تحقیق مقاله بررسی کانال ارتباط بی سیم و سیستم های ماهواره ای

بررسی کانال ارتباط بی سیم و سیستم های ماهوارهای

تاریخچه

در دهه 1950 و اوایل دهه 1960 مردم سعی کردند تا سیستم ارتباطی از طریق برخورد سیگنال ها به بالونهای فلزی ایجاد نمایند. متاسفانه سیگنالهای دریافتی بسیار ضعیف بوده و کاربرد عملی نداشت. سپس نیروی دریایی آمریکا نوعی بالون ثابت را در آسمان یافت (ماه) و سیستمی عملیاتی برای ارتباط دریا به ساحل را به کمک برخورد سیگنالها به آن ایجاد کرد.

استفاده از ماهواره اولین بار توسط دانشمند انگلیسی بنام اتورسی کلارک مطرح شد. لیکن با توجه به محدودیتهای تکنولوژیکی اجرای این ایده تا اوائل دهه 60 میلادی به تعویق افتاد . پرتاب ماهواره موسو م به اکو در سال 1960 میلادی و قرار گرفتن آن در مدار زمین را می‏توان آغاز دوران ارتباطات ماهواره دانست. ماهواره‏های اولیه از مدارهای با ارتفاع کم استفاده می‏کردند و سرعت چرخش این ماهواره‏ها از سرعت چرخش زمین بیشتر بود. در نتیجه امکان ارتباط ایستگاههای زمینی با ماهواره فقط در مدت کمی از روز حدود 100 دقیقه امکان داشت

اولین ماهواره مدار ثابت زمین موسوم به سینکام دوم در سال 1963 به فضا پرتاب شد. این نوع ماهواره‏ها در ارتفاع حدود 40000 کیلومتری سطح زمین و با سرعتی برابر با سرعت زمین این ماهواره‏ها حدود 30 متر و هزینه آنها بالغ بر 2 میلیون دلار بود . تفاوت بین ماهواره مصنوعی و حقیقی این است که ماهواره مصنوعی میتواند سیگنالها را قبل از برگشت تقویت نماید (تغییر از سیستم ساده به سیستم ارتباط قوی).

 بعلت پیچیدگی و بزرگ بودن ایستگاههای زمینی ماهواره‏ها، استفاده از این تکنولوژی در کاربردهای خاص و با هزینه بالا امکان پذیر می‏بود. در اوائل دهه 80 میلادی، با پیشرفت تکنولوژی و استفاده از باندهای KU هزینه آنها کاهش یافت و قطر ایستگاههای زمینی نیز تا حدود 2 متر تقلیل یافت.

ماهواره‌‌های ارتباطی خواص عجیبی داشتند که برای بسیاری از کاربردها جذاب بودند. ماهواره ارتباطی را می‌‌توان مانند تکرارگر مایکروویو در آسمان تصور کرد. حاوی چند ترانسپوندر است که هر کدام از آنها به بخشی از طیف گوش می‌‌دهد سیگنال ورودی را تقویت می‌‌کند سپس آن را با فرکانس دیگری پخش می‌‌نماید تا با سیگنال ورودی تداخل نکند. پرتوهای روبه پایین می‌‌تواند گسترده باشد و سطح وسیعی از زمین را بپوشاند و یا باریک بوده و ناحیه‌‌ای به قطر صدها کیلومتر را پوشش دهد.

اولین تولید تجاری این ایستگاههای زمینی ماهوارا توسط کمپانی تلکام جنرال ارائه گردید. نام عمومی این ایستگاهها، ایستگاه زمینی کوچک یا VSAT نامیده شد.

شبکه VSAT به سه نوع ساختار اشتراکی، نقطه به نقطه و ستاره تقسیم می‏شوند . ساختار ستاره بعنوان متداولترین استاندارد توسط اکثر سازندگان شبکه VSAT ارائه شده است و شامل ایستگاه مرکزی HUB، ترانسپوندر ماهواره و تعدادی پایانه VSAT می‏باشد. این ساختار برای کاربردهای دوطرفه با تعداد پایانه زیاد استفاده می‏گردد. همچنین استفاده از این نوع شبکه با بیش از 100 پایانه در مقایسه با شبکه ‏های زمینی مقرون بصرفه می‏باشد .

