eng
Содержание
Содержание
Предисловие редактора перевода.......................................... 9
Предисловие................................................................................ 11
Благодарности ............................................................................ 13
Об авторе ..................................................................................... 14
Глава 1
Введение ...................................................................................... 17
1.1.
Общие сведения ........................................................................ 17
1.2.
Проблемы и возможности отрасли: развивающиеся тенденции ......... 22
1.2.1.
Проблемы и возможности..................................................... 22
1.2.2.
Тенденции развития технологий ............................................ 27
1.3.
Основы спутниковой связи.......................................................... 34
1.3.1.
Спутниковые орбиты ........................................................... 34
1.3.2.
Диапазоны частот спутниковой ретрансляции данных .............. 41
1.3.3.
Восстановление спутникового сигнала .................................... 52
1.3.4.
Передающая сеть спутниковой связи...................................... 54
1.4.
Приложения спутниковой связи................................................... 59
1.5.
Обзор рынка спутниковой связи .................................................. 64
1.6.
Каково направление развития оптоволоконной связи?..................... 67
1.7.
Потребность в инновациях .......................................................... 69
Литература ...................................................................................... 70
Глава 2
Модуляционные расширения DVB-S2 и другие
достижения ................................................................................. 73
2.1.
Часть 1: обзор принципов модуляции и упреждающей коррекции
ошибок..................................................................................... 74
2.1.1.
Концепции Eb/N0 ................................................................ 74
2.1.2.
Основы FEC....................................................................... 77
2.1.3.
Фильтры и коэффициенты сглаживания................................. 87
2.2.
Часть 2: DVB-S2 и расширения DVB-S2 ....................................... 93
2.2.1.
Модуляция DVB-S2 ............................................................. 93
2.2.2.
Расширения DVB-S2 ............................................................ 99
2.3.
Часть 3: Другие достижения наземных приложений ....................... 107
2.3.1.
Идентификатор оператора связи ........................................... 107
2.3.2.
Интеллектуальное инверсное мультиплексирование.................. 109
2.3.3.
Значение H.265 кодирования ................................................. 114
Литература ...................................................................................... 116
Глава 3
Спутники с высокой пропускной способностью (HTS)
и технологии использования сфокусированных лучей
в Kа- и Ku-диапазонах ............................................................. 118
3.1.
Введение .................................................................................. 123
3.2.
Схемы множественного доступа и повторное использование частот ....... 125
3.3.
Использование сфокусированных лучей ........................................ 130
3.4.
Цвета частот ............................................................................. 135
3.5.
Эксплуатационные полосы частот ................................................ 143
3.6.
Рассмотрение вопросов затухания сигналов во время дождя ............ 148
3.7.
Приложения HTS ...................................................................... 151
3.8.
Сравнение подходов ................................................................... 155
3.9.
Обзор HTS-систем Ku-диапазона ................................................. 157
3.10.
Конструктивные соображения относительно HTS........................... 162
3.11.
Основы проектирования узконаправленных антенн (спутниковых
антенн) .................................................................................... 163
3.11.1.
Антенны с одним облучателем на луч .................................... 167
3.11.2.
Антенны с несколькими облучателями на луч ......................... 168
3.12.
Примеры HTS ........................................................................... 170
3.12.1.
ViaSat-1 и -2 ....................................................................... 172
3.12.2.
EchoStar ............................................................................ 175
3.12.3.
Eutelsat KA-SAT................................................................. 178
3.12.4.
Intelsat EPIC ...................................................................... 179
3.12.5.
Global ............................................................................... 181
3.12.6.
Другие традиционные HTS................................................... 181
3.12.7.
O3b ................................................................................... 183
3.12.8.
Широкополосная глобальная спутниковая связь (WGS)............ 187
Литература ...................................................................................... 188
Глава 4
Услуги авиационной связи с подвижными объектами ..... 191
4.1.
Обзор использования связи с подвижными объектами на транспорте..... 191
4.2.
Авиационные системы связи ....................................................... 196
4.2.1.
Тенденции рынка ................................................................ 196
4.2.2.
Технологические подходы к авиационной связи ....................... 198
4.2.3.
Технология создания антенн для авиационной связи и вопросы
правового регулирования...................................................... 205
4.2.4.
Технология создания терминалов........................................... 209
4.2.5.
Пример проектирования антенн (ViaSat) ................................ 210
4.2.6.
Формирование луча и наземные системы формирования луча
(GBBF Ground-Based Beam Forming) .................................. 221
4.3.
Основные участники рынка и подходы в сфере рассматриваемой
технологии ............................................................................... 225
4.3.1.
Поставщики спутниковой инфраструктуры............................. 225
4.3.2.
Поставщики услуг на линии ¾воздух–земля¿ для авиакомпаний.... 232
Литература ...................................................................................... 238
Глава 5
Услуги морской связи и другие услуги связи
с подвижными объектами........................................................ 240
5.1.
Подходы к осуществлению морской связи ..................................... 240
5.2.
Ключевые участники рынка ....................................................... 246
5.2.1.
Inmarsat ............................................................................ 246
5.2.2.
ViaSat/KVH ....................................................................... 246
5.2.3.
Intelsat............................................................................... 247
5.2.4.
O3b ................................................................................... 247
5.3.
Приложения Comms-On-The-Move (связь в движении) ................... 249
5.4.
Транспортабельные системы HTS/Ka-диапазона ............................ 251
Литература ...................................................................................... 255
Глава 6
Разработки и спутниковые приложения связи М2М....... 256
6.1.
Общий обзор интернета вещей и связи М2М.................................. 256
6.2.
Структура М2М ....................................................................... 269
6.3.
Примеры приложений связи М2М и их поддержка спутниковой
связью ..................................................................................... 277
6.3.1.
Примеры общих приложений ................................................ 278
6.3.2.
Роли, контекст и приложения для спутников........................... 291
6.3.3.
Антенны для приложений спутниковой связи M2M.................. 292
6.3.4.
Возможности рынка связи M2M для спутниковых операторов ... 293
6.3.5.
Основные участники рынка и подходы спутниковой отрасли .... 301
6.4.
Конкурентные беспроводные технологии....................................... 321
6.4.1.
Универсальная система мобильной связи (UMTS).................... 329
6.4.2.
Долгосрочное развитие сетей связи (LTE) .............................. 329
Литература ...................................................................................... 332
Глава 7
Видео и телевидение ультравысокой четкости
и приложения спутниковой связи ......................................... 335
7.1.
Стандарт H.265 в контексте Ultra HD........................................... 336
7.2.
Требования к полосе пропускания/передаче ................................. 352
7.3.
Наземное распределение сигналов ............................................... 355
7.4.
Спутниковое распределение сигналов ........................................... 356
7.5.
Гибридное распределение сигналов .............................................. 358
7.6.
Проблемы развития, расходы, восприятие .................................... 358
Литература ...................................................................................... 359
Глава 8
Спутниковые технологии: электрические ракетные
двигатели и пусковые платформы ........................................ 360
8.1.
Основные технологии и подход к разработке электрических ракетных
двигателей................................................................................ 361
8.2.
Электрические ракетные двигатели.............................................. 369
8.2.1.
Ионные двигатели ............................................................... 370
8.2.2.
Двигатели на эффектах Холла .............................................. 370
8.2.3.
Магнитоплазмодинамический двигатель ................................. 373
8.3.
Преимущества и недостатки использования работы спутников только
на ЭРД .................................................................................... 374
8.4.
Основные данные о точке стояния спутника на ГСО ...................... 378
8.5.
Подходы к производству спутников с ЭРД .................................... 382
8.6.
Новые подходы и участники рынка пусковых платформ ................ 384
8.6.1.
Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX) ................. 384
8.6.2.
Sea Launch (¾Морской старт¿) .............................................. 385
8.6.3.
Традиционные пусковые платформы...................................... 385
Приложение 8A
Стоимость транспондеров ....................................................... 388
8
A.1. Типичные расходы на продажу, общие и административные расходы
(SG&A) и EBITDA для промышленности в целом и компаний
спутниковой связи ..................................................................... 388
8
A.2. Стоимость транспондеров .......................................................... 394
Литература ...................................................................................... 396
Приложение A
Список некоторых патентов на системы для спутников
связи со сфокусированными лучами и многолучевых
спутников связи ......................................................................... 398
Литература ...................................................................................... 402
Приложение B
Глоссарий основных концепций и терминов спутниковой
связи ............................................................................................. 404
Предметный указатель............................................................. 434
Предисловие редактора перевода
Предлагаемая книга перевод с английского языка представляет собой обзор
достижений в области коммерческой спутниковой связи и содержит некоторые
сведения о средствах выведения спутников связи, в том числе российских косми-
ческих аппаратов (КА) типа "Молния", сведения об особенностях выведения КА
с использованием ракеты-носителя "Протон-М" с разгонным блоком "Бриз-М" и
других. Работа по подготовке оригинального издания этой книги на английском
языке относится к 2015 году, по этой причине и упомянутый обзор заканчивается
тем же годом. Понятно, что после 2015 года развитие спутниковой связи в мире
не прекратилось. В частности, за этот период времени в Германии и других стра-
нах осуществлен переход от аналогового телевидения к цифровому телевидению
высокой четкости. В России такой переход начат 15 апреля 2019 года.
Так как книга имеет ярко выраженный уклон в сторону освещения коммер-
ческой стороны использования спутниковой связи, то и терминология, исполь-
зуемая в книге, несет на себе соответствующий оттенок. При работе с перево-
дом редактор посчитал излишним введение толкования некоторых используемых
в книге терминов ("инновации", "терминал" и др.), полагая эти термины обще-
известными, смысл которых читатель может почерпнуть из других источников.
Вводная глава содержит справочный технический материал, который может
быть полезен инженерам по спутниковой связи вне зависимости от остального
содержания книги. В частности, в этой главе приведены сведения о наименова-
ниях радиодиапазонов, используемых в спутниковой связи, а также околоземных
орбит спутников космической связи (не только геостационарных).
В книге содержатся термины из словаря радиоинженеров и специалистов по
баллистике, которые могут оказаться непонятными для отечественных "провай-
деров". По этой причине при переводе на русский язык в тексте книги при-
ведены подстрочные примечания, уточняющие суть некоторых использованных
терминов из словаря радиоинженеров: "повторное использование частот" (фак-
тически одновременное в непересекающихся лучах), транспондер, офсетная
антенна и др.
В русском переводе книги в подстрочных примечаниях раскрыто содержание
некоторых использованных терминов из словаря программистов-компьютерщи-
ков (веб-страницы, браузер, утилита, стек, хаб и др.).
Первое использование в книге аббревиатур на английском языке сопровож-
дается переводом на русский язык, в дальнейшем в тексте аббревиатуры ис-
пользуются без пояснений. Для удобства читателей в издании на русском языке
в приложении В приведен Глоссарий основных концепций и терминов спутнико-
вой связи. Он создан на основе различных источников в ограниченном объеме
информации с приведением ссылок на эти источники. На стр. 434–445 приве-
ден "Предметный указатель использованных в книге терминов и аббревиатур"
с указанием номера страницы с первым упоминанием термина в книге.
Книга содержит 8 глав, перечни источников, малодоступных рядовому рус-
скоязычному читателю (исключительно на английском языке), три приложения
и предметный указатель. Чтение книги рекомендуется начать с ознакомления
с основными терминами спутниковой связи (см. Приложение В, стр. 404).
Руководитель филиала
АО "Объединенная ракетно-космическая корпорация"
"Научно-исследовательский институт космического приборостроения"
Шашков Алексей Алексеевич
Посвящается Анне
и моим родителям Джино и Анжеле
Предисловие
В последние несколько лет был отмечен ряд технических и эксплуатационных
достижений, влияющих на коммерческое приложение спутниковой связи. В этой
книге рассматриваются некоторые из этих новых ключевых достижений, а также
последствия и/или возможности их внедрения для конечных пользователей и по-
ставщиков подобных услуг. Спутниковая связь играет и будет продолжать играть
ключевую роль в коммерческих, TV/СМИ, правительственных и военных ком-
муникациях вследствие своих возможностей многоадресности/широковещания,
предоставления услуг мобильной связи, глобального охвата, надежности и спо-
собности быстро поддерживать обеспечение связи в открытом космосе и/или
враждебном окружении.
Бизнес-факторы, влияющие на отрасль в настоящее время, включают в се-
бя стремление к более высокой пропускной способности каналов связи и бо-
лее экономически эффективному использованию частотной полосы пропускания.
Улучшенные методы модуляции позволяют пользователям повысить скорость
передачи данных каналов за счет использования таких методов, как 64APSK
(amplitude-phase shift keying амплитудно-фазовая манипуляция). Высокая про-
пускная способность также достигается за счет использования узконаправленно-
го луча в Ка (и Кu)-диапазоне на спутниках с высокой пропускной способностью
(HTS - High Throughput Satellites), а также с помощью сокращения задержки
передачи (благодаря пакету протоколов высокого уровня по установлению свя-
зи) с использованием спутников на средневысотной околоземной орбите (MЕO
Medium Earth Orbit) высотой 8 тыс. км над экватором (их также называют MЕO-
HTS), но там, где пользователи должны использовать две перенацеливаемые
антенны для отслеживания космических аппаратов и сохранить возможность
соединения путем перемещения по пути от одного спутника в созвездии (группи-
ровке) к другому.
Предоставление услуг людям, постоянно пребывающим в разъездах, особен-
но во время заокеанских перелетов, в настоящее время технически осуществимо
и финансово выгодно для заинтересованных поставщиков услуг. Подключение
M2M (машина-машина), будь то грузовые автомобили во время трансконти-
нентальных рейсов или агрегация телеметрии самолетов в режиме реального
времени, или отслеживание данных отправленных товаров, открывает новые воз-
можности для расширения интернета вещей (IoT Internet of Things) до далеко
распределенных в пространстве объектов, особенно в океанических условиях. За-
рождающееся цифровое телевидение сверхвысокой четкости (UHDTV Ultra
High Definition Television) обеспечивает качественное видеоизображение, кото-
рое эквивалентно 8–16 экранам, принимающим телевизионный сигнал высокой
четкости (HDTV High Definition Television) (33 млн пикселей, для разрешения
в 7680 × 4320), по сравнению с максимум 2 млн пикселей (разрешение 1920×1080)
для услуг HDTV текущего высокого качества, отсюда становится ясно, что это
требует гораздо более высокой пропускной способности. В перспективе на 2020 г.
операторы спутниковой связи планируют позиционировать свои услуги в этом
сегменте рынка как общедоступные услуги широкого вещания и производить бо-
лее таргетированные передачи, начиная с момента публикации этой книги.
На уровне базовой технологии ведутся разработки электрических (вместо хи-
мических) двигателей; такие подходы к разработке двигателей способны умень-
шить вес космических аппаратов (и, следовательно, стоимость запуска) и, воз-
можно, продлить срок службы космического аппарата. Кроме того, на рынок
выходят новые пусковые платформы, имеющие цель снижения стоимости запус-
ка космических аппаратов за счет увеличения конкуренции.
Спутниковые сети не могут реально существовать (вечно) в качестве авто-
номных островов в море соединений, следовательно, важную роль продолжают
играть гибридные сети. Широкое внедрение услуг на базе IP-сервисов, в том
числе телевидения на основе IP (IPTV) и предоставление видеоуслуг через ин-
тернет (OTT Over The Top), движимое продолжающимся развертыванием
оптоволоконной связи, в конечном итоге произведут преобразование отрасли.
В частности интернет-протокол, версия 6 (IPv6) представляет собой техноло-
гию, которая в настоящее время развертывается в различных частях мира, что
позволяет производить истинную явную адресацию между оконечными устрой-
ствами. По мере роста числа интеллектуальных систем, которым требуется пря-
мой доступ, до нескольких миллиардов (включая смартфоны, планшеты, прибо-
ры, датчики/исполнительные элементы и даже носимые на теле биометрические
устройства) в итоге протокол IPv6 становится институциональным императивом.
Интеграция спутниковой связи и возможностей протокола IPv6 обещает создать
мощную сетевую инфраструктуру, которая может служить для удовлетворения
растущих потребностей правительства, армии, IPTV и крупных игроков на рын-
ке мобильного видео. И это далеко не все заинтересованные стороны.
Эта книга рассматривает подобные темы развивающихся технологий и пред-
лагаемых ими возможностей. После вводного обзора в главе 2 обсуждаются до-
стижения в области методов модуляции, таких как расширение DBV-S2 (DVB-
S2X). Технологии работы узконаправленного главного лепестка (не только в Ка-,
но и в Ku-диапазоне), которая составляет техническую основу новых систем и
услуг HTS, обсуждаются в главе 3. Услуги авиационной мобильной связи, такие
как интернет во время полета, рассматриваются в главе 4. Мобильная связь при
морских путешествиях и другие виды наземной мобильной связи рассматривают-
ся в главе 5. ПриложенияM2Mисследуются в главе 6. Развивающиеся технологии
получения изображений сверхвысокой четкости (Ultra HD) оцениваются в главе 7.
И, наконец, новые космические технологии, в частности, электрический двига-
тель и новые пусковые платформы, которые в конечном счете способны привести
к более низкой стоимости передачи бита (или стоимости за МГц), обсуждаются
в главе 8.
Эта работа будет представлять интерес для инвесторов в технологии, пла-
нировщиков-операторов спутниковой связи, транспортных операторов и постав-
щиков услуг связи, руководителей службы дальней связи, профессиональных
логистиков, инженеров-разработчиков оборудования, интеграторов технологий;
провайдеров интернет-услуг (ISP Internet Service Providers), телекоммуника-
ционных компаний, а также провайдеров услуг беспроводной связи как внутри
страны, так и в остальном мире.
Благодарности
Автор хотел бы поблагодарить Уильяма Б. Макдональда, президента WBMSAT
Satellite Communications Consulting (Порт Орчард, штат Вашингтон, США) за
просмотр, предоставление вводной информации и руководство при написании
этого текста. WBMSAT проводит исследования, разработку систем, проекти-
рование, интеграцию, тестирование и управление проектами во всех аспектах
коммерческой и военной спутниковой связи.
Также автор хотел бы поблагодарить Эдуарда Д. Горовица за ценный вклад.
Э.Д. Горовиц является соучредителем и директором U.S. Space LLC, компании,
предоставляющей услуги спутниковой связи, и председателем ViviSat, компа-
нии, занятой орбитальным обслуживанием спутников. Недавно Э.Д. Горовиц
вошел в управляющий совет при генеральном директоре Encompass DigitalMedia,
ведущего провайдера мировых телеканалов, прямых спортивных трансляций и
новостных агентств, цифровых средств массовой информации и государственных
услуг.
Тем не менее любое критическое мнение, описание перспектив, ограничений,
а также возможные неясности или отсутствие полной ясности в этой работе сле-
дует отнести на долю автора.
Об авторе
Дэниел Миноли имеет многолетний производственный и управленческий опыт
в области планирования, проектирования, развертывания и обеспечения безопас-
ности IP/IPv6-, телекоммуникационных, беспроводных, спутниковых и видео-
сетей для лучших на мировом рынке провайдеров услуг связи и финансовых
компаний. В настоящее время он является главным техническим директором
Secure Enterprise Systems (www.ses-engineering.us), фирмы, деятельность которой
посвящена проектированию и разработке, оценке технологий, а также обеспе-
чению кибербезопасности больших предприятий. Предыдущими должностями,
которые в последние два десятилетия занимал Д. Миноли, являются: главный ме-
неджер и директор Ground Systems Engineering в SES, втором по величине в мире
поставщике услуг спутниковой связи, директор сетевой архитектуры в Capital
One Financial, главный технический директор в InfoPort Communication Group,
и вице-президент по оказанию пакетных услуг в Teleport Communications Group
(TCG) (в конечном счете эта компания была приобретена компанией AT&T).
