованием эффективных алгоритмов вторичной обработки сигналов и значений порогов, устанавливаемых в соответствии с нормами МККР.



Контроль параметров и качества радиолиний позволяет определить значения:

• 
  уровня сигнала на борту спутника ретранслятора;
  
• 
  частоты сигнала;
  
• 
  ширины полосы;
  
• 
  параметров модуляции;
  
• 
  отношения сигнал/шум на бору ретранслятора.
  

В отличие от контроля параметров, контроль качества радиолинии дает возможность определить ее обобщенные параметры, выполняя:

• 
  установку следящих порогов по отношению сигнал/шум (SNR) и по ошибкам на бит информации (BER);
  
• 
  статистическую обработку отказов.
  

Установка следящих порогов по отношению к какому-либо параметру предусматривает создание порогов и двух-трех пороговых систем контроля отношения сигнал/шум, обеспечивающих слежение за изменением данного параметра во времени.

Введение двух и более порогов позволяет на ранней стадии обнаружить тенденцию изменения параметра и обеспечивает предупреждение срыва связи или снижение ее качества, например, из-за суточных и других колебаний параметров, связанных с изменением температурного режима.

Так, в случае установки двойного порога по верхнему и нижнему значениям отношения сигнал/шум, при пересечении первого нижнего порога система выдает предупреждение оператору и сигнализирует о необходимости включения системы автоматической регулировки мощности. При пересечении второго нижнего порога индицируется аварийная ситуация, требующая принятия мер.

Контроль параметров ретранслятора, как было отмечено выше, осуществляется путем контроля загрузки ствола. Для этого предусмотрено выполнение следующих функций:

• 
  определение суммарной мощности сигнала в стволе;
  
• 
  оценка уровня шумов ретранслятора;
  
• 
  определение положения рабочей точки и точки насыщения ретранслятора;
  
• 
  вычисление запаса по частотному и энергетическому ресурсу ретранслятора;
  
• 
  
  
• 
  определение коэффициента загрузки ствола;
  
• 
  автоматическая идентификация радиолиний и выдача изменений по параметрам (центральная частота, занимаемая полоса, уровень сигнала);
  
• 
  оперативная оценка изменения параметров загрузки ствола (по частотной полосе, энергетике).
  

Предусматривается обнаружение помех, создаваемых в ретрансляторе и в местах установки ЗС, обнаружение сигналов несанкционированного доступа, экспресс-анализ и идентификация помех, организация подавления мешающих сигналов.

При этом учитываются следующие базовые положения:

• 
  обеспечение минимального времени на обнаружение помех и мешающих сигналов за счет аппаратной и программной реализации системы;
  
• 
  дифференциация помех по признаку "свой" - "чужой" без детального анализа происхождения помехи и ее источника для обеспечения минимального времени принятия решения по компенсации помех или организации противодействия;
  
• 
  локализация источника помехи "ретранслятор" - "местная" для выбора включения сигнала противодействия или компенсатора помех.
  

Реализация функции обнаружения помех зависит от метода многостанционного доступа, применяемого в системе спутниковой связи.

Контроль частотного ресурса осуществляется независимо по модему и анализатору спектра. В первом случае входными данными являются предельное количество циклов измерений отношения сигнал/шум, пределы изменения отношения сигнал/шум от среднего значения и размер массива точек измерения, который определяется из базы данных по частотному плану сети.

Информация о наличии сигнала на частотах каналов сети и параметры сигналов отображаются в виде графиков спектра с различной окраской в зависимости от характера сигнала и выводится на дисплей.

При контроле частотного ресурса по анализатору спектра входными данными являются границы полосы контроля (трассы), задаваемые центральной частотой и полосой анализа с выводом на дисплей или печать 

текущего состояния частотного плана, а также иной информации из базы данных.