Лекция 1. Введение. Интернет — всемирная система объединённых компьютерных сетей для хранения и передачи информации. Спутниковый интернет — это способ обеспечения доступа к сети Интернет с использованием технологий спутниковой связи. Способы обмена данными через спутник • Односторонний (one-way), иногда называемый также «асимметричным» — когда для приёма данных используется спутниковый канал, а для передачи — доступные наземные каналы. • Двухсторонний (two-way), иногда называемый также «симметричным» — когда и для приёма, и для передачи используются спутниковые каналы. Односторонний спутниковый интернет Рисунок 1. Схема подключения одностороннего спутникового интернета Подразумевает наличие у пользователя какого-нибудь существующего способа подключения к Интернету. Как правило, это медленный и/или дорогой канал (GPRS/EDGE, ADSL-подключение там, где услуги доступа в Интернет развиты плохо и ограничены по скорости и т. п.). Через этот канал передаются только запросы в Интернет. Эти запросы поступают на узел оператора (провайдера) одностороннего спутникового доступа (используются различные технологии VPN-подключения или проксирования трафика), а данные, полученные в ответ на эти запросы, передаются пользователю через широкополосный спутниковый канал. Поскольку большинство пользователей в основном получает данные из Интернета, то такая технология позволяет получить более скоростной и дешёвый трафик, чем медленные и дорогие наземные подключения. Объём же исходящего трафика по наземному каналу (а значит, и затраты на него) становится достаточно скромным (для обычного пользователя, не использующего торрент-трекеры, соотношение объёма исходящего/входящего трафика составляет примерно от 1/10 при вебсёрфинге до 1/100 и более при загрузке файлов). Естественно, использовать односторонний спутниковый Интернет имеет смысл тогда, когда доступные наземные каналы слишком дорогие и/или медленные. При наличии недорогого и быстрого «наземного» Интернета использовать спутниковый Интернет имеет смысл как резервный вариант подключения, на случай пропадания или плохой работы «наземного». Задержки при использовании одностороннего доступа определяются как временем передачи сигнала через спутник (от оператора до абонента — порядка 250 мс), так и задержками в "наземном" (запросном) канале, и при большой загрузке сети провайдера услуг могут варьироваться в очень широких пределах (вплоть до секунд). Оборудование для одностороннего спутникового интернета • Спутниковая плата (DVB-карта) для приёма сигнала в стандарте DVBS или DVB-S2. Может быть с интерфейсом PCI, PCI-E или USB, выбор зависит от того, что вам удобнее подключать к компьютеру. Лучше использовать платы с поддержкой DVB-S2, поскольку всё больше операторов переходят на этот стандарт. Осуществляет обработку данных, полученных со спутника, и выделение полезной информации. Существует множество различных видов карт, но наиболее известны карты семейства SkyStar. Основными отличиями DVB-карт на сегодняшний день является максимальная скорость потока данных. Также к характеристикам можно отнести возможность аппаратного декодирования сигнала, программную поддержку продукта. • Спутниковая антенна («тарелка») — такая же, как для приёма спутникового ТВ; как правило, достаточно антенны диаметром 90 см (но необходимо уточнять на сайте провайдера размер конкретно для вашей местности). • Устанавливаемый на антенне усилитель-конвертер (как правило — «универсальный конвертер Ku-диапазона», работающий с линейной поляризацией, но некоторые провайдеры работают в круговой поляризации, возможно также и использование C-диапазона — проверьте на сайте провайдера). Конвертер выполняет роль первичного преобразователя, который преобразовывает СВЧ-сигнал со спутника в сигнал промежуточной частоты. В настоящее время большинство конвертеров адаптировано к длительным воздействиям влаги и УФлучей. При выборе конвертера, в основном, следует обратить внимание на шумовой коэффициент. Для нормальной работы стоит выбирать конвертеры со значением этого параметра в промежутке 0,25 — 0,30 dB. Программное интернета обеспечение одностороннего Существует два взаимодополняющих спутникового интернета. подхода к спутникового реализации ПО для В первом случае DVB-карта используется как стандартное сетевое устройство (но работающие только на приём), а для передачи используется VPNтуннель (многие провайдеры используют PPTP («Windows VPN»), либо OpenVPN на выбор клиента, в некоторых случаях используется IPIP-туннель), есть и другие варианты. При этом в системе отключается контроль заголовков пакетов. Запросный пакет уходит на туннельный интерфейс, а ответ приходит со спутника (если не отключить контроль заголовков, система посчитает пакет ошибочным (в случае Windows — не так). Данный подход позволяет использовать любые приложения, но имеет большую задержку. Большинство доступных в СНГ спутниковых провайдеров (SpaceGate (Ителсат), RadugaInternet, SpectrumSat) поддерживают данный метод. Второй вариант (иногда используется совместно с первым): использование специального клиентского ПО, которое за счёт знания структуры протокола позволяет ускорять получение данных (например, запрашивается вебстраница, сервер у провайдера просматривает её и сразу, не дожидаясь запроса, посылает и картинки с этой страницы, считая, что клиент их всё равно запросит; клиентская часть кэширует такие ответы и возвращает их сразу). Такое программное обеспечение со стороны клиента обычно работает как HTTP и Socks-прокси. Примеры: Globax (SpaceGate + другие по запросу), Sprint (Raduga), Slonax (SatGate,ioSat). В обоих случаях возможно «расшаривание» трафика по сети (в первом случае иногда даже можно иметь