Предыстория: низкоорбитальные спутниковые системы мобильной связи
Спутниковая связь как индустрия началась в середине 60-х годов прошлого века и в первую четверть века своего существования была классической до умопомрачения: магистральные каналы, большие антенны, безумно дорогое оборудование, капитальные затраты. Мобильная спутниковая связь существовала, например, в виде станции "Марс": "абонентский терминал" на базе армейского грузовика и специальный хаб в ЦКС "Дубна". Иностранные аналоги принципиально не отличались, разве что их себе могли позволить не только руководители страны, но и просто небедные корпорации. Но в самом конце 80-х – начале 90-х случился прорыв в спутниковом телевидении – оно стало массовым, и заинтересованные лица всерьёз задумались: "а нельзя ли сделать таковой и спутниковую связь?" Благо предпосылки для этого были самые благоприятные: сотовая связь пользовалась успехом, но доставала далеко не везде, где требовалось. И самым логичным решением представлялось использование не геостационарных, а низко- и среднеорбитальных систем.
В первую очередь привлекала возможность использования достаточно небольших абонентских терминалов. Достаточно вспомнить, что сотовые телефоны в то время были в несколько раз больше современных, поэтому телефон весом в полтора килограмма никого особенно не пугал.
В первой половине 90-х началось активное проектирование различных низко- и среднеорбитальных систем спутниковой связи. Самой известной (и дожившей до сегодняшнего дня) стала система "Иридиум". Разумеется, поначалу речь шла исключительно о голосовой связи, широкополосный спутниковый доступ (хотя тогда и термина такого не было) предполагалось организовать следующим этапом.
Орбиты, используемые для создания спутниковых коммуникационных систем. Плюсы и минусы. Существует несколько классов спутниковых систем, разделение происходит по типу используемой орбиты. В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения системы:
Данное деление (исключая, разумеется, ГСО) носит достаточно условный характер. От высоты орбиты зависит период обращения спутника вокруг Земли.
На начальной стадии для организации связи пытались использовать разные орбиты. Но ещё в конце 40-х годов прошлого века английский учёный и писатель Артур Кларк отметил, что для связи лучше всего подходит геостационарная орбита, поскольку находящийся на ней спутник неподвижен относительно наблюдателя с Земли. Зона охвата геостационарного спутника – чуть меньше трети поверхности Земли, то есть для обслуживания практически всей земной суши достаточно трех геостационарных спутников. Первыми выводить аппараты на ГСО начали в США, и с 1965 года началось развитие спутниковых сетей связи на геостационарных спутниках. В СССР геостационарные системы появились на 10 лет позже, в середине 70-х. Сейчас геостационарные спутниковые сиситемы – самые распространённые, самые популярные. Основной недостаток ГСО-систем – большое расстояние между спутником и земной станцией. Во-первых, это ведёт к сильному затуханию сигнала (большему, чем для LEO и MEO), и, значит, к антеннам большего размера, более мощным передатчикам. Во-вторых, сигналу для прохождения на орбиту и обратно требуется ощутимое время, то есть появляется так называемый орбитальный скачок и связанная с ним задержка около 0,4 секунды. Ещё к серьёзным недостатком ГСО систем следует отнести невозможность охвата приполярных областей. В СССР с 1965 года началось создание спутниковой системы связи "Орбита", работающей через спутники "Молния", находящиеся на высокоэллиптической орбите. Апогей орбиты находился над над северным полушарием, поэтому спутник хорошо охватывал приполярные области. Время прохода спутника над земной станцией было около 8 часов. Недостаток высокоэллиптической орбиты: необходимость наличия на земной станции системы слежения за спутником, что сильно повышает стоимость земного сегмента. С 80-х г.г. система "Орбита" постепенно выводилась из эксплуатации, сейчас российские сети телевещания и связи работают через геостационарные спутники. Несколько спутников "Молния" используются военными структурами. Использование низких орбит позволяет значительно уменьшить мощности передатчиков и чувствительности приемников. Основной недостаток LEO-систем: крайне малая зона охвата (диаметр – сотни километров), малое время нахождения спутника в зоне видимости абонента (десятки минут). То есть для создания глобальной зоны охвата требуется большее количество спутников. К тому же, на низких орбитах срок службы космического аппарата гораздо ниже, чем на ГСО. Низкоорбитальные спутники связи используются с 60-х, но до недавнего времени их применение ограничивалось специфическими задачами. Например, низкоорбитальные спутники пакетной свзи "Стрела" используются отечественными разведслужбами. Средние орбиты – попытка компромисса между LEO и ГСО. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ка-диапазон, регулирование
Для развития новых систем требовался новый диапазон. Во-первых, традиционный и исторически самый ранний для спутниковых коммуникаций С-диапазон (up-link 4,7-5,2 ГГц, down-link 3,7-4,2 ГГц) и активно осваиваемый (особенно операторами непосредственного телевещания) Ku-диапазон (up-link 12,75-14,5 ГГц, down-link 10,7-12,75 ГГц) были уже достаточно плотно расписаны, особенно в Северной Америке и Западной Европе. Во-вторых, более высокие частоты позволяли использовать терминалы меньших размеров. Эффективность приемных антенн пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в поперечнике "тарелки". Длина волны с увеличением частоты уменьшается, следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. В-третьих, более высокие частоты лучше подходили для организации многолучевой структуры зоны покрытия. Все эти аргументы заставили операторов всерьёз задуматься об использовании Ка-диапазона. (up-link 27,5-31,0 ГГц, down-link 17,7-21,2 ГГц).
