ПОДЕЛИТЬСЯ

1. Введение

Любое физическое или юридическое лицо (далее пользователь) имеет право на свободный доступ к информации вне зависимости от места расположения, как источника информации, так и ее потребителя. Реализация данного права является основной задачей телекоммуникационных сетей. Для пользователя в большинстве случаев не важно, каким образом и по каким каналам ему предоставляется доступ. Главным образом его интересует, сможет ли канал или сеть на его основе обеспечить:

  • достаточную пропускную способность (ПС), гарантирующую предоставление современных телекоммуникационных услуг запрошенной номенклатуры в требуемом объеме;
  • доставку информации с заданным потребителем качеством:
  • доставку информации в нужное, определенное потребителем, место;
  • приемлемые цены на услуги.

Рост объемов традиционных телекоммуникационных услуг (вещание, передача данных, Интернет и т. д.), внедрение и дальнейшее развитие современных инфотелекоммуникационных технологий требуют использования каналов, способных пропускать и обрабатывать высокоскоростные информационные потоки. Соответственно возрастают потребности пользователей в полосе частот каналов. Переход на более эффективные методы передачи информации и организации сетей, позволяющих в отведенной полосе передать больше информации, зачастую не достаточно.

Пользователь все больше заинтересован как в получении новых высококачественных услуг, так и в повышении качества традиционных услуг. Внедрение услуг высокого качества, к примеру, телевидения высокой четкости (ТВЧ) требует или использования широкополосных каналов, или значительного повышения энергетики канала. В ряде случаев, особенно в радиоканалах, возможности повышения энергетики канала ограничены либо условиями электромагнитной совместимости, либо проблемами физической реализуемости оборудования, к примеру, передатчиков большой мощности. Единственным способом достижения необходимого для предоставления услуг качества канала является использование обменных соотношений между полосой частот канала и его энергетикой, например, путем перехода к малопозиционным сигналам и/или низкоскоростным кодам, что требует увеличения полосы частот.

Вопрос об одновременном обеспечении высокой ПС и качества канала для наземных телекоммуникационных сетей не ставится. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), радиорелейные линии, сети, построенные на основе радиотехнологий (LTE и др.) позволяют передавать большие информационные потоки с высоким качеством, однако возникают проблемы с обеспечением доступа в любом месте.
Для урбанизированных районов, где пользователи компактно размещены на ограниченной территории, задача предоставления каналов доступа практически решается средствами кабельных сетей, в том числе ВОЛС, или сотовых систем типа LTE и ей подобных. Их использование для решения проблемы повсеместного обеспечения доступом в любом месте и в любое время, особенно пользователей, расположенных в труднодоступных, отдаленных и малонаселенных территориях требует развития каналов связи.

Конечно, теоретически возможно протянуть ВОЛС к каждому дому, создать сеть узловых станций доступа, охватывающую всю территорию региона или страны. Возникает вопрос о объемах затраченных средств на строительство ВОЛС или узловых станций, охватывающих регионы с малой плотностью населения, например, Сахару, бассейн Амазонки, Сибирь, внутреннюю часть Австралии, острова Океании или, наконец, Полесье Украины. В конечном итоге, если не принимать во внимание гипотезы о благотворительных намерениях создателя сети, это отразится на стоимости услуг, которая будет неподъемной для пользователя. Или вообще сеть в тех местах не разворачивать, лишив потребителя права на доступ?

Единственной альтернативой предоставления доступа вне зависимости от места расположения, как источника информации, так и ее потребителя остается использование спутниковых каналов, обеспечивающих как высокие скорости передачи, так и приемлемое качество. Конечно, стоимость создания спутниковой сети значительна, но зона покрытия услугами велика, и она не зависит, ни от расстояния между пользователем и источником информации, ни от количества пользователей. Это означает, что стоимость услуг сети для отдельного пользователя с ростом количества пользователей будет уменьшаться.

Учитывая ограниченность частотно-орбитального ресурса спутниковых систем связи (ССС) остаются открытыми вопросы достаточности частотного ресурса (ЧР) для построения системы доступа и эффективного использования имеющегося ЧР.

2. Частотный ресурс ССС

В первую очередь ЧР зависит от полосы частот, выделенной спутниковой сети или системе в целом. Для справки в таблице 1 приведены условные названия диапазонов и граничные значения их полос частот, распределенных в соответствии с Регламентом Радиосвязи для систем спутниковой связи (фиксированная спутниковая служба). Из рассмотрения исключены редко используемые и используемые в других службах диапазоны L, S, X.