В недавнем прошлом он был ответственен (I) за разработки, инжиниринг
и развертывание Ethernet в метро, IP/MPLS (Multi-Protocol Label Switching
технология коммутации пакетов в многопротокольных сетях на базе меток) и
сетей VoIP (Voice over Internet Protocol передача голоса/речи через интер-
нет/VoMPLS (передача голоса и речи с помощью технологии MPLS), (II) разра-
ботку, проектирование и внедрение гибридного IPTV (Internet Protocol Televisi-
on интернет-телевидение), нелинейных и 3DTV-видеосистем, (III) разверты-
вание десятка антенн с большой апертурой (7–13 м) для телепортов в США и
за рубежом; (IV) развертывание услуг спутникового мониторинга по всему ми-
ру (более 40 мест); (V) разработку, инжиниринг и внедрение услуг на основе
протокола IPv6 в сфере M2M/интернета вещей, в области нелинейного видео,
эксплуатации смартфонов, в спутниковой области, а также в области сетевой без-
опасности; и (VI) развертывание инфраструктуры облачных вычислений (Cisco
UCS 3800 серверов) для поставщика услуг кабельного ТВ из первого звена
в США. Некоторые из работ Д. Миноли, посвященные спутниковой и беспровод-
ной связи, IP, видео и интернету вещей, представлены в книгах, принадлежащих
его перу:
• Satellite Systems Engineering in an IPv6 Environment (Francis and Taylor,
2009),
• Wireless Sensor Networks (Wiley 2007),
• Hotspot Networks: Wi-Fi for Public Access Locations (McGraw-Hill, 2002),
• Mobile Video with Mobile IPv6 (Wiley, 2012),
• Linear and Non-Linear Video and TV Applications Using IPv6 and IPv6 Multi-
cast (Wiley, 2012), и
• Building the Internet of Things with IPv6 and MIPv6 (Wiley, 2013).
Дэниел Миноли выступал учредителем при запуске двух компаний посред-
ством бизнес-инкубатора высоких технологий Leading Edge Networks Inc, которой
он открыл в начале 2000-х годов: GlobalWireless Services, поставщика точек до-
ступа безопасного широкополосного мобильного интернета и услуг VoIP, а также
InfoPort Communications Group, столичного оператора оптоволоконной связи и
гигабитного Ethernet, осуществляющего техническую поддержку Центра обра-
ботки данных/SAN/расширения канала и услуги сетевого доступа к облачным
ресурсам.
Автор этой книги также вел колонки для журналов ComputerWorld, Network-
World и Network Computing (1985–2006). Он преподавал в Нью-Йоркском уни-
верситете (Институте информационных технологий), Университете Рутгерса
и Технологическом институте Стивенса (1984–2003). Кроме того, Д. Мино-
ли выступал независимым аналитиком технологий для Gartner/DataPro (1985–
2001); на основе обширного практического опыта работы в финансовых фирмах
и компаниях-операторах мобильной связи он отслеживал развитие технологий и
писал подробные технические отчеты на уровне директора службы дальней связи
и информационных технологий в области телефонии и систем передачи данных,
в том числе освещая темы безопасности, аварийного восстановления/обеспечения
непрерывности работы бизнеса, управления сетью, локальных сетей, сетей бес-
проводного доступа (WAN Wireless Access Network) (ATM, IPv4, MPLS, IPv6),
беспроводных средств связи (локальные сети, общественные точки доступа, бес-
проводные сенсорные сети, 3G/4G и спутниковое телевидение), VoIP, сетевого
дизайна/экономики, сетей операторов связи (например, Ethernet в метро и муль-
типлексирование с грубым разделением по длине волны/с плотным разделением
по длине волны (CWDM — Coarse wavelength-division multiplexing)/(DWDM —
Dense Wavelength Division Multiplexing)) и электронной коммерции. В течение
нескольких лет он был председателем по разработке технической программы
сессий, затем семинаров, а теперь всей конференции IEEE ENTNET (Enterprise
Networking — создание корпоративной сети); ENTNET фокусируется на требо-
ваниях корпоративных сетей для крупных финансовых компаний и других кор-
поративных институтов (эта группа IEEE в настоящее время объединена и стала
Техническим комитетом IEEE по информационной инфраструктуре [TCIIN
Technical Committee on Information Infrastructur]).
Д. Миноли выступал в качестве свидетеля-эксперта в (успешном) иске на
11 млрд долларов, касающемся услуг беспроводной VoIP-системы радиосвязи
воздух-земля в салоне самолета, а также в большом судебном процессе, связанном
с цифровым сканированием и передачей банковских документов/инструментов
(в частности, отсканированных чеков). Д. Миноли был задействован в каче-
стве технического эксперта в ряде судебных процедур по поводу нарушения па-
тентных прав в области цифровой обработки изображений, VoIP, межсетевых
экранов и юридических фирм, осуществляющих поддержку космических VPN
(виртуальных частных сетей), в том числе Schiff Hardin LLP, Fulbright & Jaworski
LLP, Dimock Stratton LLP/Smart & Biggar LLP, Munger, Tolles, and Olson LLP и
Baker & McKenzie LLP.
На протяжении многих лет автор этой книги консультировал венчурные ком-
пании относительно инвестиций в десяток высокотехнологичных компаний. Он
выполнил обширные технические, продажные и маркетинговые аналитические
исследования высокотехнологичных фирм, ищущих финансирование на общую
сумму около 150 млн долларов, развивающих мультимедиа, цифровое видео,
коммутацию на физическом уровне, малые терминалы спутниковой связи узкой
направленности (VSAT Very Small Aperture Terminal), телемедицину, интегра-
цию телефонных систем с компьютерами (CTI Computer Telephony Integration)
на основе Java, VoFR & VPN, HDTV, оптические чипы, H.323 шлюзы, нанопроиз-
водство/беспроводной уровень квантовых каскадных лазеров (QCL Quantum
Cascade Laser) и сети управления телекоммуникациями (TMN telecommuni-
cation management network). Следует упомянуть и достижения в следующих
направлениях: мобильная радиосвязь (MRC mobile radio communications)
мультимедиа и асинхронный режим передачи; NHC коммутация на физиче-
ском уровне; CoastCom системы VSAT; Cifra телемедицина; Uniforce
CTI на основе Java IP; Memotec VoFR; Miranda HDTV и электронное
кино; Lumenon оптическое мультиплексирование с разделением по длине
волны (WDM Wavelength Division Multiplexing); Medisys активный про-
токол обмена сигналами (ASP Active Signaling Protocol) для здравоохранения
на основе сети интернет; Tri-Link H.323 VoIP шлюз; Maxima беспровод-
ная оптическая метро-сеть в пространстве свободного распространения сигналов
с использованием квантовых каскадных лазеров (QCL Quantum Cascade Laser),
изготовленных методами нанотехнологий; и, ACE*COMM (связь с асинхронным
методом передачи Auxiliary Control Element) для TMN / IPDR (финансисты/
венчурный капитал Societe’ General de Financiament de Quebec; Caisse de Depot
et Placement Quebec; Les Funds De Solidarite’ Des Travailleurs).
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковые системы, охватывающие своими услугами коммерческую, военную
сферы и дистанционное зондирование Земли (включая сбор сведений о погоде),
предлагают важные глобальные возможности подключения и наблюдения, кото-
рые в современном мире уже сейчас воспринимаются как незаменимые. Будь то
поддержка мобильной связи в виде доступа к интернету и телеметрия в режиме
реального времени с самолетов и морских судов на океанских маршрутах или рас-
пространение высококачественного развлекательного видео на рассредоточенных
территориях развивающихся стран без значительной наземной инфраструктуры,
или экстренная связь в неблагоприятных условиях или отдаленных районах, или
приложения для отображения земной поверхности либо театра военных действий
с помощью беспилотных летательных аппаратов и спутников удовлетворяют
тем требованиям, которым не способны отвечать другие формы связи, в том чис-
ле оптоволоконные. На момент написания этой книги на орбите Земли находятся
более 900 спутников. Однако из-за продолжающегося быстрого развертывания
услуг оптоволоконной связи и интернет-протокола (IP) в крупных городских рай-
онах Северной Америки, Европы, Азии, Южной Америки и даже в Африке, где
находятся клиенты, грамотные и изощренные подходы в технологиях и марке-
тинге, с помощью которых можно органически интегрировать IP в комплексное
решение, крайне необходимы спутниковым операторам для поддержания эконо-
мического роста.
Прогрессивные спутниковые операторы, несомненно, предпочитают в той или
иной степени реализовывать некоторые концепции, представленные в этой книге,
концепции, честно говоря, сами по себе не такие уж новые или эзотерические, так
как идея создания спутниковых систем имеет гораздо большие перспективы, чем
выпуск микроволновых ретрансляторов (микроволновые ретрансляторы с опера-
тивным функциональным эквивалентом ретрансляторов развертывались в 1950-е
годы в системе Bell в СоединенныхШтатах) для поддержания роста рынка с вер-
тикальной интеграцией крайне востребованных пользователем приложений. Эта
идея уже была поддержана наблюдателями от промышленности в конце 1970-х
годов (например, но, конечно, не ограничиваясь [MIN197901]) и исследователями
технологий тех времен (например, [ROS198201], [ROS198401] и др.).
1.1.Обшие сведения
Спутниковая связь основана на системе односторонней или двухсторонней пе-
редачи радиочастотных сигналов по линии прямой видимости (LOS line-of-
sight), которая состоит из передающей станции, использующей канал восходящей
линии связи, находящейся в космосе спутниковой системы, которая действу-
ет в качестве узла восстановления сигнала, и одной или нескольких приемных
станций, занятых мониторингом канала нисходящей линии связи для приема
информации. В случае двухсторонней связи обе конечные станции обладают
функциональными возможностями передачи и приема сигналов (рис. 1.1).
Спутники могут находиться на различных околоземных орбитах. Геостаци-
онарная орбита (ГСО) является концентрической круговой орбитой в плоско-
сти экватора Земли на высоте 35 786 км (22 236 миль) от поверхности Земли
(42 164 км от центра Земли, радиус Земли составляет 6378 км). Спутники на
геосинхронной орбите (GEO)1 вращаются на ГСО вокруг Земли с ее угловой
скоростью и в том же направлении. Когда спутник находится на этой орбите
в плоскости экватора, при наблюдении с земной поверхности создается впечат-
ление, что он остается неподвижным, поэтому не требуется отслеживание этого
спутника антенной, направленной на него или (крупной) позиционной корректи-
ровки с периодическими интервалами времени2.
ГСО представляет собой круговую орбиту, по которой спутник совершает ор-
битальное движение в том же направлении, что и небесное тело, расположенную
в экваториальной плоскости с орбитальным периодом, равным периоду вращения
Земли. Возможна работа спутниковой связи на других орбитах: средней (СОО)
и низкой (НОО) околоземных орбитах.
Традиционно спутниковые услуги были официально классифицированы на
следующие категории:
• Фиксированная спутниковая служба связи (ФСС) (FSS Fixed Satellite
Service) это спутниковая служба, осуществляющая связь между спутни-
ковыми терминалами, которые располагаются в определенных фиксирован-
ных точках, с помощью одного или нескольких спутников. Как правило,
ФСС задействована для передачи видео, голоса и данных протокола IP
на большие расстояния из фиксированных точек. ФСС использует геоста-
ционарные спутники с фиксированными наземными станциями. Сигналы
передаются от одной точки на земном шаре как к одной точке (точка-точка),
так и от одного передатчика к нескольким приемникам (точка-многоточеч-
ное соединение). ФСС может включать в себя связь типа спутник-спутник
(мало распространена в коммерческой сфере) или в виде фидерных со-
единений для других спутниковых услуг, таких как спутниковая служба
мобильной связи или спутниковая служба вещания.
• Спутниковое вещание (BSS Broadcast Satellite Service) спутниковая
служба, которая через спутник поддерживает передачу и прием сигналов,
предназначенных для непосредственного приема потребителями. Наилуч-
шим примером является услуга прямой трансляции (DBS Direct Broadcast
Service), которая поддерживает прямую трансляцию теле- и аудиоканалов
в домах или бизнес-офисах непосредственно со спутников на определенной
полосе частот. BSS/DBS использует геостационарные спутники. В отличие
от ФСС, которая имеет связь как точка-точка, так и точка-многоточечное
соединение, BSS осуществляет услуги связи только типа точка-многоточеч-
ное соединение. Следовательно, для обслуживания этого рынка требуется
меньшее количество спутников.
• Спутниковая услуга мобильной связи (MSS Mobile Satellite Service)
спутниковая служба, предназначенная для обеспечения беспроводной свя-
зи в любой точке земного шара. Благодаря широкому распространению
сотовых телефонов пользователи как само собой разумеющееся стали вос-
принимать возможность использовать телефон в любой точке мира, в том
числе в сельских районах развитых стран.MSS является спутниковой служ-
бой, которая расширяет эту возможность.Для приложений телефонии необ-
ходим специально сконфигурированный телефон. MSS обычно использует
спутниковые системы на СОО и НОО.
• Спутниковая услуга морской мобильной связи (MMSS Maritime Mobile
Satellite Service) спутниковая служба, которая осуществляет связь между
мобильными наземными станциями спутниковой связи и одним или несколь-
кими спутниками.
• Хотя глобальная система определения местоположения (служба/) система
(GPS) формально и не является службой в нормативном смысле, ее можно
добавить в этот список; эта служба использует созвездие спутников для
обеспечения должным образом оборудованных терминалов информацией о
глобальном позиционировании.
За последние несколько лет можно отметить ряд технических и эксплуатаци-
онных достижений, которые повлияли на коммерческое приложение спутниковой
связи, именно они находятся в центре внимания этой книги. Эффективное ис-
пользование спектра в настоящее время активно востребовано конечными пользо-
вателями, чтобы поддержать экономическую основу распространения контента,
а также IP-телефонии (VoIP) и интернет-трафика. В то же время для сохране-
ния роста продаж операторы должны сосредоточиться на предоставлении услуг
в области IP (корпоративный и интернет-доступ), видео следующего поколения
(гибридное распределение, кэширование, нелинейное видео/видео с манипуля-
цией временем, высокое разрешение), а также мобильной связи. Некоторые из
последних достижений технологий/услуг включают в себя следующее:
• Бизнес-факторы, влияющие на отрасль в момент публикации этой книги,
заключаются в стремлении к более высокой общей пропускной способности
спутникового канала и системы. Усовершенствованные схемы модуляции
позволяют пользователям увеличить пропускную способность канала: пе-
редовые методы модуляции и кодирования (modcod) вводятся в качестве
стандартизованных решений, будучи встроенными в модемы нового по-
коления обеспечивают передачу большего количества битов в секунду на
единицу спектра, а адаптивное кодирование позволяет эффективнее ис-
пользовать более высокочастотные диапазоны, которые по своей природе
подвержены ослаблению сигнала вследствие дождевых осадков. В насто-
ящее время внедряются расширения для давно утвержденного стандарта
базовой линии DVB-S2.
• Высокая пропускная способность также достигается за счет использования
узконаправленных главных лепестков (лучей) диаграммы направленности
на спутниках с высокой пропускной способностью канала приемо-передачи
(HTS High Throughput Satellites), как правило (но не всегда), работаю-
щих в Ka-диапазоне (18,3–20,2 ГГц для частот нисходящей линии связи
и 28,1–30 ГГц для частот восходящей линии связи), и с помощью сокра-
щения времени ожидания передачи благодаря использованию спутников
на СОО. HTS способны поддерживать исходную суммарную пропускную
способность на уровне более 100 Гбит и, таким образом, значительно сни-
жать общие затраты из расчета на бит путем использования ориентирован-
ных узконаправленных главных лепестков высокой мощности. Системы и
возможности HTS могут быть использованы провайдерами, чтобы расши-
рить портфель предлагаемых услуг спутниковой связи. HTS отличаются от
традиционных спутников в разных аспектах, в том числе использованием
лучей/ретрансляторов высокой пропускной способности до 100 МГц или
более; применением наземных станций-ретрансляторов, которые поддержи-
вают один или два десятка лучей (обычно с требованием к пропускной
способности 5 Гб/с); высокой пропускной способностью каждой удаленной
станции и передовыми методами решения проблемы ослабления сигнала во
время дождя, особенно для систем, работающих в Ка-диапазоне.
• Предоставление услуг связи людям в дороге, например, путешествующим
на морских и воздушных судах, где отсутствует наземное подключение,
в настоящее время является технически осуществимым и финансово вы-
годным для поставщиков услуг. Когда эта услуга требуется на скоростных
самолетах, нужно принять во внимание конструктивные соображения от-
носительно специальных антенн (например, следящих антенн).
• Подключение M2M (машина-машина) для грузовых автомобилей во время
трансконтинентальных рейсов, сбор телеметрической информации самоле-
тов в режиме реального времени или отслеживание данных о передвижении
торговых судов открывает новые возможности для расширения интернета
вещей (IoT) для широко распределенных объектов, в частности, в океани-
ческих средах. С увеличением мировой торговли некоторые наблюдатели
связывают возрастающие требования к морским сетям связи, поддерживае-
мым спутниковой связью. Требования к морской связи могут варьироваться
в зависимости от типа судна, компании-оператора, объема данных, потреб-
ностей экипажа и пассажиров и используемых приложений (в том числе
Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ, GMDSS Global Maritime Distress and Safety System),
поэтому может быть востребован или применен целый ряд решений.
• Новое телевидение ультравысокой четкости (UHDTV Ultra High Defini-
tion Television) (также известное как Ultra HD или UHD) обеспечивает
качество видео, которое эквивалентно 8–16 экранам HDTV. Понятно, что
это требует гораздо более высокой пропускной способности для каждого
канала, чем используется при передаче видео в настоящее время. Появля-
ются так называемые 4К и 8К версии на основе разрешающей способности
видео по вертикали. Спутниковые операторы планируют позиционировать
себя в этом сегменте рынка с позиции предоставления общедоступных веща-
тельных услуг, запланированных до 2020 года, и более целенаправленных
передач, трансляция которых началась во время написания этой книги.
UHDTV потребует пропускную способность около 60 Мбит/с для услуг по
распространению сигнала и 100 Мбит/с для способствующих услуг. Исполь-
зование расширений DVB-S2 (и, возможно, ретрансляторов с более широкой
полосой пропускания, например, на 72 МГц) будет общим требованием. Но-
вый стандарт сжатия видео (алгоритм) H.265/HEVC (High Efficiency Video
Coding высокоэффективное кодирование видеоизображений) обеспечива-
ет в 2 раза большую эффективность сжатия по сравнению с базовым алго-
ритмом H.264/AVC (Advanced Video Coding усовершенствованное коди-
рование видеоизображений). Тем не менее он также повышает сложность
вычислений, требующих более современных наборов микросхем. В послед-
ние годы было разработано много методов демонстраций и моделирования,
особенно в 2013 году, выпуск продуктов коммерческого класса ожидается
в период 2014–2015 гг., как раз вовремя для использования в приложениях
для UHD (наземных и спутниковых). Даже в контексте видео стандарт-
ной (SD)/высокой (HD) четкости обновление кодирующего оборудования
для наземных станций поставщиками контента для H.264 HEVC снижает
требования к пропускной способности (и, следовательно, повторяющиеся
расходы) до 50%. Обновление с DVB-S2 до расширений DVB-S2 (DVB-S2X)
может уменьшить пропускную способность дополнительно на 10–60%.
• Гибридные сети, объединяющие спутниковые и наземные подключения (осо-
бенно IP-сети), будут играть важную роль в ближайшем будущем.Широкое
внедрение IP-услуг, в том числе IP-телевидения (IPTV) и видео в интернете
(OTT video over-the-top video), что обусловлено продолжающимся раз-
вертыванием оптоволоконной связи, в конечном счете, изменит индустрию.
В частности, IP-протокол версии 6 (IPv6) представляет собой технологию,
которая в настоящее время развернута в различных частях мира и позволя-
ет производить прямую адресацию между конечными устройствами. Инте-
грация спутниковой связи и возможностей IPv6 обещает обеспечить основу
создания сетей гибридной инфраструктуры, которая может обслуживать
растущие потребности в правительстве, среди военных, IPTV и агентов мо-
бильного видео, и это далеко не все заинтересованные лица.
• На уровне базовой технологии изучаются и, по сути, разрабатываются элек-
трические (вместо химических) двигатели для космических аппаратов; та-
кие подходы к конструкции двигателей могут уменьшить вес космических
аппаратов (и также стоимость запуска) и, возможно, продлить срок службы космического аппарата. Согласно мнению сторонников этой концепции,
использование электрического ракетного двигателя (ЭРД) для удержания
спутника в заданной точке орбиты уже изменило глобальную спутниковую
индустрию и теперь благодаря дозаправке топливом на орбите и увеличе-
нию высоты орбиты готово ее трансформировать.