| Если посмотреть формально, то радиоспектр начинается с 3 Гц и заканчивается на 300 ГГц. Низкие частоты не используются в спутниковой связи, так как, во-первых, сигналы низкой частоты не подходят, чтобы передавать большое количество данных за единицу времени. Во-вторых, низко- и очень высокочастотные сигналы сильно поглощаются в земной атмосфере. Поэтому для спутниковой связи с точки зрения физики подходит диапазон от 20 МГц до 40 ГГц. Это в идеале, а на самом деле диапазон поделен между большим количеством различных радиослужб. Для спутниковых выделены C-, Ku- и Ka-. Также в некоторых странах допускается использование S-диапазона (2,0-2,2 ГГц) для спутникового непосредственного радиовещания и спутникового мобильного телевещания. Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с Регламентом территория Земли поделена на три района. Район 1: Африка, Европа, Россия, страны СНГ, Монголия. Район 2: Северная и Южная Америка. Район 3: Южная и Юго-Восточная Азия, Австралия и островные государства Тихоокеанского региона. В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот:
|
Очень быстро от спутниковых систем голосовой связи разработчики приходят к системам широкополосного доступа, поскольку как раз в первой половине – середине 90-х начинается первый интернет-бум. В Международном совете электросвязи началось активное обсуждение новых спутниковых сервисов (в первую очередь предназначенных для обслуживания индивидуальных абонентов) и способов создания условий для их развития. Главное, что требовалось от МСЭ – принять решение по частотным диапазонам, в которых могли бы работать перспективные системы. И такие решения МСЭ принял.
На Всемирной конференции радиосвязи (ВКР) в 2003 году были распределены частоты в Ка-диапазоне, они были определены для организации мультимедийных услуг для низко-, среднеорбитальных и геостационарных систем. Для Района 1 в направлении "космос – Земля" были выделены диапазоны 17,3-17,7; 19,7-20,2; 39,5-40; 40-40,5; 47,5-47,9; 48,2-48,54; 49,44-50,2 ГГц и в направлении "Земля – космос" 27,5-27,82, 28,45-28,94, 29,46-30 ГГц.
Ка-диапазон, первые эксперименты на реальных спутниках
Над вопросом использования спутников вообще и спутников Ка-диапазона, в частности, для предоставления мультимедийных услуг задумались уже достаточно давно, собственно, ещё до того, как более-менее точно сформировалось само понятие "мультимедийных услуг" и "широкополосного доступа".
Две некоммерческие организации, ответственные за исследования космоса, – NASA И ESA – занимались в области спутниковой связи проектами, которые вроде бы не сулили немедленной выгоды, но могли сработать на перспективу.
В начале 80-х Европейское космическое агентство вместе со своими партнёрами начали реализацию программы Direct Inter-establishment Communications in Europe (DICE). Специалисты агентства прогнозировали бурное развитие коммуникационной области вообще и спутниковой в частности и хотели рассмотреть, исследовать и протестировать различные перспективные приложения и технологии, которые впоследствии могут быть применимы в спутниковых коммуникациях.
Основные моменты, которые хотелось исследовать ЕКА, были:
- Организация связи без создания дорогих наземных линий.
- Организация каналов "каждый-с-каждым" без двойного орбитального скачка.