несколько разных подписок спутникового провайдера и разделять тарелку за счёт особой настройки машины с тарелкой (требуется Linux или FreeBSD, под Windows требуется программное обеспечение сторонних производителей)). Некоторые провайдеры (SkyDSL) в обязательном порядке используют своё программное обеспечение (выполняющее роль и туннеля, и прокси), часто также выполняющие клиентский шейпинг и не дающее расшаривать спутниковый интернет между пользователями (также не дающие возможности использовать в качестве ОС что либо отличное от Windows). Преимущества и недостатки одностороннего доступа Можно выделить Интернета: следующие плюсы одностороннего спутникового Возможность получить высокие скорости входящего трафика там, где сети наземных операторов имеют низкую скорость и высокую цену. Сравнительно недорогой комплект оборудования, включающий стандартные и распространённые компоненты для ТВ-приёма. Большая вероятность приобрести наиболее громоздкое оборудование (антенну с опорой, кабели) в непосредственной доступности, без сложной доставки Более лёгкая и потому более простая в установке антенная система, чем для двустороннего доступа Традиционно невысокая для спутниковых услуг стоимость трафика, особенно в часы минимальной загрузки сети Возможность одновременного просмотра спутникового ТВ и «рыбалки со спутника» Простота перехода от провайдера к провайдеру — практически везде используется одинаковые протоколы и оборудование Недостатки: Сильная зависимость от качества наземной сети, используемой в качестве запросного канала. Задержки и потери данных в сегменте наземной сети могут привести к снижению качества сервиса в целом. Сложность установки — требуется не только точное наведение антенны на спутник, но и установка и настройка программных компонент на компьютере пользователя (VPN-подключения или "ускорителей трафика"). Вероятность конфликта требуемых для работы одностороннего доступа приложений с другими компонентами системы (межсетевым экраном, антивирусом и т.п.) Сложность реализации «группового подключения» — когда к одностороннему спутниковому интернету нужно подключить домашнюю локальную сеть, с возможностью выхода в Интернет, например, смартфонов, планшетов, ноутбука и т.п. Сокращение рынка одностороннего доступа в последние годы. В 2012—2013 годах с рынка ушли ряд операторов — Hi-Stream, Sky-Fi, Axgate, попробовавший силы в этой области Триколор, СТВ, SatGate и другие. Несовместимость используемого приёмного оборудования (спутниковых плат) с адаптивными технологиями спутниковой передачи данных (ACM), делающая невозможным дальнейшее развитие технологии и услуг. Двусторонний спутниковый Интернет Рисунок 2. Схема подключения двустороннего спутникового интернета Подразумевает приём данных со спутника и отправку их обратно также через спутник. Этот способ является очень качественным, так как позволяет достигать больших скоростей при передаче и отправке, но он является достаточно дорогим и требует получения разрешения на радиопередающее оборудование (впрочем, последнее провайдер часто берёт на себя). Высокая стоимость двустороннего интернета оказывается полностью оправданной за счёт в первую очередь намного более надёжной связи. В отличие от одностороннего доступа, двусторонний спутниковый интернет не нуждается ни в каких дополнительных ресурсах, кроме электропитания. Особенностью «двустороннего» спутникового доступа в Интернет является достаточно большая задержка на канале связи. Пока сигнал дойдёт от абонента до спутника и от спутника до центральной станции спутниковой связи (хаба) — пройдёт около 250 мс. Столько же нужно на путешествие обратно. Плюс неизбежные задержки сигнала на обработке и на то, чтобы пройти «по Интернету». В результате время пинга на двустороннем спутниковом канале составляет около 600 мс и более. Это накладывает некоторую специфику на работу приложений через спутниковый Интернет. Особенно это относится к сетевым играм в реальном времени и IP-телефонии. Ещё одна особенность состоит в том, что оборудование различных производителей практически несовместимо друг с другом. То есть, если вы выбрали одного оператора, работающего на определённом типе оборудования, то перейти вы сможете только к оператору, использующему такое же оборудование. Попытка реализовать совместимость оборудования различных производителей (стандарт DVB-RCS) была поддержана очень небольшим количеством компаний, и на сегодня является скорее ещё одной из «частных» технологий, чем общепринятым стандартом. Оборудование для двухстороннего спутникового Интернета • Приёмопередающая антенна — существенно отличается от «приёмных» спутниковых антенн прежде всего требованиями к точности изготовления, механической прочности и способности выдерживать установку достаточно тяжёлого облучателя и высокочастотного блока, поэтому она заметно тяжелее и дороже. Чаще всего используется Ku-диапазон, для которого традиционно требуются антенны диаметром 1,2 — 1,8 метра, в последнее время стали доступны сервисы с антеннами 0,8 — 0,9 метра (размер определяется требованиями не только к приёму, но и к передаче). Также в последние годы для оказания услуги стал доступен Ka-диапазон, где используются антенны меньшего диаметра (около 0,7 — 0,8 метра). • Высокочастотное оборудование — передающий блок BUC (block-up converter) и приёмный блок LNB (low-noise block) устанавливается на облучателе антенны. В России мощность используемого передатчика (BUC) ограничивается 2 ваттами, в противном случае процедура получения разрешения резко усложняется и удорожается. Как правило BUC и LNB являются универсальными, то есть не привязанными к спутниковому терминалу. Однако, некоторые производители, например Hughes и