В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Юрий
Игорь
АндрейНовый вектор развития спутникового широкополосного доступа связан с появлением многолучевых геостационарных спутников связи. Особенностью таких спутников является то, что выделенная рабочая полоса частот многократно повторяется. Причем энергетика радиолиний существенно повышается за счет увеличения усиления в узком луче, что позволяет использовать сигнально-кодовые конструкции с высокой спектральной эффективностью. В результате частотный ресурс и информационная емкость такого многолучевого спутника многократно превышают аналогичные показатели для традиционного спутника с широкими контурными лучами. Многолучевые геостационарные спутники получили название HTS (High Throughput Satellite).
Обычно применительно к спутникам HTS используют оценку их ресурса в значении Гбит/с. Однако емкость спутника, исчисляемая в Гбит/с, не подходит для однозначного объективного сопоставления систем, поскольку требуется анализ энергетики радиолиний для оценки приемлемой для использования сигнально-кодовой конструкции отдельно в прямых и обратных каналах. Всегда есть значительная неопределенность в оценке емкости Гбит/с.
Сопоставление систем на основе спутников HTS с системами, реализованными на основе традиционных спутников, может быть выполнено с использованием различных критериев [1, 2, 3]. Для цели обобщенного сопоставления наиболее показательные результаты следуют из анализа себестоимости их радиочастотного ресурса. В ряде публикаций имеются аналитические сведения о стоимости спутников и систем [4–6]. С учетом этих данных в таблице 1 представлены сведения, которые позволяют практически однозначно указать минимальную себестоимость одного МГц, приведенного к месяцу работы спутника на орбите.
Естественно, что в случае идентичного значения срока активного существования (САС) выигрыш в эффективности спутников HTS по отношению к традиционному спутнику равен отношению значений достигнутого частотного ресурса. Следует отметить, что большинство систем широкополосного доступа, реализуемых с использованием спутников HTS, являются региональными. Но в последние годы появились системы на основе HTS, которые претендуют на глобальное (или почти глобальное) обслуживание абонентов. В таблице 2 представлены данные для уже действующих систем и планируемой системы Viasat. Себестоимость их радиочастотного ресурса действующих спутников заметно выше, чем при реализации региональных систем HTS. Однако компания Viasat уже заявила, что создает новые спутники Viasat-3, которые будут обслуживать всю видимую территорию Земли. При этом их емкость будет столь высокой, что себестоимость МГц, отнесенная к месяцу эксплуатации, снизится до $10.
Например, из условия, что CAPEX/CAC = OPEX, следует, что каждый МГц должен приносить доход не менее $20 в месяц при использовании закрепленных каналов (типа SCPC). Если учитывать, что в системах HTS применяется множественный доступ с коэффициентом “переподписки” 1 : 20 [7], то каждый МГц должен приносить доход в месяц всего $1.
Уже сегодня спутниковые HTS-системы ШПД по ценовым параметрам конкурируют с наземными сетями [8–11], предоставляя соизмеримую скорость доступа. При более высоком коэффициенте готовности каналов.
Снизить себестоимость МГц и обеспечить в спутниковой сети цену Мбит/с, конкурентную с наземными сетями ШПД, – магистральный путь развития спутникового ШПД. Это особенно важно для обеспечения ШПД в удаленных труднодоступных местах Российской Федерации. Сегодня общепризнано, что эквивалентная стоимость подключения “последних” 5–7% домохозяйств с использованием спутниковых технологий ШПД является единственно возможным вариантом. Это утверждение следует из многих целевых программ ликвидации цифрового неравенства многих стран мира [8].
В России уже имеются спутники, на которых установлены ретрансляторы HTS в Ka-диапазоне, а к 2022 г. практически для 90% территории России будет доступен спутниковый ШПД на основе технологии HTS Ka-диапазона с использованием космических аппаратов российской спутниковой группировки гражданского назначения. Частотный ресурс для формирования прямых и обратных каналов приведен на рис. 1 (синий цвет – прямые каналы). Емкость прямых каналов может быть приблизительно оценена из условия, что максимальная сигнально-кодовая конструкция 16APSK ¾, а для обратных каналов 8PSK ¾.
Казалось бы, что системы HTS должны полностью исключить применение традиционных спутников связи. Однако наряду с достоинствами спутники HTS обладают и определенными ограничениями.
Во-первых, системы HTS сегодня являются “закрытыми” системами, то есть может использоваться только одна единая технология VSAT во все сети, а расположение центральных станций жестко закреплено за фидерными лучами. Эти условия принципиально изменяют рынок VSAT, поскольку в этом случае его организация становится подобной рынку в сотовых сетях. Имеется единый головной оператор сети, продаются Гб и Мбит/с. Для внедрения в сети новой технологии VSAT нужно полностью исключить применение предыдущей технологии VSAT.
Во-вторых, топология сети реализуется исключительно в виде “звезды”, что ограничивает применение технологии HTS в случае, если сеть VSAT должна отвечать иерархии структуры корпорации (или банка) или условию работы “каждый с каждым”.
Очевидно, что при использовании традиционного спутника таких проблем нет. Арендовав необходимый частотный ресурс традиционного спутника, оператор может построить любую сеть VSAT, расположив центральную станцию там, где это ему выгодно. Соответственно, на основе традиционных спутников можно построить много “открытых” сетей VSAT, каждая из которых будет иметь свою уникальную технологию и топологию.
