Для сравнения: задержка распространения сигнала в приземных микроволновых каналах связи составляет примерно 3 мкс/км, а в коаксиальном или оптоволоконном кабеле — примерно 5 мкс/км. Разница объясняется тем, что электромагнитные сигналы быстрее распространяются в воздухе, чем в плотной среде.
Важное свойство спутников состоит в том, что они по своей сути широковещательные. Стоимость отправки сообщения на тысячу устройств в зоне покрытия транспондера такая же, как и на одно устройство. В некоторых случаях это очень удобно. Например, спутник может транслировать популярные веб-страницы в кэш множества компьютеров на огромной территории. И хотя широковещательную трансляцию можно имитировать при помощи двухточечных линий связи, спутниковое вещание обойдется намного дешевле. При этом с точки зрения защиты информации спутники крайне небезопасны: все могут слышать всё. Для обеспечения конфиденциальности необходимо шифрование.
Еще одна особенность спутников — стоимость передачи сообщения не зависит от расстояния, проходимого сигналом. Звонок через океан ничуть не дороже, чем звонок в соседний дом. Спутники также отличаются превосходными показателями частоты ошибок, а необходимая инфраструктура развертывается практически мгновенно, что очень важно в случае чрезвычайных ситуаций и для военных.
2.8.2. Среднеорбитальные спутники
На гораздо более низких высотах, между двумя радиационными поясами, находятся среднеорбитальные спутники MEO (Medium-Earth Orbit — средняя околоземная орбита). С Земли можно наблюдать, как они медленно перемещаются по долготе. Спутники MEO делают оборот вокруг планеты примерно за 6 часов. Соответственно, их движение по небу необходимо отслеживать. А поскольку они располагаются ниже, чем GEO, зона покрытия земной поверхности у них меньше. Зато для связи с ними достаточно куда более слабого передатчика. В настоящее время MEO применяются в навигационных системах чаще, чем в телекоммуникациях, так что мы не будем останавливаться на них подробно. Примером спутников MEO служит группа из 30 спутников системы глобального позиционирования (Global Positioning System, GPS).
2.8.3. Низкоорбитальные спутники
Еще ближе к поверхности земли располагаются низкоорбитальные спутники LEO (Low-Earth Orbit — низкая околоземная орбита). Для создания полноценной системы необходимо большое количество таких спутников, поскольку они быстро перемещаются по орбите. С другой стороны, благодаря низкому расположению LEO наземным станциям не требуется много энергии, а задержка прохождения сигнала туда и обратно составляет всего 40–150 мс. Стоимость запуска также существенно меньше. В этом разделе мы рассмотрим два примера спутниковых группировок, используемых для сервисов голосовой связи: Iridium и Globalstar.
В первые 30 лет спутниковой эры спутники с низкой стационарной орбитой использовались редко, поскольку они слишком быстро появляются и выходят из зоны действия передатчика. В 1990 году Motorola положила начало новой эпохе, запросив у FCC разрешение на запуск 77 низкоорбитальных спутников для проекта Iridium (иридий — 77-й элемент таблицы Менделеева). Позднее план несколько пересмотрели и решили использовать только 66 спутников, так что проект следовало бы переименовать в Dysprosium (диспрозий — 66-й элемент), но, пожалуй, это напоминает название какой-то болезни. Идея заключалась в следующем: как только один спутник исчезает из поля зрения, на смену ему приходит другой. Это предложение вызвало ажиотаж среди остальных телекоммуникационных компаний. Внезапно каждая из них захотела запустить свою цепочку низкоорбитальных спутников.
Спустя семь лет поиска партнеров и финансирования, в ноябре 1998 года, проект был наконец запущен. К сожалению, спрос на крупногабаритные и тяжелые спутниковые телефоны оказался ничтожным, поскольку к этому времени невероятно разрослись мобильные сети. В результате Iridium оказался нерентабельным и обанкротился в августе 1999 года, став одним из самых впечатляющих корпоративных фиаско в истории. Спутники и прочие активы стоимостью $5 млрд позднее были приобретены инвестором за $25 млн на своего рода космической гаражной распродаже. Остальные коммерческие спутниковые проекты ждала та же участь.
Сервис Iridium был вновь запущен в марте 2001 года и с тех пор демонстрирует стабильный рост. Он предоставляет услуги передачи голоса, данных, пейджинговых сообщений, факсов, а также навигационные сервисы повсюду — на земле, в воздухе и на море. Портативные устройства поддерживают прямую связь со спутниками Iridium. Среди клиентов сервиса — судоходные и авиационные компании, предприятия, занимающиеся поиском нефтяных месторождений, а также путешественники по регионам, где нет телекоммуникационной инфраструктуры (пустыни, горы, Южный полюс и некоторые развивающиеся страны).
Спутники Iridium располагаются на круговых полярных орбитах на высоте 670 км. Они вытянуты в цепочки с севера на юг, по одному спутнику на каждые 32 градуса долготы (илл. 2.51). Каждый спутник насчитывает до 48 ячеек (остронаправленных пучков сигналов) и до 3840 потенциальных каналов, часть которых используется для пейджинга и навигации, а остальные — для данных и голоса.