Newtec, используют свои BUC и LNB, не совместимые с оборудованием других производителей. • Спутниковый терминал (модем) — основное устройство «двустороннего» спутникового доступа. Обеспечивает приём и передачу спутникового сигнала, взаимодействие с центральным узлом оператора спутникового Интернета и передачу трафика в локальную сеть пользователя. Как правило, для подключения пользователя используется интерфейс Ethernet 10/100Base-T. К терминалу может быть подключен как один компьютер, так и целая локальная сеть, для которой будет осуществляться доступ к спутниковому интернету. Используемые диапазоны частот Услуги массового двустороннего доступа в Интернет в Cдиапазоне физическим лицам практически не оказываются, поскольку для работы абонентам требуются антенны сравнительно большого размера и мощные передатчики. В этом диапазоне организуются в основном магистральные каналы и корпоративные сети передачи данных. Традиционно услуги двустороннего доступа в Интернет предоставляются в Kuдиапазоне, обладающем следующими преимуществами: зона покрытия достаточно широка, и одна центральная станция может обслуживать большие территории, могут использоваться антенны сравнительно небольших размеров (типичные значения 1,2 — 1,8 метра, а с появлением новых спутников с хорошей энергетикой, таких как Ямал-300К, Ямал-402, Экспресс-АМ5 возможна работа и с антеннами диаметром 0,8 — 1,0 метра) используются компактные и массовые, а значит и сравнительно недорогие передатчики мощностью до 2 Вт (в некоторых сетях — даже меньше 1 Вт). С 2011 года для двустороннего спутникового доступа стал активно использоваться Ka-диапазон на специально для этого спроектированных и построенных спутниках с так называемыми "зоновыми лучами" — KaSat, Viasat-1, Jupiter (Echostar-17). Система "зоновых лучей" вместе со специально построенной для неё наземной инфраструктурой позволяет повысить энергетику в каждом луче и многократно переиспользовать доступный диапазон частот, что многократно повышает суммарную пропускную способность спутниковой сети. В России в настоящее время доступны услуги в Ka-диапазоне со спутника Ka-Sat, лучи которого захватывает часть европейской территории России. Со стандартной антенной 0,75 метра в Ка-диапазоне доступны скорости до 3 Мбит/с на передачу и 6 Мбит/с на приём, технически возможны и более высокие скорости. Ограничением для развития сетей Ka-диапазона является узкая зона покрытия[1]. Дальнейшее развитие спутникового интернета в Ka-диапазоне ожидается в 2014 году, после запуска спутников Экспресс-АМ5 и Экспресс-АМ6, но характеристики требуемого абонентского оборудования и условия сервиса на этих спутниках пока неизвестны. Преимущества и недостатки двустороннего спутникового интернета Основное преимущество двустороннего спутникового Интернета — полная независимость от наличия местных "наземных" Интернет-провайдеров. Всё, что требуется для работы — это место для установки антенны, прямая видимость на спутник и источник электропитания. Второе немаловажное преимущество — простота абонентского подключения. Спутниковый терминал (модем) имеет порт Ethernet (10/100BaseT), который фактически является для абонента портом провайдера. К этому порту может быть подключён компьютер, домашний маршрутизатор, точка доступа Wi-Fi и т.п. Настройки со стороны пользователя при этом минимальны и ничем не отличаются от любого другого подключения по локальной сети. К недостаткам двустороннего доступа следует отнести сравнительно высокую цену оборудования, хотя в последнее время наблюдается тенденция к её снижению. Стоимость типичного абонентского комплекта по состоянию на 2013 год составляет 14-25 тыс руб (в зависимости от провайдера и сети), что сравнимо со стоимостью, например, смартфона или планшета. Также оборудование двустороннего доступа достаточно громоздко из-за размеров антенн, что усложняет его доставку до конечного потребителя. Снижение стоимости оборудования и доставки за счёт уменьшения размеров антенн и мощности (а значит и массо-габаритных показателей) передатчика не всегда оправдано, так как приводит к снижению энергетики абонентской станции, и, в конечном итоге, к уменьшению надёжности связи и скорости передачи данных — в первую очередь в направлении «от абонента». Как и любое другое спутниковое оборудование, оборудование двустороннего спутникового Интернета требует определённой квалификации при его установке и наведении на спутник. Хотя современное оборудование и включает средства, облегчающие наведение — специальный WEB-интерфейс спутникового модема, точно отображающий сигнал, вспомогательные средства наведения по звуковому сигналу или специальному индикатору. Особенностью двустороннего спутникового интернета являются спутниковые задержки, которые физически не могут быть менее 480 мс; нормальные значения задержки находятся в диапазоне 600 — 800 мс (зависит от взаимного расположения «центральной станция — спутник» и «спутник — абонентская станция». Причина накопления задержек в следующем. Спутник находится на геостационарной орбите, расстояние от станции до спутника примерно 40000 км, сигнал проходит 4 участка такой длины, т.е. примерно 160 тысяч километров, скорость распространения сигнала равна скорости света 300 тысяч километров в секунду), поэтому работа в критичных к данному параметру приложений (например, некоторых компьютерных игр) практически невозможна, что не мешает нормальной работе веб-сёрфинга и аудио-видео-звонков либо конференций и т.д. Область применения спутникового интернета Основные потребители спутникового интернета — это расположенные вдали от основных транспортных магистралей небольшие населённые пункты (условно говоря "меньше 10 тысяч жителей"), отдельные домовладения, дачные посёлки. Т.