В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В различных публикациях за последние несколько лет особое внимание уделяется применению Ка-диапазона частот для систем спутниковой связи, ориентированных на массовое обслуживание абонентов с использованием технологий VSAT. В более широком смысле такие системы относят к системам ШПД (широкополосный доступ). В действительности опыт применения Ка-диапазона частот насчитывает уже более 20 лет. За этот период создано более 60 спутников связи и вещания, имеющих диапазон Ка. В табл. 1 представлены практически все спутники связи и вещания, полезная нагрузка которых содержит ретрансляционную аппаратуру Ка-диапазона (созданные за последние 20 лет и проектируемые сегодня спутники). Как следует из таблицы, говорить о том, что спутниковые системы Ка-диапазона появились недавно, и требуют особых исследований, в том числе для выяснения затухания в атмосфере, нет оснований.
Исследования распространения электромагнитных волн Ка-диапазона проведены еще в 1960—1970-х гг. и к настоящему времени методики оценки затухания при распространении радиосигналов стандартизованы в виде рекомендаций ITU-R. Исследования действительно проводятся, но уже для уточнений статистических данных. Приборная реализация радиочастотных устройств Ка-диапазона к 2012 г. уже освоена. Другой вопрос, что каждая компания, специализирующаяся в области разработки, производства и поставки таких приборов наземного и тем более бортового назначения, не склонна раскрывать свою кооперацию и технологии. Знания в этой области становятся все более закрытыми и коммерческими. Поэтому для поддержания научно-технического потенциала российской космической отрасли требуются усилия (и не только финансовые) для обеспечения возможности разработки и производства ключевых приборов и элементов с целью обеспечения гибкости при создании собственных систем связи и вещания любого функционального назначения, в том числе и Ка-диапазона. Таблица 1 является результатом анализа многочисленных разрозненных материалов (полное упоминание этих материалов невозможно), поэтому могут иметь место и некоторые неточности, так как в ряде случаев технические данные, представленные в этих материалах, либо противоречивы, либо в процессе создания системы претерпевают изменения. Однако даже на основе этих далеко не полных технических сведений можно выявить некоторые общие тренды.
Очевидным преимуществом является более широкая полоса радиочастот. Другим преимуществом, не так часто отмечаемым, является то, что с увеличением частоты антенная система становится меньше по массе и габаритам при фиксированном усилении (или сохранении угловой рабочей зоны, что равнозначно). Здесь следует учесть, что диаметр обтекателя ракеты конечен (например, для РН Ariane диаметр 4,57 м, для РН "Протон-М/Бриз-М" диаметр 4,35 м). В результате на спутнике под обтекателем ракетоносителя размещаются, например, антенные рефлекторы с максимальными габаритами как в Кu-диапазоне (примерно 2,5 м), но в Ка-диапазоне достигаемое усиление больше с коэффициентом, равным квадрату отношения частот Ка/Кu (раскрываемые в космосе антенны не рассматриваются, поскольку их физическая реализация в диапазоне частот более примерно 3 ГГц пока с приемлемыми параметрами невозможна). В результате можно оценочно принять, что усиление антенны Ка-диапазона будет на 6 дБ выше, чем аналогичной по массе и габаритам антенны Кu-диапазона. Примем в системе Кu-диапазона запас Аи (дБ) по энергетике радиолинии относительно "ясного неба". Для сохранения аналогичного значения коэффициента готовности канала Ка-диапазона, учитывая, что частотная зависимость затухания в гидрометеорах близка к квадратичной [ITU-R, Р.618], запас должен примерно составить Аа ~ Au (fa/fu)2. Достижимый запас в Ка-диапазоне при аналогичных технических параметрах оборудования может составить до Аа = Аи + 6 дБ. Установим неравенство Au (fa/fu)2 < Аи + 6 дБ. Из этого неравенства следует, что примерное равенство коэффициентов готовности каналов Кu и Ка наступает при наличии запасов Аu = 2 дБ и Аа = 8 дБ. Но при Аu > 2 дБ потенциального энергетического выигрыша в 6 дБ недостаточно для сохранения идентичного значения коэффициента готовности каналов при переходе в Ка-диапазон. Но и эта проблема уже решена за счет применения систем адаптации сигнально-кодовых конструкций к условиям распространения сигнала (АСМ — adaptive modulation and coding).