• Кроме того, на рынок выходят новые пусковые платформы, опять же с це-
лью снижения стоимости запуска за счет увеличения конкуренции.
Таким образом, очевидно, что спутниковая связь играет и будет продолжать
играть ключевую роль в коммерческих, TV/СМИ, правительственных и военных
коммуникациях из-за своих собственных возможностей многоадресной /широко-
вещательной передачи, аспектов мобильной связи, глобального охвата, надежно-
сти и способности быстро поддерживать связь в открытом пространстве и/или
агрессивных средах. В этой книге рассматриваются некоторые из этих новых
ключевых достижений и те последствия и/или возможности для конечных поль-
зователей и поставщиков услуг, которые они могут повлечь за собой. Книга
представляет собой законченный труд, следовательно, некоторые основные тех-
нические сведения были включены в эту вводную главу.
1.2.Проблемы возможности отрасли: развиваюшиеся тенденции
1.2.1. Проблемы и возможности
Расширяя рамки наблюдений, сделанных во вступительном разделе, полезно оце-
нить некоторые общие тенденции в отрасли по состоянию на середину деся-
тилетия 2010-е годы. Наблюдения, подобные приведенным ниже, частично
характеризуют окружающую среду и тенденции:
". .Изменение экономики отрасли [является] ключевым фактором дол-
госрочного роста спутникового сектора. . . Мы должны приблизиться
к реальности, стать более эффективными, раздвинуть границы. . . от-
расль должна не только снизить затраты, но и расширить рынок за
счет инноваций. . . "
[WAI201401];
". .Спутниковый рынок переживает кардинальные изменения во всех
аспектах от запуска новых спутников с высокой пропускной способ-
ностью до резкого снижения стоимости запуска, обусловленного сме-
лостью новых участников рынка. . . недорогие и надежные варианты
запуска [становятся все более доступны]. . . "
[WAI201401];
". .Это открытый вопрос для того, кто заметил самые высокие тем-
пы роста. Будет ли первая четверка продолжать выигрывать крупные
сделки и подталкивать отрасль к дальнейшей консолидации или ма-
ятник качнется к региональным игрокам с их более тесными связями
с внутренними/национальными клиентскими базами и запуском новых
спутников под "национальным флагом"?. . . "
[GLO301301];
.. . .Совмещение беспроводных характеристик, телефонии и услуг высоко-
скоростного широкополосного интернета по мере снижения конкуренции;
пул клиентов платного телевидения достигает максимума в США [и
в Европе], потому что зрители все чаще смотрят видео через интер-
нет. . . .
[SHE201401];
.. . .Рынок ТВ и видео переживает существенный сдвиг в способе по-
лучения и потребления контента, который уже не повернуть назад.
Технические инновации и пакетизация новых услуг умножают. . . взаи-
модействия между контентом и зрителями. . .Четыре основные движу-
щие силы влияют на способ управления контентом от его производства
до распространения и монетизации. Ими являются:
• делинеаризация потребления контента и умножение экранов и се-
тей для доступа к контенту;
• более быстрый рост конкуренции, чем в общем объеме продаж; новые
источники контента, посредники и дистрибьюторы конкурируют
за цепочку создания стоимости;
• более короткие циклы инноваций и инвестиций, чтобы удовлетво-
рить ожидания клиентов; а также
• быстрый рост в развивающихся регионах открывает новые возмож-
ности для расширения бизнеса за счет возрастающей адаптации
к местным потребностям. . . .
[BUC201401].
.. . .Поиск инновационных конфигураций спутников и их запуска являет-
ся абсолютной необходимостью для спутниковой индустрии, если она со-
бирается оставаться конкурентоспособной в отношении наземных тех-
нологий. . . стоимость спутника плюс стоимость ракеты-носителя для. . .
доставки 36-мегагерцного ретранслятора на орбиту составляет 1,75 млн
долларов. . . .
[SEL201402];
.. . .Множество факторов способны нарушить рынок и оказать влияние
на конкуренцию, спрос или цены. . . разукомплектование фиксированной
спутниковой службы связи (FSS _ fixed satellite system) мобильной спут-
никовой системы (MSS _ Mobile Satellite Systems), появление новых
конкурентов на арене наблюдений за поверхностью Земли, изменения
в поведении правительства США как клиента, растущая конкурен-
ция со стороны развивающихся рынков, рост правительств (глобально)
в качестве источника финансирования спутникового сектора рынка и
принятия стандарта 4K для DBS. . . .
[SAT201401];
.Термины .инновация. и .изготовление спутников. не всегда стоит
употреблять в одном и том же предложении. . .Из-за дороговизны и
неприятия риска технических сложностей инновации довольно медленно
совершаются в области спутниковой связи. . . .
[PAT201301];
.. . .После совершения прямых высокоприбыльных инвестиций новые ини-
циативы роста выглядят имеющими либо более высокие риски, либо более
низкий доход. . .Является ли сама зрелость отрасли разрушительным
фактором, форсируя проведение экспериментов, которые выходят за гра-
ницы риска?. . . .
[SAT201401];
.Для поддержания обмена большими и все увеличивающимися объемами
передачи данных, видео и голоса через спутник требуются все более высо-
кие скорости передачи, более эффективные технологии спутниковой свя-
зи и более широкополосные ретрансляторы. Кроме того, конечные поль-
зователи ожидают получить возможность соединения в любом месте
в любое время _ там, где они путешествуют, живут или работают.
Самый большой спрос на расширения стандарта DVB-S2 наблюдается
для видео и высокоскоростных IP-услуг, так как эти услуги наиболее под-
вержены влиянию роста скоростей передачи данных. . . .
[WIL201401];
.Последние данные подтверждают, что рынок спутников широкополос-
ной связи или так называемых спутниковых систем высокой пропуск-
ной способности находится на подъеме. Поскольку общий кумулятивный
объем капитальных вложений в спутники с высокой пропускной способ-
ностью повышается до 12 млрд долларов, должен быть поднят важный
вопрос: каким образом эти новые системы будут влиять на умонастро-
ения в нашей отрасли?. . .Большой приток этой мощности на рынок со-
здает некоторые опасения по поводу риска избыточного предложения
в таких регионах, как Латинская Америка, Ближний Восток и Африка
и Азиатско-Тихоокеанский регион. . . .
[DER201301];
.. . . [Спутник с высокой пропускной способностью] предназначен для пре-
образования экономики и качества услуг широкополосной спутниковой
связи. . . в течение следующего десятилетия служба спутникового ска-
нирования ускорит рост спроса на мультимедийный доступ в интер-
нет. . .Современные спутниковые системы не предназначены для прило-
жений, требующих высокой пропускной способности, которые востребо-
ваны населением, таких как видео, обмен фотографиями, VoIP и соеди-
нения одноранговых сетей. Решение состоит в том, чтобы увеличить
пропускную способность и скорость передачи данных с использованием
спутниковой связи. Улучшение службы спутниковой связи заключается
не только в более высоких скоростях, но в увеличении ширины поло-
сы пропускания, доступной для каждого клиента в сети, что позволит
уменьшить сетевые конфликты. . . .
[VIA201401];
.Приобретение коммерческих ГСО-спутников связи будет оставаться
на стабильном уровне в течение ближайших 10 лет. В то время как
промышленность будет испытывать краткосрочный спад после высо-
ких показателей 2013 г.. . . Движущими факторами по-прежнему бу-
дут замена устаревших и ввод некоторых расширений, в первую очередь
в Ku-диапазоне и HTS . Тем не менее ряд тенденций будет влиять на
кривую их роста и существенно изменять компромиссные условия для
производства спутников:
• Рост использования новых типов двигателей;
• Предложения других платформ от растущего числа поставщиков;
• Рост применения многолучевых архитектур;
• Услуги запуска будут расширяться в сторону большей массовости.
Формирование всей индустрии направлено в рост, в том числе и произво-
дителей спутниковых систем, и поставщиков услуг запуска. . . В послед-
ние несколько лет доли рынка значительно увеличились, и после несколь-
ких лет самоуспокоенности некоторые игроки оказались на грани полной
незначительности в этом важном пространстве рынка. . . .
.. . .Мы живем в интеллектуальном, взаимосвязанном мире. Количе-
ство устройств, подключенных к интернету, в настоящее время пре-
вышает общее число людей на планете, и к концу десятилетия мы уже
разогнались до 50 миллиардов устройств. . . последствия этого нового
.интернета вещей (IоT). огромны. Согласно данным недавнего доклада
McKinsey Global Institute, IoT имеет потенциал для реализации к 2025
году новой экономической ценности на 6,2 трлн долларов в год. Фирма
также прогнозирует, что к тому времени от 80 до 100% от всех произ-
водителей будут использовать приложения IоT, что только для миро-
вой обрабатывающей промышленности означает потенциальные эконо-
мические последствия на уровне 2,3 трлн долларов. . . .
[HEP201401];
.. . .В докладе содержатся следующие основные выводы:
• Годовой доход беспроводного рынка M2M будет составлять около
196 млрд долларов к концу 2020 года, следуя совокупным темпам
годового роста (CAGR Compound Annual Growth Rate) на уровне 21%
в течение шестилетнего периода между 2014 и 2020 годами;
• Установленная база М2М-соединений (проводных и беспроводных) бу-
дет расти в среднем на 25% в период между 2014 и 2020 годами,
в конечном счете достигнув около 9 млрд соединений по всему миру;
• Растущее число беспроводных решений M2M в чувствительной кри-
тической инфраструктуре отрасли оказывает глубокое влияние на
решения для безопасности сети M2M, рынок по оценкам достигнет
почти 1,5 млрд долларов ежегодных расходов на конец 2020 года;
• Ведомые требованиями к управлению устройствами, результатами
анализа данных облачных вычислений и диагностических средств,
ежегодные расходы на конец 2020 года на платформы М2М/IoT (вклю-
чая платформы устройств, подключенных к интернету [CDP _
Connected Device Platform], платформы для реализации приложений
[AEP _ Application Enablement Platform] и платформы разработки
приложений [ADP _ Application Development Platforms), как ожида-
ется, составят 11 млрд долларов. . . .
[SST201401].
Кевин Эштон известен как автор термина .интернет вещей. _ системы,
в которой интернет подключен к физическому миру с помощью повсеместно
установленных датчиков [MIN201301]. В последнее время он сделал весьма убе-
дительные замечания, которые, учитывая их глубину, приведены здесь (почти)
в полном объеме:
.Вчера воздушный поиск плавающих обломков малазийского боинга рей-
са 370 был отменен, а подводный поиск, который проводили на основе
вероятных сигналов приводного радиомаяка, был завершен без успеха. . .
Более чем 50-дневная работа, которую австралийский премьер-министр
Тони Эбботт назвал .пожалуй, самым трудным поиском в истории че-
ловечества., только подчеркивает большой технологический разрыв. Мы
живем в эпоху, которую я когда-то назвал .интернет вещей., где все _
от автомобилей до весов в ванной и медленноварки (Crock-Pots) _ можно
подключить к интернету, но так или иначе, самолетные системы пере-
дачи данных оказались не подключены ни к чему. . . система адресации и
отчетности по воздушным сообщениям (ACARS _ Aircraft Communica-
tions Addressing and Reporting System), которая была изобретена в 1970-е
годы и основана на телексе, почти вековом предке текстовых сообще-
ний, производилась в существенной степени устаревшими факсимильны-
ми аппаратами. . . Когда так много всего подключено к интернету, то
почему аэрокосмическая промышленность для поиска флэш-накопителей
в море использует технологию, которая предшествует факс-аппарату?
Потому что в то время как технологии для наземной связи быстро
совершенствовались в течение последних 40 лет, технологии для воз-
душной связи застряли в 1970-х годах. Проблема начинается не с са-
молетов, а со спутников, которые позволяют отслеживать их. Спут-
ник Sentinel-1A, например, весит две с половиной тонны, стоит около
400 млн долларов и был запущен на ракете, разработанной в Совет-
ской России в 1960-е годы. Sentinel может хранить такой же объем
данных, как семь айфонов. Когда эта реликвия из эры мейнфреймов (мо-
дулей) была отправлена на орбиту - 3 апреля. Огромные дорогие спутники
с малой вычислительной мощностью, запускаемые с помощью ракет,
имеют смысл для широкого вещания, где один спутник посылает один
сигнал множеству целей (например, телевизионным приемником), но
они, как правило, слишком дороги и недостаточно .умны., чтобы быть
частью интернета, где много целей (например, самолетов) могут по-
слать много сигналов на один спутник. Именно поэтому большинство
спутников ретранслируют телевизионные сигналы, делают снимки Зем-
ли или посылают сигналы, которые управляют системами GPS. Это
также является причиной того, что невозможно проследить траекто-
рию полета самолетов и определить их местоположение, кроме как по
инверсионному следу: сигналы сотовых телефонов и Wi-Fi не достигают
земли с высоты 10 км, поэтому самолеты должны иметь возможность
передавать информацию на спутники, которые также экономически не
в состоянии обрабатывать данные сети, но предназначены для ретранс-
ляции сигнала на приемные антенны в форме тарелок, которые было
невозможно модернизировать для самолетов.
Решение этих проблем просто: нам нужны новые спутниковые техноло-
гии. И они на подходе. Богатые частные инвесторы и блестящие моло-
дые инженеры переносят спутники в XXI век благодаря изобретениям,
которые включают .пучки. из .наноспутников., которые весят всего
лишь 1,5 кг; плоские, тонкие антенны, построенные на основе использо-
вания передовых материалов, называемых .метаматериалами.; .фор-
мирование луча., которое управляет радиосигналами с помощью про-
граммного обеспечения. 9 января 2014 года участники стартапа из Сан-
Франциско под названием Planet Labs послали группировку из 28 нано-
спутников в космос. Первое приложение для этого типа технологии _
это съемка Земли, но она также может быть использована для получе-
ния потоковой передачи данных с самолета, модернизированного этими
новыми, плоскими .метаматериальными. антеннами. Есть много дру-
гих перспективных систем. Появляются десятки новых спутниковых
технологий и бесчисленное множество способов их комбинации. Получе-
ние потоковых данных самолетов уже скоро станет дешевой и простой
операцией.. [ASH201401].
1.2.2. Тенденции развития технологий
Спутниковая1 отрасль включает в себя производителей космических аппара-
тов, ракет, спутниковых операторов и разработчиков системного оборудования.
Главными операторами являются Eutelsat, Intelsat , SES и TELESAT; также су-
ществуют свои национальные провайдеры (в частности, у стран-членов БРИКС:
Бразилия, Россия, Индия, Китай и ЮАР). В 2013 году рост совокупного дохода
отрасли был на уровне примерно 3–4%; формирующийся рынок и разрабатыва-
емые приложения будут движущей силой продолжения и/или улучшения роста:
(или частично) FSS. Многие авиакомпании планируют модернизировать свои са-
молеты, чтобы предложить услуги подключения в полете. В качестве иллюстра-
тивного примера можно привести опыт компании El Al Israel Airlines, которая
в 2014 году объявила, что с 2015 года начнет оснащать оборудованием свой парк
воздушных судов Боинг-737, чтобы обеспечить в полете широкополосную спутни-
ковую связь с использованием услуги Exede in the Air, принадлежащей компании
Viasat, при поддержке со стороны спутников КА-SAT, работающих в Ka-диапа-
зоне и принадлежащих компании Eutelsat. (Спутниковая связь с использованием
космических аппаратов KA-SAT, принадлежащих компании Eutelsat, покрывает
почти всю Европу, Ближний Восток, часть России, Средней Азии и Восточной
Атлантики.) Пассажирам будет предложено несколько вариантов интернет-услуг,
в том числе один бесплатный сервис для подключения ноутбуков, планшетов или
смартфонов к интернету; Exede in the Air, как сообщается, способна доставлять
до 12 Мбит/с на каждого пассажира, скорость, по словам представителей ком-
пании, не зависит от числа пользователей на данном самолете [SEL201403]. Для
того, чтобы обеспечить полный полетный интернет-сервис для самолетов, авиа-
компании необходимо добавить бортовые терминалы, следящие антенны и обте-
катели бортовых антенн на борт воздушного судна, а также подписаться на по-
лосу пропускания спутникового канала (во время полета) выбранных спутников.
Появляются новые архитектуры, связанные с конструкцией спутников. Дей-
ствительно, до недавнего времени спутниковые операторы проявляли сдержан-
ный интерес к полностью электрической силовой установке спутника, главным
образом потому, что космическому аппарату с этим типом силовых установок тре-
буются месяцы, а не недели, для достижения конечной рабочей позиции на ГСО.
Спутниковые операторы сообщили, что они также озабочены большой продолжи-
тельностью перемещения своих спутников, уже находящихся на геостационарной
орбите, из одной орбитальной позиции в другую, что приходится не раз совер-
шать в течение всего жизненного цикла спутника, который может составлять
15–20 лет (такие перемещения очень распространены, поскольку позволяют опе-
ратору удовлетворять потребности в полосе пропускания в различных частях
мира по мере их возникновения _ в некоторых случаях до 25% спутникового
парка оператора может находиться в состоянии перемещения) [SEL201402]. Тем
не менее есть якобы определенные экономические преимущества использования
электронно-силовой установки космических аппаратов, которые могут снизить
затраты на создание средств ретрансляции с широкой полосой пропускания спут-
никовых ретрансляторов, тем самым открывая путь новым рынкам и приложе-
ниям. Некоторые ключевые операторы недавно заявили о возвращении интереса
к этой технологии. Большой, сложный космический аппарат может весить более
6000 кг, снижение веса позволит значительно снизить затраты на запуск, электри-
ческая силовая установка способна привести к созданию космических аппаратов,
которые весят около 50% того, что он будет весить на старте с полноценным
химическим двигателем. Некоторые наблюдатели отрасли ожидают увидеть по-
явление гибридного решения, которое экономит часть массы ракеты и спутника
благодаря электрической тяге, но при этом сохраняет обычное химическое топ-
ливо, чтобы ускорить прибытие спутника в конечную рабочую позицию.
На уровне конечного пользователя был сделан целый ряд технологических
разработок, в том числе расширения для DVB-S2, модемы с более жесткими
наблюдатели утверждают, что 80% будущего роста спроса на спутниковые услуги
придется на южное полушарие, хотя .качество. доходов в этих районах не срав-
нить с развитыми странами. Как правило, операторы по всему миру запускают
около двух дюжин коммерческих спутников связи в год.
Как указывалось выше, мобильная связь для коммерческих пользователей
представляет большие возможности для развития бизнеса спутниковых операто-
ров. Некоторые обозреватели видят практическое сближение того, что когда-то
было официальными MSS и FSS. Многие из развивающихся услуг мобильной
связи основаны на использовании спутников, поддерживающих главным образомспадами характеристик фильтров, адаптивная предварительная коррекция для
борьбы с нелинейностью передающего оборудования и групповой задержкой. Эти
разработки для модемов увеличивают пропускную способность, которую мож-
но достичь в канале (расширяя сферу приложения) или уменьшить аналоговый
спектр, необходимый для поддержания определенной скорости передачи данных
(таким образом снижая стоимость приложения).
Область возможных новых деловых и технических возможностей влечет за
собой концепцию .бортовой полезной нагрузки.. НАСА и Министерство обо-
роны США (DoD _ US Department of Defense) начали поиск в коммерческом
космическом секторе более экономически эффективных решений по сравнению
с проприетарными подходами, в том числе с использованием попутных полезных
нагрузок. В конструкцию космического аппарата, построенного для коммерче-
ских услуг, заложена возможность дополнительной грузоподъемности по массе,
объему и мощности. Эта способность может быть использована для размеще-
ния дополнительной (правительственной) полезной нагрузки, такой как транс-
пондеры связи, камеры наблюдения Земли или техника для демонстрационных
испытаний. Такие .попутные полезные нагрузки. могут предоставлять государ-
ственные органы с возможностью получения доли от стоимости выделенного
спутника, а также спутниковые операторы в качестве дополнительного источника
дохода [FOU201201]. Ряд геосинхронных спутников связи, запущенных в послед-
ние годы, принимали на борт полезную нагрузку, и сейчас наблюдаются все
признаки того, что попутные полезные нагрузки приобретают все более широ-
кое признание, поскольку государственные органы все чаще ограничены в своих
возможностях из-за сокращения финансирования. Недавно Центр ракетно-кос-
мических систем Космического командования ВВС США (SMC _ Space and
Missiles Systems Center) сформировал Бюро попутных полезных нагрузок (Hosted
Payload Office), чтобы лучше координировать возможности их размещения, когда
они приходят по линии правительственных учреждений. ВВС ранее запустили
Commercially Hosted InfraRed Payload (CHIRP) в качестве попутной полезной на-
грузки на спутнике связи, чтобы проверить возможности использования нового
инфракрасного датчика для систем предупреждения о ракетном нападении в бу-
дущем. ВВС, как сообщается, планирует на основе успеха CHIRP разработать
последующую программу под названием CHIRP + опять-таки с использовани-
ем полезных нагрузок, размещенных для тестирования инфракрасных датчиков.