е. такие места, где скоростные наземные каналы и покрытие 3G (не говоря про 4G) отсутствуют, либо имеют низкую скорость и плотность покрытия и не могут обслужить с приемлемым качеством большое количество абонентов. Традиционным для спутниковых провайдеров является обслуживание в основном корпоративных клиентов, таких как нефтяные и другие добывающие компании, лесопромышленные компании, репортёрские группы телекомпаний, в том числе и для прямого эфира, также научные станции во всех точках планеты. Спутниковый доступ также используется многими корпоративными пользователями как резервная сеть, не зависящая от состояния наземных каналов. Среди массовых пользователей спутниковый интернет — достаточно экзотический способ подключения, т.к. в большинстве случаев доступны более простые и дешёвые в установке наземные каналы. При презентации ныне замороженного проекта РСС-ВСД (Российская спутниковая система высокоскоростного доступа) количество потенциальных абонентов спутникового интернета в России оценивалось в 2 млн. человек. Причём услуги спутникового интернета востребованы не только в отдалённых районах, но и в западных областях России, включая даже Подмосковье (где спутниковые подключения используются в основном на дачах). Исторически в России основная масса пользователей спутникового интернета работает через односторонний доступ. Двусторонний доступ до последнего времени не пользовался популярностью среди частных лиц из-за высокой стоимости установки и трафика и применялся в основном корпоративными клиентами. В 2012 году в России стали доступны услуги двустороннего спутникового интернета в Ka-диапазоне через спутник Ka-Sat. В 2015 году стал доступен Кадиапазон на Экспресс-АМ5, в 2016 году — на Экспресс-АМ6 и Экспресс-АМУ1. Ограничением для использования Ka-диапазона в России на данный момент является зона покрытия, приходящаяся прежде всего на те области, где доступны и другие виды подключения. С начала 2013 года несколько операторов запустили массовые услуги двустороннего спутникового интернета в Ku-диапазоне. При использовании операторами спутников Ямал-401, Ямал-402, Экспресс=АМ7, ЭкспрессАМ6, Экспресс-АМ5 в Ku-диапазоне включает практически всю территорию России, при этом стоимость типичного комплекта оборудования для Kuдиапазона составляет от 14 до 40 тыс. руб, используются антенны размером 75-90 см. Тарифы на новые услуги спутникового интернета Ku-диапазоне выше, чем в Ka, но уже сравнимы (а в некоторых случаях ниже), с односторонним доступом. Достаточно компактные антенны также делают эти сервисы привлекательными для массовой установки. Спутникам связи присущи определенные свойства, делающие их чрезвычайно привлекательными для самых разных областей применения. Проще всего представить себе спутник связи в виде своего рода огромного микроволнового повторителя, висящего в небе. Он включает в себя несколько транспондеров, каждый из которых настроен на определенную часть частотного спектра. Транспондеры усиливают сигналы и преобразуют их на новую частоту, чтобы при отправке на землю отраженный сигнал не накладывался на прямой. Такой режим работы называется «узкая труба» (bent pipe). Можно добавить цифровую обработку, для того чтобы по отдельности манипулировать или перенаправлять потоки данных в доступном диапазоне. Кроме того, спутник может получать и пересылать дальше цифровую информацию. Такой способ восстановления сигнала улучшает общую производительность по сравнению с «узкой трубой», так как спутник не увеличивает количество шума в восходящем сигнале. Нисходящий луч может быть как широким, покрывающим огромные пространства на Земле, так и узким, который можно принять в области, ограниченной лишь несколькими сотнями километров. В соответствии с законом Кеплера, период обращения спутника равен радиусу орбиты в степени 3/2. Таким образом, чем выше орбита, тем дольше период. Вблизи поверхности Земли период обращения вокруг нее составляет примерно 90 минут. Следовательно, спутники, расположенные на малой высоте, слишком быстро исчезают из вида приемо-передающих устройств, расположенных на Земле, поэтому необходимо организовывать непрерывные зоны покрытия и устанавливать для их отслеживания наземные антенны. На высоте 35 800 км период составляет 24 часа. А на высоте 384 000 км спутник будет обходить Землю целый месяц, в чем может убедиться любой желающий, наблюдая за Луной. Конечно, период обращения спутника очень важно иметь в виду, но это не единственный критерий, по которому определяют, где его разместить. Необходимо принимать во внимание так называемые пояса Ван Аллена (Van Allen belts) — области скопления частиц с большим зарядом, находящихся в зоне действия магнитного поля Земли. Любой спутник, попав в такой пояс, довольно быстро будет уничтожен этими частицами. В результате учета этих факторов были выделены три зоны, в которых можно безопасно размещать искусственные спутники. Они изображены на рис.3 Рисунок 3. Спутники связи и их свойства: высота орбиты, задержка, число спутников необходимое для покрытия всей поверхности земного шара Из этого же рисунка можно узнать о некоторых из их свойств. Мы вкратце рассмотрим спутники, размещаемые в каждой из этих трех зон. Геостационарные спутники В 1945 году писатель-фантаст Артур С. Кларк (Arthur S. Clarke) подсчитал, что спутник, расположенный на высоте 35 800 км на круговой экваториальной орбите, будет оставаться неподвижным относительно Земли. А значит, следить за ним будет гораздо проще (Clarke, 1945). Он развил свою мысль и описал целую коммуникационную систему, использующую такие (пилотируемые) геостационарные спутники. Он описал орбиты, солнечные батареи, радиочастоты