Значение полосы частот, выделенное в каждом диапазоне, ограничено. Системы, работающие в более высокочастотном диапазоне способны предоставить больший частотный ресурс, выделенная в диапазоне Ка полоса более чем в 4 раза шире, чем в диапазоне С.

Таблица. 1 — Диапазоны частот, используемые в фиксированной спутниковой службеПомимо перехода на более высокочастотные диапазоны проблема недостаточности ЧР может решаться за счет повторного использования полосы частот при поляризационном и/или пространственном разделении каналов. В первом случае ЧР может быть удвоен, во втором все зависит от количества неперекрывающихся зон обслуживания, которые формируются на спутнике антенными системами.

Для оценки перспектив расширения частотного ресурса за счет пространственного разделения на рисунке 1 приведены результаты расчета площади зоны покрытия одним лучом. Расчеты производились для гипотетического луча при следующих условиях:

  • используется бортовая параболическая антенна;
  • размеры зоны покрытия задаются шириной главного лепестка антенны, определенной на уровне -3 дБ;
  • форма зоны покрытия: на широте экватора круг, переходящий по мере удаления от экватора в эллипс;
  • долгота центра зоны покрытия соответствует долготе спутника.

Зависимости, приведенные на рисунке 1, рассчитаны для частного случая — антенны с диаметром зеркала 2 м с коэффициентом использования поверхности 0,64.

В диапазоне С на средних широтах площадь зоны покрытия велика, ее площадь оценивается в пределах (2,5 — 3,5) млн. кв. км. Например, при расположении центра зоны в районе Киева она будет охватывать Восточную и большую часть Центральной Европы. Так что перспективы повторного использования полосы невелики – до 4 – 5 раз и то применимо для организации глобальной связи.

Рисунок 1 — Оценка площади покрытия в разных диапазонах частотВ диапазоне Ku для той же географической области площадь зоны покрытия находится в пределах (400 – 500) тыс.кв.км, т.е. одним лучом может покрываться территория, например, Франции или Украины (почти полностью), так что степень использования полосы может быть увеличена приблизительно на порядок. Примером практической реализации этому может послужить пока что единственная спутниковая сеть, использующая КА Thaicom 4 (IPstar 1), формирующий 82 зоны покрытия по сотовому принципу.

Гораздо больше возможностей для многократного использования полосы частот у спутниковых сетей, работающих в диапазоне Ка. При тех же географических условиях площадь зоны покрытия составляет от 120 тыс. кв. км до 180 тыс. кв. км. Только на территории Украины можно сформировать несколько зон покрытия, что, по крайней мере, удвоит частотный ресурс. Более полная оценка возможностей при работе в диапазоне Ка будет произведена в следующем разделе.

С учетом поляризационного и пространственного разделения общий частотный ресурс выведенных на ГСО КА порядка 670 ГГц. Всего, по состоянию на февраль 2015 года, на геостационарной орбите (ГСО) действуют 345 телекоммуникационных космических аппаратов (КА) гражданского назначения, из которых услуги доступа к информации различного рода способны предоставлять 310 КА. Динамика роста ЧР всех ССС в целом и его распределения по основным диапазонам частот, начиная с 2004 года, проиллюстрирована рисунком 2. Рост совокупного ЧР за этот период в 2,8 раза в основном обеспечивался введением новых емкостей в диапазонах Ku (в 2 раза) и, особенно, в Ka (в 8 раз). Если до 2008 — 2009 годов темпы прироста частотного ресурса во всех диапазонах были примерно одинаковы, то в дальнейшем более интенсивно начал использоваться диапазон Ка. Только за последние три года доля диапазона Ка в суммарном объеме ресурсов выросла с 16,9 % в 2011 году до 25,3 % в 2014 г. (рисунок 3), превысив по объемам ЧР диапазона С.

Стволы в диапазоне Ка имеют 70 действующих спутников, из которых 14 КА работают только в этом диапазоне. К наиболее крупным операторам, использующим диапазон Ка, следует отнести: SES (13 КА), DirecTV (9 КА), Eutelsat (7 КА), Telesat (4 КА), Viasat и ASCO (3 КА). Всего услуги в этой полосе предоставляют 35 операторов ССС. В ближайшее четырехлетие операторы намерены вывести на ГСО еще 47 КА, предоставлять услуги в этом диапазоне планируют еще семь операторов.