В другом примере ВС Австралии разместили попутную полезную нагрузку на
коммерческом спутнике Intelsat 22, чтобы обеспечить ДМВ связь для вооружен-
ных сил. Сообщается, что правительство сэкономило более 150 млн долларов
по сравнению с альтернативными подходами, поэтому размещение попутной по-
лезной нагрузки было на 50% более эффективно экономически, чем запуск от-
дельного спутника только как носителя полезной нагрузки, кроме того, это было
на 180% эффективнее, чем лизинг объема спутника. Некоторыми другими при-
мерами попутных приложений являются EMC-Arabsat и GeoMetWatch-Asiasat.
Преимущества попутных полезных нагрузок значительны, хотя могут быть ин-
ституциональные проблемы для спутниковых операторов и потенциальных пра-
вительственных клиентов при проработке вопросов закупок и интеграции.
Существует новая категория развивающихся космических технологий, кото-
рые называются космической логистикой. Услуги включают в себя продление
срока службы, использование межорбитальных транспортных тягачей, выравни-
вание позиций космических аппаратов, размещение попутных полезных нагрузок
и, возможно, перемещение топлива. ViviSat является примером компании, кото-
рая стремится обеспечить обслуживание на орбите для спутников на ГСО.
В последнее время спутниковые технологии и услуги M2M привлекают по-
вышенное внимание. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, существует
настоятельная необходимость, например, в модернизации глобального авиаци-
онного флота для поддержки разнопланового, надежного, бесперебойного от-
слеживания функций, состояния и местоположения воздушного судна. Можно
было бы ожидать, что такие основные функции безопасности будут положи-
тельно приняты в будущем глобальными авиационными регулирующими орга-
нами (например, Международной организацией гражданской авиации (ICAO _
International Civil Aviation Organization)). Спутниковая антенна М2М и модем
стоят около 125 долларов. В то время как наземная приемная система сотовой
связи, как правило, стоит всего 50 долларов, но она не имеет полного охвата
спутниками, особенно в глобальном масштабе. Ведется работа по сокращению
стоимости спутниковой системы пользователя до 90 долларов. Провайдерами
являются Inmarsat, Iridium, Orbcomm и Globalstar. Текущая доля спутников
на мировом рынке М2М оценивается в 5% (каждый процентный пункт пред-
ставляет около 100 000 установленных блоков); в этом сегменте в ближайшее
время ожидается рост. Например, провайдер спутниковой М2М службы обме-
на сообщениями Orbcomm запустил спутниковую группировку второго поко-
ления из 17 космических аппаратов на двух ракетах Falcon 9, управляемых
Space Exploration Technologies Corporation (Корпорация использования техно-
логий в исследованиях космоса) в 2014 году. Спутники нового поколения будут
обратимо совместимы с существующими модемами и антеннами Orbcomm, ис-
пользуемыми для отслеживания состояния стационарных и мобильных активов,
но новые спутники имеют в 6 раз больше приемников на борту, чем существу-
ющие космические аппараты, и предлагают в 2 раза более высокую скорость
доставки сообщений (созвездие спутников второго поколения будет примерно
в 100 раз превосходить общий потенциал существующих спутников) [SEL201404].
Спутник М2М расширяет связь, доступную наземным сотовым сетям, не только
внутри страны, но на суше и на море.
Малые спутники специального назначения (так называемые smallsats, а также
микроспутники или наноспутники) в настоящее время оцениваются некоторы-
ми операторами как вариант развития отрасли. Эти спутники весят в пределах
1–10 кг. Применение малых спутников обеспечивает гибкость миссии, снижает за-
траты и риск, сокращает время выхода на орбиту, а также эксплуатационные и
технические сложности. Эти спутники могут быть использованы для географиче-
ских информационных систем, космической науки, спутниковой связи, получения
спутниковых снимков, данных дистанционного зондирования, научных исследо-
ваний и разведки. Далее в рамках этого континуума можно обнаружить, что
существуют пикоспутники (например, спутники Cubesat), которые могут выпол-
нять различные научные исследования в космосе. Прогресс во всех областях
разработки технологий малых спутников позволит им функционировать в со-
ставе созвездий и производить совместные измерения. Группировки спутников
позволяют решать совершенно новые классы задач для навигации, связи, дистанционного зондирования и научных исследований в гражданских и военных
целях. Объем и доступность таких разноплановых космических миссий тесно
связаны с возможностями, технологичностью и технической готовностью их ком-
понентов, а также разнообразными возможностями запуска, которые доступны
на сегодняшний день [SMA201301]. Наблюдения Земли и дистанционное зондиро-
вание, как ожидается, составят самую большую долю рынка к 2019 году; также
рассматривается их использование в коммерческих приложениях связи.
В 2014 году Google объявил о планах по размещению 180 малых низкоорби-
тальных спутников для обеспечения доступа к интернету в тех регионах земного
шара, где подобного обслуживания явно недостаточно. Google ранее инвестиро-
вал в инициативу O3b Networks, но, видимо, искал другой механизм входа в спут-
никовое пространство. Для завершения проекта может потребоваться несколько
миллиардов долларов. Google ведет поиск путей обеспечения доступа в интер-
нет в развивающихся регионах, не вкладывая деньги в дорогие наземные ин-
фраструктуры; например, его сотрудники представили Project Loon, который
предполагает поставки интернета через воздушные шары на солнечных батареях
с дистанционным управлением. На момент публикации этой книги подробная ин-
формация о проекте вообще не была доступна, но обсуждаемые в нем спутники
могут принадлежать к типу малых спутников или быть еще более совершенными.
Также совершенствуются конструкции антенн. Например, Panasonics исполь-
зует фазированную антенную решетку для подключения к интернету во время
полета. В качестве другого примера можно сказать, что в целом, в некоторых
системах СОО-HTS требуется две антенны слежения; тем не менее, некоторые
производители (например, Kymeta) разрабатывают антенну с плоской панелью
из метаматериалов, которая способна отслеживать и мгновенно переключать со-
единения между спутниками. По состоянию на данный момент Kymeta продемон-
стрировала способность принимать сигналы, а в следующих планах _ демонстра-
ция способности передачи. Эта антенна в настоящее время работает в Ka-диапа-
зоне, но поставщик, как сообщается, планирует разработку версии, работающей
в Ku-диапазоне.
Некоторые разработчики положительно оценивают возможности проекта, ко-
торый называется .когнитивные системы спутниковой связи. (также известный
как CoRaSat [когнитивное радио для спутниковой связи]). Эти системы плани-
руется наделить возможностью автоматически обнаруживать и реагировать на
ухудшение канала передачи, такие как (но не ограничиваясь) помехи от сосед-
него спутника (ASI _ Adjacent Satellite Interference), соседнего канала (ACI _
Adjacent Channel Interference), ослабление сигнала во время дождя и вариации
в работе граничной частоты, вызванные рядом причин. Эти достижения основы-
ваются на более общей концепции .когнитивного радио., в которой динамическое
управление использованием спектра применяется для борьбы с дефицитом обще-
го передающего спектра. Поскольку выделенный спутниковый спектр становится
дефицитным в различных частях мира из-за растущего спроса на вещание, муль-
тимедиа, услуги наземной мобильной связи, а также интерактивные интернет-
услуги, применение эффективных методов совместного использования спектра
для повышения эффективности его использования в области спутниковой свя-
зи позднее стало важной темой. Когнитивные методы, такие как спектральное
зондирование (SS _ Spectrum Sensing), моделирование помех, диаграммообразование, коррекция помех и когнитивное формирование луча сейчас проходят
оценку с целью возможной реализации в ближайшем будущем.
Спутниковая ретрансляция для региональных услуг 2G, 2,5G, 3G и 4G/LTE
в слаборазвитых районах (например, в Африке и Южной Америке) является но-
вым и развивающимся приложением. Спутники также используются в качестве
первичных звеньев основных магистралей операторов мобильной связи (MNO _
Mobile Network Operators) и для услуг восстановления нормального режима ра-
боты системы, где в качестве основных видов связи используются оптоволокон-
ная и кабельная. Цель состоит в том, чтобы позволить мобильной связи MNO
достичь большего количества пользователей, одновременно снизив общую стои-
мость предоставляемых услуг. Добавление кэширования c использованием вышек
ретрансляции от спутникового распределения телевизионных программ также
может поддерживать некоторые услуги передачи видео-по-запросу на смартфо-
ны в этих регионах мира.
Другой важной областью для операторов является доступность спектра; это
относится к разрешениям для передачи в определенных полосах частот с кон-
кретных орбитальных позиций, а также .права на землю. (landing rights), ко-
торое представляет собой положения, касающиеся разрешения на использование
сигналов иностранных спутниковых служб в указанных странах. Ключевой обла-
стью обсуждения на Всемирной конференции радиосвязи 2015 года (ВКР, World
Radiocommunication Conference (WRC)) являлись усилия операторов беспровод-
ной наземной связи в попытке получения спектра C-диапазона для разрабаты-
ваемых приложений 4G/5G. Исследования показали, что услуги международной
мобильной связи (IMT _ International Mobile Telecommunications) мешают рабо-
те спутников фиксированной спутниковой службы, на долю которой приходится
38% всех спутников (не считая HTS) [WAI201401, SEL201401].
Спутниковые сети не могут больше продолжать свое существование как авто-
номные острова во Всемирной паутине (для которой требуется) любое подклю-
чение устройства в любое время/в любом месте/любого контента. Отсюда сле-
дует, что гибридные сети обретают важную роль. Широкое внедрение IP-услуг,
в том числе на основе распределения контента на базе IP-протоколов, в тече-
ние следующих 10 лет будет обязательно направлять значительные изменения
в отрасли. Интеграция спутниковой связи и возможностей IP-протоколов (в част-
ности, IPv6) обещает создание более симбиотической сетевой инфраструктуры,
которая может лучше обслуживать растущие потребности пассажиров, бизнес-
предприятия, правительство и военных, а также участников рынка IPTV/OTT/
сети распределения контента (CDN _ Content Delivery Network). Операторы
должны стать гораздо более информированными относительно возможностей
IP-протоколов, чтобы оставаться на рынке.
Консолидация отрасли продолжается и на уровне бизнеса. Два основных сли-
яния, произошедших в последнее время, включают в себя покупку AT&T компа-
нии DirectTVDirectTV и приобретение Comcast компании Time Warner Cable. Из
заявления при покупке следует, что приобретающие компании пытались с опере-
жением адаптироваться к ключевым тенденциям бизнеса: рост цен на контент,
потребность в масштабе, растущее значение широкополосной связи, а также все
более широкое использование видео на мобильных платформах _ все это бы-
ло движущей силой этих сделок. В то время как AT&T была сосредоточена наинтернет-услугах, которые рассматривались как .будущее [заключается] в пере-
даче видео в должном масштабе., в том числе спутниковое видео и интернет,
всеохватывающее OTТ-видео и мобильность [FAB201401]. Цели этих слияний
связаны с .синергией.: больше эффективности в предоставлении услуг по бо-
лее низкой внутренней себестоимости. В Соединенных Штатах покупка Comcast
компании Time Warner Cable и AT&T _ компании DirectTV рассматриваются
как .переформатирование видео ландшафта, которое, по-видимому, направит обе
компании в сторону большей конкуренции.. Другие игроки на рынке нуждаются
в снижении затрат на реинжиниринг ряда функций, в том числе некоммерческое
производство наземных активов, которое зачастую страдает чрезмерно избыточ-
ной функциональностью и выходит далеко за рамки того, что необходимо для
поддержания непрерывности бизнеса. Ожидается, что подобные тенденции будут
влиять на других операторов спутниковых связи/видео по всему миру в течение
следующих нескольких лет.
С точки зрения регулирования, 13 мая 2014 года Государственный департа-
мент США и Министерство торговли США опубликовали окончательные пра-
вила передачи определенных спутников и компонентов из американского Списка
импортного военного имущества (USMIL _ US Munitions Import List) в Перечень
товаров и услуг, подлежащих экспортному контролю (CCL _ Commerce Control
List). Эти правила являются результатом совместной работы Администрации и
Конгресса с привлечением консультантов от промышленников для реформиро-
вания правил, регулирующих экспорт спутников и связанных с ними элемен-
тов. Эти изменения позволят более адекватно калибровать средства управле-
ния в целях повышения конкурентоспособности американской промышленности,
обеспечивая при этом постоянную защиту ключевых технологий для сохранения
национальной безопасности. Изменения в правилах контроля за распростране-
нием радиационно стойких микроэлектронных микросхем вступают в силу через
45 дней после их опубликования, в то время как остальная часть изменений всту-
пит в силу через 180 дней после опубликования. Ранее в этом году Министерство
юстиции опубликовало окончательное постановление, которое вносит изменения
в USMIL в рамках президентской инициативы по реформированию экспортного
контроля (ECR _ Export Control Reform). В ходе этих изменений будут уда-
лены касающиеся обороны статьи, которые были в USMIL, тем самым больше
не поддерживается контроль импорта в соответствии с Законом о контроле над
экспортом вооружений (Arms Export Control Act), что позволяет правоохрани-
тельным органам сосредоточить свои усилия там, где они больше всего нужны.
Эта важная реформа модернизирует USMIL и будет способствовать большей на-
циональной безопасности [ECR201401].
На рис. 1.2 показана основная хронология некоторых ключевых достижений,
оказавших большое влияние на индустрию.
Достижения и инновации в области спутниковой связи и разработки спут-
ников не ограничиваются тем, что было перечислено ранее, хотя они являются
более заметными инициативами на данном этапе. Темы, обсуждаемые в этих
вводных разделах, посвященных представлению общих сведений и тенденций,
будут оцениваться более подробно в последующих главах. Остальная часть этой
главы представляет учебный материал по спутниковой связи.
1.3. Основы спутниковой связи
В данном разделе рассматриваются некоторые основные понятия в области спут-
никовой связи с тем, чтобы сделать эту книгу относительно самостоятельным
учебным пособием.
1.3.1. Спутниковые орбиты
Спутники связи совершают обороты вокруг Земли ("летают", на научном жар-
гоне) по четко определенным орбитам. В табл. 1.1 (примерно скомбинированной
из данных литературных источников [GEO200101] и [SAT200501]) перечисле-
ны некоторые ключевые понятия, связанные с орбитами, которые расширяют
то краткое введение об орбитах, представленное ранее. Рис. 1.3 графически ил-
люстрирует различные спутниковые орбиты, которые находятся в общем поль-
зовании. Большинство коммерческих спутников, обсуждаемых в данной книге,
постоянно находятся на ГСО. На практическом уровне, ГСО имеет небольшой
ненулевой наклон и эксцентриситет, что заставляет находящийся на ГСО спут-
ник двигаться по небольшой, но управляемой траектории в виде "восьмерки".
При штатной работе спутники "сохраняют стационарное положение" в пределах
определенного "поля" вокруг назначенной орбитальной позиции; со временем
(при приближении события окончания срока эксплуатации спутника обычно через 15–18 лет после запуска) спутнику "разрешается" войти по наклонной
орбите в непосредственную близость от назначенной орбитальной позиции (ес-
ли его не перемещают в другую позицию на ГСО для обслуживания): маневры
север-юг для удержания космического аппарата в центральном поле не предпри-
нимаются (для экономии топлива), но сохраняются маневры восток-запад, чтобы
сохранить орбитальную позицию. Орбитальные позиции определяются между-
народными правилами как значения долготы на геосинхронной ¾окружности¿,
например 101◦ з. д., 129◦ з. д. и т. д. Спутники (в настоящее время) разнесены на
2◦ (или 9◦ для DBS), чтобы обеспечить достаточное разделение для поддержки
повторного использования частот, хотя в некоторых приложениях созвездие спут-
ников может быть сосредоточено (практически) в одном месте (но каждый из них
использует другой частотный спектр). В действительности, орбитальная позиция
является ¾полем¿ размером около 150 км на 150 км, в пределах которого спут-
ник находится в ведении наземного контроля. Спутники не на ГСО используются
для таких приложений, как радиоуслуги спутниковой связи, GPS зондирование
Земли, а также в военных целях; тем не менее, также появляются службы ком-
мерческой связи; спутники, которые работают на орбитах ¾Молния¿, СОО или
МОО, увеличивают пропускную способность сети, снижают затраты и в соче-
тании с более совершенными наземными антеннами обеспечивают непрерывное
обслуживание (на самом деле, это и есть аргумент, чтобы с помощью нескольких
спутников обеспечить возможность быстрого восстановления в случае аварии).
Основным последствием движения спутника по ГСО является задержка рас-
пространения сигналов не менее 119 мс в восходящей линии связи (больше для
наземных станций в северных широтах или для наземных станций, которые, нахо-
дясь на линии видимости спутника, все же значительно смещены в меридиональ-
ном направлении1), и не менее 238 мс для восходящей и нисходящей линий связи
или односторонней передачи по сквозной линии. Двусторонний интерактивный
сеанс с типичным протоколом связи, таким как протокол управления передачей
(TCP Transmission Control Protocol) будет испытывать эту задержку дважды
в течение каждого периода (не менее чем 476 мс), так как информация прохо-
дит два раза на спутник и обратно. Односторонние или вещательные (передача
видео или данных) приложения легко справляются с этой проблемой, поскольку
задержка незаметна для зрителя видео или пользователя принимаемых данных.
Тем не менее интерактивные приложения передачи данных и транзитные со-
единения передачи голоса обычно должны принимать и подстраиваться к этому
затруднительному положению, накладываемому ограничениями скорости света,
поскольку с такой же скоростью распространяются радиоволны. Спутниковые
узлы компенсации задержки и технологии имитации соединений (спуфинг) были
успешно использованы для компенсации этих задержек в схемах передачи дан-
ных. Передача голоса через спутник в настоящее время составляет лишь малую
долю от общей мощности транспондера, а пользователям приходится справлять-
ся с задержкой спутника индивидуально в каждом случае, и лишь немногие
находят такую ситуацию нежелательной.
На рис. 1.4 показана хронология запуска спаренного набора спутников, состав-
ленная на основе материалов International Launch Services (ILS), не охраняемых
авторским правом.
ILS обеспечивает управление полетом в целом и услуг по запуску для глобаль-
ной коммерческой спутниковой индустрии с использованием основного транс-
портного средства вывода на орбиту тяжелых грузов с использованием ракет-
носителей ¾Протон-М¿ с разгонным блоком ¾Бриз М¿ (Россия). Эта компания
является одной из трех основных компаний, обеспечивающих оборудование для
запуска коммерческих спутников. Запуски ракеты-носителя ¾Протон-М¿ про-
изводятся с космодрома Байконур, эксплуатируемого Российским космическим
агентством (Роскосмос) в рамках долгосрочной аренды у Республики Казахстан.
1.3.2. Диапазон радиочастот спутниковой
ретрансляции данных
Спутниковый канал связи является каналом радиосвязи между передающей и
приемной наземными станциями через спутник связи1. Спутниковый канал связи
состоит из восходящей и нисходящей линии связи; спутниковое электронное обо-
рудование (т. е. транспондер) будет преобразовывать частоту восходящей линии
связи в частоту нисходящей линии связи. Канал передачи спутниковой системы
является радиоканалом, работающим в конкретных радиочастотных диапазонах
в пределах общего электромагнитного спектра (рис. 1.5 [MIN199101]). Табл. 1.2
содержит сведения о некоторых ключевых физических параметрах, имеющих
отношение к спутниковой связи. Рабочая частота является сверхвысокой часто-
той (СВЧ, SHF) диапазона (3–30 ГГц). Регулирование и практика определяют
рабочую частоту, полосу пропускания канала, а также полосу пропускания под-
каналов в пределах большего канала. Для восходящей и нисходящей линий связи
используются разные частоты.