и даже процедуры связи. К сожалению, в конце концов он пришел к неутешительному выводу, что такие спутники вряд ли будут иметь практическое значение, потому что на их борту невозможно разместить энергоемкие, хрупкие ламповые усилители. В связи с этим, Кларк не стал больше развивать свою идею, хотя и написал несколько фантастических рассказов о подобных искусственных спутниках. Положение вещей изменило изобретение транзистора, и вот в июле 1962 года производится запуск первого в мире спутника связи Telstar. С тех пор спутники связи стали многомиллиардным бизнесом и единственным прибыльным делом, связанным с космическими технологиями. Про спутники, вращающиеся на большой высоте, говорят, что они расположены на геостационарной орбите (GEO, Geostationary Earth Orbit). Современные технологии таковы, что расположение спутников чаще, чем через каждые два градуса в 360-градусной экваториальной плоскости, является нерациональным. В противном случае возможна интерференция сигналов. Итак, если на каждые два градуса приходится один спутник, то всего их в экваториальной плоскости можно разместить 360/2 = 180. Сто восемьдесят спутников могут одновременно находиться в небе и вращаться в одной и той же плоскости на одной и той же высоте. Тем не менее у каждого транспондера есть возможность работы на разных частотах и с разной поляризацией, что позволяет увеличить максимальную пропускную способность всей системы. Со временем возникла необходимость предотвращения беспорядочного использования околоземных орбит. Навести порядок в небе было поручено организации ITU. Процесс выделения орбит очень сильно связан с политикой, причем многие страны в борьбе за свой «кусок» неба напоминают далеких предков человека из каменного века. Это объясняется очень высокими потенциальными доходами, которые государство может извлечь, сдавая в аренду кусочки космоса. В то же время некоторые страны заявляют, что их государственные границы в высоту простираются до самой Луны и что использование орбит, проходящих над их территорией, иностранными государствами является нелегальным. Жаркие споры на эту тему подогревает еще и тот факт, что коммерческая связь — это далеко не единственное применение спутников связи, а значит, и их орбит. Ими пользуются операторы спутникового телевидения, правительственные структуры и военные. Современные спутники могут быть довольно большими, весят более 5000 кг и потребляют до нескольких киловатт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Эффекты гравитации, вызванные Солнцем, Луной и другими планетами, постепенно вызывают смещение с орбит и изменение ориентации. Приходится компенсировать это с помощью бортовых двигателей. Действия по сохранению параметров орбит спутников называются позиционированием. И все же приходит момент, когда топливо у бортовых двигателей заканчивается (обычно такое случается после десяти лет использования). Тогда спутник начинает беспомощно дрейфовать, постепенно сходя с орбиты. Понятно, что он перестает быть дееспособным и его нужно отключать. Обычно спутники связи заканчивают свою жизнь, постепенно входя в плотные слои атмосферы и сгорая там либо (крайне редко) падая на землю. Участки орбит — это не единственный предмет, за который борются страны и отдельные компании. Разумеется, распределению между всеми желающими подлежат и рабочие диапазоны частот, поскольку нисходящие сигналы спутников могут вызывать помехи в работе микроволновых устройств. Поэтому ITU были выделены частотные диапазоны, предназначенные исключительно для спутников связи. Самые важные из них показаны в табл. 1. Нисходящие Восходящие Ширина Диапазон сигналы, ГГц сигналы, ГГц полосы, МГц L 1,5 1,6 15 S 1,9 2,2 70 C 4 6 500 Ku 11 14 500 Ka 20 30 Проблемы Узкая полоса:переполнен Узкая полоса:переполнен Наземная интерференция Дождь Дождь, стоимость 3500 оборудования Таблица 1. Основные частотные диапазоны спутников связи Диапазон С был первой полосой частот, предназначенной для трафика коммерческих спутников. Он разбивается на два поддиапазона. Один из них предназначен для сигналов с Земли (восходящих), другой — для сигналов со спутника (нисходящих). Таким образом, для двусторонней передачи требуется сразу два канала. Они уже переполнены пользователями, поскольку на тех же частотах работают наземные микроволновые устройства связи. В 2000 году, в соответствии с международным соглашением, было добавлено два дополнительных диапазона: S и L. Тем не менее они тоже весьма узки и уже заполнены. Следующий высокочастотный диапазон коммерческой связи называется Ku (K under, то есть «под К»). Полоса пока еще не переполнена, и работающие на ее самых высоких частотах спутники могут располагаться на угловом расстоянии один градус друг от друга. У диапазона Ku имеется еще одна проблема: волны этих частот глушатся дождем. Вода очень плохо пропускает микроволновый сигнал. К счастью, очень сильные ливни обычно бывают весьма узко локализованы, поэтому проблему удается решить с помощью нескольких наземных установок, расположенных довольно далеко друг от друга. Цена, которую приходится платить за «проблему дождя», весьма высока: это дополнительные антенны, кабели и электронные устройства для быстро переключения станций. Наконец, самым высокочастотным диапазоном является Ka (K above, то есть, «над К»). Основной проблемой является очень высокая стоимость оборудования для работы на этих частотах. Помимо коммерческих диапазонов, существует также множество военных и правительственных. На современном спутнике имеется порядка 40 транспондеров, чаще всего с полосами в 36 МГц. Обычно каждый транспондер работает по принципу «узкой трубы», однако недавно появились спутники, оснащенные бортовыми