- Разработка концепции лёгкого, дешёвого и простого в установки настройке пользовательского оборудования.
| Двойной скачок. Этим термином обозначают ситуацию, когда сигнал ретранслируется через спутник два раза, то есть проходит путь от Земли до геостационарной орбиты четыре раза. Стандартная ситуация возникновения двойного скачка: связь между двумя терминалами сети звездообразной топологии (когда все станции связаны только с центральной). Сигнал с одного терминала поднимается на спутник и приходит на центральную станцию (хаб), после чего сигнал с хаба опять поднимается на спутник и приходит на другой терминал. Двойной скачок создаёт задержку около 0,8 секунды, что затрудняет работу многих приложений. В частности, согласно регулирующим документам большинства стран канал голосовой связи с двойнымс качком не может быть частью телефонной сети общего пользования. Надо сказать, что проблема работы приложений и голосовой связи с двойным скачком не решена до сих пор. Двойной скачок в случае организации связи через спутник при топологии сети "Звезда" неизбежно возникает при попытке связать две станции между собой. Станция посылает сигнал на хаб через спутник (первый скачок), тот опять же через спутник передает его на другую станцию (второй скачок). Возникающая задержка слишком велика и не соответствует требованиям организации голосовой связи. (Cогласно рекомендации ITU-T, для большинства приложений приемлема задержка речи до 150 мс.) |
В июле 1989 года был запущен спутник Европейского космического агентства Olympus. На спутнике была полезная нагрузка так называемого нижнего Ku-диапазона (12/14 ГГЦ), верхнего (12/18 ГГц) и Ка-диапазолна – 20/30 ГГц. Транспондер Ка-диапазона эксплуатировался несколькими компаниями и организациями – изучалась возможность работы с малыми терминалами, организация видеоконференций и SNG (satellite news gathering-сбор новостей). Проблемы с термостабилизацией и управлением аппаратом появились довольно скоро, тем не менее, удалось провести немало экспериментов. 17 августа 1993 года, отработав чуть более пяти лет на орбите, Olympus окончательно вышел из строя и был сведён с геостационарной орбиты.
Результаты исследований были следующими:
- Исследована связь и передача данных на скоростях от 64 до 2048 кбит/с.
- Без двойного скачка голосовая связь была признана удовлетворительной.
- Офисные приложения работали без проблем. Но опять-таки без наличия двойного скачка. Надо сказать, что проблема работы приложений и голосовой связи с двойным скачком не решена до сих пор. И, скорее всего, разработчики не будут её решать, идя в направлении уменьшения стоимости терминалов топологии Меш, стремясь уменьшить её до стоимости сети топологии "звезда".
- Был испытан стандарт CCITT H.320 (H.261).
- Испытано некоторое количество VSAT-терминалов (этот термин тогда только начинал входить в обиход).
- Проверена совместимость с сетями E1, ISDN 6 и ISDN 2.
Возможности и свойства связи через космические объекты в США исследовались с самого начала космической эры и даже немного раньше. В 60-е гг. NASA инициировало разработку первых геосинхронных спутников Syncom и проводило исследования по организации каналов связи через геостационарную орбиту. Именно тогда США вышли на лидирующие позиции в этой области. И потом множество американских научных, государственных и частных структур вели активные исследования в спутниковой связи. Для изучения разных аспектов спутниковой связи NASA были разработаны шесть спутников ATS – Advanced Tecnology Satellite. На них отрабатывались технологии, которые потом широко использовались в коммуникационных аппаратах: передача цветного телесигнала, различные способы стабилизации спутника на ГСО, непосредственное спутниковое телевещание и пр.
В 1990 году NASA начала реализацию нового проекта – ACTS (Advanced Communications Technology Satellite), основными задачами программы было исследование Ка-диапазона и лазерных каналов межспутниковой связи.
В сентябре 1993 года ACTS был выведен на орбиту. Эксперименты продолжались несколько лет, в частности, для исследования работы VSAT в Ка-диапазоне испытывались различные виды станций. Самым интересным (с точки зрения дальнейшего развития VSAT) стал эксперимент со станцией с антеннами диаметром 30-60 см и 1,2 м. На этих станциях была устойчиво достигнута скорость от 4,8 кбит/с до 1,54 Мбит/с в дуплексном режиме и до 45 Мбит/с в режиме приёма. На мобильном терминале с антенной 20 см также были достигнуты устойчивые рабочие режимы 4,8 кбит/с – 1,54 Мбит/с. Также чрезвычайно важным для дальнейшего развития технологии стали исследования высокоэнергетичных узких лучей. Много исследовалось влияние погоды на устойчивость каналов в Ка-диапазоне. Именно в ходе экспериментов со спутниками ЕКА и NASA считалась ясной необходимость разработки адаптивного протокола кодирования, который при ухудшении погоды (как правило, выпадение осадков) не прерывал бы канал, а плавно уменьшал скорость передачи.
Значение первых экспериментов со спутниковыми каналами в Ка-диапазоне заключается не только в отработке каких-то протоколов и технологий, но ещё и в том, что был сделан серьёзный прорыв в лицензионно-разрешительной деятельности в Ка-диапазоне: в ITU и FCC начали апеллировать к результатам этих экспериментов.
