В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Исторически телевизионные программы были первым видом информации, переданной через первые спутники связи Telstar-1 и "Молния".
Передача телевизионных программ и сегодня остается одной из основных услуг спутниковой связи в целом, приносящей операторам до 80% дохода.
В рамках фиксированной спутниковой службы (ФСС) осуществляется доставка телепрограмм до средств распространения – эфирных передатчиков, головных станций кабельных сетей, обмена телевизионными сюжетами между студиями, сбора новостей – спутниковой видеожурналистики и т.д. Соответствующие спутниковые сети относятся к категории распределительных.
Однако большую часть дохода приносит передача теле- и радиопрограмм непосредственно населению. Доход операторы получают в виде платы за просмотр, т.е. спутниковое вещание относится к категории платного телевидения. Часть программ передается через спутники в открытом виде.
Отметим, что именно операторы спутникового вещания – американские компании DirecTV, Dish Network и Sirius XM Radio – занимают три первые строчки в списке спутниковых операторов по объему дохода.
Принимать сигналы со спутников на относительно недорогие приемные устройства стало технически возможным к концу 70-х гг. ХХ в., и появился отдельный вид услуг – спутниковое непосредственное вещание (СНВ). В англоязычной литературе для обозначения этого вида деятельности применяют аббревиатуры DBS (Direct Broadcast Satellite – спутник непосредственного вещания) и DTH (Direct To Home – прямо в дом). Международный союз электросвязи (МСЭ) определил специальную службу радиосвязи – Радиовещательную спутниковую службу (РСС), в рамках которой осуществляется передача вещательных сигналов для приема непосредственно населением. Для этой службы выделены полосы частот в различных диапазонах и установлены критерии совмещения с другими службами, использующими те же полосы частот. В табл. 1 показаны полосы частот, распределенные для ФСС и РСС в Районе 1 (Европа, Африка и все страны бывшего СССР), в которых сегодня осуществляется спутниковое вещание.
В рамках РСС в наибольшей степени востребована полоса 11,7–12,5 ГГц (ее часто называют DBS-диапазоном). На ВАКР-77 для этой полосы был принят план распределения частот и орбитальных позиций. Вся полоса 800 МГц была разбита на 40 частотных каналов с полосой 27 МГц и разносом 38,36 МГц. План был пересмотрен на ВКР-2000 с учетом произошедших геополитических изменений и появления большого числа новых стран. Российская Федерация по новому плану имеет по 16 каналов в позициях 36, 56, 86, 140 град. в.д. и 10 каналов с позиции 110 град. в.д., итого 74 канала.
Как уже отмечалось, прием сигнала на небольшую абонентскую антенну возможен и в полосах частот ФСС, и многие операторы эксплуатируют такие системы непосредственного вещания, но они обладают рядом недостатков.
1. Диаметр приемной антенны не может быть меньше 80–90 см даже при высокой энергетике радиолинии, т.к. он в значительной степени определяется помехами от соседних спутников, для которых в полосах частот ФСС Ku-диапазона не нормируется минимальный разнос орбитальных позиций. В РСС при составлении плана был принят разнос 6 град., и здесь типовыми являются антенны диаметром 60 и в некоторых случаях даже 45 см.
2. Допустимые плотности потока мощности у поверхности Земли в полосах ФСС Ku-диапазона на 10– 11 дБ ниже, чем в полосах РСС, что ограничивает эквивалентную изотропно излучаемую мощность (ЭИИМ) бортового ретранслятора значениями не более 54–55 дБВт.
3. На спутниках ФСС обычно решаются и другие задачи, кроме спутникового вещания, поэтому трудно выделить достаточное число каналов для организации масштабной вещательной платформы.
4. В отечественных системах РСС предусмотрено излучение сигнала со спутника с круговой поляризацией (в ФСС в Ku-диапазоне – линейная), что несколько упрощает наведение абонентских антенн (не требуется подстройка по поляризации, как в системах ФСС).
С учетом сказанного дальнейшее рассмотрение ограничивается системами СНВ в полосах частот РСС. И таких систем достаточно много.
Статистика запусков космических аппаратов за 13 лет XXI в. показывает [1], что из 245 запущенных спутников связи 70% имели на борту емкость для непосредственного телевизионного или звукового вещания.
