Основные способы доступа в Internet

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Через месяц после запуска первого спутника Советский Союз запустил второй, с собакой Лайкой на борту. Совершив несколько витков вокруг Земли, как и предыдущий, спутник был введен в плотные слои атмосферы, где и сгорел (Лайка была предварительно усыплена). Данная новость оказалась на первых полосах всех газет во всем мире. Эти запуски подогрели интерес к науке и позволили получить одобрение общественности на увеличение расходов на оборону. Поэтому не будет преувеличением сказать, что косвенным образом они способствовали подъему индустрии мини-компьютеров и Internet.

Что касается непосредственно спутниковой связи, запуск спутников был всего лишь одним из этапов ее развития. Непосредственная же история спутниковых сетевых технологий начинается гораздо раньше, в 1929 году, когда Герман Поточник опубликовал книгу под названием “Проблема путешествия в космосе”. В ней была впервые описана концепция геостационарной орбиты, которую Поточник называл “стационарным кружением”.

В 1945 тогда еще молодой фантаст Артур Кларк написал письмо в Wireless World (тогда и сейчас журнал британских радиолюбителей), где описывал “возможность более отдаленного будущего — может быть, через полстолетия. “Искусственный спутник” на соответствующем удалении от Земли... будет оставаться в стационарном положении над той же самой точкой земли и находиться в пределах видимости с практически половины поверхности Земли. Три повторительные станции, через 120о на соответствующей орбите, будут способны охватить телевизионным вещанием и микроволновой связью практически всю поверхность Земли”.

Теперь мы знаем, что предсказания Кларка попали “в яблочко”, хотя его оценка количества спутников, вращающихся вокруг Земли в 1995 году, и оказалась чересчур консервативной! Как бы то ни было, только в 1963 году НАСА решилось проверить концепцию Кларка на практике своей концепцией синхронной спутниковой связи (Synchronous Communications Satellite, Syncom). Первые два спутника Syncom были выведены на геосинхронную, но не геостационарную орбиту, иными словами, их период вращения соответствовал периоду вращения Земли, но их орбиты были наклонены и вытянуты. Запущенный в августе 1964 года Syncom 3 кружил точно над экватором и стал первым геостационарным спутником.

Из последующих проектов НАСА наиболее важным был Advanced Communications Technology Satellite (ACTS), запущенный с космического челнока “Дискавери” в сентябре 1993 года. ACTS первым начал передавать в частотном диапазоне Ka, ранее считавшемся непригодным для использования из-за облачного покрова Земли. Усовершенствованные антенны спутника могли передавать данные со скоростью до 622 Мбит/с на 3,5-метровые тарелки или с не менее впечатляющей скоростью 45 Мбит/с на компактные 60-сантиметровые тарелки. Кроме того, ACTS осуществлял коммутацию на борту.

К моменту запуска ACTS геостационарные спутники стали будничным явлением, при этом, правда, они использовали для телевизионного вещания частотный диапазон Ku. Однако по целому ряду причин они не подходили для передачи данных.

Во-первых, большинство геостационарных спутников опиралось на так называемую архитектуру “коленчатой трубы”. Представляя собой, по сути, электронные зеркала, они принимали сигнал от наземных трансиверов, усиливали его и посылали обратно на всю свою зону обслуживания. (Зона обслуживания геостационарного спутника может быть очень большой, так как один геостационарный спутник может охватить 42% поверхности Земли.) При всей очевидной пригодности для вещания, в частности телевизионного, такая архитектура вряд ли могла подойти для передачи данных, независимо от того, как бы они мультиплексировались.

Во-вторых, при всех преимуществах геостационарной орбиты (принимающую тарелку требуется только один раз нацелить на нужную точку над экватором), спутники могут быть размещены на орбите в ограниченном количестве, иначе высока вероятность того, что они столкнутся друг с другом. Кроме того, интервал между ними должен быть таким, чтобы ни прием, ни передача одного спутника не мешали другому.

Запуск ACTS решил вторую из этих двух проблем, продемонстрировав, что передача в Ka-диапазоне вполне возможна: расширение используемого диапазона частот сделало помехи намного менее вероятными. Кроме того, ввиду более высоких частот Ka-диапазона потребляемая мощность и используемые антенны оказались меньше. Еще более важно то, что антенны ACTS могли электронным образом разделять зону обслуживания спутника на “сфокусированные пучки” приблизительно по 150 миль в диаметре. Вместе с осуществляемой на борту спутника коммутацией технология фокусированных пучков позволяла более эффективно передавать и получать трафик от адресата. Частоты могли многократно повторно использоваться данным конкретным спутником для обслуживания различных ячеек в его зоне обслуживания.