Частоты выше примерно 30 МГц способны проходить через ионосферу, и,
следовательно, могут использоваться для осуществления связи со спутниками
(частоты ниже 30 МГц отражаются от ионосферы на определенных этапах цик-
ла солнечной активности, однако коммерческие спутниковые службы используют
гораздо более высокие частоты). Диапазон 3–30 ГГц представляет собой полез-
ный набор частот для геостационарной спутниковой связи; эти частоты также
называют "сверхвысокими частотами"2. При частотах выше примерно 30 ГГц
ослабление сигнала в атмосфере из-за облачности, дождя, гидрометеоров, пес-
ка и пыли де пор не разработаны для коммерческого применения3) [JEF200401].
• C-диапазон: 3,7–4,2 ГГц для частот нисходящей линии связи и 5,925–6,425 ГГц
для частот восходящей линии связи;
• Ku-диапазон: 11,7–12,2 ГГц для частот нисходящей линии связи и 14–14,5 ГГц
для частот восходящей линии связи;
• BSS: 12,2–12,7 ГГц для частот нисходящей линии связи и 17,3–17,8 ГГц для
частот восходящей линии связи;
• Ка-диапазон: 18,3–18,8 ГГц и 19,7–20,2 ГГц для частот нисходящей линии
связи, а также между 28,1–28,6 ГГц и 29,5–30 ГГц для восходящей линии
связи (другие конкретные частоты также можно использовать, как описано
в главе 3, некоторые дополнительные услуги на более высоких частотах до
40 ГГц или даже выше возможны в будущем).
Следует отметить, что Международный союз электросвязи (МСЭ) разделил
мир на три области (рис. 1.6):
Регион 1: Европа, Ближний Восток, Россия и Африка;
• Регион 2: Северная и Южная Америка;
Рисунок 1.7 представляет некоторую дополнительную информацию о полосах
частот.
Таблица распределения частот, содержащихся в статье 5 Регламента радио-
связи (РР, RR Radio Regulations), назначает полосы частот службам радио-
связи в каждом из трех регионов МСЭ на основе различных категорий услуг, как
это определено в РР. Есть некоторые различия в разных странах; однако C- и
Ku-диапазоны, как правило, сопоставимы.
Полосы частот подразделяются на более мелкие каналы, которые могут ра-
ботать независимо друг от друга при использовании для различных применений.
На рис. 1.8 изображено типичное разбиение C-диапазона на эти каналы, кото-
рые также называют в просторечии как ¾транспондеры¿ (термин ¾транспондер¿
определен далее в разделе). Номинальная полоса пропускания подканала (обычно)
составляет 40 МГц с полезной (типичной) шириной полосы 36 МГц. Аналогичные
распределения частот были установлены для диапазонов Ku и Ka. Многие спут-
ники одновременно поддерживают инфраструктуры диапазонов C и Ku (они име-
ют специальные каналы и ретрансляторы для каждого диапазона). Большинство
систем связи относятся к одной из трех категорий: эффективное использование
ширины полосы пропускания, мощности или затрат. Эффективное использова-
ние ширины полосы пропускания характеризует способность схемы модуляции
размещать данные в пределах ограниченной ширины полосы частот. Эффек-
тивное использование мощности характеризует способность системы надежно
передавать информацию с заданной величиной достоверности (допустимым ко-
личеством ошибок на один бит информации) на самом низком практическом
уровне мощности. В спутниковой связи все показатели эффективность исполь-
зования полосы пропускания, КПД и мощность радиопередающего устройства
являются очень важными [AGI200101].
Спутники обычно поддерживают несколько лучей, довольно типичным явля-
ется использование от полудюжины до дюжины лучей. Это позволяет исполь-
зовать одинаковые частоты одновременно в разных лучах ("Повторное исполь-
зование частот1") Эти лучи реализуются с использованием различных антенн
и/или отдельных каналов на одной антенне. Каждый точечный луч многократ-
но использует имеющиеся частоты (и/или поляризации), поэтому один спутник
может обеспечить повышенную пропускную способность. В неперекрывающих-
ся областях частоты могут быть полностью повторными; в перекрывающихся
областях должны быть использованы неконфликтующие частоты (рис. 1.9 для
примера). HTS поддерживает до 100 лучей в неперекрывающихся географиче-
ских районах, тем самым значительно увеличивая общую полезную пропускную
способность.
Предлагаемая книга перевод с английского языка представляет собой обзор
достижений в области коммерческой спутниковой связи и содержит некоторые
сведения о средствах выведения спутников связи, в том числе российских косми-
ческих аппаратов (КА) типа "Молния", сведения об особенностях выведения КА
с использованием ракеты-носителя "Протон-М" с разгонным блоком "Бриз-М" и
других. Работа по подготовке оригинального издания этой книги на английском
языке относится к 2015 году, по этой причине и упомянутый обзор заканчивается
тем же годом. Понятно, что после 2015 года развитие спутниковой связи в мире
не прекратилось. В частности, за этот период времени в Германии и других стра-
нах осуществлен переход от аналогового телевидения к цифровому телевидению
высокой четкости. В России такой переход начат 15 апреля 2019 года.
Так как книга имеет ярко выраженный уклон в сторону освещения коммер-
ческой стороны использования спутниковой связи, то и терминология, исполь-
зуемая в книге, несет на себе соответствующий оттенок. При работе с перево-
дом редактор посчитал излишним введение толкования некоторых используемых
в книге терминов ("инновации", "терминал" и др.), полагая эти термины обще-
известными, смысл которых читатель может почерпнуть из других источников.
Вводная глава содержит справочный технический материал, который может
быть полезен инженерам по спутниковой связи вне зависимости от остального
содержания книги. В частности, в этой главе приведены сведения о наименова-
ниях радиодиапазонов, используемых в спутниковой связи, а также околоземных
орбит спутников космической связи (не только геостационарных).
В книге содержатся термины из словаря радиоинженеров и специалистов по
баллистике, которые могут оказаться непонятными для отечественных "провай-
деров". По этой причине при переводе на русский язык в тексте книги при-
ведены подстрочные примечания, уточняющие суть некоторых использованных
терминов из словаря радиоинженеров: "повторное использование частот" (фак-
тически одновременное в непересекающихся лучах), транспондер, офсетная
антенна и др.
В русском переводе книги в подстрочных примечаниях раскрыто содержание
некоторых использованных терминов из словаря программистов-компьютерщи-
ков (веб-страницы, браузер, утилита, стек, хаб и др.).
Первое использование в книге аббревиатур на английском языке сопровож-
дается переводом на русский язык, в дальнейшем в тексте аббревиатуры ис-
пользуются без пояснений. Для удобства читателей в издании на русском языке
в приложении В приведен Глоссарий основных концепций и терминов спутнико-
вой связи. Он создан на основе различных источников в ограниченном объеме
информации с приведением ссылок на эти источники. На стр. 434–445 приве-
ден "Предметный указатель использованных в книге терминов и аббревиатур"
с указанием номера страницы с первым упоминанием термина в книге.
Книга содержит 8 глав, перечни источников, малодоступных рядовому рус-
скоязычному читателю (исключительно на английском языке), три приложения
и предметный указатель. Чтение книги рекомендуется начать с ознакомления
с основными терминами спутниковой связи (см. Приложение В, стр. 404).
Руководитель филиала
АО "Объединенная ракетно-космическая корпорация"
"Научно-исследовательский институт космического приборостроения"
Шашков Алексей Алексеевич
Посвящается Анне
и моим родителям Джино и Анжеле
Предисловие
В последние несколько лет был отмечен ряд технических и эксплуатационных
достижений, влияющих на коммерческое приложение спутниковой связи. В этой
книге рассматриваются некоторые из этих новых ключевых достижений, а также
последствия и/или возможности их внедрения для конечных пользователей и по-
ставщиков подобных услуг. Спутниковая связь играет и будет продолжать играть
ключевую роль в коммерческих, TV/СМИ, правительственных и военных ком-
муникациях вследствие своих возможностей многоадресности/широковещания,
предоставления услуг мобильной связи, глобального охвата, надежности и спо-
собности быстро поддерживать обеспечение связи в открытом космосе и/или
враждебном окружении.
Бизнес-факторы, влияющие на отрасль в настоящее время, включают в се-
бя стремление к более высокой пропускной способности каналов связи и бо-
лее экономически эффективному использованию частотной полосы пропускания.
Улучшенные методы модуляции позволяют пользователям повысить скорость
передачи данных каналов за счет использования таких методов, как 64APSK
(amplitude-phase shift keying амплитудно-фазовая манипуляция). Высокая про-
пускная способность также достигается за счет использования узконаправленно-
го луча в Ка (и Кu)-диапазоне на спутниках с высокой пропускной способностью
(HTS - High Throughput Satellites), а также с помощью сокращения задержки
передачи (благодаря пакету протоколов высокого уровня по установлению свя-
зи) с использованием спутников на средневысотной околоземной орбите (MЕO
Medium Earth Orbit) высотой 8 тыс. км над экватором (их также называют MЕO-
HTS), но там, где пользователи должны использовать две перенацеливаемые
антенны для отслеживания космических аппаратов и сохранить возможность
соединения путем перемещения по пути от одного спутника в созвездии (группи-
ровке) к другому.
Предоставление услуг людям, постоянно пребывающим в разъездах, особен-
но во время заокеанских перелетов, в настоящее время технически осуществимо
и финансово выгодно для заинтересованных поставщиков услуг. Подключение
M2M (машина-машина), будь то грузовые автомобили во время трансконти-
нентальных рейсов или агрегация телеметрии самолетов в режиме реального
времени, или отслеживание данных отправленных товаров, открывает новые воз-
можности для расширения интернета вещей (IoT Internet of Things) до далеко
распределенных в пространстве объектов, особенно в океанических условиях. За-
рождающееся цифровое телевидение сверхвысокой четкости (UHDTV Ultra
High Definition Television) обеспечивает качественное видеоизображение, кото-
рое эквивалентно 8–16 экранам, принимающим телевизионный сигнал высокой
четкости (HDTV High Definition Television) (33 млн пикселей, для разрешения
в 7680 × 4320), по сравнению с максимум 2 млн пикселей (разрешение 1920×1080)
для услуг HDTV текущего высокого качества, отсюда становится ясно, что это
требует гораздо более высокой пропускной способности. В перспективе на 2020 г.
операторы спутниковой связи планируют позиционировать свои услуги в этом
сегменте рынка как общедоступные услуги широкого вещания и производить бо-
лее таргетированные передачи, начиная с момента публикации этой книги.
На уровне базовой технологии ведутся разработки электрических (вместо хи-
мических) двигателей; такие подходы к разработке двигателей способны умень-
шить вес космических аппаратов (и, следовательно, стоимость запуска) и, воз-
можно, продлить срок службы космического аппарата. Кроме того, на рынок
выходят новые пусковые платформы, имеющие цель снижения стоимости запус-
ка космических аппаратов за счет увеличения конкуренции.
Спутниковые сети не могут реально существовать (вечно) в качестве авто-
номных островов в море соединений, следовательно, важную роль продолжают
играть гибридные сети. Широкое внедрение услуг на базе IP-сервисов, в том
числе телевидения на основе IP (IPTV) и предоставление видеоуслуг через ин-
тернет (OTT Over The Top), движимое продолжающимся развертыванием
оптоволоконной связи, в конечном итоге произведут преобразование отрасли.
В частности интернет-протокол, версия 6 (IPv6) представляет собой техноло-
гию, которая в настоящее время развертывается в различных частях мира, что
позволяет производить истинную явную адресацию между оконечными устрой-
ствами. По мере роста числа интеллектуальных систем, которым требуется пря-
мой доступ, до нескольких миллиардов (включая смартфоны, планшеты, прибо-
ры, датчики/исполнительные элементы и даже носимые на теле биометрические
устройства) в итоге протокол IPv6 становится институциональным императивом.
Интеграция спутниковой связи и возможностей протокола IPv6 обещает создать
мощную сетевую инфраструктуру, которая может служить для удовлетворения
растущих потребностей правительства, армии, IPTV и крупных игроков на рын-
ке мобильного видео. И это далеко не все заинтересованные стороны.
Эта книга рассматривает подобные темы развивающихся технологий и пред-
лагаемых ими возможностей. После вводного обзора в главе 2 обсуждаются до-
стижения в области методов модуляции, таких как расширение DBV-S2 (DVB-
S2X). Технологии работы узконаправленного главного лепестка (не только в Ка-,
но и в Ku-диапазоне), которая составляет техническую основу новых систем и
услуг HTS, обсуждаются в главе 3. Услуги авиационной мобильной связи, такие
как интернет во время полета, рассматриваются в главе 4. Мобильная связь при
морских путешествиях и другие виды наземной мобильной связи рассматривают-
ся в главе 5. ПриложенияM2Mисследуются в главе 6. Развивающиеся технологии
получения изображений сверхвысокой четкости (Ultra HD) оцениваются в главе 7.
И, наконец, новые космические технологии, в частности, электрический двига-
тель и новые пусковые платформы, которые в конечном счете способны привести
к более низкой стоимости передачи бита (или стоимости за МГц), обсуждаются
в главе 8.
Эта работа будет представлять интерес для инвесторов в технологии, пла-
нировщиков-операторов спутниковой связи, транспортных операторов и постав-
щиков услуг связи, руководителей службы дальней связи, профессиональных
логистиков, инженеров-разработчиков оборудования, интеграторов технологий;
провайдеров интернет-услуг (ISP Internet Service Providers), телекоммуника-
ционных компаний, а также провайдеров услуг беспроводной связи как внутри
страны, так и в остальном мире.
Благодарности
Автор хотел бы поблагодарить Уильяма Б. Макдональда, президента WBMSAT
Satellite Communications Consulting (Порт Орчард, штат Вашингтон, США) за
просмотр, предоставление вводной информации и руководство при написании
этого текста. WBMSAT проводит исследования, разработку систем, проекти-
рование, интеграцию, тестирование и управление проектами во всех аспектах
коммерческой и военной спутниковой связи.
Также автор хотел бы поблагодарить Эдуарда Д. Горовица за ценный вклад.
Э.Д. Горовиц является соучредителем и директором U.S. Space LLC, компании,
предоставляющей услуги спутниковой связи, и председателем ViviSat, компа-
нии, занятой орбитальным обслуживанием спутников. Недавно Э.Д. Горовиц
вошел в управляющий совет при генеральном директоре Encompass DigitalMedia,
ведущего провайдера мировых телеканалов, прямых спортивных трансляций и
новостных агентств, цифровых средств массовой информации и государственных
услуг.
Тем не менее любое критическое мнение, описание перспектив, ограничений,
а также возможные неясности или отсутствие полной ясности в этой работе сле-
дует отнести на долю автора.
Об авторе
Дэниел Миноли имеет многолетний производственный и управленческий опыт
в области планирования, проектирования, развертывания и обеспечения безопас-
ности IP/IPv6-, телекоммуникационных, беспроводных, спутниковых и видео-
сетей для лучших на мировом рынке провайдеров услуг связи и финансовых
компаний. В настоящее время он является главным техническим директором
Secure Enterprise Systems (www.ses-engineering.us), фирмы, деятельность которой
посвящена проектированию и разработке, оценке технологий, а также обеспе-
чению кибербезопасности больших предприятий. Предыдущими должностями,
которые в последние два десятилетия занимал Д. Миноли, являются: главный ме-
неджер и директор Ground Systems Engineering в SES, втором по величине в мире
поставщике услуг спутниковой связи, директор сетевой архитектуры в Capital
One Financial, главный технический директор в InfoPort Communication Group,
и вице-президент по оказанию пакетных услуг в Teleport Communications Group
(TCG) (в конечном счете эта компания была приобретена компанией AT&T).
В недавнем прошлом он был ответственен (I) за разработки, инжиниринг
и развертывание Ethernet в метро, IP/MPLS (Multi-Protocol Label Switching
технология коммутации пакетов в многопротокольных сетях на базе меток) и
сетей VoIP (Voice over Internet Protocol передача голоса/речи через интер-
нет/VoMPLS (передача голоса и речи с помощью технологии MPLS), (II) разра-
ботку, проектирование и внедрение гибридного IPTV (Internet Protocol Televisi-
on интернет-телевидение), нелинейных и 3DTV-видеосистем, (III) разверты-
вание десятка антенн с большой апертурой (7–13 м) для телепортов в США и
за рубежом; (IV) развертывание услуг спутникового мониторинга по всему ми-
ру (более 40 мест); (V) разработку, инжиниринг и внедрение услуг на основе
протокола IPv6 в сфере M2M/интернета вещей, в области нелинейного видео,
эксплуатации смартфонов, в спутниковой области, а также в области сетевой без-
опасности; и (VI) развертывание инфраструктуры облачных вычислений (Cisco
UCS 3800 серверов) для поставщика услуг кабельного ТВ из первого звена
в США. Некоторые из работ Д. Миноли, посвященные спутниковой и беспровод-
ной связи, IP, видео и интернету вещей, представлены в книгах, принадлежащих
его перу:
• Satellite Systems Engineering in an IPv6 Environment (Francis and Taylor,
2009),
• Wireless Sensor Networks (Wiley 2007),
• Hotspot Networks: Wi-Fi for Public Access Locations (McGraw-Hill, 2002),
• Mobile Video with Mobile IPv6 (Wiley, 2012),
• Linear and Non-Linear Video and TV Applications Using IPv6 and IPv6 Multi-
cast (Wiley, 2012), и
• Building the Internet of Things with IPv6 and MIPv6 (Wiley, 2013).
Дэниел Миноли выступал учредителем при запуске двух компаний посред-
ством бизнес-инкубатора высоких технологий Leading Edge Networks Inc, которой
он открыл в начале 2000-х годов: GlobalWireless Services, поставщика точек до-
ступа безопасного широкополосного мобильного интернета и услуг VoIP, а также
InfoPort Communications Group, столичного оператора оптоволоконной связи и
гигабитного Ethernet, осуществляющего техническую поддержку Центра обра-
ботки данных/SAN/расширения канала и услуги сетевого доступа к облачным
ресурсам.
Автор этой книги также вел колонки для журналов ComputerWorld, Network-
World и Network Computing (1985–2006). Он преподавал в Нью-Йоркском уни-
верситете (Институте информационных технологий), Университете Рутгерса
и Технологическом институте Стивенса (1984–2003). Кроме того, Д. Мино-
ли выступал независимым аналитиком технологий для Gartner/DataPro (1985–
2001); на основе обширного практического опыта работы в финансовых фирмах
и компаниях-операторах мобильной связи он отслеживал развитие технологий и
писал подробные технические отчеты на уровне директора службы дальней связи
и информационных технологий в области телефонии и систем передачи данных,
в том числе освещая темы безопасности, аварийного восстановления/обеспечения
непрерывности работы бизнеса, управления сетью, локальных сетей, сетей бес-
проводного доступа (WAN Wireless Access Network) (ATM, IPv4, MPLS, IPv6),
беспроводных средств связи (локальные сети, общественные точки доступа, бес-
проводные сенсорные сети, 3G/4G и спутниковое телевидение), VoIP, сетевого
дизайна/экономики, сетей операторов связи (например, Ethernet в метро и муль-
типлексирование с грубым разделением по длине волны/с плотным разделением
по длине волны (CWDM — Coarse wavelength-division multiplexing)/(DWDM —
Dense Wavelength Division Multiplexing)) и электронной коммерции. В течение
нескольких лет он был председателем по разработке технической программы
сессий, затем семинаров, а теперь всей конференции IEEE ENTNET (Enterprise
Networking — создание корпоративной сети); ENTNET фокусируется на требо-
ваниях корпоративных сетей для крупных финансовых компаний и других кор-
поративных институтов (эта группа IEEE в настоящее время объединена и стала
Техническим комитетом IEEE по информационной инфраструктуре [TCIIN
Technical Committee on Information Infrastructur]).
Д. Миноли выступал в качестве свидетеля-эксперта в (успешном) иске на
11 млрд долларов, касающемся услуг беспроводной VoIP-системы радиосвязи
воздух-земля в салоне самолета, а также в большом судебном процессе, связанном
с цифровым сканированием и передачей банковских документов/инструментов
(в частности, отсканированных чеков). Д. Миноли был задействован в каче-
стве технического эксперта в ряде судебных процедур по поводу нарушения па-
тентных прав в области цифровой обработки изображений, VoIP, межсетевых
экранов и юридических фирм, осуществляющих поддержку космических VPN
(виртуальных частных сетей), в том числе Schiff Hardin LLP, Fulbright & Jaworski
LLP, Dimock Stratton LLP/Smart & Biggar LLP, Munger, Tolles, and Olson LLP и
Baker & McKenzie LLP.