Илл. 2.51. Спутники Iridium располагаются в виде шести цепочек вокруг Земли
Как видно на илл. 2.51, шесть цепочек спутников охватывают всю Землю. Интересная особенность Iridium — связь между удаленными пользователями происходит в космосе. Это показано на илл. 2.52 (а): вызывающий абонент находится на Северном полюсе, спутник расположен непосредственно над его головой. У каждого спутника есть четыре «соседа», с которыми он может обмениваться информацией — два в той же цепочке (показаны на рисунке) и еще два в смежных цепочках (не показаны). Спутники ретранслируют звонок по этой сетке, пока он не попадает к вызываемому абоненту на Южном полюсе.
Илл. 2.52. (а) Ретрансляция в космосе. (б) Ретрансляция на Земле
Существует альтернатива Iridium — проект Globalstar. Он построен на 48 спутниках LEO, но использует другую схему коммутации. Если Iridium ретранслирует звонки между спутниками (для этого они оснащаются сложным коммутационным оборудованием), Globalstar использует принцип прямой трансляции. Как видно на илл. 2.52 (б), звонок с Северного полюса поступает на спутник, затем отправляется на большую наземную станцию где-то во владениях Санта-Клауса. Далее звонок направляется по приземной сети до ближайшей к вызываемому абоненту наземной станции и попадает к нему по каналу прямой трансляции. Преимущество этой схемы в том, что все наиболее сложные ее составные части находятся на Земле. Это значительно упрощает их обслуживание. Кроме того, большие антенны наземных станций позволяют передавать сильные сигналы и принимать слабые. Благодаря этому можно использовать даже маломощные телефоны. В конце концов, мощность телефонного сигнала составляет всего несколько милливатт, поэтому попадающий на наземную станцию сигнал довольно слаб (даже после усиления спутником).
Постепенно запускаются все новые спутники (около 20 штук в год), включая и более крупные, весом более 5000 кг. Для организаций с ограниченным бюджетом были изобретены очень маленькие спутники. Чтобы повысить доступность космических исследований, ученые из Калифорнийского политехнического и Стэнфордского университетов в 1999 году совместно описали стандарт для миниатюрных спутников и пусковой установки. Стандарт был призван значительно снизить стоимость запуска; подробнее см. в работе Ньюджента и др. (Nugent et al., 2008). Миниатюрные спутники — кубсаты (cubesats) — представляют собой кубики со стороной 10 × 10 × 10 см25, каждый из которых весит не более килограмма. Стоимость их запуска не превышает $40 000. Пусковая установка обычно отправляется в качестве дополнительной полезной нагрузки при коммерческих полетах в космос. Она представляет собой трубку с кубсатами (до трех штук), которые выстреливаются на орбиту при помощи пружин. Уже запущено несколько десятков кубсатов, и регулярно запускаются новые. Большинство из них связываются с наземными станциями на полосах частот УВЧ и ОВЧ.
Помимо прочего, спутники LEO применяются в создании опорной сети спутникового интернета. Проект OneWeb изначально предполагает группировку из нескольких сотен спутников. В случае успеха будет обеспечен высокоскоростной интернет-доступ в тех местах, где его ранее не было. OneWeb будет работать в диапазоне Ku с использованием технологии Progressive Pitch, при которой спутники слегка поворачиваются во избежание взаимных помех с геостационарными спутниками, передающими в той же полосе частот.
24 Дословно «изогнутая труба». — Примеч. пер.
25 Стандарт допускает объединение нескольких кубиков в один спутник. — Примеч. пер.
2.9. Сравнение различных сетей доступа
Теперь сравним свойства различных типов сетей доступа, о которых мы говорили выше.
2.9.1. Наземные сети доступа: кабельные, оптоволоконные и ADSL
У кабельных сетей, FTTH и ADSL больше сходств, чем различий. Они предлагают пользователям похожие сервисы и, вследствие ожесточенной конкуренции, все более сопоставимые цены. На сегодняшний день в опорной сети всегда используется оптоволокно независимо от выбранной технологии; отличия проявляются лишь на последнем участке, на физическом и канальном уровнях. Оптоволоконные и ADSL-провайдеры предоставляют абонентам более стабильный доступ, поскольку пропускная способность выделяется под конкретного пользователя. Согласно последней статистике в США, например, ежегодным отчетам проекта MBA (Measuring Broadband America) Федеральной комиссии по связи (FCC), реальные скорости провайдеров, как правило, соответствуют рекламным обещаниям.
В сетях ADSL и FTTH подключение новых абонентов практически не влияет на качество услуг для остальных пользователей, поскольку каждый получает выделенную линию до самого дома. В то же время абоненты кабельных систем совместно используют пропускную способность одного узла, и если кто-то начинает потреблять больше трафика, остальные пользователи ощущают перегруженность сети. Поэтому сегодня поставщики услуг кабельного интернета часто резервируют для пользователей большую пропускную способность, чем нужно. Большинство современных стандартов DOCSIS (например, DOCSIS 3.0) требуют от кабельных модемов деления минимум на четыре канала для достижения входящей скорости примерно в 170 Мбит/с, а исходящей — в 120 Мбит/с (где примерно 10 % пропускной способности занимают служебные данные).