مقدمه

محیط بی سیم بصورت گزینه شبکه های قابل رشد ظهور پیدا کرده است . همچنانکه تکنولوژی رشد می نماید ، فرو شندگان محصولات بیشتری با قیمتهای جاذب ارائه می دهند که در عوض تقاضا و فروش را افزایش خواهد داد .همچنانکه تقاضا افزایش می یابد ، محیط بی سیم رشد و بهبود خواهد یافت اصطلاح محیط بی سیم گمراه کننده است زیرا دلالت بر شبکه ای می نماید که کاملا بدون کابل است . در اکثر حالات ، این درست نیست . اکثر شبکه های بی سیم واقعا شامل اجزا بی سیمی می باشند که با شبکهای ارتباط دارند که از کابلهایی در شبکه با اجزا مخلوط بنام دورگه استفاده می کند

ایده شبکه های بی سیم موضوع مهمی می باشد زیرا اجزا بی سیم می توانند

اتصالات موقت به شبکه کابلی موجود ارائه دهند

در ارائه پشتیبان برای شبکه کابلی موجود کمک نمایند

درجه معینی از قابلیت حمل را ارائه دهند

شبکه ها را آنسوی محدوده های کابلهای مسی یا حتی فیبر نوری گسترش دهند

مصارف بی سیم

مشکل در پیاده سازی کابل عاملی است که تقاضای محیط های بی سیم را افزایش داده است. بی سیم می تواند بویژه برای شبکه سازی های ذیل مفید باشد

مناطق شلوغ مانند سالن های انتظار

افرادی مانند دکتر ها و پرستاران در بیمارستانها که دائما در حرکت می باشند

ساختمانها و مناطق مجزا

دپارتمانهایی که ویژگیهای فیزیکی دائما در آنها تغییر می کنند

ساختمانهایی از قبیل عمارات تاریخی که کابل کشی در آنها مشکل می باشد

انواع شبکه های بی سیم

شبکه های بی سیم می توانند بر اساس تکنولوژی آنها به سه دسته تقسیم شوند

شبکه های محلی

شبکه های محلی گسترش یافته

کامپیوتر های سیار

های گسترش یافته بی سیم از فرستنده ها و گیرنده های LAN ها و LANتفاوت اصلی بین این رسته ها تسهیلات انتقالی می باشد ،MCI,AT&T متعلق به شرکتی که شبکه در آن کار می نماید استفاده می کنند کامپیوتر های سیار از حاملهای عمومی مانند :  شرکتهای تلفن محلی و خدمات همگانی آنها برای ارسال و دریافت سیگنالها استفاده می کنند

یک شبکه بی سیم نمونه به استثنای رسانه تقریبا شبیه شبکه کابلی بنظر می رسد و عمل می کند . کارت آداپتور شبکه بی سیم با فرستنده گیرنده در هر کامپیوتر نصب شده است و کاربران با شبکه مثل اینکه آنها در کامپیوترهای کابل کشی شده کار می نمایند ، ارتباط برقرار می کنند

فرستنده-گیرنده گاهی اوقات نقطه دسترسی نامیده می شود سیگنالها را از کامپیوترهای مجاور دریافت و سیگنالها را به آنها ارسال می نماید و بین کامپیوترهای بیسیم و شبکه کابلی داده ها رابصورت رفت و برگشت عبور می دهد

این LAN های بیسیم از فرستنده گیرنده های دیواری برای ارتباط با شبکه سیم کشی شده استفاده می کنند فرستنده گیرنده ها با دستگاه های قابل حمل شبکه ارتباط رادیویی برقرار می سازند. این یک LAN بیسیم صحیح نمی باشد زیرا برای ارتباط با  LANکابل کشی شده استاندارد از فرستنده گیرنده دیواری استفاده می نمایند.

 LANهای بی سیم از چهار روش برای انتقال داده ها استفاده می کنند .

1-مادون قرمز

تمام شبکه های بی سیم مادون قرمز با استفاده از پرتو نور مادون قرمز برای حمل داده ها بین دستگاهها عمل می کنند . این سیستم ها نیاز به تولید سیگنالهای خیلی قوی دارند زیرا سیگنالهای انتقالی ضعیف برای روشن شدن از طریق منابعی از قبیل پنجره ها مستعد می باشند .