процессорами для обработки сигналов. В первых спутниках разделение транспондеров по каналам было статическим: весь доступный рабочий диапазон просто разделялся на несколько фиксированных полос. Теперь же сигнал транспондера разделяется на временные слоты, то есть каждому пользователю выделяется на передачу определенный промежуток времени. Первые геостационарные спутники связи имели один луч, который охватывал примерно 1/3 земной поверхности и назывался точечным лучом. Однако по мере удешевления, уменьшения размеров и энергоемкости микроэлектронных элементов, стали появляться более сложные стратегии. Стало возможно оборудовать каждый спутник несколькими антеннами и несколькими транспондерами. Каждый нисходящий луч сфокусировали на небольшой территории; таким образом, смогли осуществить одновременную передачу нескольких сигналов. Обычно эти так называемые пятна имеют форму овала и могут иметь относительно малые размеры — порядка нескольких сотен километров. Американский спутник связи охватывает широким лучом 48 штатов, а также имеет два узких луча для Аляски и Гавайских островов. Новым витком развития спутников связи стало создание недорогих терминалов со сверхмалой апертурой — VSAT (Very Small Aperture Terminal) (Abramson, 2000). У этих небольших станций имеется антенна диаметром всего один метр (сравните с 10-метровой антенной GEO), их выходная мощность составляет примерно 1 Вт. Скорость работы в направлении Земля — спутник обычно составляет до 1 Мбит/с, зато связь спутник — Земля можно поддерживать до нескольких мегабит в секунду. Спутниковое широковещательное телевидение использует эту технологию для одно сторонней передачи сигнала. Многим микростанциям VSAT не хватает мощности для того, чтобы связываться друг с другом (через спутник, разумеется). Для решения этой проблемы устанавливаются специальные наземные концентраторы с большой мощной антенной. Концентратор (хаб, ретранслятор) распределяет трафик между несколькими VSAT, как показано на рис. 4. В таком режиме либо приемник, либо передатчик обязательно имеет большую антенну и мощный усилитель. Недостатком такой системы является наличие задержек. Достоинством — низкая цена за полноценную систему для конечного пользователя. Рисунок 4. Микростанция VSAT и наземный концентратор Системы VSAT имеют большие перспективы использования в сельской местности. Об этом как-то не очень часто вспоминают, но половина населения земного шара живет минимум в часе ходьбы от ближайшего телефона. Протянуть телефонные линии ко всем селам и деревням не по карману большинству стран так называемого «третьего мира». Однако средств на установку тарелки VSAT, питающейся от солнечной батареи, может хватить не только у администрации региона, но и у частных лиц. Таким образом, VSAT — это технология, которая может позволить организовать связь в любой точке планеты. Спутники связи обладают рядом свойств, которые радикально отличают их от любых наземных систем связи между абонентами. Во-первых, несмотря на предельно высокую скорость распространения сигнала (собственно, она практически равна скорости света — 300 000 км/с), расстояния между наземными приемо-передающими устройствами и спутниками таковы, что в технологии GEO задержки оказываются весьма значительными. В зависимости от взаимного расположения пользователя, наземной станции и спутника, время передачи может составлять 250–300 мс. Обычно оно составляет 270 мс (соответственно, в два раза больше — 540 мс — в системах VSAT, работающих через концентратор). Для сравнения, сигнал в наземных микроволновых системах связи имеет задержку распространения примерно 3 мкс/км, а коаксиальный кабель и оптоволокно имеют задержку порядка 5 мкс/км. Разность задержек здесь объясняется тем, что в твердых телах сигнал распространяется медленнее, чем в воздухе. Еще одним важным свойством спутников является то, что они — исключительно широковещательное средство передачи данных. На отправку сообщения сотням абонентов, находящихся в зоне следа спутника, не затрачивается никаких дополнительных ресурсов по сравнению с отправкой сообщения одному из них. Для некоторых применений это свойство очень полезно. Например, можно представить себе кэширование на спутнике популярных веб-страниц, что резко повысит скорость их загрузки на сотни компьютеров, находящихся довольно далеко друг от друга. Конечно, широковещание симулируется обычными двухточечными сетями, однако спутниковое вещание в этом случае обходится значительно дешевле. С другой стороны, с точки зрения конфиденциальности данных, спутники — это прямотаки беда: кто угодно может прослушивать абсолютно все. Здесь на защиту тех, кому важен ограниченный доступ к информации, встает криптография. Средневысотные спутники На гораздо более низких высотах, нежели геостационарные спутники, между двумя поясами Ван Аллена, располагаются средневысотные спутники (MEO, Medium- Earth Orbite Satellites). Если смотреть на них с Земли, то будет заметно их медленное дрейфование по небосводу. Средневысотные спутники делают полный оборот вокруг нашей планеты примерно за 6 часов. Соответственно, наземным приемопередатчикам необходимо следить за их перемещением. Поскольку эти спутники находятся гораздо ниже, чем геостационарные, то и «засвечиваемое» ими пятно на поверхности Земли имеет более скромные размеры. Зато для связи с ними требуются менее мощные передатчики. Спутники MEO используются для поддержки навигационных систем, а не в телекоммуникациях, поэтому мы не будем их рассматривать. Примерами средневысотных спутников являются около 30 спутников системы GPS (Global Positioning System, Глобальная система определения местонахождения), вращающихся вокруг Земли на высоте около 