Благодаря уменьшению размера спутниковых тарелок и значительному расширению доступного для передачи диапазона частот ACTS и его потомки намного приблизили спутниковую связь к возможностям полнодуплексной широкополосной передачи данных. Однако ни один из них не оказался в состоянии решить проблему, преследующую геостационарную связь до сего дня, — задержку сигнала.

Задержка является неизбежным следствием того факта, что геостационарные спутники вращаются над экватором на высоте 22 238 миль (так называемая кларковская орбита). И несмотря на то, что электромагнитное излучение передается через вакуум быстрее, чем по меди или стекловолокну, его скорость все же не может превосходить скорость света. Таким образом, радиосигналу требуется около 240 мс для путешествия от наземной станции до висящего непосредственно над ней геостационарного спутника и обратно. (Если наземная станция находится на границе зоны обслуживания спутника, то задержка может достигать 270 мс.)

В TCP, прежде чем будет передан следующий пакет, принимающая сторона должна подтвердить получение предыдущего; в результате задержка удваивается, как минимум, до 480 мс. Обработка на борту спутника и другие факторы могут увеличить задержку еще больше, до 600 мс. Сторонники доступа в Internet с помощью спутниковой связи указывают на то, что эта задержка все же меньше, чем у наземных аналогов в удаленных регионах или развивающихся странах. Факт, однако, остается фактом: хотя геостационарные спутники предоставляют отличные условия для многоадресной рассылки по IP, передачи электронной почты или распространения программного обеспечения, вряд ли кто-нибудь выберет их в качестве канала связи с клиент-серверной базой данных.

Чтобы избавиться от задержки и шумов, многие компании, желающие предоставлять доступ в Internet, выводят на орбиту “гирлянды” или “созвездия” низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit, LEO). Такие спутники вращаются вокруг Земли на высоте 500—1000 миль. Благодаря этому фокусированные пучки оказываются уже, а требуемая для них энергия меньше. Кроме того, задержка оказывается сравнимой (или даже меньше) с возникающей при передаче по межконтинентальному оптическому кабелю.

Почему никто не додумался до этого раньше? Ну, во-первых, низкоорбитальные спутники — далеко не новая идея, но ее реализация требует очень больших средств. Чем ближе спутник к Земле, тем меньше видимая им область. Поэтому вместо восьми аппаратов, как в случае геостационарных спутников, аналогичный глобальный охват поверхности Земли в случае LEO можно обеспечить лишь с помощью 48 “птичек” (см. Рисунок). Как утверждают в Teledesic, всего, вместе с резервом, необходимо 288 спутников, вращающихся вокруг Земли с юга на север и с севера на юг в 12 разных плоскостях.

Из-за низкой высоты орбиты такие спутники не являются геостационарными — они не находятся постоянно над какой-либо точкой земли. Таким образом, LEO предполагает подход “все или ничего”: нельзя запустить только один спутник и нацелить его на область, которую вы собираетесь обслуживать. Спутников в созвездии должно быть достаточное число, чтобы один из них — а лучше два или даже три — был виден каждой из принимающих антенн в любой момент времени.

В некоторых созвездиях LEO спутник оказывается видим всего несколько минут, прежде чем он уйдет за горизонт. Поэтому точное предварительное позиционирование антенны попросту невозможно. Данная проблема была решена с помощью антенн с фазированной решеткой. Эти самонацеливающиеся устройства состоят из множества антенн меньшего размера. Сопоставляя несколько различные сигналы, получаемые каждой из них, они могут отслеживать несколько спутников одновременно, не перемещаясь физически. При появлении над горизонтом нового спутника антенная решетка устанавливает соединение с ним и только после этого разрывает связь с уходящим за горизонт спутником.

Созвездиям LEO присуща другая проблема: как доставить сигналы из зоны обслуживания одного спутника в зону обслуживания другого. Это, очевидно, необходимо, например, когда пользователю LEO в Сан-Франциско требуется связаться с другим пользователем LEO в Сиднее. Один из способов решения этой проблемы мог бы состоять в трансляции сигналов со спутника на наземную станцию и обратно на следующий спутник вдоль всего маршрута. Однако это снова привело бы к задержкам, которые низкоорбитальные спутники призваны исключить. Поэтому провайдеры, например Teledesic, планируют транслировать данные напрямую со спутника на спутник в диапазоне 40—50 ГГц. Сеть Teledesic использует ATM-подобные механизмы для передачи между спутниками данных со скоростью 155 Мбит/с.

Реализация сложных механизмов коммутации и слежения на каждом спутнике приведет, очевидно, к удорожанию связи и увеличению вероятности сбоя. Именно по этой причине Alcatel решила сохранить архитектуру “коленчатой трубы” в своем созвездии Skybridge из 80 спутников. Как утверждается, это будет “самая дешевая из низкоорбитальных систем”.