На протяжении многих лет автор этой книги консультировал венчурные ком-
пании относительно инвестиций в десяток высокотехнологичных компаний. Он
выполнил обширные технические, продажные и маркетинговые аналитические
исследования высокотехнологичных фирм, ищущих финансирование на общую
сумму около 150 млн долларов, развивающих мультимедиа, цифровое видео,
коммутацию на физическом уровне, малые терминалы спутниковой связи узкой
направленности (VSAT Very Small Aperture Terminal), телемедицину, интегра-
цию телефонных систем с компьютерами (CTI Computer Telephony Integration)
на основе Java, VoFR & VPN, HDTV, оптические чипы, H.323 шлюзы, нанопроиз-
водство/беспроводной уровень квантовых каскадных лазеров (QCL Quantum
Cascade Laser) и сети управления телекоммуникациями (TMN telecommuni-
cation management network). Следует упомянуть и достижения в следующих
направлениях: мобильная радиосвязь (MRC mobile radio communications)
мультимедиа и асинхронный режим передачи; NHC коммутация на физиче-
ском уровне; CoastCom системы VSAT; Cifra телемедицина; Uniforce
CTI на основе Java IP; Memotec VoFR; Miranda HDTV и электронное
кино; Lumenon оптическое мультиплексирование с разделением по длине
волны (WDM Wavelength Division Multiplexing); Medisys активный про-
токол обмена сигналами (ASP Active Signaling Protocol) для здравоохранения
на основе сети интернет; Tri-Link H.323 VoIP шлюз; Maxima беспровод-
ная оптическая метро-сеть в пространстве свободного распространения сигналов
с использованием квантовых каскадных лазеров (QCL Quantum Cascade Laser),
изготовленных методами нанотехнологий; и, ACE*COMM (связь с асинхронным
методом передачи Auxiliary Control Element) для TMN / IPDR (финансисты/
венчурный капитал Societe’ General de Financiament de Quebec; Caisse de Depot
et Placement Quebec; Les Funds De Solidarite’ Des Travailleurs).
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковые системы, охватывающие своими услугами коммерческую, военную
сферы и дистанционное зондирование Земли (включая сбор сведений о погоде),
предлагают важные глобальные возможности подключения и наблюдения, кото-
рые в современном мире уже сейчас воспринимаются как незаменимые. Будь то
поддержка мобильной связи в виде доступа к интернету и телеметрия в режиме
реального времени с самолетов и морских судов на океанских маршрутах или рас-
пространение высококачественного развлекательного видео на рассредоточенных
территориях развивающихся стран без значительной наземной инфраструктуры,
или экстренная связь в неблагоприятных условиях или отдаленных районах, или
приложения для отображения земной поверхности либо театра военных действий
с помощью беспилотных летательных аппаратов и спутников удовлетворяют
тем требованиям, которым не способны отвечать другие формы связи, в том чис-
ле оптоволоконные. На момент написания этой книги на орбите Земли находятся
более 900 спутников. Однако из-за продолжающегося быстрого развертывания
услуг оптоволоконной связи и интернет-протокола (IP) в крупных городских рай-
онах Северной Америки, Европы, Азии, Южной Америки и даже в Африке, где
находятся клиенты, грамотные и изощренные подходы в технологиях и марке-
тинге, с помощью которых можно органически интегрировать IP в комплексное
решение, крайне необходимы спутниковым операторам для поддержания эконо-
мического роста.
Прогрессивные спутниковые операторы, несомненно, предпочитают в той или
иной степени реализовывать некоторые концепции, представленные в этой книге,
концепции, честно говоря, сами по себе не такие уж новые или эзотерические, так
как идея создания спутниковых систем имеет гораздо большие перспективы, чем
выпуск микроволновых ретрансляторов (микроволновые ретрансляторы с опера-
тивным функциональным эквивалентом ретрансляторов развертывались в 1950-е
годы в системе Bell в СоединенныхШтатах) для поддержания роста рынка с вер-
тикальной интеграцией крайне востребованных пользователем приложений. Эта
идея уже была поддержана наблюдателями от промышленности в конце 1970-х
годов (например, но, конечно, не ограничиваясь [MIN197901]) и исследователями
технологий тех времен (например, [ROS198201], [ROS198401] и др.).
1.1.Обшие сведения
Спутниковая связь основана на системе односторонней или двухсторонней пе-
редачи радиочастотных сигналов по линии прямой видимости (LOS line-of-
sight), которая состоит из передающей станции, использующей канал восходящей
линии связи, находящейся в космосе спутниковой системы, которая действу-
ет в качестве узла восстановления сигнала, и одной или нескольких приемных
станций, занятых мониторингом канала нисходящей линии связи для приема
информации. В случае двухсторонней связи обе конечные станции обладают
функциональными возможностями передачи и приема сигналов (рис. 1.1).
Спутники могут находиться на различных околоземных орбитах. Геостаци-
онарная орбита (ГСО) является концентрической круговой орбитой в плоско-
сти экватора Земли на высоте 35 786 км (22 236 миль) от поверхности Земли
(42 164 км от центра Земли, радиус Земли составляет 6378 км). Спутники на
геосинхронной орбите (GEO)1 вращаются на ГСО вокруг Земли с ее угловой
скоростью и в том же направлении. Когда спутник находится на этой орбите
в плоскости экватора, при наблюдении с земной поверхности создается впечат-
ление, что он остается неподвижным, поэтому не требуется отслеживание этого
спутника антенной, направленной на него или (крупной) позиционной корректи-
ровки с периодическими интервалами времени2.
ГСО представляет собой круговую орбиту, по которой спутник совершает ор-
битальное движение в том же направлении, что и небесное тело, расположенную
в экваториальной плоскости с орбитальным периодом, равным периоду вращения
Земли. Возможна работа спутниковой связи на других орбитах: средней (СОО)
и низкой (НОО) околоземных орбитах.
Традиционно спутниковые услуги были официально классифицированы на
следующие категории:
• Фиксированная спутниковая служба связи (ФСС) (FSS Fixed Satellite
Service) это спутниковая служба, осуществляющая связь между спутни-
ковыми терминалами, которые располагаются в определенных фиксирован-
ных точках, с помощью одного или нескольких спутников. Как правило,
ФСС задействована для передачи видео, голоса и данных протокола IP
на большие расстояния из фиксированных точек. ФСС использует геоста-
ционарные спутники с фиксированными наземными станциями. Сигналы
передаются от одной точки на земном шаре как к одной точке (точка-точка),
так и от одного передатчика к нескольким приемникам (точка-многоточеч-
ное соединение). ФСС может включать в себя связь типа спутник-спутник
(мало распространена в коммерческой сфере) или в виде фидерных со-
единений для других спутниковых услуг, таких как спутниковая служба
мобильной связи или спутниковая служба вещания.
• Спутниковое вещание (BSS Broadcast Satellite Service) спутниковая
служба, которая через спутник поддерживает передачу и прием сигналов,
предназначенных для непосредственного приема потребителями. Наилуч-
шим примером является услуга прямой трансляции (DBS Direct Broadcast
Service), которая поддерживает прямую трансляцию теле- и аудиоканалов
в домах или бизнес-офисах непосредственно со спутников на определенной
полосе частот. BSS/DBS использует геостационарные спутники. В отличие
от ФСС, которая имеет связь как точка-точка, так и точка-многоточечное
соединение, BSS осуществляет услуги связи только типа точка-многоточеч-
ное соединение. Следовательно, для обслуживания этого рынка требуется
меньшее количество спутников.
• Спутниковая услуга мобильной связи (MSS Mobile Satellite Service)
спутниковая служба, предназначенная для обеспечения беспроводной свя-
зи в любой точке земного шара. Благодаря широкому распространению
сотовых телефонов пользователи как само собой разумеющееся стали вос-
принимать возможность использовать телефон в любой точке мира, в том
числе в сельских районах развитых стран.MSS является спутниковой служ-
бой, которая расширяет эту возможность.Для приложений телефонии необ-
ходим специально сконфигурированный телефон. MSS обычно использует
спутниковые системы на СОО и НОО.
• Спутниковая услуга морской мобильной связи (MMSS Maritime Mobile
Satellite Service) спутниковая служба, которая осуществляет связь между
мобильными наземными станциями спутниковой связи и одним или несколь-
кими спутниками.
• Хотя глобальная система определения местоположения (служба/) система
(GPS) формально и не является службой в нормативном смысле, ее можно
добавить в этот список; эта служба использует созвездие спутников для
обеспечения должным образом оборудованных терминалов информацией о
глобальном позиционировании.
За последние несколько лет можно отметить ряд технических и эксплуатаци-
онных достижений, которые повлияли на коммерческое приложение спутниковой
связи, именно они находятся в центре внимания этой книги. Эффективное ис-
пользование спектра в настоящее время активно востребовано конечными пользо-
вателями, чтобы поддержать экономическую основу распространения контента,
а также IP-телефонии (VoIP) и интернет-трафика. В то же время для сохране-
ния роста продаж операторы должны сосредоточиться на предоставлении услуг
в области IP (корпоративный и интернет-доступ), видео следующего поколения
(гибридное распределение, кэширование, нелинейное видео/видео с манипуля-
цией временем, высокое разрешение), а также мобильной связи. Некоторые из
последних достижений технологий/услуг включают в себя следующее:
• Бизнес-факторы, влияющие на отрасль в момент публикации этой книги,
заключаются в стремлении к более высокой общей пропускной способности
спутникового канала и системы. Усовершенствованные схемы модуляции
позволяют пользователям увеличить пропускную способность канала: пе-
редовые методы модуляции и кодирования (modcod) вводятся в качестве
стандартизованных решений, будучи встроенными в модемы нового по-
коления обеспечивают передачу большего количества битов в секунду на
единицу спектра, а адаптивное кодирование позволяет эффективнее ис-
пользовать более высокочастотные диапазоны, которые по своей природе
подвержены ослаблению сигнала вследствие дождевых осадков. В насто-
ящее время внедряются расширения для давно утвержденного стандарта
базовой линии DVB-S2.
• Высокая пропускная способность также достигается за счет использования
узконаправленных главных лепестков (лучей) диаграммы направленности
на спутниках с высокой пропускной способностью канала приемо-передачи
(HTS High Throughput Satellites), как правило (но не всегда), работаю-
щих в Ka-диапазоне (18,3–20,2 ГГц для частот нисходящей линии связи
и 28,1–30 ГГц для частот восходящей линии связи), и с помощью сокра-
щения времени ожидания передачи благодаря использованию спутников
на СОО. HTS способны поддерживать исходную суммарную пропускную
способность на уровне более 100 Гбит и, таким образом, значительно сни-
жать общие затраты из расчета на бит путем использования ориентирован-
ных узконаправленных главных лепестков высокой мощности. Системы и
возможности HTS могут быть использованы провайдерами, чтобы расши-
рить портфель предлагаемых услуг спутниковой связи. HTS отличаются от
традиционных спутников в разных аспектах, в том числе использованием
лучей/ретрансляторов высокой пропускной способности до 100 МГц или
более; применением наземных станций-ретрансляторов, которые поддержи-
вают один или два десятка лучей (обычно с требованием к пропускной
способности 5 Гб/с); высокой пропускной способностью каждой удаленной
станции и передовыми методами решения проблемы ослабления сигнала во
время дождя, особенно для систем, работающих в Ка-диапазоне.
• Предоставление услуг связи людям в дороге, например, путешествующим
на морских и воздушных судах, где отсутствует наземное подключение,
в настоящее время является технически осуществимым и финансово вы-
годным для поставщиков услуг. Когда эта услуга требуется на скоростных
самолетах, нужно принять во внимание конструктивные соображения от-
носительно специальных антенн (например, следящих антенн).
• Подключение M2M (машина-машина) для грузовых автомобилей во время
трансконтинентальных рейсов, сбор телеметрической информации самоле-
тов в режиме реального времени или отслеживание данных о передвижении
торговых судов открывает новые возможности для расширения интернета
вещей (IoT) для широко распределенных объектов, в частности, в океани-
ческих средах. С увеличением мировой торговли некоторые наблюдатели
связывают возрастающие требования к морским сетям связи, поддерживае-
мым спутниковой связью. Требования к морской связи могут варьироваться
в зависимости от типа судна, компании-оператора, объема данных, потреб-
ностей экипажа и пассажиров и используемых приложений (в том числе
Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ, GMDSS Global Maritime Distress and Safety System),
поэтому может быть востребован или применен целый ряд решений.
• Новое телевидение ультравысокой четкости (UHDTV Ultra High Defini-
tion Television) (также известное как Ultra HD или UHD) обеспечивает
качество видео, которое эквивалентно 8–16 экранам HDTV. Понятно, что
это требует гораздо более высокой пропускной способности для каждого
канала, чем используется при передаче видео в настоящее время. Появля-
ются так называемые 4К и 8К версии на основе разрешающей способности
видео по вертикали. Спутниковые операторы планируют позиционировать
себя в этом сегменте рынка с позиции предоставления общедоступных веща-
тельных услуг, запланированных до 2020 года, и более целенаправленных
передач, трансляция которых началась во время написания этой книги.
UHDTV потребует пропускную способность около 60 Мбит/с для услуг по
распространению сигнала и 100 Мбит/с для способствующих услуг. Исполь-
зование расширений DVB-S2 (и, возможно, ретрансляторов с более широкой
полосой пропускания, например, на 72 МГц) будет общим требованием. Но-
вый стандарт сжатия видео (алгоритм) H.265/HEVC (High Efficiency Video
Coding высокоэффективное кодирование видеоизображений) обеспечива-
ет в 2 раза большую эффективность сжатия по сравнению с базовым алго-
ритмом H.264/AVC (Advanced Video Coding усовершенствованное коди-
рование видеоизображений). Тем не менее он также повышает сложность
вычислений, требующих более современных наборов микросхем. В послед-
ние годы было разработано много методов демонстраций и моделирования,
особенно в 2013 году, выпуск продуктов коммерческого класса ожидается
в период 2014–2015 гг., как раз вовремя для использования в приложениях
для UHD (наземных и спутниковых). Даже в контексте видео стандарт-
ной (SD)/высокой (HD) четкости обновление кодирующего оборудования
для наземных станций поставщиками контента для H.264 HEVC снижает
требования к пропускной способности (и, следовательно, повторяющиеся
расходы) до 50%. Обновление с DVB-S2 до расширений DVB-S2 (DVB-S2X)
может уменьшить пропускную способность дополнительно на 10–60%.
• Гибридные сети, объединяющие спутниковые и наземные подключения (осо-
бенно IP-сети), будут играть важную роль в ближайшем будущем.Широкое
внедрение IP-услуг, в том числе IP-телевидения (IPTV) и видео в интернете
(OTT video over-the-top video), что обусловлено продолжающимся раз-
вертыванием оптоволоконной связи, в конечном счете, изменит индустрию.
В частности, IP-протокол версии 6 (IPv6) представляет собой технологию,
которая в настоящее время развернута в различных частях мира и позволя-
ет производить прямую адресацию между конечными устройствами. Инте-
грация спутниковой связи и возможностей IPv6 обещает обеспечить основу
создания сетей гибридной инфраструктуры, которая может обслуживать
растущие потребности в правительстве, среди военных, IPTV и агентов мо-
бильного видео, и это далеко не все заинтересованные лица.
• На уровне базовой технологии изучаются и, по сути, разрабатываются элек-
трические (вместо химических) двигатели для космических аппаратов; та-
кие подходы к конструкции двигателей могут уменьшить вес космических
аппаратов (и также стоимость запуска) и, возможно, продлить срок службы космического аппарата. Согласно мнению сторонников этой концепции,
использование электрического ракетного двигателя (ЭРД) для удержания
спутника в заданной точке орбиты уже изменило глобальную спутниковую
индустрию и теперь благодаря дозаправке топливом на орбите и увеличе-
нию высоты орбиты готово ее трансформировать.
• Кроме того, на рынок выходят новые пусковые платформы, опять же с це-
лью снижения стоимости запуска за счет увеличения конкуренции.
Таким образом, очевидно, что спутниковая связь играет и будет продолжать
играть ключевую роль в коммерческих, TV/СМИ, правительственных и военных
коммуникациях из-за своих собственных возможностей многоадресной /широко-
вещательной передачи, аспектов мобильной связи, глобального охвата, надежно-
сти и способности быстро поддерживать связь в открытом пространстве и/или
агрессивных средах. В этой книге рассматриваются некоторые из этих новых
ключевых достижений и те последствия и/или возможности для конечных поль-
зователей и поставщиков услуг, которые они могут повлечь за собой. Книга
представляет собой законченный труд, следовательно, некоторые основные тех-
нические сведения были включены в эту вводную главу.
1.2.Проблемы возможности отрасли: развиваюшиеся тенденции
1.2.1. Проблемы и возможности
Расширяя рамки наблюдений, сделанных во вступительном разделе, полезно оце-
нить некоторые общие тенденции в отрасли по состоянию на середину деся-
тилетия 2010-е годы. Наблюдения, подобные приведенным ниже, частично
характеризуют окружающую среду и тенденции:
". .Изменение экономики отрасли [является] ключевым фактором дол-
госрочного роста спутникового сектора. . . Мы должны приблизиться
к реальности, стать более эффективными, раздвинуть границы. . . от-
расль должна не только снизить затраты, но и расширить рынок за
счет инноваций. . . "
[WAI201401];
". .Спутниковый рынок переживает кардинальные изменения во всех
аспектах от запуска новых спутников с высокой пропускной способ-
ностью до резкого снижения стоимости запуска, обусловленного сме-
лостью новых участников рынка. . . недорогие и надежные варианты
запуска [становятся все более доступны]. . . "
[WAI201401];
". .Это открытый вопрос для того, кто заметил самые высокие тем-
пы роста. Будет ли первая четверка продолжать выигрывать крупные
сделки и подталкивать отрасль к дальнейшей консолидации или ма-
ятник качнется к региональным игрокам с их более тесными связями
с внутренними/национальными клиентскими базами и запуском новых
спутников под "национальным флагом"?. . . "
[GLO301301];
.. . .Совмещение беспроводных характеристик, телефонии и услуг высоко-
скоростного широкополосного интернета по мере снижения конкуренции;
пул клиентов платного телевидения достигает максимума в США [и
в Европе], потому что зрители все чаще смотрят видео через интер-
нет. . . .
[SHE201401];
.. . .Рынок ТВ и видео переживает существенный сдвиг в способе по-
лучения и потребления контента, который уже не повернуть назад.
Технические инновации и пакетизация новых услуг умножают. . . взаи-
модействия между контентом и зрителями. . .Четыре основные движу-
щие силы влияют на способ управления контентом от его производства
до распространения и монетизации. Ими являются:
• делинеаризация потребления контента и умножение экранов и се-
тей для доступа к контенту;
• более быстрый рост конкуренции, чем в общем объеме продаж; новые
источники контента, посредники и дистрибьюторы конкурируют
за цепочку создания стоимости;
• более короткие циклы инноваций и инвестиций, чтобы удовлетво-
рить ожидания клиентов; а также
• быстрый рост в развивающихся регионах открывает новые возмож-
ности для расширения бизнеса за счет возрастающей адаптации
к местным потребностям. . . .
[BUC201401].
.. . .Поиск инновационных конфигураций спутников и их запуска являет-
ся абсолютной необходимостью для спутниковой индустрии, если она со-
бирается оставаться конкурентоспособной в отношении наземных тех-
нологий. . . стоимость спутника плюс стоимость ракеты-носителя для. . .
доставки 36-мегагерцного ретранслятора на орбиту составляет 1,75 млн
долларов. . . .
[SEL201402];
.. . .Множество факторов способны нарушить рынок и оказать влияние
на конкуренцию, спрос или цены. . . разукомплектование фиксированной
спутниковой службы связи (FSS _ fixed satellite system) мобильной спут-
никовой системы (MSS _ Mobile Satellite Systems), появление новых
конкурентов на арене наблюдений за поверхностью Земли, изменения
в поведении правительства США как клиента, растущая конкурен-
ция со стороны развивающихся рынков, рост правительств (глобально)
в качестве источника финансирования спутникового сектора рынка и
принятия стандарта 4K для DBS. . . .