Совместить достоинства “закрытой” и “открытой” системы, но сохранив многолучевую технологию HTS, стремится компания Intelsat в своей сети Epic [12]. Достигается это за счет того, что на многолучевом спутнике устанавливается специальная управляемая с Земли матрица-маршрутизатор, которая создает дискретные частотные каналы между лучами и имеет возможность коммутации полос частот этих каналов. Например, можно иметь центральную станцию в Калининграде, а сеть станции VSAT расположить в Восточной Сибири.
Потенциально существует и способ снизить “закрытость” системы HTS, если в прямом канале использовать два смежных потока в абонентском луче, то есть перевести бортовой ретранслятор из режима насыщения в квазилинейный режим. Естественно, будет снижение ЭИИМ примерно на 1 дБ, но за счет того, что деградация Eb/No , вызванная неравномерностью ГВЗ [13] (особенно заметно при 16 APSK) будет меньше, можно ожидать, что емкость луча не изменится. Но самое проблемное в этом решении – организационное согласование условий работы двух независимых операторов VSAT.
Системы HTS изначально имели целевую функцию – предоставление ШПД физическим абонентам и малым компаниям. Но по мере развития этой технологии стало очевидно, что имеется возможность использовать переносимые, быстро разворачиваемые VSAT-станции для различных применений. Кроме того, большой коммерческий сегмент VSAT связан с обслуживанием абонентов на подвижных средствах, в основном на море и в воздухе. Обслуживание абонентов на морских и речных судах осваивается достаточно давно. Имеется много компаний, которые создали свои сети VSAT (согласовав использование различных традиционных спутников и центральных станций), способные предоставить услуги практически на всей площади Мирового океана. Одной из проблем развития этого сегмента долгое время была стоимость спутникового ресурса, но с появлением спутников HTS, а тем более глобальных сетей HTS, эта проблема уже не столь ощутима (см. таблицу 2).
Вторым по объему рынка является сегмент обслуживания воздушных судов. До недавнего времени этот сегмент был связан с системами подвижной спутниковой службы в L- и S-диапазонах. Но себестоимость канала [14, 15] столь высока (соответственно, и стоимость услуги), а скорость каналов столь незначительна, что широким коммерческим успехом это решение не пользовалось. С появлением систем HTS ситуация принципиально изменилась. Идет активное создание бесшовных сетей ШПД для обслуживания абонентов на воздушных судах, тем более что, по прогнозам компании Airbus, в период 2019–2028 гг. будет вводиться в год 1248 новых воздушных судов (пассажирских, предназначенных для перевозки более 100 человек, и грузовых).
Но есть, конечно, и проблемы при создании VSAT для воздушного судна. В первую очередь это проблема ЭМС [16–18], что существенно увеличивает цену услуги по сравнению с аналогичной услугой в сети HTS в наземных условиях.
Однако общей проблемой для обслуживания абонентов на подвижных средствах является отсутствие технических и технологических решений, которые обеспечивают создание дешевых абонентских терминалов, позволяющих работать в движении (тем более при высокой динамике движения). Очевидно, что применение обычных электромеханических следящих антенн для морских судов ограничено их стоимостью, которая составляет примерно от $30 тыс. для антенны 0,6 м. Для воздушных судов стоимость таких антенн уже на порядков выше, а их инсталляция примерно соизмерима с их стоимостью.
Попытки создать дешевые ($100– 200) антенные решетки с электрическим сканированием луча пока не увенчались успехом [20], и практически не видно решений, которые смогли бы в перспективе решить эту задачу. Но поисковые исследования в этой области идут очень активно.
В случае переносимых средств наилучшим решением остается использование абонентских терминалов с обычными зеркальными антеннами, к которым предъявляются требования быстрого и многократного развертывания в любых климатических условиях.
Анализ проектов HTS показывает, что магистральным направлением является увеличение их емкости за счет увеличения числа лучей. Ширина диаграммы направленности луча уже составляет 0,3 град. Причем энергетика в лучах не увеличивается, поскольку растут взаимные межлучевые помехи и наступает эффект “ограничения” [3]. Но за счет увеличения числа лучей в заданной рабочей зоне повторяемость выделенной рабочей полосы частот возрастает многократно. В перспективных системах HTS уже начинают оперировать таким понятием, как МГц/км2. В свою очередь, стремление увеличить емкость абонентских лучей приводит к тому, что не хватает емкости фидерных лучей для взаимосвязи с центральной станцией (станциями). В результате для фидерных линий начинает использоваться более высокий диапазон частот Q/V и даже оптическая связь.
Емкость спутников HTS, которые планируются в перспективе, составляет уже несколько Тбит/с. Единственный параметр, который невозможно улучшить для систем на основе спутников HTS, – задержка сигнала. Это принципиально для многих будущих приложений и сервисов, в том числе для их применения в сетях 5G, где реакция на событие исчисляется требованием одной мс в перспективе. Но это не означает, что все сервисы и приложения нуждаются в достижении реального времени доставки информации. Сегодня в качестве конкурентных систем разрабатываются многочисленные низкоорбитальные проекты, которые получили название LEO-HTS. Эффективность LEO-HTS и проектов HTS соизмеримы [6]. Задержка в системах LEO-HTS практически на порядок меньше, но она так же далека от целевой задачи 5G в 1 мс.
Все же перспектива коммерческого развития систем на основе HTS лежит в области освоения сегмента переносимых и подвижных средств, что требует создания дешевых абонентских терминалов, в том числе дешевых сканирующих антенных решеток.
Литература
Работа выполнена при финансовой поддержке
Министерства образования и науки РФ
(договор № 03.G25.31.0269) в рамках реализации
Постановления Правительства РФ №218.
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2018
Посещений: 5318
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