Большие значения распределенной полосы, широкие возможности для повторного использования диапазона частот, опережающий рост частотного ресурса и менее проблематичное решение вопросов координации сетей при их создании обуславливают повышенный интерес к использованию диапазона Ка для организации каналов доступа к информации.

Рисунок 2 – Частотный ресурс ССС

 

Рисунок 3 — Распределение ресурса по диапазонам

На февраль 2015 года в диапазоне Ка было задействовано около 1400 стволов с общим частотным ресурсом примерно 190 ГГц.

Распределение частотного ресурса диапазона Ка по позициям ГСО приведено на рисунке 4. Из диаграммы видно, что частотный ресурс сосредоточен на позициях ГСО используемых для предоставления услуг в Северной Америке (60,4 %), Европе и прилегающих странах Африки, Ближнего Востока (32,1%) и пока в меньшей мере для обслуживания пользователей в оставшейся части Азии и Австралии (7,5 %). Распределение КА по регионам обслуживания и некоторым странам, входящих в них, приведено в таблице 2.

Неравномерность распределения ресурса, а значит и неравные возможности пользователей получать услуги, подчеркивается тем, что долю четырех операторов (Viasat, DirecTV, Hughes Network, Eutelsat), обслуживающих Северную Америку и Европу, приходится 62 % общего частотного ресурса диапазона Ка.

Рисунок 4 — Распределение частотного ресурса на ГСОТаблица 2 – Распределение КА по регионам обслуживания

3. Особенности работы в диапазоне

Как уже было отмечено, привлекательность использования диапазона Ка обусловлена, во-первых, меньшими по сравнению с другими диапазонами проблемами с координацией сетей, во-вторых, большим значением распределенной полосы частот и возможностью повторного ее использования. Как и в предыдущем разделе, оценку перспектив многократного использования полосы частот можно производить по площади зоны покрытия. Результаты ее расчета, выполненные при аналогичных ограничениях на частотах диапазона Ка, и условии, что установлены бортовые антенны с диаметром зеркала 2 м, или 3 м, или 4 м представлены на рисунке 5. Из результатов расчетов следует вполне ожидаемый вывод, что увеличение диаметра зеркала антенны в n раз приводит к уменьшению площади зоны покрытия в n2 раз.

Если предположить, что на спутнике установлена параболическая антенна с диаметром зеркала 3 м, то на территории Украины можно организовать 10 зон покрытия. При этом одну и ту же полосу частот можно использовать трижды, т. е. без изменения полосы частотный ресурс увеличится в 3 раза. Такой подход к построению сети удобен при организации регионального вещания. Пользователи разных регионов, не входящие в смежные зоны, могут вещать на одной и той же частоте в пределах выделенной полосы частот, не создавая взаимных помех.

Как будет показано далее, в большинстве случаев многозоновое покрытие строится на основе использование квадратной или близкой к ней сети (рисунок 6.а). При этом достаточно четырех парциальных полос чтобы организовывать разнесенные спутниковые каналы. Эффективность использования выделенной полосы пропорциональна количеству зон в области покрытия. К примеру, при 60 зонах частотный ресурс можно увеличить в 15 раз.

Рисунок 5 — Площадь зоны покрытия луча в диапазоне КаЕсли к вопросу размещения зон в определенной области подходить с позиции теории оптимальной упаковки, то известно, что самой эффективной является треугольная сеть с центрами зон, располагаемыми в вершинах равностороннего треугольника (рис. 6 б). В треугольной сети количество смежных зон уменьшается до трех, что по сравнению с квадратной сетью дает дополнительный выигрыш по частотному ресурсу в 1,33 раза.

Рисунок 6 — Типы конфигураций многозоновой области покрытия

За увеличение частотного ресурса при переходе в диапазон Ка приходится платить большим уровнем затухания в канале, т. е. ухудшением энергетики линии.

Известно, что в диапазонах частот ССС на энергетические показатели спутниковых линий влияют три основных фактора:

  • большое затухание сигнала в канале, обусловленное большой протяженностью трассы Земля – спутник – Земля;
  • потери мощности при прохождении через атмосферу, в основном в водяных парах и кислороде;
  • затухание сигнала в осадках.