20 200 км. Низкоорбитальные спутники Снизим высоту еще больше и перейдем к рассмотрению низкоорбитальных спутников (LEO, Low-Earth Orbite Satellites). Для того чтобы создать целостную систему, охватывающую весь земной шар, нужно большое количество таких спутников. Причиной тому является, прежде всего, высокая скорость их движения по орбите. С другой стороны, благодаря относительно небольшому расстоянию между наземными передатчиками и спутниками, не требуется особо мощных наземных передатчиков, а задержки составляют всего лишь несколько миллисекунд. Расходы на запуск тоже значительно ниже. Iridium В течение первых 30 лет существования спутников связи низкоорбитальные спутники использовались очень мало, поскольку они появлялись и исчезали из зоны видимости передатчика слишком быстро. В 1990 году фирма Motorola совершила большой прорыв в этой области, попросив FCC разрешить ей запустить 77 спутников связи для нового проекта Iridium (77-м элементом таблицы Менделеева является Иридиум). Впрочем, планы вскоре изменились, и было решено использовать только 66 спутников, поэтому проект следовало бы переименовать в Dysprosium, но это название звучало бы менее благозвучно. Идея состояла в том, что на место исчезающего из вида спутника будет тотчас приходить следующий. Этакая карусель. Такое предложение породило новую волну безумной конкуренции среди коммуникационных компаний. Каждая из них захотела «повесить» в небе свою цепочку низкоорбитальных спутников. После семи лет притирки компаний друг к другу и решения вопросов финансирования совместными усилиями удалось, наконец, запустить спутники. Услуги связи начали предоставляться с ноября 1998 года. К сожалению, коммерческий спрос на большие и тяжелые телефоны спутниковой связи оказался незначительным, потому что за семь лет конкурентной борьбы, которые прошли до запуска проекта Iridium, сотовая связь шагнула очень далеко вперед. В результате Iridium практически не приносил прибыли, и в августе 1999 его пришлось объявить банкротом — это было одно из самых эффектных корпоративных фиаско в истории. Спутники, как и другое имущество (стоимостью порядка $5 миллиардов), были проданы инвестору за $25 миллионов в качестве своего рода космической распродажи старого барахла. Другие предприятия по предоставлению услуг спутниковой связи вскоре последовали печальному примеру. Проект Iridium был вновь запущен в марте 2001 года и продолжает расти. Эта система предоставляет связь с любой точкой земного шара при помощи ручных устройств, связывающихся напрямую со спутниками. Можно передавать речь, данные, факсы, информацию для пейджеров, а также навигационную информацию. И все это работает и на суше, и на море, и в воздухе! Основными клиентами Iridium являются судоходные, авиационные компании, фирмы, занимающиеся поиском нефти, а также частные лица, путешествующие в местах, где отсутствует телекоммуникационная инфраструктура (например, пустыни, горы, Южный полюс, некоторые страны третьего мира). Спутники Iridium вращаются по околоземной круговой полярной орбите на высоте 750 км. Они составляют ожерелье, ориентированное вдоль линий долготы (по одному спутнику на 32° долготы). Шесть таких ожерелий опоясывают Землю, как показано на рис. 5. У каждого спутника максимум 48 ячеек (пятен от лучей сигналов), а полоса пропускания вмещает 3840 каналов. Некоторые каналы используются пейджинговыми компаниями и для навигации, остальные — для передачи данных и речи. Рисунок 5. Шесть “ожерелий” Земли из спутников Iridium Шесть “ожерелий” позволяют покрыть всю поверхность Земли, как видно на рисунке. Интересным свойством Iridium является то, что в этой системе обмен данными между очень удаленными друг от друга абонентами происходит в космосе, как показано на рис. 6, а. Абонент на Северном полюсе напрямую связывается со спутником, который находится над ним. У каждого спутника четыре соседа, с которыми он может обмениваться данными: два в том же ожерелье (см. рис. 5) и два в соседних. Спутники передают голосовые данные по этой сетке, и в результате речь первого абонента достигает второго абонента на Южном полюсе. Рисунок 6. Пересылка данных в космосе (а); пересылка данных наземными станциями (б) Globalstar Альтернативой проекту Iridium является система Globalstar. Она построен на 48 низкоорбитальных спутниках, но имеет иную схему ретрансляции сигналов. Если в Iridium в качестве маршрутизаторов используются сами спутники, передающие по цепочке сигнал (что требует наличия на них довольно сложного оборудования), то в Globalstar применяется обычный принцип «узкой трубы». Допустим, звонок приходит на спутник с Северного полюса (рис. 6, б). Принятый сигнал отправляется обратно на Землю и захватывается крупной наземной приемопередающей станцией рядом с северным полюсом. Маршрутизация производится между такими станциями, разбросанными по всему миру. Наземная цель сигнала — ближайший ко второму абоненту наземный маршрутизатор. Через находящийся рядом с ним спутник вызов поступает к абоненту. Преимуществом такой схемы является то, что наиболее сложное оборудование устанавливается на поверхности Земли, а здесь работать с ним гораздо проще, чем на орбите. К тому же использование мощных наземных антенн позволяет принимать слабый сигнал со спутника; значит, можно уменьшить потребную мощность телефонов. В результате телефоны передают сигналы с мощностью всего несколько милливатт, и наземные антенны получают очень слабый сигнал, даже после его усиления спутником. Тем не менее такой мощности хватает для нормальной работы. Starlink Если искать, откуда вырос этот проект, то, скорее всего, за точку отсчета надо взять 2007 год, когда Грег Уайлер основал компанию O3b