Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

на круговой экваториальной орбите, будет казаться неподвижным в небе, так что отслеживать его не нужно (Clarke, 1945). Он описал полноценную систему связи, использующую подобные (пилотируемые) геостационарные спутники, включая их орбиты, солнечные батареи, радиочастоты и процедуры запуска. К сожалению, он пришел к выводу, что его идея нереализуема из-за невозможности размещения на орбите хрупких усилителей на вакуумных лампах, требующих большого количества энергии. Поэтому Кларк больше не развивал эту идею, хотя и посвятил ей несколько научно-фантастических рассказов.

Изобретение транзисторов в корне изменило ситуацию, и в июле 1962 года был запущен первый искусственный спутник связи «Телстар». С тех пор спутники связи стали многомиллиардным и единственным высокорентабельным бизнесом, связанным с космическим пространством. Эти спутники, расположенные на большой высоте, часто называют спутниками GEO (Geostationary Earth Orbit — геостационарная околоземная орбита).

При современном уровне технологий не имеет смысла располагать геостационарные спутники чаще чем с интервалом в 2 градуса в 360-градусной экваториальной плоскости. В противном случае возникнут взаимные помехи. Следовательно, в небе могут одновременно находиться только 360/2 = 180 таких спутников. Впрочем, каждый транспондер может использовать несколько частот и схем поляризации для повышения доступной полосы пропускания.

Во избежание хаоса в небе выделением мест для спутников занимается МСЭ. Этот процесс чрезвычайно политизирован. Одни государства, едва вышедшие из каменного века, требуют «своих» мест на орбите (для дальнейшей перепродажи тому, кто заплатит больше). Другие считают, что государственная собственность не распространяется до Луны и ни одна страна не имеет права на участок орбиты над ее территорией. Ситуация осложняется тем, что коммерческая связь — отнюдь не единственный способ применения таких спутников. Телевизионные компании, правительства, военные — все хотят свой «кусок космического пирога».

Современные спутники бывают довольно большими, весят более 5000 кг и потребляют несколько киловатт электроэнергии, производимой солнечными батареями. Притяжение Солнца, Луны и планет стремится сместить их с назначенных мест и ориентации на орбите. Противодействие этому эффекту называется поддержанием стационарной орбиты (station keeping) и осуществляется с помощью установленных на спутнике ракетных двигателей. Когда заканчивается топливо (обычно лет через десять), спутник начинает беспомощно дрейфовать и «кувыркаться», поэтому его приходится отключать. В конце концов он сходит с орбиты, входит в атмосферу и сгорает либо (крайне редко) падает на Землю.

Участки орбиты — далеко не единственное яблоко раздора. Частоты тоже нужно распределять, поскольку передачи по входящим каналам создают помехи для микроволновых устройств. В связи с этим МСЭ выделил определенные полосы частот для спутниковых пользователей (основные приведены на илл. 2.49). Первой из них стала полоса C, доступная для коммерческого спутникового трафика. В ней было выделено два диапазона частот: нижний — для входящего трафика (от спутника) и верхний — для исходящего (на спутник). Для одновременного движения трафика в обоих направлениях необходимы два канала. Эти каналы и так переполнены, поскольку используются в распространенных системах связи для приземных микроволновых соединений. Полосы L и S были добавлены в результате международного соглашения в 2000 году. Впрочем, они довольно узкие и тоже перегружены.

Полоса

Входящий трафик

Исходящий трафик

Ширина полосы пропускания

Проблемы

L

1,5 ГГц

1,6 ГГц

15 МГц

Малая ширина полосы пропускания; переполнена

S

1,9 ГГц

2,2 ГГц

70 МГц

Малая ширина полосы пропускания; переполнена

C

4,0 ГГц

6,0 ГГц

500 МГц

Помехи от приземной связи

Ku

11 ГГц

14 ГГц

500 МГц

Дожди

Ka

20 ГГц

30 ГГц

3500 МГц

Дожди; стоимость оборудования

Илл. 2.49. Основные спутниковые полосы частот

Вторая по высоте частот полоса, доступная для коммерческих операторов связи, — полоса Ku (K under; «K нижняя»). Этот диапазон пока еще не слишком перегружен, и на его верхних частотах спутники можно размещать через 1 градус; скорость передачи может достигать более 500 Мбит/с. Впрочем, есть другая проблема: дожди. Вода хорошо поглощает столь короткие микроволны. К счастью, сильные ливни обычно ограничиваются небольшой территорией, так что обойти эту проблему можно за счет нескольких наземных станций, расположенных далеко друг от друга, вместо одной. Но это решение имеет свою цену в виде стоимости дополнительных антенн, кабелей и электроники для быстрого переключения между станциями. Также для коммерческой спутниковой связи была выделена полоса в диапазоне Ka (K above; «K верхняя»), но для ее использования требуется весьма дорогостоящее оборудование. Помимо коммерческих диапазонов, существует также множество военных и правительственных.

Современный спутник обычно содержит около 40 транспондеров с полосой пропускания, как правило, 36 МГц. Обычно они осуществляют прямую ретрансляцию, но в некоторых последних моделях спутников есть мощности для обработки «на борту», что дает возможность производить более сложные операции. В первых спутниках деление транспондеров по каналам было статическим: полоса пропускания просто разбивалась на фиксированные полосы частот. Теперь пучки сигналов транспондеров делятся по временным слотам и пользователи используют их по очереди. В который раз убеждаемся, что схемы TDM и FDM могут применяться в разнообразных ситуациях.

Пространственный пучок сигнала — его зона покрытия (footprint) — первых геостационарных спутников охватывал примерно 1/3 земной поверхности. В результате колоссального снижения стоимости, размеров и требований к мощности микроэлектроники стала возможной гораздо более совершенная стратегия широкополосной трансляции. Каждый спутник снабжен несколькими антеннами и транспондерами. Любой нисходящий пучок можно сфокусировать на небольшой географической области и осуществлять несколько одновременных входящих и исходящих передач. Обычно у подобных остронаправленных пучков (spot beam) эллиптическая форма, а размер может быть всего несколько сотен километров в диаметре. Американские спутники связи обычно используют один широкий пучок сигнала для непрерывного участка из 48 штатов и еще два остронаправленных пучка для Аляски и Гавайев.

Новым витком развития в мире спутников связи стало создание недорогих микростанций VSAT (Very Small Aperture Terminals); см. работу Абрамсона (Abramson, 2000). Диаметр антенн этих крошечных терминалов составляет всего 1 м или даже меньше (в отличие от 10 м у стандартных антенн GEO), а их выходная мощность — около 1 Вт. Скорость исходящего соединения обычно не более 1 Мбит/с, а входящего — до нескольких мегабит в секунду. Эта технология применяется в спутниковых системах прямого телевещания для односторонней передачи.

Во многих системах VSAT мощность микростанций недостаточна для прямой связи друг с другом (через спутник, разумеется). Для ретрансляции трафика между различными VSAT необходима особая наземная станция, концентратор (hub), на которой установлена большая антенна с высоким коэффициентом усиления (илл. 2.50). В данной конфигурации либо передатчик, либо приемник имеет огромную антенну и мощный усилитель. Недостатком системы является более длительная задержка, но есть и существенный плюс — более дешевые терминалы для конечных пользователей.

Илл. 2.50.