این روش می تواند به دلیل پهنای باند بالای نور مادون قرمز سیگنالها را با سرعت بالا انتقال دهد. داده های شبکه مادون قرمز معمولا می توانند با سرعت 10Mbpsانتشار یابند.

2-لیزر

تکنولوژی لیزر شبیه تکنولوژی مادون قرمز می باشد که در آن نیاز به خط بدون مانع دیدن وجود دارد ، و هر شخص یا چیزی که در مقابل پرتوی لیزر قرار گیرد ، موجب اختلال در انتقال می شود .

3-رادیویی باریک-نوار (تک فرکانسی )(باند باریک یا باند با پهنای کم)

این روش شبیه پخش از یک ایستگاه رادیویی می باشد برای کاربر گیرنده و فرستنده با یک فرکانس خاص در نظر گرفته می شود . اینکار نیاز به خط بدون مانع دید ندارد زیرا دامنه پخش مربع 5000 می باشد . اما چون سیگنال فرکانس بالا است ، نمی تواند از دیوارهای فولادی عبور نماید . این روش نسبتا آهسته می باشد و انتقال داده ها در دامنه Mbps8/4 صورت می گیرد .

4-رادیویی طیف گسترده

رادیویی طیف گسترده سیگنالها را توسط دامنه ای از فرکانسها پخش می نمایند . اینکار کمک می کند تا از مشکلات ارتباطات باریک-نواری جلوگیری شود .

فرکانسهای موجود به کانالها یا پرش ها تقسیم می شوند . آداپتورهای طیف گسترده برای پرش مشخص در طول از پیش تعیین شده زمانی و سپس سوئیچ کردن به پرش متفاوتی تنظیم می گردند . رشته پرش زمان بندی را تعیین میکند . تمام کامپیوترها در شبکه با زمان بندی پرش همزمان می شوند .

برای جلوگیری از گوش دادن کاربران غیر مجاز به پیام ارسالی ، فرستنده و گیرنده هر دو از یک کد استفاده می نمایند.

با توجه به سرعت نمونه Kbps250 این روش نسبت به سایر روش ها خیلی آهسته تر می باشد . اما برخی از نسخه های رادیویی طیف گسترده می توانند سرعتهای انتقالی Mbps 2 در فواصل دو مایل بیرونی و 400 فوت درونی ارائه دهند .

این یکی از مناطقی  است که در آنجا  تکنولوژی  عملا برای شبکه بی سیم  واقعی  ارائه می گردد . مثلا ، دو یا چند  کامپیوتر  مجهز  به   آداپتورهای ( کارت شبکه )ircom Creditcard Netwave    و  سیستم  عاملی   از   قبیل 95 Microsoft Windows یا Microsoft Windows NT می توانند به صورت شبکه نظیر به نظیر بدون کابلهای اتصالی عمل نمایند . اما اگر یک شبکه موجود بر اساس سرویس دهنده Windows NT Server دارید ، می توانید شبکه بی سیم فوق را در آن با افزودن Netwave Access point به یکی از کامپیوتر های شبکه بر اساس سرویس دهنده  Windows NT Server گره بزنید.

ایستگاه های ماهواره ای

سیستم های موج کوتاه برای اتصال سیستم های کوچک با فاصله کم در ساختمانها مانند سیستم های موجود در مناطق صنعتی مناسب هستند .

اینک موج کوتاه متداولترین روش انتقال فواصل طولانی است که در آمریکا استفاده می شود .

این روش برای ارتباط بین دو خط از نقاط قابل دیدن مانند:

 ماهواره به اتصالات زمینی

 بین دو ساختمان

 در طول فضاهای باز ، مسطح و وسیع مانند دریاها و بیابانها

عالی می باشد .

 سیستم موج کوتاه شامل :

دو فرستنده گیرنده رادیویی-یکی برای تولید ( ایستگاه فرستنده ) و یکی برای در یافت (ایستگاه گیرنده ) اموج پخش شده.

 دو آنتن جهت دار که جهت هر یک به سمت دیگری می باشد برای پیاده سازی ارتباط سیگنالهای پخش شده توسط فرستنده گیرنده ها . این آنتنها اغلب بر روی برجها نصب می شوند تا به انها دامنه بیشتری بدهند  و آنها را بالاتر از هر چیزی ببرند که می توانند مانع سیگنالهای آنها باشند .