Спутники остались на бумаге
В проектах недостатка не было, уже к 1997 году общее количество планируемых спутников Ка-диапазона превышало 1300. О своих планах заявили все крупные игроки коммуникационного рынка: Hughes Electronocs, Lockheed Martin, Alcatel, AT&T, PanAmSat и другие. Самым обсуждаемым стал проект Teledesic, заявленный от имени Билла Гейтса и одного из магнатов рынка сотовой связи Крейга МакКо. Система предполагала наличие группировки из 840 спутников – такое количество буквально шокировало всех хоть сколько-нибудь причастных к спутниковой связи и к космическим исследованиям вообще. Например, NASA утверждало, что такое количество аппаратов на низкой орбите создаст серьёзную опасность для пилотируемых полётов. Недовольны были и радиоастрономы. Спутники Teledesic должны были обеспечить доступ к информационным ресурсам в любой точке Земли. Alcatel предполагал вложить в свою систему SkyBridge (64 спутника) 3,5 млрд долларов. Motorola, в дополнение к системе голосовой связи "Иридиум", планировала создание системы широкополосного доступа Celestri стоимостью более 10 млрд долларов. Системы рисовались самые разные: только низкоорбитальные, как Teledesic; комбинированные, как Celestri; геостационарные, как Expressway; анонсированная Hughes (14 спутников). Амбиции GE Americom пошли дальше, этот оператор намеревался работать и в V-диапазоне (up-link 47,2-50,2 ГГц; down-link 39,5-42,5 ГГц). О своих системах заявляли не только крупные игроки спутникового рынка, образовывались новые компании, альянсы и холдинги. Все проектанты планировали запуск коммерческого использования своих систем к началу 21 века. Оптимизм был просто фантастический. Только в Федеральной комиссии по связи США (FCC) было зарегистрировано 80 орбитальных позиций для Ка-диапазона.
Такой шквал проектов, обилие "бумажных" спутников не могло не породить яростных споров по взаимному частотному регулированию. Координация систем проходила с большим трудом и громкими скандалами. Заявителям приходилось перекраивать технический облик своих систем. Например, в некоторых системах разработчикам пришлось предусмотреть временное распределение работы передатчиков разных диапазонов. То есть при пролёте спутника над одним регионом должны были работать передатчики одного диапазона, а при пролёте над другим – другого. Правда, ни одна из этих идей так и не была воплощена в жизнь и не пошла дальше эскизных проектов.
А потом началось отрезвление. Во-первых, развитие систем сотовой мобильной связи на корню уничтожило 90% всех спутниковых проектов, рассчитанных на передачу голоса. Сумели запустить свои аппараты и выжить (после многих передряг, процесса банкротства и пр.) только две такие системы – "Иридиум" и "Глобалстар". Осознав, что с одной только связью ничего не добиться, некоторые разработчики решили переориентироваться на широкополосный доступ. Такой ход сделала ICO, был даже запущен один спутник, но информации о запуске сервиса хотя бы в тестовом режиме для дружественных пользователей слышно не было. К тому же компания стала объектом нескольких судебных разбирательств. Но, в отличие от "Иридиума" и "Глобалстара", компания пока не смогла преодолеть эти трудности.
Ни одной низко- или среднеорбитальной спутниковой группировки широкополосного доступа в коммерческую эксплуатацию введено не было. В самом конце 90-х и начале 21 века на спутниковую индустрию обрушился кризис, который окончательно похоронил амбициозные планы десятилетней давности. Планы по развёртыванию геостационарных систем Ка-диапазона не то чтобы были полностью отброшены, но очень, очень сильно ужались. От глобальных группировок в десятки аппаратов остались только несколько транспондеров на Hot Bird 6, Astra 1H и Astra 1K. Операторы неспешно с ними экспериментировали, заявляя на пресс-конференциях, что ни в коем случае не отбросили свои прежние планы, но надо ждать, когда рынок будет готов к новым услугам. Что касается голосовой мобильной спутниковой связи, то выгоднее решать эту задачу оказалось на региональном уровне при помощи геостационарных спутников Ku-диапазона с многолучевыми антеннами. Таким образом, к 2000 году были похоронены проекты низкоорбитальных систем: как широкополосных так и просто телефонных, очень сильно затормозилось развитие геостационарных систем Ка-диапазона. Операторы, имея в наличии избыток ёмкости Ku-диапазона, в тесном сотрудничестве с разработчиками начали активно развивать мультимедийные приложения в классической VSAT-технологии, в чём добились немалых успехов. Ка-диапазон был отложен как минимум на несколько лет. Хотя эксперименты велись, аппаратура разрабатывалась и потенциальный потребитель агитировался. Но от грандиозных планов середины 90-х пришлось отказаться. В освоении Ка-диапазона наступило некое затишье, компании, не делая громких заявлений, готовили рынок, изучали техническеи аспекты. Эксперты не сомневались, что рано или поздно Ка-диапазон будет востребован.