Широкое распространение СНВ обусловлено значительными его преимуществами перед другими средствами доставки сигнала. Даже в Европе с ее высокой плотностью населения, развитой сетью наземных телекоммуникаций и давними традициями эфирного и кабельного вещания телевидение непосредственно со спутников смотрит более трети населения, такова же доля спутникового телесмотрения в США.
Тем более эффективно спутниковое телевидение при обслуживании больших территорий с низкой плотностью населения и слаборазвитой инфраструктурой наземной связи, что характерно для значительной части территории России. По данным аналитической компании J’son & Partners Consulting [2], в первом полугодии 2014 г. число домохозяйств, пользующихся услугами платного спутникового телевидения, составило 14,4 млн (28% от общего числа домохозяйств) и возросло по сравнению с 2012 г. в 1,3 раза. Кроме того, около 3 млн абонентов смотрят открытые и бесплатные каналы. К 2018 г. прогнозируется рост числа абонентов спутникового телевидения еще в 1,3 раза. Преимущественный рост спутникового сегмента в России обусловлен несколькими факторами: более низкой стоимостью услуги (по сравнению, например, с кабельными сетями), независимостью от сетей фиксированной связи, доступностью на всей территории страны.
Ожидается, что такими же высокими темпами будет возрастать и доход компаний-вещателей от предоставления услуг СНВ.
В упомянутых выше обзорах и маркетинговых исследованиях рынка платного телевидения в России анализируются такие параметры, как распределение абонентской базы между основными сегментами рынка (эфирное, кабельное, спутниковое ТВ, IPTV), изменение величины и структуры доходов по сегментам, рост ARPU. По всем параметрам показан значительный рост сегмента СНВ, и прогнозируется его дальнейшее интенсивное развитие. Однако ни в одном из известных нам материалов не исследуется вопрос обеспеченности рынка достаточной спутниковой емкостью для такого интенсивного развития. Разумеется, рост абонентской базы и доходов операторов напрямую не связан с объемом используемого спутникового ресурса, однако косвенная связь имеется, и довольно тесная. Чем больше используемый оператором ресурс емкости на спутнике, тем больше каналов, включая каналы улучшенного качества, он может предложить абонентам, тем выше скорость передачи сигналов и связанное с ней качество изображения и звукового сопровождения. С одной стороны, за счет совершенствования кодеков сжатия сокращается потребность в битах на передачу изображения с заданным разрешением, с другой – предлагаются новые форматы высокой и сверхвысокой четкости High Definition и Ultra High Definition, требующие значительно больших скоростей цифрового потока, так что в целом потребность в емкости возрастает. Не следует исключать и возможность появления новых игроков на рынке СНВ, которым потребуется свободная емкость на спутниках РСС.
Рассмотрим сегодняшнее состояние группировки спутников непосредственного вещания, способных обслуживать территорию Российской Федерации, и перспективы ее развития с точки зрения возможности наращивания спутниковой емкости [3].
В начале 2000-х гг. была сформулирована действующая и поныне Концепция спутникового непосредственного вещания в Российской Федерации, согласно которой покрытие территории страны осуществляется с трех орбитальных позиций: 36, 56 и 140 град. в.д., как показано на рис. 1. Аппарат в точке 36 град. в.д. обслуживает европейскую часть территории страны до Урала и Кавказ, из точки 56 град. в.д. вещание ведется на Урал и Сибирь примерно до Байкала, а восточные регионы получают сигнал с аппарата в точке 140 град. в.д. Плановые частотные каналы РСС в позициях 86 и 110 град. в.д. остаются резервом для будущего использования.
В настоящий момент в точке 36 град. в.д. весь плановый ресурс в 40 каналов (из них 16 с российскими частотами) реализуют два космических аппарата (КА) Eutelsat 36A (W4) (19 стволов) и Eutelsat 36B (W7) (21 ствол), принадлежащие французской компании Eutelsat SA, и все 40 стволов заняты двумя российскими вещателями – "Триколор ТВ" и "НТВ-Плюс". На 2015 г. запланирован запуск в эту точку взамен Eutelsat 36A российского КА "Экспресс-АМУ1", на котором имеются 32 ствола DBS-диапазона для обслуживания территории России, но общий ресурс по-прежнему будет составлять 40 стволов.
В точке 56 град. в.д. работает российский КА "Экспресс-АТ1", он содержит 32 рабочих ствола с российскими частотами, которые могут подключаться к двум фиксированным антеннам – антенне восточного луча и антенне широкого луча. На этом аппарате загружено 26 стволов и законтрактовано еще несколько, так что ресурс практически исчерпан.
