В данной статье мы попытаемся оценить место и перспективы спутниковых технологий в современном мире, а также то, как следует изменить стандарты Internet, чтобы эти перспективы стали реальностью.

Если вы принадлежите к послевоенному поколению, то, может быть, родились до запуска первого искусственного спутника Земли (это произошло в разгар «холодной войны», в октябре 1957 года). И вы, наверно, помните, что в те времена если ТВ сообщало какие-либо чрезвычайно важные новости, то они сопровождались словами «работают все спутниковые каналы теле- и радиосвязи».

Для сегодняшних детей спутники — совершенно обычное дело. В конце концов, сегодня любой желающий может приобрести собственный приемник и тарелку для спутникового ТВ всего за несколько сотен долларов; сети магазинов используют спутники для передачи музыкальных записей между филиалами; а окажись вы на вершине Эвереста или в дебрях Амазонии, вы сможете поговорить со своими близкими по спутниковому телефону через спутники Iridium компании Motorola.

Однако, когда речь заходит о данных, большинство людей рассматривают спутниковые технологии как находящиеся далеко на периферии сети. Вместе с тем приверженцы спутниковых технологий надеются, что ситуация должна коренным образом измениться в ближайшие три года. Как они утверждают, к 2002 году широкополосный доступ в Internet с помощью спутниковой связи будет конкурентоспособен по цене и скорости с наземными аналогами. Более того, он будет доступен практически в любой точке мира. Сетевые магистрали также будут переводиться на спутниковую связь, по крайней мере в случаях, когда инфраструктура должна поддерживать многоадресную и широковещательную рассылку, например тиражирование содержимого кэшей и вещание через Web.

Однако перекрыть последние 500-23 000 миль будет не так-то просто. Для этого компаниям спутниковой связи придется потуже затянуть пояса, чтобы построить и затем успешно запустить необходимое количество спутников — а потом еще несколько лет отбиваться от кредиторов. Кроме того, еще одна маленькая загвоздка — стек TCP/IP придется несколько изменить, чтобы он был лучше адаптирован для работы по спутниковым каналам.

ИСТОРИЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

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

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

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

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

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

ДОСТИЖЕНИЯ В ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СВЯЗИ

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

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

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

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

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

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

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

БЛИЖЕ К ЗЕМЛЕ

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

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

Толкучка в небесах. Низкоорбитальные спутники вращаются вокруг Земли на высоте 500 миль. Из-за того, что они находятся в постоянном движении относительно земной поверхности, общее их число в одном созвездии составляет от 48 до 288 космических аппаратов.