Networks, акционерами которой стали спутниковый оператор SES (ему принадлежало 49,5% акций), Google, банк HSBC, фонд Liberty Global. В 2016 году SES выкупила доли у остальных акционеров O3b Networks, и это стало признанием успеха и компании, и Грега Уайлера как руководителя, и перспективности этого направления бизнеса. Напомним, что О3b — это сокращение от Other 3 billion: напоминание о трех миллиардах землян, не имевших в 2007 году доступа к Интернету. Суть того проекта была в создании группировки спутников на орбите высотой 8000 км от Земли над экватором, позволяющей обеспечить широкополосным интернетом население планеты, проживающее между 45 градусом южной и 45 градусом северной широты. Очевидным недостатком проекта было то, что для приема интернета был нужен комплекс из двух антенн диаметром 2,4 м и стоимостью в $120 тыс. Две антенны нужны были потому, что одна принимала сигнал, следя за летящим спутником, а вторая антенна в это время наводилась на следующий космический аппарат, чтобы сменить первую, когда «ее» спутник скроется за горизонтом. Такой сервис был воспринят правительствами и телекомами стран Африки, островных государств в Тихом океане, а также Пентагоном для его зарубежных баз. То есть бизнес удался, ресурс сети был распродан. Но из-за огромной стоимости антенн этой услугой не могли воспользоваться жители деревень в глубине Африки, да и просто частные лица. Нужен был проект «персонального спутникового интернета» на базе спутников на низкой орбите. И такой проект появился внутри компании Google, куда в 2013 году устроился на работу Марк Кребс. 30 сентября 2014 года Google подала заявку на патент на спутниковую группировку для широкополосного доступа в интернет с сетью наземных шлюзовых станций и межспутниковыми линиями связи, в которой Марк Кребс значился как изобретатель. Патент был выдан уже в 2017 году, вот как должна была выглядеть группировка спутников: Рисунок 7. группировка спутников из патента Google Таким образом, можно точно утверждать, что в 2013-2014 гг. внутри Google велась работа над спутниковым проектом для широкополосного доступа в интернет, и его активными участниками были Марк Кребс и Грег Уайлер. Последний решил привлечь к данному проекту Илона Маска, который толькотолько закладывал основы своего будущего успеха, переходя на версию 1.1 ракеты Falcon 9 и стыкуя грузовой космический корабль Dragon к МКС. Маску отводилась роль «извозчика» по доставке спутников в космос и «слесаря» по их изготовлению. Что и как произошло в 2014 году между руководством Google, Илоном Маском и Грегом Уайлером, неизвестно: надо ждать, пока все они не выпустят мемуары и читать, кто, что, кому сказал и кто кого куда послал, но результат известен. Грег Уайлер расстался с Google и основал собственный проект OneWeb (WorldVu), а Илон Маск заручился финансированием от Google и в 2014 году начал аналогичный проект. В настоящее время руководителем (или как минимум публичным лицом проекта Starlink является Джонатан Хефелер (Jonathan Hofeller), Вице президент по Starlink&Commercial Sales 4. Состав группировки Starlink Говоря о составе низкоорбитальной группировки Starlink компании SpaceX надо отметить, что она состоит как минимум из двух отдельных спутниковых сетей. Первая сеть изначально (согласно заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2016 г.) планировалась из 4425 спутников. Эта заявка одобрена FCC 29 марта 2018 г. Выглядеть это должно было так: Вторая сеть из 7518 спутников должна будет работать в V-диапазоне (заявка подана 1 марта 2017 г., одобрена 19 ноября 2018 г.). Группировка VLEO системы Starlink: Потом SpaceX вносила изменения в 2018 году, понизив орбиту до 550 км. В таблице ниже приведен состав группировки, согласно последней заявки SpaceX в FCC (Федеральную комиссию по связи США) 17 апреля 2020 г. (заявка на данный момент еще не одобрена FCC): Также отметим, что в начале июня 2020 года SpaceX направила в FCC еще одну заявку, названную Generation 2, согласно которой планируется еще почти 30 тыс. спутников на следующих орбитах: Однако, в данном обзоре мы сконцентрируемся на анализе первого этапа сети в Кu/Ка-диапазонах, которая реально разворачивается сейчас и имеет шанс начать предоставление доступа в интернет в ближайшее время (конец 2020 г.). На данный момент SpaceX видит ее в следующем виде: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53 градуса по 22 спутника в каждой на высоте 550 километров (возможно, что и это не окончательный вариант). Выглядит это так: 5. Архитектура сети Starlink На рисунке изображена архитектура сети Starlink и ее важнейшие компоненты, а именно: Космический сегмент — это спутники на низкой орбите (на данный момент разворачиваются первые 1600 спутников на орбите высотой 550 км с наклонением 53 градуса); Наземный сегмент: • Центр управления сетью (Network Management System), • Шлюзовые станции (Gateway), • Абонентский терминал (User Terminal) Рис. Структура глобальной спутниковой сети Starlink Что касается наземной сети, то, по сути, она построена на сети Google. На саму SpaceX зарегистрировано две автономных сети — AS14593 и AS27277 (последняя, возможно, используется для внутренней IT-сети SpaceX). Судя по имеющимся данным, трафик абонентов SpaceX будет маршрутизироваться по арендованным ВОЛС (преимущественно собственной сети Google, где это возможно) на ближайшие узлы/точки обмена трафиком в США: LAX (Лос Анджелос), SEA (Сиэтл), ORD (Орландо), LGA (Нью-Йорк), SJC (Сан-Хосе), DFW (Даллас), IAD (Вашингтон). В своем твите от 2.10.2020 Elon Musk сообщил, что компания будет стараться размещать гейтвеи прямо на зданиях, где находятся «сервера», подразумевая, видимо, именно центры обмена интернет трафиком.