Работающий в точке 140 град. в.д. КА "Экспресс-АТ2" содержит 16 стволов в соответствии с Планом и обеспечивает покрытие восточной части страны от Байкала до Чукотки. Значительная часть стволов на нем уже законтрактована, и рассматриваются варианты дальнейшего занятия емкости.
Вне схемы рис. 1 действует еще один КА с восемью стволами DBS-диапазона – ABS-2 в точке 75 град. в.д., на нем все стволы законтрактованы российским оператором.
Таким образом, практически вся имеющаяся емкость диапазона 11,7– 12,5 ГГц уже занята, и расширить ее в наиболее популярных точках 36 град. в.д. и 56 град. в.д. невозможно.
Что делать действующим операторам, желающим расширить арендуемый орбитально-частотный ресурс, и потенциальным новым вещателям, желающим выйти на этот рынок? У них есть несколько путей.
1. Инициировать заказ и запуск нового спутника в точку 86 или 110 град. в.д.
Точка 86 град. в.д. находится над центром России и на первый взгляд кажется очень привлекательной для охвата максимальной части территории, но углы места спутника из наиболее активных Центрального и Северо-Западного федеральных округов составят 8–15 град., что, как показывает практика, усложняет установку абонентских антенн и снижает интерес к услуге. Точка 110 град. в.д. тем более оказывается вне досягаемости большинства потенциальных пользователей.
2. Дозаявить новую орбитальную позицию (позиции) вблизи уже имеющихся точек 36 и 56 град. в.д. для организации кластера.
По этому пути пошли европейские операторы Eutelsat и SES Astra, создав кластеры спутников в точках 13 и 9 град. в.д., 19,2 и 23,5 град. в.д., 28,5 и 31,5 град. в.д. Абонентская антенна с двумя разнесенными в фокальной плоскости малошумящими конверторами способна принимать сигналы с обоих спутников.
План ВКР-2000 допускает в определенных пределах процедуру заявления дополнительных сетей, однако нет гарантии, что желаемую позицию удастся скоординировать, и чем дальше, тем это будет сложнее.
3. Осуществлять вещание в полосах частот ФСС.
Об использовании полос частот Ku-диапазона мы уже говорили, но сейчас появилась новая возможность организации ТВ-вещания, связанная с использованием спутников высокой пропускной способности HTS, работающих, как правило, в Ка-диапазоне частот. Наличие большого числа узких лучей (несколько десятков) позволяет многократно использовать выделенную полосу частот и снизить таким образом себестоимость единицы емкости. Спутники HTS используются преимущественно для организации широкополосного доступа абонентов к информационным ресурсам, например к сети Интернет. Очевидно, что организовывать на базе такого спутника классическую схему СНВ, в которой абоненты во всей зоне обслуживания получают полный объем контента, нецелесообразно, и нужно рассматривать другие варианты применения.
Компании DirecTV и Dish Network используют спутники HTS для передачи определенным категориям пользователей в отдельных лучах выбранных ими ТВ-программ, например видео по запросу или региональных программ. Так, DirecTV использует 5 спутников Ка-диапазона (из общего числа в 11 спутников) для передачи 1500 региональных и большого числа заказных программ [1]. По своим технологиям этот вид вещания ближе к IPTV (пакетная передача по IP-протоколу), чем к традиционному спутниковому (потоковая передача в транспортном потоке).
В Российской Федерации число региональных программ, передаваемых через спутники, в лучшие годы не превышало 30, а в последние – их число и финансовые возможности сокращаются, и они едва ли смогут создать полноценный рынок регионального вещания через спутники Ка-диапазона. Также невелик и трафик заказного телевидения.
При нахождении спутника HTS и спутника СНВ в одной точке открывается интересная возможность организации интерактивного спутникового вещания. С помощью одной антенны специальной конструкции можно обеспечить прием вещательных программ в Ku-диапазоне и организацию запросного канала в Ka-диапазоне. Пример реализации такого дубля – спутники Eutelsat 9A и Eutelsat Ka-Sat в точке 9 град. в.д. Такая же возможность имеется и у российских вещателей в точке 140 град. в.д. на КА "Экспресс-АМ5" и КА "Экспресс-АТ2". После запуска КА "Экспресс-АМУ1" похожая ситуация сформируется и на позиции 36 град. в.д.