[SAT201401];
.Термины .инновация. и .изготовление спутников. не всегда стоит
употреблять в одном и том же предложении. . .Из-за дороговизны и
неприятия риска технических сложностей инновации довольно медленно
совершаются в области спутниковой связи. . . .
[PAT201301];
.. . .После совершения прямых высокоприбыльных инвестиций новые ини-
циативы роста выглядят имеющими либо более высокие риски, либо более
низкий доход. . .Является ли сама зрелость отрасли разрушительным
фактором, форсируя проведение экспериментов, которые выходят за гра-
ницы риска?. . . .
[SAT201401];
.Для поддержания обмена большими и все увеличивающимися объемами
передачи данных, видео и голоса через спутник требуются все более высо-
кие скорости передачи, более эффективные технологии спутниковой свя-
зи и более широкополосные ретрансляторы. Кроме того, конечные поль-
зователи ожидают получить возможность соединения в любом месте
в любое время _ там, где они путешествуют, живут или работают.
Самый большой спрос на расширения стандарта DVB-S2 наблюдается
для видео и высокоскоростных IP-услуг, так как эти услуги наиболее под-
вержены влиянию роста скоростей передачи данных. . . .
[WIL201401];
.Последние данные подтверждают, что рынок спутников широкополос-
ной связи или так называемых спутниковых систем высокой пропуск-
ной способности находится на подъеме. Поскольку общий кумулятивный
объем капитальных вложений в спутники с высокой пропускной способ-
ностью повышается до 12 млрд долларов, должен быть поднят важный
вопрос: каким образом эти новые системы будут влиять на умонастро-
ения в нашей отрасли?. . .Большой приток этой мощности на рынок со-
здает некоторые опасения по поводу риска избыточного предложения
в таких регионах, как Латинская Америка, Ближний Восток и Африка
и Азиатско-Тихоокеанский регион. . . .
[DER201301];
.. . . [Спутник с высокой пропускной способностью] предназначен для пре-
образования экономики и качества услуг широкополосной спутниковой
связи. . . в течение следующего десятилетия служба спутникового ска-
нирования ускорит рост спроса на мультимедийный доступ в интер-
нет. . .Современные спутниковые системы не предназначены для прило-
жений, требующих высокой пропускной способности, которые востребо-
ваны населением, таких как видео, обмен фотографиями, VoIP и соеди-
нения одноранговых сетей. Решение состоит в том, чтобы увеличить
пропускную способность и скорость передачи данных с использованием
спутниковой связи. Улучшение службы спутниковой связи заключается
не только в более высоких скоростях, но в увеличении ширины поло-
сы пропускания, доступной для каждого клиента в сети, что позволит
уменьшить сетевые конфликты. . . .
[VIA201401];
.Приобретение коммерческих ГСО-спутников связи будет оставаться
на стабильном уровне в течение ближайших 10 лет. В то время как
промышленность будет испытывать краткосрочный спад после высо-
ких показателей 2013 г.. . . Движущими факторами по-прежнему бу-
дут замена устаревших и ввод некоторых расширений, в первую очередь
в Ku-диапазоне и HTS . Тем не менее ряд тенденций будет влиять на
кривую их роста и существенно изменять компромиссные условия для
производства спутников:
• Рост использования новых типов двигателей;
• Предложения других платформ от растущего числа поставщиков;
• Рост применения многолучевых архитектур;
• Услуги запуска будут расширяться в сторону большей массовости.
Формирование всей индустрии направлено в рост, в том числе и произво-
дителей спутниковых систем, и поставщиков услуг запуска. . . В послед-
ние несколько лет доли рынка значительно увеличились, и после несколь-
ких лет самоуспокоенности некоторые игроки оказались на грани полной
незначительности в этом важном пространстве рынка. . . .
.. . .Мы живем в интеллектуальном, взаимосвязанном мире. Количе-
ство устройств, подключенных к интернету, в настоящее время пре-
вышает общее число людей на планете, и к концу десятилетия мы уже
разогнались до 50 миллиардов устройств. . . последствия этого нового
.интернета вещей (IоT). огромны. Согласно данным недавнего доклада
McKinsey Global Institute, IoT имеет потенциал для реализации к 2025
году новой экономической ценности на 6,2 трлн долларов в год. Фирма
также прогнозирует, что к тому времени от 80 до 100% от всех произ-
водителей будут использовать приложения IоT, что только для миро-
вой обрабатывающей промышленности означает потенциальные эконо-
мические последствия на уровне 2,3 трлн долларов. . . .
[HEP201401];
.. . .В докладе содержатся следующие основные выводы:
• Годовой доход беспроводного рынка M2M будет составлять около
196 млрд долларов к концу 2020 года, следуя совокупным темпам
годового роста (CAGR Compound Annual Growth Rate) на уровне 21%
в течение шестилетнего периода между 2014 и 2020 годами;
• Установленная база М2М-соединений (проводных и беспроводных) бу-
дет расти в среднем на 25% в период между 2014 и 2020 годами,
в конечном счете достигнув около 9 млрд соединений по всему миру;
• Растущее число беспроводных решений M2M в чувствительной кри-
тической инфраструктуре отрасли оказывает глубокое влияние на
решения для безопасности сети M2M, рынок по оценкам достигнет
почти 1,5 млрд долларов ежегодных расходов на конец 2020 года;
• Ведомые требованиями к управлению устройствами, результатами
анализа данных облачных вычислений и диагностических средств,
ежегодные расходы на конец 2020 года на платформы М2М/IoT (вклю-
чая платформы устройств, подключенных к интернету [CDP _
Connected Device Platform], платформы для реализации приложений
[AEP _ Application Enablement Platform] и платформы разработки
приложений [ADP _ Application Development Platforms), как ожида-
ется, составят 11 млрд долларов. . . .
[SST201401].
Кевин Эштон известен как автор термина .интернет вещей. _ системы,
в которой интернет подключен к физическому миру с помощью повсеместно
установленных датчиков [MIN201301]. В последнее время он сделал весьма убе-
дительные замечания, которые, учитывая их глубину, приведены здесь (почти)
в полном объеме:
.Вчера воздушный поиск плавающих обломков малазийского боинга рей-
са 370 был отменен, а подводный поиск, который проводили на основе
вероятных сигналов приводного радиомаяка, был завершен без успеха. . .
Более чем 50-дневная работа, которую австралийский премьер-министр
Тони Эбботт назвал .пожалуй, самым трудным поиском в истории че-
ловечества., только подчеркивает большой технологический разрыв. Мы
живем в эпоху, которую я когда-то назвал .интернет вещей., где все _
от автомобилей до весов в ванной и медленноварки (Crock-Pots) _ можно
подключить к интернету, но так или иначе, самолетные системы пере-
дачи данных оказались не подключены ни к чему. . . система адресации и
отчетности по воздушным сообщениям (ACARS _ Aircraft Communica-
tions Addressing and Reporting System), которая была изобретена в 1970-е
годы и основана на телексе, почти вековом предке текстовых сообще-
ний, производилась в существенной степени устаревшими факсимильны-
ми аппаратами. . . Когда так много всего подключено к интернету, то
почему аэрокосмическая промышленность для поиска флэш-накопителей
в море использует технологию, которая предшествует факс-аппарату?
Потому что в то время как технологии для наземной связи быстро
совершенствовались в течение последних 40 лет, технологии для воз-
душной связи застряли в 1970-х годах. Проблема начинается не с са-
молетов, а со спутников, которые позволяют отслеживать их. Спут-
ник Sentinel-1A, например, весит две с половиной тонны, стоит около
400 млн долларов и был запущен на ракете, разработанной в Совет-
ской России в 1960-е годы. Sentinel может хранить такой же объем
данных, как семь айфонов. Когда эта реликвия из эры мейнфреймов (мо-
дулей) была отправлена на орбиту - 3 апреля. Огромные дорогие спутники
с малой вычислительной мощностью, запускаемые с помощью ракет,
имеют смысл для широкого вещания, где один спутник посылает один
сигнал множеству целей (например, телевизионным приемником), но
они, как правило, слишком дороги и недостаточно .умны., чтобы быть
частью интернета, где много целей (например, самолетов) могут по-
слать много сигналов на один спутник. Именно поэтому большинство
спутников ретранслируют телевизионные сигналы, делают снимки Зем-
ли или посылают сигналы, которые управляют системами GPS. Это
также является причиной того, что невозможно проследить траекто-
рию полета самолетов и определить их местоположение, кроме как по
инверсионному следу: сигналы сотовых телефонов и Wi-Fi не достигают
земли с высоты 10 км, поэтому самолеты должны иметь возможность
передавать информацию на спутники, которые также экономически не
в состоянии обрабатывать данные сети, но предназначены для ретранс-
ляции сигнала на приемные антенны в форме тарелок, которые было
невозможно модернизировать для самолетов.
Решение этих проблем просто: нам нужны новые спутниковые техноло-
гии. И они на подходе. Богатые частные инвесторы и блестящие моло-
дые инженеры переносят спутники в XXI век благодаря изобретениям,
которые включают .пучки. из .наноспутников., которые весят всего
лишь 1,5 кг; плоские, тонкие антенны, построенные на основе использо-
вания передовых материалов, называемых .метаматериалами.; .фор-
мирование луча., которое управляет радиосигналами с помощью про-
граммного обеспечения. 9 января 2014 года участники стартапа из Сан-
Франциско под названием Planet Labs послали группировку из 28 нано-
спутников в космос. Первое приложение для этого типа технологии _
это съемка Земли, но она также может быть использована для получе-
ния потоковой передачи данных с самолета, модернизированного этими
новыми, плоскими .метаматериальными. антеннами. Есть много дру-
гих перспективных систем. Появляются десятки новых спутниковых
технологий и бесчисленное множество способов их комбинации. Получе-
ние потоковых данных самолетов уже скоро станет дешевой и простой
операцией.. [ASH201401].
1.2.2. Тенденции развития технологий
Спутниковая1 отрасль включает в себя производителей космических аппара-
тов, ракет, спутниковых операторов и разработчиков системного оборудования.
Главными операторами являются Eutelsat, Intelsat , SES и TELESAT; также су-
ществуют свои национальные провайдеры (в частности, у стран-членов БРИКС:
Бразилия, Россия, Индия, Китай и ЮАР). В 2013 году рост совокупного дохода
отрасли был на уровне примерно 3–4%; формирующийся рынок и разрабатыва-
емые приложения будут движущей силой продолжения и/или улучшения роста:
(или частично) FSS. Многие авиакомпании планируют модернизировать свои са-
молеты, чтобы предложить услуги подключения в полете. В качестве иллюстра-
тивного примера можно привести опыт компании El Al Israel Airlines, которая
в 2014 году объявила, что с 2015 года начнет оснащать оборудованием свой парк
воздушных судов Боинг-737, чтобы обеспечить в полете широкополосную спутни-
ковую связь с использованием услуги Exede in the Air, принадлежащей компании
Viasat, при поддержке со стороны спутников КА-SAT, работающих в Ka-диапа-
зоне и принадлежащих компании Eutelsat. (Спутниковая связь с использованием
космических аппаратов KA-SAT, принадлежащих компании Eutelsat, покрывает
почти всю Европу, Ближний Восток, часть России, Средней Азии и Восточной
Атлантики.) Пассажирам будет предложено несколько вариантов интернет-услуг,
в том числе один бесплатный сервис для подключения ноутбуков, планшетов или
смартфонов к интернету; Exede in the Air, как сообщается, способна доставлять
до 12 Мбит/с на каждого пассажира, скорость, по словам представителей ком-
пании, не зависит от числа пользователей на данном самолете [SEL201403]. Для
того, чтобы обеспечить полный полетный интернет-сервис для самолетов, авиа-
компании необходимо добавить бортовые терминалы, следящие антенны и обте-
катели бортовых антенн на борт воздушного судна, а также подписаться на по-
лосу пропускания спутникового канала (во время полета) выбранных спутников.
Появляются новые архитектуры, связанные с конструкцией спутников. Дей-
ствительно, до недавнего времени спутниковые операторы проявляли сдержан-
ный интерес к полностью электрической силовой установке спутника, главным
образом потому, что космическому аппарату с этим типом силовых установок тре-
буются месяцы, а не недели, для достижения конечной рабочей позиции на ГСО.
Спутниковые операторы сообщили, что они также озабочены большой продолжи-
тельностью перемещения своих спутников, уже находящихся на геостационарной
орбите, из одной орбитальной позиции в другую, что приходится не раз совер-
шать в течение всего жизненного цикла спутника, который может составлять
15–20 лет (такие перемещения очень распространены, поскольку позволяют опе-
ратору удовлетворять потребности в полосе пропускания в различных частях
мира по мере их возникновения _ в некоторых случаях до 25% спутникового
парка оператора может находиться в состоянии перемещения) [SEL201402]. Тем
не менее есть якобы определенные экономические преимущества использования
электронно-силовой установки космических аппаратов, которые могут снизить
затраты на создание средств ретрансляции с широкой полосой пропускания спут-
никовых ретрансляторов, тем самым открывая путь новым рынкам и приложе-
ниям. Некоторые ключевые операторы недавно заявили о возвращении интереса
к этой технологии. Большой, сложный космический аппарат может весить более
6000 кг, снижение веса позволит значительно снизить затраты на запуск, электри-
ческая силовая установка способна привести к созданию космических аппаратов,
которые весят около 50% того, что он будет весить на старте с полноценным
химическим двигателем. Некоторые наблюдатели отрасли ожидают увидеть по-
явление гибридного решения, которое экономит часть массы ракеты и спутника
благодаря электрической тяге, но при этом сохраняет обычное химическое топ-
ливо, чтобы ускорить прибытие спутника в конечную рабочую позицию.
На уровне конечного пользователя был сделан целый ряд технологических
разработок, в том числе расширения для DVB-S2, модемы с более жесткими
наблюдатели утверждают, что 80% будущего роста спроса на спутниковые услуги
придется на южное полушарие, хотя .качество. доходов в этих районах не срав-
нить с развитыми странами. Как правило, операторы по всему миру запускают
около двух дюжин коммерческих спутников связи в год.
Как указывалось выше, мобильная связь для коммерческих пользователей
представляет большие возможности для развития бизнеса спутниковых операто-
ров. Некоторые обозреватели видят практическое сближение того, что когда-то
было официальными MSS и FSS. Многие из развивающихся услуг мобильной
связи основаны на использовании спутников, поддерживающих главным образомспадами характеристик фильтров, адаптивная предварительная коррекция для
борьбы с нелинейностью передающего оборудования и групповой задержкой. Эти
разработки для модемов увеличивают пропускную способность, которую мож-
но достичь в канале (расширяя сферу приложения) или уменьшить аналоговый
спектр, необходимый для поддержания определенной скорости передачи данных
(таким образом снижая стоимость приложения).
Область возможных новых деловых и технических возможностей влечет за
собой концепцию .бортовой полезной нагрузки.. НАСА и Министерство обо-
роны США (DoD _ US Department of Defense) начали поиск в коммерческом
космическом секторе более экономически эффективных решений по сравнению
с проприетарными подходами, в том числе с использованием попутных полезных
нагрузок. В конструкцию космического аппарата, построенного для коммерче-
ских услуг, заложена возможность дополнительной грузоподъемности по массе,
объему и мощности. Эта способность может быть использована для размеще-
ния дополнительной (правительственной) полезной нагрузки, такой как транс-
пондеры связи, камеры наблюдения Земли или техника для демонстрационных
испытаний. Такие .попутные полезные нагрузки. могут предоставлять государ-
ственные органы с возможностью получения доли от стоимости выделенного
спутника, а также спутниковые операторы в качестве дополнительного источника
дохода [FOU201201]. Ряд геосинхронных спутников связи, запущенных в послед-
ние годы, принимали на борт полезную нагрузку, и сейчас наблюдаются все
признаки того, что попутные полезные нагрузки приобретают все более широ-
кое признание, поскольку государственные органы все чаще ограничены в своих
возможностях из-за сокращения финансирования. Недавно Центр ракетно-кос-
мических систем Космического командования ВВС США (SMC _ Space and
Missiles Systems Center) сформировал Бюро попутных полезных нагрузок (Hosted
Payload Office), чтобы лучше координировать возможности их размещения, когда
они приходят по линии правительственных учреждений. ВВС ранее запустили
Commercially Hosted InfraRed Payload (CHIRP) в качестве попутной полезной на-
грузки на спутнике связи, чтобы проверить возможности использования нового
инфракрасного датчика для систем предупреждения о ракетном нападении в бу-
дущем. ВВС, как сообщается, планирует на основе успеха CHIRP разработать
последующую программу под названием CHIRP + опять-таки с использовани-
ем полезных нагрузок, размещенных для тестирования инфракрасных датчиков.
В другом примере ВС Австралии разместили попутную полезную нагрузку на
коммерческом спутнике Intelsat 22, чтобы обеспечить ДМВ связь для вооружен-
ных сил. Сообщается, что правительство сэкономило более 150 млн долларов
по сравнению с альтернативными подходами, поэтому размещение попутной по-
лезной нагрузки было на 50% более эффективно экономически, чем запуск от-
дельного спутника только как носителя полезной нагрузки, кроме того, это было
на 180% эффективнее, чем лизинг объема спутника. Некоторыми другими при-
мерами попутных приложений являются EMC-Arabsat и GeoMetWatch-Asiasat.
Преимущества попутных полезных нагрузок значительны, хотя могут быть ин-
ституциональные проблемы для спутниковых операторов и потенциальных пра-
вительственных клиентов при проработке вопросов закупок и интеграции.
Существует новая категория развивающихся космических технологий, кото-
рые называются космической логистикой. Услуги включают в себя продление
срока службы, использование межорбитальных транспортных тягачей, выравни-
вание позиций космических аппаратов, размещение попутных полезных нагрузок
и, возможно, перемещение топлива. ViviSat является примером компании, кото-
рая стремится обеспечить обслуживание на орбите для спутников на ГСО.
В последнее время спутниковые технологии и услуги M2M привлекают по-
вышенное внимание. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, существует
настоятельная необходимость, например, в модернизации глобального авиаци-
онного флота для поддержки разнопланового, надежного, бесперебойного от-
слеживания функций, состояния и местоположения воздушного судна. Можно
было бы ожидать, что такие основные функции безопасности будут положи-
тельно приняты в будущем глобальными авиационными регулирующими орга-
нами (например, Международной организацией гражданской авиации (ICAO _
International Civil Aviation Organization)). Спутниковая антенна М2М и модем
стоят около 125 долларов. В то время как наземная приемная система сотовой
связи, как правило, стоит всего 50 долларов, но она не имеет полного охвата
спутниками, особенно в глобальном масштабе. Ведется работа по сокращению
стоимости спутниковой системы пользователя до 90 долларов. Провайдерами
являются Inmarsat, Iridium, Orbcomm и Globalstar. Текущая доля спутников
на мировом рынке М2М оценивается в 5% (каждый процентный пункт пред-
ставляет около 100 000 установленных блоков); в этом сегменте в ближайшее
время ожидается рост. Например, провайдер спутниковой М2М службы обме-
на сообщениями Orbcomm запустил спутниковую группировку второго поко-
ления из 17 космических аппаратов на двух ракетах Falcon 9, управляемых
Space Exploration Technologies Corporation (Корпорация использования техно-
логий в исследованиях космоса) в 2014 году. Спутники нового поколения будут
обратимо совместимы с существующими модемами и антеннами Orbcomm, ис-
пользуемыми для отслеживания состояния стационарных и мобильных активов,
но новые спутники имеют в 6 раз больше приемников на борту, чем существу-
ющие космические аппараты, и предлагают в 2 раза более высокую скорость
доставки сообщений (созвездие спутников второго поколения будет примерно
в 100 раз превосходить общий потенциал существующих спутников) [SEL201404].
Спутник М2М расширяет связь, доступную наземным сотовым сетям, не только
внутри страны, но на суше и на море.