به کارگیری ظرفیت باند ماهواره ای ku وایستگاههای زمینی کوچک برای دستیابی به اینترنت، با سرعت بالا و تاخیر کم، یک سری نکات کلیدی فنی و اقتصادی را به همراه دارد که چندان مورد بررسی قرار می دهیم و از این تحلیل ها، به دو نتیجه اولیه دست می یابیم.

گاهی اوقات گفته می شود که ظرفیت ماهواره ای، بعنوان تکنولوژی دستیابی به اینترنت، بسیارگران و پرهزینه است. اولین نتیجه ای که از این مقاله می گیریم این است که می توان فن آوریها و معماریهای سیستمی را یافت که دستیابی به اینترنت از طریق ماهواره و ایستگاههای زمینی کوچک را غیر اقتصادی و نابصرفه می سازند ما مدافع عدم استفاده از این فن آوریها و معماریهای سیستمی هستیم. نتیجه دوم اینکه می توان فن آوریها و معماریهای سیستمی را مطرح نمود که باقیمتی پایین، امکان دستیابی مشترک با سرعتی بالا و تاخیر کم به اینترنت را برای تعداد زیادی از کاربران فراهم می آورند.

 ماهواره های ارتباطی همزمان

طبق قانون کپلر زمان گردش ماهواره متناسب با شعاع مدار به توان سه دوم است. نزدیک به سطح زمین، زمان گردش در حدود 90 دقیقه است. ماهواره‌‌های ارتباط در چنین ارتفاع پایینی مفید نیستند زیرا در بازه‌‌های زمانی بسیار کوتاه در دید ایستگاههای زمینی قرار می‌‌گیرند.

به هر حال، در ارتفاع تقریبی 36000 کیلومتر بالای خط استوا زمان گردش ماهواره، 24 ساعت است لذا با همان سرعت چرخش زمین می‌‌چرخند. ناظری که در مدار استوایی مدور به ماهواره نگاه می‌‌کند می‌‌بیند که ماهواره در نقطه ثابتی از آسمان آویزان است و ظاهراً حرکتی نمی‌‌کند. ثابت نگهداشتن ماهواره در آسمان مطلوب است. زیرا در غیراین صورت برای دنبال کردن آن نیاز به آنتن چرخان گرانقیمتی است.

با تکنولوژی کنونی، برای جلوگیری از تداخل فاصله زاویه‌‌ای کوچکتر از 2درجه، معقول نیست. با فاصله‌‌گذاری 2درجه‌‌ای، همزمان فقط 180 ماهواره ارتباطی می‌‌توانند در آسمان وجود داشته باشند. بعضی از این شیارهای مداری برای دسته دیگری از کاربران رزرو شده است. (مثل پخش تلویزیونی کاربردهای دولتی و نظامی و غیره) خوشبختانه ماهواره‌‌هایی که از بخشهای مختلف طیف استفاده می‌‌کنند رقابتی باهم ندارند درنیتجه هریک از 180 ماهواره ممکن می‌‌تواند دارای چندین جریان داده باشد که به طور همزمان بالا و پایین می‌‌روند. اگر دو یا چند ماهواره در فرکانسهای متفاوت کار کنند می‌‌توانند یک شیار مدار را اشغال کنند برای جلوگیری از هرج‌‌و مرج در آسمان، براساس توافق بین‌‌المللی هریک ازافراد می‌‌توانند از شیارهای مدار و فرکانسهای خاصی استفاده کنند. باندهای اختصاصی در شکل یک آمده است. باند C اولین باندی بود که برای ترافیک ماهواره اختصاصی طراحی شد. دو بازه فرکانسی در آن در نظر گرفته شد. بازه پایین‌‌تر برای ترافیک پیوند روبه بال ا (به ماهواره) تخصیص یافتند. برای اتصال دوطرفه کامل تک‌‌کانالی هر دو روش لازم است. اکنون ازدحام در این باندها زیاد است زیرا حاملهای عمومی نیز از انها برای پیوندهای مایکروویو زمینی استفاده می‌‌کنند