Происходящие изменения затрагивают не только скорости передачи данных, но и принципы ведения бизнеса операторов спутниковых сетей. Сегодня провайдеры спутниковой связи сосредоточены на предоставлении ШПД в труднодоступных для наземных фиксированных сетей связи регионах и на подвижном и мобильном широкополосном доступе. Считается, что системы Ka-диапазона практически на равных смогут конкурировать с наземными сетями при подключении конечных абонентов даже в зоне действия систем фиксированной и мобильной связи. Реализация этой задачи потребует значительного повышения эффективности спутниковых и наземных сегментов, недорогого абонентского оборудования и конкурентных тарифных планов.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА Kа

Повторное использование частот. Для связи со спутниками в каждом из направлений, вверх и вниз, Ka-диапазон предоставляет полосу по 3–3,5 ГГц. Большая часть этих диапазонов выделена для соединения с центральными земными станциями (телепортами, или хабами), а две полосы частот — 19,7–20,2 ГГц (вниз) и 29,5–30 ГГц (вверх), как правило, предназначены для организации прямого и обратного абонентских каналов. В широкополосных спутниковых системах (High Throughput Satellites, HTS) абонентские частоты разбиваются на два равных поддиапазона шириной по 250 МГц; радиоволны в них могут различаться еще и типом круговой поляризации — левой или правой. Такой подход позволяет сформировать четыре разных типа лучей, при помощи которых можно реализовать регулярное сотовое покрытие территории и многократное повторное использование доступного частотного спектра. В зависимости от числа лучей, формируемых антеннами спутника, коэффициент повторного использования частот может достигать 40 (система KA-SAT) и более.

 

Таблица 1. Ku и Ka спутниковой связи.

 

Высокая энергетика. Более высокие частоты — вдвое выше в сравнении с Ku-диапазоном — позволяют при тех же размерах антенны сформировать более узкие диаграммы направленности, сконцентрировать мощность передатчика на небольшой территории и использовать компактные приемные антенны. Выигрыш в коэффициенте усиления антенны при переходе от Ku- к Ka-диапазону может достигать 4 дБ в прямом канале и около 6 дБ — в обратном. Диаметр луча на поверхности земли в среднем около 300 км, а диаметр антенны VSAT обычно не превышает 60–70 см.

Эффективность. С учетом более широкой полосы каждого луча и возможности повторного использования частот общая пропускная способность спутника Ka-диапазона может быть в 40 и более раз выше, чем у традиционного Ku-спутника. Иначе говоря, при той же скорости доступа и стоимости изготовления, один и тот же спутник способен обслужить в десятки раз большее число абонентов.

Низкая стоимость. Переход в Ka-диапазон способен сделать широкополосный спутниковый доступ массовой технологией, что приведет к дальнейшему росту объемов производства спутниковых терминалов VSAT и снижению, пусть и не слишком значительному, стоимости абонентских устройств (за последние семь лет цена VSAT в Европе уменьшилась в семь раз). Стоимость спутниковых систем, из расчета на бит/с пропускной способности, претерпела еще большие изменения (см. Таблицы 2 и 3). Цифры — и 3,5, и тем более 220 долларов за бит/с просто пугают. Если бы не пятнадцатилетний срок службы современных спутников, не видать им коммерческой эксплуатации).

 

Таблица 2. Стоимость спутниковых Ka-систем в долларах за бит/с пропускной способности.

 

 

Таблица 3. Стоимость транспондеров геостационарных спутников Ku- и Ka-диапазонов.

 

ОСОБЕННОСТИ

Правда, вот ведь парадокс — снижение удельной стоимости вовсе не означает снижения стоимости входной. Напротив, билет в мир спутникового телеком-бизнеса становится дороже: увеличенная пропускная способность системы и массовое предоставление услуг требуют создания территориально распределенной сети базовых станций, объединенных оптическими линиями связи, организации производства VSAT и выстраивания каналов продаж, дополнительных затрат на маркетинг и продвижение продукции и услуг. Бизнес укрупняется: в одних и тех же руках нередко сосредотачивается и производство спутников, и организация наземной инфраструктуры, и предоставление услуг (через дистрибьюторов и партнерские сети).

Принципиальных недостатков немного, и касаются они, главным образом, обеспечения устойчивой связи в северных широтах. Как отмечает Олег Ожогин, директор департамента развития бизнеса «Московский телепорт», для обеспечения коэффициента доступности связи с геостационарным спутником на уровне 99,7% угол места должен быть не менее 20 градусов, что соответствует 62 градусам с. ш. Если приемлемая доступность канала составит 99,0%, при угле места в 15 градусов и наиболее благоприятном расположении станции относительно точки стояния спутника (долгота расположения станции равна точке стояния спутника) максимальная широта составит 66,5 градуса. В России пока нет опыта тестирования услуг Ka-диапазона, поэтому цифры не окончательны, тем не менее при низких углах места стабильность предоставления услуг будет сильно зависеть от погодных условий.

Для средних и южных широт, где сосредоточена подавляющая часть сегодняшних и будущих абонентов, различия в качестве связи между Ka u Ku не принципиальны.

 

KA-SAT

 

Рисунок 1. VSAT для спутника KA-SAT: до 10 Мбит/с и 400 евро за комплект.