Конечно, еще надо посмотреть, в какой мере задержка Skybridge будет сопоставима с задержкой Teledesic. Тем временем Alcatel применила еще одно любопытное конструктивное решение. Как и предыдущее, оно призвано удешевить проект, а кроме того, возможно, даже повысить производительность. Решение это — использование только Ku-частот. Оно позволяет сэкономить на стоимости компонентов и упрощает проникновение сигнала через облачные фронты. Конечно, Ku-диапазон и без того перенасыщен, но Skybridge планирует останавливать передачу своих спутников каждый раз, когда они будут пересекать экватор, чтобы не создавать помех геостационарным спутникам.

Другая характерная для LEO проблема — вариация задержки. Расстояние между каждыми конкретными низкоорбитальным спутником и приемником постоянно меняется. Мало того, спутник может находиться над этим приемником менее минуты, после чего соединение должно быть передано следующему приемнику. Чрезмерная вариация задержки может составлять проблему для таких приложений, как IP-телефония или потоковое видео. Опять же, сторонники спутниковых сетевых технологий утверждают, что вариация задержки вовсе не обязательно будет хуже, чем в случае межконтинентальных наземных каналов. Они также считают, что размещение буферов памяти на приемниках должно компенсировать задержку для некоторых приложений.

При прочих равных условиях вариация задержки должна быть больше в случае небольших созвездий LEO, потому что каждому спутнику придется обслуживать большую зону. Таким образом, это будет представлять более серьезную проблему для Skybridge, нежели, скажем, для Teledesic. Однако Skybridge может извлечь некоторые преимущества из своих планов использования наклонных орбит (представьте, что вы очищаете яблоко, вместо того чтобы порезать его на дольки): отказ от покрытия полюсов Земли позволит обеспечить более равномерный охват во всех остальных регионах.

Очевидная проблема LEO — огромное число необходимых спутников. Провайдеру придется не только запустить десятки или даже сотни спутников, но и поддерживать их в работоспособном состоянии.

Это обстоятельство открывает перспективы перед среднеорбитальными спутниками (Medium Earth Orbit, MEO). Как и LEO, они не являются геостационарными. При высоте над землей от 6250 до 12 500 миль они находятся над какой-либо точкой в зоне обслуживания около двух часов. Поэтому двадцати спутников оказывается вполне достаточно для охвата всего земного шара.

Как можно представить, задержка и вариация задержки имеют промежуточные значения между характерными для LEO и GEO. Это обстоятельство свидетельствует о большом потенциале MEO. Однако пока ими заинтересовались немногие провайдеры. Hughes намеревается вывести на орбиту всего один спутник MEO в качестве “орбитального резерва” для своей системы Spaceway из двух геостационарных спутников, зону обслуживания которой составляет Северная Америка (передачу они ведут в Ka-диапазоне). (Spaceway должна стать платформой для широкополосной версии DirecPC со скоростью передачи до 6 Мбит/с, при этом она будет свободна от эхо-сигналов.)

Orbital Sciences предложила систему под названием OrbLink, при этом для обеспечения охвата всей поверхности Земли она будет использовать спутники MEO с передачей в V-диапазоне (38 и 48 ГГц).

Наконец, было бы непростительно не упомянуть две другие службы. Хотя они и не являются спутниковыми, все же они также “парят в небесах”. Первая из них — это система High Altitude Long Operation (HALO) компании Angel Technologies, где используется специальный самолет. Он кружит над обслуживаемой территорией на высоте около 10 миль по кругу диаметром 2,5 миль — это позволяет обслуживать зону диаметром 50—75 миль.

Для обеспечения круглосуточного обслуживания компания собирается использовать три самолета посменно — каждый из них будет находиться в воздухе по восемь часов, но при этом будет иметь запас топлива на 15 часов полета без дозаправки. Как сообщают в Angel Technologies, передатчик на самолете HALO получает питание от реактивных двигателей, поэтому при мощности 40 кВт его сигнал может без труда проникать через облачный покров. Между тем, обычный спутник получает питание от солнечных элементов и может давать сигнал мощностью не более 2—5 кВт.

Как и Angel, компания Sky Station планирует начать предоставление своей услуги с Лос-Анджелеса. Она собирается разместить платформу размером с футбольное поле на высоте 13 миль над землей. Поддерживаемая множеством заполненных гелием “воздушных шаров” платформа будет нести на себе солнечные и топливные элементы. Как предполагается, она будет занимать геостационарную позицию, а срок ее эксплуатации составит 5—10 лет.

 

Содержание Вперед