Уровень затухания сигнала в свободном пространстве растет пропорционально квадрату частоты, на которой сигнал передается. Переход, например, с диапазона Ku на работу в диапазоне Ка приводит к дополнительным потерям от 4,0 дБ до 6,4 дБ. Однако коэффициент усиления антенны так же растет пропорционально квадрату частоты, так что дополнительно затухание компенсируется увеличением коэффициента усиления антенны.
Зависимость затухания сигнала от частоты при его прохождении через слои атмосферы приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Потери в атмосфере

На частотах в окрестности 23 ГГц наблюдается максимум потерь мощности сигнала, однако, во-первых, данный участок диапазона в ССС практически не используется и, во-вторых, уровень потерь не значительный, не превышает 1 дБ.

Более существенным, ограничивающим применение диапазона Ка, фактором является затухание сигнала во время осадков на трассе прохождения сигнала. Осадки – явление временное и случайное действующее. Степень затухания сигнала зависит от их интенсивности, длительности, толщины слоя дождя (снега), определяющего длину пути сигнала в осадках. Во время их выпадения уменьшение отношения сигнал/шум в канале может привести к заметному ухудшению качества услуг вплоть до невозможности их предоставления (отсутствия канала связи вообще). Учитывая вероятностный характер действия осадков, их влияние оценивается таким параметром как надежность канала связи. Надежность канала определяется через процент времени в году, в течении которого канал способен предоставлять услуги.

Например, надежность 99,95 % означает, что за год в течении 4,38 часов предоставление услуг каналом не гарантируется. Для компенсации возможных потерь при выпадении осадков необходимо предусмотреть дополнительный энергетический запас в канале или за счет повышения мощности передаваемого сигнала, или за счет использования антенн с большим коэффициентом усиления. Зависимости потерь в осадках, которые необходимо скомпенсировать для достижения заданной надежности, от значения параметра надежности приведены на рисунке 8. Для сравнения там же отображены результаты расчетов для каналов, работающих в диапазоне Ku. Расчеты производились на частотах, близких к крайним частотам диапазонов.

Рисунок 8 — Требуемый запас энергетики для компенсации потерь в осадках

Вполне очевидно, что достижение уровня надежности спутниковых каналов диапазона Ка 99,99 % и выше практически не реально. Непосредственное повышение мощности передаваемого сигнала физически не возможно, а увеличение коэффициента усиления антенн требует антенн с очень большим диаметром зеркала. Например, для достижения надежности канала 99,99 % на линии Земля — спутник земная станция должна быть оборудована передатчиком с выходной мощностью порядка 500 Вт и антенной с диаметром зеркала (7 — 9) м.

Необходимо искать другие способы повышения надежности канала. Наиболее приемлемым из них является резервирование каналов за счет использования еще одной земной станции, разнесенной с основной в пространстве. Расстояние между станциями необходимо выбирать таким, чтобы осадки в месте приема/передачи были не коррелированными. При этом станции должны быть связаны альтернативным каналом, например, ВОЛС.

4. Каналы вещания диапазона Ка

При значительном уровне использования спутниковых каналов для трансляции программ вещания диапазон Ка освоен пока что слабо. Из 38,6 тысяч телевизионных вещательных каналов на долю диапазона Ка приходится только 640 каналов или 1,7%.

Львиная доля каналов (92%) диапазона Ка обслуживает пользователей США. Услуги предоставляются оператором DirecTV. Вещание ведется через пять спутников Spaceway 2, DTV 11 и Spaceway 1, DTV 10, DTV 12 с двух позиций ГСО 99,2° з. д. и 103,0° з. д., соответственно. Все спутники специализированные, имеют нагрузку только в диапазоне Ка.

На европейский регион приходится только 53 канала вещания в диапазоне Ка. Ресурсы для трансляции телевизионных программ предоставляют пять спутников операторов Eutelsat (Eutelsat 7A/7В — 7,0° в. д., Eutelsat 16A — 16,0° в. д., Eutelsat Kasat 9A — 9,0° в. д.) и один КА (Astra 1L — 19,2° в. д.) оператора SES Astra.

Семь вещательных каналов организовано операторами Esh’ailsat (Esh’ail 1 — 25,5° в. д.) и Turksat AS (Turksat 4A — 42,0° в. д.,) для пользователей Ближнего Востока, Малой Азии. В остальных регионах Азии, а также в большей части Африки, в Австралии и Южной Америке услуги вещания в диапазоне Ка пока не предоставляются. Отметим, что в зону покрытия КА Esh’ail 1 и КА Turksat 4A входят, соответственно, часть Северной Африки и Европа.