Также очевидно и то, что если "где-то прибыло, то где-то и убыло". В данном случае для фиксированного размера бортовой антенны при переходе из Кu- в Ка-дпапазон частот площадь обслуживаемой зоны на земле будет меньше в 4 раза, то есть ширина диаграммы направленности луча уменьшится в два раза. В ряде случаев это может рассматриваться как достоинство, например, для систем, требующих локальность обслуживания. Для систем, предусматривающих широкую рабочую зону, узость луча — это недостаток. Преодолевается этот недостаток использованием многолучевой технологии, основой которой является реализация бортовой многолучевой антенной системы. Но все же потери эффективности каналов накапливаются с увеличением числа лучей за счет конечной их развязки и точности прицеливания лучей, поэтому 6 дБ = Аа - Аи следует рассматривать как некий гипотетический предел выигрыша в энергетике при переходе из Кu- в Ка-дпапазон частот. Таким образом, из представленных оценок следует, что при запасе по энергетике менее 8 дБ в радиолиниях спутниковой системы в Ка-диапазоне надежность работы каналов может быть не хуже, чем для аналогичных систем Кu-диапазона. Аналогичные рассуждения можно продолжить, например, и при переходе в диапазон частот Q/V [1].
По сути, все северные территории России относятся к зоне I и частично (район Мурманска) к зоне II [ITU-R, SM.1448]. В [2, 3] приведены оценки затухания в диапазоне частот Кu и Ка. Анализируя эти данные с учетом того, что применение Кu- и Ка-диапазона потенциально идентично при условии, что запасы в радиолиниях Ка-диапазона не превосходят 8 дБ (см. выше), получается неплохая ситуация. А именно, спутниковая система в Ка-диапазоне вполне может быть применена для работы абонентов на северных территориях России при углах места примерно до 7 град, и коэффициенте готовности каналов не менее 0,99 и до 10 град, при коэффициенте готовности 0,995 (к году). Таким образом, вполне возможно обслуживание северных территорий России примерно до 73 град, северной широты без какого либо ущерба в пропускной способности по отношению к системе, реализованной в Кu-диапазоне. Очевидно, что при назначении коэффициента готовности более 0,995 к году системы Ка-диапазона начнут проигрывать в энергетике радиолиний. Однако и это не означает, что их нельзя использовать. Дело в том, что себестоимость частотного ресурса многолучевого спутника Ка более чем на порядок ниже, чем на спутнике Кu традиционного исполнения. Всегда можно разменять энергетику на полосу частот.
В табл. 1 предпринята попытка классифицировать полезную нагрузку Ка-диапазона по ее основной функциональной задаче. В итоге спутники, представленные в таблице, отмечены цветом в зависимости от целевого функционального назначения бортовой ретрансляционной аппаратуры Ка-диапазона. Для краткости и однозначности результаты такого анализа сведены в табл. 2.
Наибольший интерес сегодня связан с развитием многолучевых спутниковых сетей массового обслуживания, которые часто называют системами спутникового ШПД. Причем сервисы, доступные в таких сетях, начинают предоставляться как для фиксированных абонентов, так и для абонентов, находящихся на подвижных средствах. Более того, проектируются и целевые системы Ка-диапазона для обслуживания подвижных средств в глобальном масштабе (сеть Global Xpress на основе группировки спутников Inmarsat 5) и региональном масштабе (сеть Telenor на основе спутника Thor 7 для обслуживания в том числе северных морей). Приспосабливаются для этой цели и действующие сети Ка-диапазона компании Viasat. С другой стороны, в ряде подобных систем диапазон Ка используется исключительно для организации широкополосных радиолиний с центральной станцией сети, а абонентские устройства работают в лучах (или луче) Кu-диапазона (первая такая многолучевая система iPstar работает с 2003 г., сегодня проектируется многолучевая сеть Intelsat Epic для подвижных абонентов). Особый интерес такие решения представляют при реализации широкополосных многолучевых спутниковых систем, в которых требуется сверхширокополосность на линии ЦС-КА и/или КА-ЦС, и уже рассматривается целесообразность перехода в O/V-Диапазон частот [1].
Другим интересным приложением спутниковых многолучевых сетей Ка-диапазона является организация регионального спутникового вещания [4] (в том числе с использованием подвижных станций приема ТВ). Трансляция пакета программ осуществляется в одном луче или в группе лучей. Такие системы получили свое практическое воплощение на территории США и Канады. Эффективность организации многолучевого вещания, например, для России сегодня неочевидна в силу специфики рынка регионального телевизионного вещания, низкой плотности населения и низкой покупательной способности.
Как следует из табл. 1, интерес представляют также системы с перенацеливаемыми узкими лучами. Такие решения, очевидно, востребованы в системах сбора новостей и передачи информации из мест актуальных событий, в том числе для целей оборонных ведомств.