4. Осваивать новую полосу частот 21,4–22,0 ГГц в К-диапазоне.
Данная полоса частот распределяется на координационной основе с 2007 г., и МСЭ уже получил большое число заявок, хотя о реализованных системах пока не сообщалось. Чтобы оценить возможности и особенности использования нового диапазона в России, нами были проведены расчеты затухания в осадках и энергетические расчеты для нескольких возможных вариантов реализации системы. В качестве примера принята зона обслуживания восточного луча КА "Экспресс-АТ1" (рис. 2).
В этой зоне выбраны несколько городов, для которых проведены расчеты затухания сигнала в стандартной атмосфере и в осадках для различных значений коэффициента готовности канала связи Кг. Расчеты проводились на крайних частотах диапазона по методикам, изложенным в [4, 5], с использованием данных из [6–8]. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Здесь Lатм – затухание в газах атмосферы, Lобл – затухание в облаках (значения затухания при разных углах места взяты из рис. 1 работы [8]), Lдождь – затухание в дожде, LΣ – суммарное затухание сигнала на трассе. В расчетах учитывалось увеличение шумовой температуры земной станции из-за ослабления сигнала в атмосфере. Как и следовало ожидать, из-за близости к резонансной частоте паров воды (22,3 ГГц) затухание значительно даже в стандартной атмосфере, а при наличии осадков оно заметно возрастает с уменьшением угла места, и для достижения требуемого Кг приходится значительно увеличивать запас энергетики в системе.
Для оценки возможности коммерческого использования полосы частот К-диапазона была рассчитана пропускная способность КА среднего класса при работе в выбранной зоне обслуживания с приемом на антенну 0,6 м. Расчеты велись для Екатеринбурга как типовой точки в указанной зоне.
По аналогии с КА "Экспресс-АТ1" примем число рабочих стволов равным 32. Возможный вариант частотного плана для этого случая показан на рис. 3.
Полоса ствола составляет 31,5 МГц, разнос центральных частот стволов 36,5 МГц. Полагая коэффициент скругления спектра roll-off = 0,2, получим для символьной скорости в стволе значение Rs = 26,25 Мсимв/с. В табл. 3 приведены результаты расчета пропускной способности КА и коэффициента готовности линии "вниз" для трех вариантов модуляции и кодирования: DVB-S2 QPSK 3/4, 2/3, 3/5 и двух значений ослабления сигнала по зоне обслуживания – на краю зоны (уровень - 3 дБ) и в основной части зоны (уровень - 2 дБ).
Нетрудно заметить, что при выборе режима передачи QPSK 2/3 обеспечивается коэффициент готовности не хуже 99,6% (суммарное время простоя по году 35 ч.) в основной части зоны и не хуже 99,3% на краю зоны, этот режим можно рекомендовать для построения будущей системы вещания. Пропускная способность космического аппарата при этом оказывается сравнимой с КА "Экспресс-АТ1" при работе последнего в использовавшемся до недавнего времени стандарте DVB-S QPSK 3/4 (38 Мбит/с х 32 = 1216 Мбит/с) и на 43% меньше по сравнению с "Экспресс-АТ1", работающим в стандарте DVB-S2 8PSK 3/4, принятом сегодня, например отечественным вещателем "Триколор ТВ".
В литературе [9] на примере Японии описывается пример построения КА диапазона 21 ГГц с компенсацией потерь в небольшой части зоны, подверженной осадкам, за счет перераспределения мощности передатчика в зоне с помощью фазированной антенной решетки. Однако такое построение реализуемо только для зоны небольшого размера. Например, даже для небольшой Японии мощность передатчика составляет 2 кВт. Для обширных российских территорий потребуется мощность на порядок больше. Реализация передатчика такой мощности на борту КА едва ли возможна.
Подводя итоги проведенного рассмотрения, можно сделать вывод, что в перспективе освоение полосы частот 21,4–22,0 ГГц является наиболее эффективным способом существенного наращивания пропускной способности отечественной группировки спутников непосредственного вещания.
Однако условия распространения радиоволн в данном диапазоне накладывают определенные ограничения на пропускную способность и коэффициент готовности каналов, что должно объективно учитываться при выборе запасов в энергетике радиолиний.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2015
Посещений: 8082
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