Все программы спутникового вещания, предназначенные американским пользователям, и 93 % программ для европейского региона транслируются в стандарте DVB-S2. 86 % каналов ориентированы на предоставление услуг ТВЧ, из которых только три канала на пользователей за пределами США. Частотный ресурс, задействованный под распределение вещательных программ, незначительный и составляет всего 3 % от общего ресурса диапазона Ка. В общем, уровень использования технологии DVB-S2 в диапазоне Ка значительно превышает (98 % каналов) степень ее применения в других диапазонах (38 %).

Области покрытия КА, обслуживающих Восточное полушарие, за исключением Eutelsat Kasat 9A, однозоновые. Конфигурация зоны обслуживания, наиболее загруженного КА Eutelsat 16A (20 каналов), для примера, приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 — Зона покрытия луча диапазона Ка спутника Eutelsat 16AСпутники западного полушария DTV 10, DTV 11, DTV 12 идентичны по параметрам. На каждом из них формируется до 55 лучей, обслуживающих крупные городские агломерации, Аляску, Гавайи и один региональный луч, покрывающий всю территорию США без Аляски. Многозоновая область покрытия, создаваемая КА DTV 12 (без Аляски и Гавайев) представлена на рисунке 10. Максимальное значение эквивалентной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) в зоне покрытия луча 59,5 дБВт.

Рисунок 10 — Многозоновая область покрытия КА DTV 12

Как видно покрытие страны не полное, 49 зональных лучей охватывают только более плотно населенные районы США. В остальных частях страны услуги предоставляются региональным лучом. В начале декабря в точку 99,2° з. д. ГСО был выведен еще один КА семейства DirecTV – DTV 14. Основное предназначение спутника – резервирование существующих емкостей. В зону покрытия его 46 рабочих лучей входят густонаселенные районы восточной и западной частей США.

Такой же метод организации покрытия использован в сети вещания, построенной на основе КА Galaxy 28. 28 стволов диапазона Ка формируют 28 лучей, которые покрывают, используя сотовый принцип, всю территорию США.

Столь слабое использование диапазона Ка для предоставления услуг вещания в мировом масштабе обусловлено, помимо недостаточной надежности при работе в условиях осадков, инерцией рынка. Значительное большинство операторов, провайдеров и абонентов сетей вещания предоставляют и пользуются услугами непосредственного вещания (НТВ), доля которого составляет примерно 70 % от объемов услуг вещания. Преимущественно оборудование сетей НТВ было ориентировано на работу в диапазоне Ku и, в меньшей мере, в диапазоне С. Пока ресурсов каналов в этих диапазонах достаточно. Об этом свидетельствует большой разброс в количестве каналов, организованных на одном спутнике: от 800 — 1000 (Echostar 16, Echostar 10, Ciel 2, Echostar 14, Eutelsat 16A) до одного — двух. Дополнительно имеется некоторый резерв ресурса, только 38 % каналов используют более эффективную технологию — стандарт DVB-S2. Так что пользователь еще не созрел и не готов к финансовым затратам на замену оборудования.

Возникает дилемма: пользователь не переходит на работу в диапазоне Ка, поскольку недостаточно предложений (каналов вещания) от оператора ССС; оператор ССС не организует каналы в этом диапазоне, поскольку нет у пользователя спроса на каналы. Но эта ситуация временная, объемы транслируемой информации растут, а коэффициент использования стволов у большинства ССС достиг 70 % и выше. Введение новых мощностей в диапазонах Ku и С проблематично из-за все возрастающей сложности координации ресурса.

С приведенными выше причинами связаны и перспективы развития спутникового вещания в диапазоне Ка. В ближайшие 3 года увеличится не только количество стволов в полосе Ка у планируемых к запуску спутников, но появятся и новые специализированные КА, например, DTV 15, Spaceway 6 и новые технологии организации каналов.

Примером последнего может быть ближайшие запуски спутников нового поколения ССС Intelsat, построенных на основе спутниковой платформы Intelsat EpicNG, которая обеспечит комплексное использование C-, Ku- и Ка-диапазонов частот, формирование широких и сфокусированных лучей, позволяющих реализовать многозоновое покрытие с повторным использованием полосы частот. На основе КА Intelsat 32Е (нагрузка в диапазоне Ku и Ка), спроектированного на платформе Epic, будет создана комплексная вещательная сеть Бразилии с высокой пропускной способностью, функционирующая в обоих диапазонах частот.

Продолжение читайте в Части 2 и Части 3.
 
Анатолий Мельник, Александр Богданов

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Понравилось нас читать?