Устоялось мнение, что услуги, предоставляемые с использованием спутниковых каналов, значительно дороже, чем аналогичные услуги с использованием наземных сетей. Это действительно имеет место, если использовать традиционную технологию построения спутниковых сетей, которая долгие годы базировалась на принципе формирования рабочей зоны с использованием контурных антенн с широкой диаграммой направленности. В результате частотный ресурс на таком "среднем" спутнике составлял примерно 1 ГГц, а нужно затратить примерно $200 млн, чтобы создать и вывести спутник на геостационарную орбиту. Современный многолучевый спутник со всеми затратами оценивается в $400 млн [5]. При этом его частотный ресурс достигает примерно 40 ГГц. Таким образом, условная себестоимость 1 ГГц частотного ресурса примерно в 20 раз ниже для многолучевой системы. Причем за счет многолучевости энергетика в локальных зонах выше примерно на 8—10 дБ, что дает дополнительную экономию затрат в абонентском сегменте, а пропускную способность уже можно оценивать при сигнально-кодовых конструкциях 8PSK и даже 16APSK. В результате сегодня рекламируются пропускные способности спутниковых систем Ка в значениях 70 Гбит/с и более [6] (в перспективе планируется достичь 200—300 Гбит/с). Следующим очень существенным фактором экономии является специфическая система доступа абонентов к ресурсу спутниковой сети. В спутниковых системах массового обслуживания начинают работать законы больших чисел. По сути, система автоматически перераспределяет среди абонентов доступный ресурс сети. Если трактовать этот процесс примитивно, то оператор "перепродает один и тот же ресурс несколько раз". Для числовой оценки этого процесса уже устоялся термин overbooking или "коэффициент переподписки" [7]. В конечном итоге себестоимость передачи единицы информации в спутниковых сетях ШПД Ка оказывается принципиально ниже, чем в традиционных спутниковых сетях. И что неожиданно, во многих случаях даже ниже, чем в наземных сетях за пределами мегаполисов или по крайней мере не выше [8]. Причем единовременные затраты, отнесенные к одному абоненту не более, а иногда и ниже чем для наземных сетей [8], что говорит о примерно идентичных сроках окупаемости.
Таким образом, утверждение о высокой стоимости услуг в спутниковых сетях ШПД Ка не соответствует действительности. С другой стороны, нельзя впадать в крайность. Спутниковый ШПД Ка не может обеспечить всех услуг и сервисов, которые сегодня востребованы, а именно сервисов, сопряженных с реальным временем. Следует критически подходить к рекламным заявлениям о всеобъемлющих возможностях спутниковых систем ШПД Ка, но это уже тема другой статьи.
Один из основных трендов связан с организацией многолучевых сетей спутниковой связи типа VSAT, ориентированных на обеспечение ШПД для физических абонентов (домохозяйств) в сочетании с предоставлением услуги спутникового вещания. Многие из таких систем созданы и создаются при участии государства как часть национальных программ развития ШПД. Активно проектируются аналогичные спутниковые системы глобального и регионального характера для обеспечения работы абонентов на подвижных средствах.
Все больший практический интерес к коммерческим спутниковым системам Ка-диапазона проявляют военные ведомства, используя часть ресурса коммерческой сети в своих целях или используя часть полезной нагрузки спутника для организации собственных сетей в проблемных регионах.
Особо следует отметить, что практически во всех европейских странах идет активный процесс поиска новых аппаратных технических и технологических решений. Основную поддержку в этом направлении оказывают государственные ведомства и Европейское космическое агентство. Аналогичные процессы развиваются в Японии и в ряде других стран. В США коммерческие сети Ка-диапазона поддержаны государственной программой субсидирования услуг, предоставляемых в сельских и малонаселенных регионах. Кроме того, финансируются аппаратные и программные разработки, имеющие двойное применение. Значительную активность в реализации программ спутникового ШПД в Ка-диапазоне проявляют коммерческие структуры в Австралии и правительство Австралии в рамках национального проекта по развитию интернет-доступа. Начато предоставление услуг спутникового ШПД в Ка-диапазоне в ряде африканских стран. В ноябре 2012 г. космическое агентство Индии (ISRO) объявило конкурс на создание многолучевой спутниковой системы ШПД Ка с запуском спутников в 2016 г. На фоне этого общемирового тренда решение Минкомсвязи в сентябре 2012 г. о замораживании проекта РСС-ВСД в России под предлогом слабой коммерческой составляющей выглядит как минимум странно, поскольку это и есть одна из задач Минкомсвязи — создать условия для коммерциализации проекта, имеющего национальное значение, в котором одна из ключевых задач — ликвидация цифрового неравенства. Именно Минкомсвязи, как государственный заказчик, может организовать объективный независимый анализ и пересмотреть при необходимости свои же исходные требования по проекту РСС-ВСД и/или принятые технические решения при проектировании системы с целью ее доведения до уровня коммерциализации в условиях России или создать условия для реализации нового подобного проекта. В целях и задачах, объявленных Минкомсвязи сегодня, делается основная ставка на технологию 4G (http://2018.minsvyaz.ru/#-c4) и ВОЛС (http://2018.minsvyaz.ru/#-c3), спутниковая составляющая никак не отмечена.Очевидно, что нет смысла в дискуссии на тему: нужна ли спутниковая связь и вещание в России?
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2013
Посещений: 9334
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