Малые спутники специального назначения (так называемые smallsats, а также
микроспутники или наноспутники) в настоящее время оцениваются некоторы-
ми операторами как вариант развития отрасли. Эти спутники весят в пределах
1–10 кг. Применение малых спутников обеспечивает гибкость миссии, снижает за-
траты и риск, сокращает время выхода на орбиту, а также эксплуатационные и
технические сложности. Эти спутники могут быть использованы для географиче-
ских информационных систем, космической науки, спутниковой связи, получения
спутниковых снимков, данных дистанционного зондирования, научных исследо-
ваний и разведки. Далее в рамках этого континуума можно обнаружить, что
существуют пикоспутники (например, спутники Cubesat), которые могут выпол-
нять различные научные исследования в космосе. Прогресс во всех областях
разработки технологий малых спутников позволит им функционировать в со-
ставе созвездий и производить совместные измерения. Группировки спутников
позволяют решать совершенно новые классы задач для навигации, связи, дистанционного зондирования и научных исследований в гражданских и военных
целях. Объем и доступность таких разноплановых космических миссий тесно
связаны с возможностями, технологичностью и технической готовностью их ком-
понентов, а также разнообразными возможностями запуска, которые доступны
на сегодняшний день [SMA201301]. Наблюдения Земли и дистанционное зондиро-
вание, как ожидается, составят самую большую долю рынка к 2019 году; также
рассматривается их использование в коммерческих приложениях связи.
В 2014 году Google объявил о планах по размещению 180 малых низкоорби-
тальных спутников для обеспечения доступа к интернету в тех регионах земного
шара, где подобного обслуживания явно недостаточно. Google ранее инвестиро-
вал в инициативу O3b Networks, но, видимо, искал другой механизм входа в спут-
никовое пространство. Для завершения проекта может потребоваться несколько
миллиардов долларов. Google ведет поиск путей обеспечения доступа в интер-
нет в развивающихся регионах, не вкладывая деньги в дорогие наземные ин-
фраструктуры; например, его сотрудники представили Project Loon, который
предполагает поставки интернета через воздушные шары на солнечных батареях
с дистанционным управлением. На момент публикации этой книги подробная ин-
формация о проекте вообще не была доступна, но обсуждаемые в нем спутники
могут принадлежать к типу малых спутников или быть еще более совершенными.
Также совершенствуются конструкции антенн. Например, Panasonics исполь-
зует фазированную антенную решетку для подключения к интернету во время
полета. В качестве другого примера можно сказать, что в целом, в некоторых
системах СОО-HTS требуется две антенны слежения; тем не менее, некоторые
производители (например, Kymeta) разрабатывают антенну с плоской панелью
из метаматериалов, которая способна отслеживать и мгновенно переключать со-
единения между спутниками. По состоянию на данный момент Kymeta продемон-
стрировала способность принимать сигналы, а в следующих планах _ демонстра-
ция способности передачи. Эта антенна в настоящее время работает в Ka-диапа-
зоне, но поставщик, как сообщается, планирует разработку версии, работающей
в Ku-диапазоне.
Некоторые разработчики положительно оценивают возможности проекта, ко-
торый называется .когнитивные системы спутниковой связи. (также известный
как CoRaSat [когнитивное радио для спутниковой связи]). Эти системы плани-
руется наделить возможностью автоматически обнаруживать и реагировать на
ухудшение канала передачи, такие как (но не ограничиваясь) помехи от сосед-
него спутника (ASI _ Adjacent Satellite Interference), соседнего канала (ACI _
Adjacent Channel Interference), ослабление сигнала во время дождя и вариации
в работе граничной частоты, вызванные рядом причин. Эти достижения основы-
ваются на более общей концепции .когнитивного радио., в которой динамическое
управление использованием спектра применяется для борьбы с дефицитом обще-
го передающего спектра. Поскольку выделенный спутниковый спектр становится
дефицитным в различных частях мира из-за растущего спроса на вещание, муль-
тимедиа, услуги наземной мобильной связи, а также интерактивные интернет-
услуги, применение эффективных методов совместного использования спектра
для повышения эффективности его использования в области спутниковой свя-
зи позднее стало важной темой. Когнитивные методы, такие как спектральное
зондирование (SS _ Spectrum Sensing), моделирование помех, диаграммообразование, коррекция помех и когнитивное формирование луча сейчас проходят
оценку с целью возможной реализации в ближайшем будущем.
Спутниковая ретрансляция для региональных услуг 2G, 2,5G, 3G и 4G/LTE
в слаборазвитых районах (например, в Африке и Южной Америке) является но-
вым и развивающимся приложением. Спутники также используются в качестве
первичных звеньев основных магистралей операторов мобильной связи (MNO _
Mobile Network Operators) и для услуг восстановления нормального режима ра-
боты системы, где в качестве основных видов связи используются оптоволокон-
ная и кабельная. Цель состоит в том, чтобы позволить мобильной связи MNO
достичь большего количества пользователей, одновременно снизив общую стои-
мость предоставляемых услуг. Добавление кэширования c использованием вышек
ретрансляции от спутникового распределения телевизионных программ также
может поддерживать некоторые услуги передачи видео-по-запросу на смартфо-
ны в этих регионах мира.
Другой важной областью для операторов является доступность спектра; это
относится к разрешениям для передачи в определенных полосах частот с кон-
кретных орбитальных позиций, а также .права на землю. (landing rights), ко-
торое представляет собой положения, касающиеся разрешения на использование
сигналов иностранных спутниковых служб в указанных странах. Ключевой обла-
стью обсуждения на Всемирной конференции радиосвязи 2015 года (ВКР, World
Radiocommunication Conference (WRC)) являлись усилия операторов беспровод-
ной наземной связи в попытке получения спектра C-диапазона для разрабаты-
ваемых приложений 4G/5G. Исследования показали, что услуги международной
мобильной связи (IMT _ International Mobile Telecommunications) мешают рабо-
те спутников фиксированной спутниковой службы, на долю которой приходится
38% всех спутников (не считая HTS) [WAI201401, SEL201401].
Спутниковые сети не могут больше продолжать свое существование как авто-
номные острова во Всемирной паутине (для которой требуется) любое подклю-
чение устройства в любое время/в любом месте/любого контента. Отсюда сле-
дует, что гибридные сети обретают важную роль. Широкое внедрение IP-услуг,
в том числе на основе распределения контента на базе IP-протоколов, в тече-
ние следующих 10 лет будет обязательно направлять значительные изменения
в отрасли. Интеграция спутниковой связи и возможностей IP-протоколов (в част-
ности, IPv6) обещает создание более симбиотической сетевой инфраструктуры,
которая может лучше обслуживать растущие потребности пассажиров, бизнес-
предприятия, правительство и военных, а также участников рынка IPTV/OTT/
сети распределения контента (CDN _ Content Delivery Network). Операторы
должны стать гораздо более информированными относительно возможностей
IP-протоколов, чтобы оставаться на рынке.
Консолидация отрасли продолжается и на уровне бизнеса. Два основных сли-
яния, произошедших в последнее время, включают в себя покупку AT&T компа-
нии DirectTVDirectTV и приобретение Comcast компании Time Warner Cable. Из
заявления при покупке следует, что приобретающие компании пытались с опере-
жением адаптироваться к ключевым тенденциям бизнеса: рост цен на контент,
потребность в масштабе, растущее значение широкополосной связи, а также все
более широкое использование видео на мобильных платформах _ все это бы-
ло движущей силой этих сделок. В то время как AT&T была сосредоточена наинтернет-услугах, которые рассматривались как .будущее [заключается] в пере-
даче видео в должном масштабе., в том числе спутниковое видео и интернет,
всеохватывающее OTТ-видео и мобильность [FAB201401]. Цели этих слияний
связаны с .синергией.: больше эффективности в предоставлении услуг по бо-
лее низкой внутренней себестоимости. В Соединенных Штатах покупка Comcast
компании Time Warner Cable и AT&T _ компании DirectTV рассматриваются
как .переформатирование видео ландшафта, которое, по-видимому, направит обе
компании в сторону большей конкуренции.. Другие игроки на рынке нуждаются
в снижении затрат на реинжиниринг ряда функций, в том числе некоммерческое
производство наземных активов, которое зачастую страдает чрезмерно избыточ-
ной функциональностью и выходит далеко за рамки того, что необходимо для
поддержания непрерывности бизнеса. Ожидается, что подобные тенденции будут
влиять на других операторов спутниковых связи/видео по всему миру в течение
следующих нескольких лет.
С точки зрения регулирования, 13 мая 2014 года Государственный департа-
мент США и Министерство торговли США опубликовали окончательные пра-
вила передачи определенных спутников и компонентов из американского Списка
импортного военного имущества (USMIL _ US Munitions Import List) в Перечень
товаров и услуг, подлежащих экспортному контролю (CCL _ Commerce Control
List). Эти правила являются результатом совместной работы Администрации и
Конгресса с привлечением консультантов от промышленников для реформиро-
вания правил, регулирующих экспорт спутников и связанных с ними элемен-
тов. Эти изменения позволят более адекватно калибровать средства управле-
ния в целях повышения конкурентоспособности американской промышленности,
обеспечивая при этом постоянную защиту ключевых технологий для сохранения
национальной безопасности. Изменения в правилах контроля за распростране-
нием радиационно стойких микроэлектронных микросхем вступают в силу через
45 дней после их опубликования, в то время как остальная часть изменений всту-
пит в силу через 180 дней после опубликования. Ранее в этом году Министерство
юстиции опубликовало окончательное постановление, которое вносит изменения
в USMIL в рамках президентской инициативы по реформированию экспортного
контроля (ECR _ Export Control Reform). В ходе этих изменений будут уда-
лены касающиеся обороны статьи, которые были в USMIL, тем самым больше
не поддерживается контроль импорта в соответствии с Законом о контроле над
экспортом вооружений (Arms Export Control Act), что позволяет правоохрани-
тельным органам сосредоточить свои усилия там, где они больше всего нужны.
Эта важная реформа модернизирует USMIL и будет способствовать большей на-
циональной безопасности [ECR201401].
На рис. 1.2 показана основная хронология некоторых ключевых достижений,
оказавших большое влияние на индустрию.
Достижения и инновации в области спутниковой связи и разработки спут-
ников не ограничиваются тем, что было перечислено ранее, хотя они являются
более заметными инициативами на данном этапе. Темы, обсуждаемые в этих
вводных разделах, посвященных представлению общих сведений и тенденций,
будут оцениваться более подробно в последующих главах. Остальная часть этой
главы представляет учебный материал по спутниковой связи.
1.3. Основы спутниковой связи
В данном разделе рассматриваются некоторые основные понятия в области спут-
никовой связи с тем, чтобы сделать эту книгу относительно самостоятельным
учебным пособием.
1.3.1. Спутниковые орбиты
Спутники связи совершают обороты вокруг Земли ("летают", на научном жар-
гоне) по четко определенным орбитам. В табл. 1.1 (примерно скомбинированной
из данных литературных источников [GEO200101] и [SAT200501]) перечисле-
ны некоторые ключевые понятия, связанные с орбитами, которые расширяют
то краткое введение об орбитах, представленное ранее. Рис. 1.3 графически ил-
люстрирует различные спутниковые орбиты, которые находятся в общем поль-
зовании. Большинство коммерческих спутников, обсуждаемых в данной книге,
постоянно находятся на ГСО. На практическом уровне, ГСО имеет небольшой
ненулевой наклон и эксцентриситет, что заставляет находящийся на ГСО спут-
ник двигаться по небольшой, но управляемой траектории в виде "восьмерки".
При штатной работе спутники "сохраняют стационарное положение" в пределах
определенного "поля" вокруг назначенной орбитальной позиции; со временем
(при приближении события окончания срока эксплуатации спутника обычно через 15–18 лет после запуска) спутнику "разрешается" войти по наклонной
орбите в непосредственную близость от назначенной орбитальной позиции (ес-
ли его не перемещают в другую позицию на ГСО для обслуживания): маневры
север-юг для удержания космического аппарата в центральном поле не предпри-
нимаются (для экономии топлива), но сохраняются маневры восток-запад, чтобы
сохранить орбитальную позицию. Орбитальные позиции определяются между-
народными правилами как значения долготы на геосинхронной ¾окружности¿,
например 101◦ з. д., 129◦ з. д. и т. д. Спутники (в настоящее время) разнесены на
2◦ (или 9◦ для DBS), чтобы обеспечить достаточное разделение для поддержки
повторного использования частот, хотя в некоторых приложениях созвездие спут-
ников может быть сосредоточено (практически) в одном месте (но каждый из них
использует другой частотный спектр). В действительности, орбитальная позиция
является ¾полем¿ размером около 150 км на 150 км, в пределах которого спут-
ник находится в ведении наземного контроля. Спутники не на ГСО используются
для таких приложений, как радиоуслуги спутниковой связи, GPS зондирование
Земли, а также в военных целях; тем не менее, также появляются службы ком-
мерческой связи; спутники, которые работают на орбитах ¾Молния¿, СОО или
МОО, увеличивают пропускную способность сети, снижают затраты и в соче-
тании с более совершенными наземными антеннами обеспечивают непрерывное
обслуживание (на самом деле, это и есть аргумент, чтобы с помощью нескольких
спутников обеспечить возможность быстрого восстановления в случае аварии).
Основным последствием движения спутника по ГСО является задержка рас-
пространения сигналов не менее 119 мс в восходящей линии связи (больше для
наземных станций в северных широтах или для наземных станций, которые, нахо-
дясь на линии видимости спутника, все же значительно смещены в меридиональ-
ном направлении1), и не менее 238 мс для восходящей и нисходящей линий связи
или односторонней передачи по сквозной линии. Двусторонний интерактивный
сеанс с типичным протоколом связи, таким как протокол управления передачей
(TCP Transmission Control Protocol) будет испытывать эту задержку дважды
в течение каждого периода (не менее чем 476 мс), так как информация прохо-
дит два раза на спутник и обратно. Односторонние или вещательные (передача
видео или данных) приложения легко справляются с этой проблемой, поскольку
задержка незаметна для зрителя видео или пользователя принимаемых данных.
Тем не менее интерактивные приложения передачи данных и транзитные со-
единения передачи голоса обычно должны принимать и подстраиваться к этому
затруднительному положению, накладываемому ограничениями скорости света,
поскольку с такой же скоростью распространяются радиоволны. Спутниковые
узлы компенсации задержки и технологии имитации соединений (спуфинг) были
успешно использованы для компенсации этих задержек в схемах передачи дан-
ных. Передача голоса через спутник в настоящее время составляет лишь малую
долю от общей мощности транспондера, а пользователям приходится справлять-
ся с задержкой спутника индивидуально в каждом случае, и лишь немногие
находят такую ситуацию нежелательной.
На рис. 1.4 показана хронология запуска спаренного набора спутников, состав-
ленная на основе материалов International Launch Services (ILS), не охраняемых
авторским правом.
ILS обеспечивает управление полетом в целом и услуг по запуску для глобаль-
ной коммерческой спутниковой индустрии с использованием основного транс-
портного средства вывода на орбиту тяжелых грузов с использованием ракет-
носителей ¾Протон-М¿ с разгонным блоком ¾Бриз М¿ (Россия). Эта компания
является одной из трех основных компаний, обеспечивающих оборудование для
запуска коммерческих спутников. Запуски ракеты-носителя ¾Протон-М¿ про-
изводятся с космодрома Байконур, эксплуатируемого Российским космическим
агентством (Роскосмос) в рамках долгосрочной аренды у Республики Казахстан.
1.3.2. Диапазон радиочастот спутниковой
ретрансляции данных
Спутниковый канал связи является каналом радиосвязи между передающей и
приемной наземными станциями через спутник связи1. Спутниковый канал связи
состоит из восходящей и нисходящей линии связи; спутниковое электронное обо-
рудование (т. е. транспондер) будет преобразовывать частоту восходящей линии
связи в частоту нисходящей линии связи. Канал передачи спутниковой системы
является радиоканалом, работающим в конкретных радиочастотных диапазонах
в пределах общего электромагнитного спектра (рис. 1.5 [MIN199101]). Табл. 1.2
содержит сведения о некоторых ключевых физических параметрах, имеющих
отношение к спутниковой связи. Рабочая частота является сверхвысокой часто-
той (СВЧ, SHF) диапазона (3–30 ГГц). Регулирование и практика определяют
рабочую частоту, полосу пропускания канала, а также полосу пропускания под-
каналов в пределах большего канала. Для восходящей и нисходящей линий связи
используются разные частоты.
Частоты выше примерно 30 МГц способны проходить через ионосферу, и,
следовательно, могут использоваться для осуществления связи со спутниками
(частоты ниже 30 МГц отражаются от ионосферы на определенных этапах цик-
ла солнечной активности, однако коммерческие спутниковые службы используют
гораздо более высокие частоты). Диапазон 3–30 ГГц представляет собой полез-
ный набор частот для геостационарной спутниковой связи; эти частоты также
называют "сверхвысокими частотами"2. При частотах выше примерно 30 ГГц
ослабление сигнала в атмосфере из-за облачности, дождя, гидрометеоров, пес-
ка и пыли де пор не разработаны для коммерческого применения3) [JEF200401].
• C-диапазон: 3,7–4,2 ГГц для частот нисходящей линии связи и 5,925–6,425 ГГц
для частот восходящей линии связи;
• Ku-диапазон: 11,7–12,2 ГГц для частот нисходящей линии связи и 14–14,5 ГГц
для частот восходящей линии связи;
• BSS: 12,2–12,7 ГГц для частот нисходящей линии связи и 17,3–17,8 ГГц для
частот восходящей линии связи;
• Ка-диапазон: 18,3–18,8 ГГц и 19,7–20,2 ГГц для частот нисходящей линии
связи, а также между 28,1–28,6 ГГц и 29,5–30 ГГц для восходящей линии
связи (другие конкретные частоты также можно использовать, как описано
в главе 3, некоторые дополнительные услуги на более высоких частотах до
40 ГГц или даже выше возможны в будущем).
Следует отметить, что Международный союз электросвязи (МСЭ) разделил
мир на три области (рис. 1.6):
Регион 1: Европа, Ближний Восток, Россия и Африка;
• Регион 2: Северная и Южная Америка;
Рисунок 1.7 представляет некоторую дополнительную информацию о полосах
частот.
Таблица распределения частот, содержащихся в статье 5 Регламента радио-
связи (РР, RR Radio Regulations), назначает полосы частот службам радио-
связи в каждом из трех регионов МСЭ на основе различных категорий услуг, как
это определено в РР. Есть некоторые различия в разных странах; однако C- и
Ku-диапазоны, как правило, сопоставимы.
Полосы частот подразделяются на более мелкие каналы, которые могут ра-
ботать независимо друг от друга при использовании для различных применений.
На рис. 1.8 изображено типичное разбиение C-диапазона на эти каналы, кото-
рые также называют в просторечии как ¾транспондеры¿ (термин ¾транспондер¿
определен далее в разделе). Номинальная полоса пропускания подканала (обычно)
составляет 40 МГц с полезной (типичной) шириной полосы 36 МГц. Аналогичные
распределения частот были установлены для диапазонов Ku и Ka. Многие спут-
ники одновременно поддерживают инфраструктуры диапазонов C и Ku (они име-
ют специальные каналы и ретрансляторы для каждого диапазона). Большинство
систем связи относятся к одной из трех категорий: эффективное использование
ширины полосы пропускания, мощности или затрат. Эффективное использова-
ние ширины полосы пропускания характеризует способность схемы модуляции
размещать данные в пределах ограниченной ширины полосы частот. Эффек-
тивное использование мощности характеризует способность системы надежно
передавать информацию с заданной величиной достоверности (допустимым ко-
личеством ошибок на один бит информации) на самом низком практическом
уровне мощности. В спутниковой связи все показатели эффективность исполь-
зования полосы пропускания, КПД и мощность радиопередающего устройства
являются очень важными [AGI200101].
Спутники обычно поддерживают несколько лучей, довольно типичным явля-
ется использование от полудюжины до дюжины лучей. Это позволяет исполь-
зовать одинаковые частоты одновременно в разных лучах ("Повторное исполь-
зование частот1") Эти лучи реализуются с использованием различных антенн
и/или отдельных каналов на одной антенне. Каждый точечный луч многократ-
но использует имеющиеся частоты (и/или поляризации), поэтому один спутник
может обеспечить повышенную пропускную способность. В неперекрывающих-
ся областях частоты могут быть полностью повторными; в перекрывающихся
областях должны быть использованы неконфликтующие частоты (рис. 1.9 для
примера). HTS поддерживает до 100 лучей в неперекрывающихся географиче-
ских районах, тем самым значительно увеличивая общую полезную пропускную
способность.