В конце 2010 года на орбиту выведен один из первых HTS-спутников — KA-SAT. Начало предоставления коммерческих услуг запланировано на май 2011-го. Зона обслуживания образована 82 лучами (20,5 наборов из 4 типов лучей) с общей пропускной способностью около 70 Гбит/с и охватывает Европу (в том числе Северную), Ближний Восток и Северную Африку. Каждый луч, при пропускной способности около 850 Мбит/с и полосе частот 250 МГц, позволяет обслуживать до 2500 пользователей. Как показывают простые арифметические расчеты, если все они захотят одновременно воспользоваться Интернетом, каждому достанется не более 340 Кбит/с: разработчики рассчитывают на коэффициент уплотнения (take rate) 1:300 и вводят ограничения для снижения аппетита пользователей. Будущим абонентам предлагаются четыре тарифных плана с одинаковой скоростью доступа 10 Мбит/с и ограничениями по объему потребляемого трафика от 4 до 25 Гбайт/месяц; цена варьируется от 35 до 125 евро. Стоимость абонентского комплекта Tooway (см. Рисунок 1) составит около 300–400 евро (в зависимости от политики, проводимой региональным оператором).

Клиентами KA-SAT станут и корпоративные пользователи: им будут предложены услуги видеотрансляции, многоадресной доставки файлов, объединения региональных офисов и аренды широкополосных IP-магистралей.

Создатели KA-SAT рассчитывают на быстрый возврат инвестиций. Дистрибьюторы Eutelsat предоставляют услуги этого оператора более чем в 30 странах, и, по прогнозам, годовой доход компании достигнет 100 млн евро при затратах на проект около 350 млн евро — для проектов такого масштаба, учитывая относительно невысокие накладные расходы на поддержание системы, это высокие показатели.

По оценкам Eutelsat, первый спутник позволит подключить не более 5% потенциальных абонентов. Если сервис будет востребован, изготовление на заводах EADS Astrium второго такого же спутника может занять около двух лет, в то время как первый был собран за три года.

Центральные земные станции KA-SAT, как и абонентские спутниковые модемы используют технологию SurfBeam 2 компании ViaSat, основанную на модифицированной версии WiMAX и протокола DOCSIS.

Борьба за европейского абонента предстоит нешуточная: наряду с наземными операторами фиксированной связи, KA-SAT предстоит конкуренция с другим широкополосным спутником — Hylas 1, абонентам которого будут предложены все те же 10-мегабитные скорости и сопоставимые тарифные планы. Как ожидается, услугами HYLAS воспользуются около 350 тыс. домовладений, а в зону покрытия, в сравнении с KA-SAT, не попадут лишь северные страны — Норвегия и Швеция. У Hylas 1 всего шесть Ka-транспондеров. Hylas-2, запуск которого намечен на 2012 год, будет иметь уже 24 транспондера. Следует отметить, что по своим характеристикам эти аппараты наиболее близки к спутникам первого этапа Российской спутниковой системы высокоскоростного доступа (РСС ВСД) — и по числу транспондеров Ka-диапазона, и по технологиям передачи данных.

 

VIASAT-1

Следующим участником спутниковой гонки обещает стать американский спутник ViaSat-1, запуск которого должен состояться летом 2011 года. Как и KA-SAT, он будет запущен с космодрома Байконур российской ракетой-носителем «Протон-М». Его пропускная способность превысит 130 Гбит/с; один спутник сможет обслужить полтора миллиона североамериканских абонентов, которым для подключения к Интернету потребуются устройства VSAT с антеннами диаметром не более 60 см и ценой около 300 долларов (в перспективе — до 100 долларов). Как и в случае KA-SAT, пропускная способность ViaSat-1 превысит суммарную пропускную способность всех современных спутников, работающих над территорией Северной Америки в Ka-, Ku- и С-диапазонах, включая даже те, которые используются для спутникового телевидения, а капитальные затраты из расчета на один бит пропускной способности будут на порядок ниже, чем у предыдущих спутников Ka-диапазона (см. Таблицы 2 и 3).

Для сравнения, первый HTS-спутник Thaicom 4 (IPSTAR), оперирующий в Ku-диапазоне, при сопоставимом числе лучей — 84 с сотовым покрытием и еще 10 с региональным — предлагает втрое меньшую пропускную способность — около 45 Гбит/с.

Еще через год — с началом эксплуатации спутника Jupiter компании Hughes, который по характериcтикам чрезвычайно похож на ViaSat-1, — пропускная способность HTS-сегмента США удвоится и достигнет 230–260 Гбит/с.

 

ЦЕЛОГО МИРА МАЛО

Следующим аккордом в освоении Ka-диапазона станут глобальные системы. Inmarsat совместно с Boeing реализует проект по созданию глобальной спутниковой Ka-системы Global Xpress общей стоимостью около 1,2 млрд долларов. Формирование группы из пяти спутников будет завершено к концу 2014 года. В результате для одного спутникового терминала, оснащенного антенной диаметром 0,6 м, будет обеспечена скорость до 50 Мбит/с, а на антенны диаметром 20 см — до 10 Мбит/с (на территорию России придется меньше 10 лучей — на компактность рассчитывать не стоит).

Другими тремя миллиардами населения Земли, живущими между двумя 45-ми параллелями, планируют заняться создатели проекта Other 3 Billion (O3b). В 2013 году группировка будет состоять из восьми среднеорбитальных спутников со сроком жизни около 10 лет (для глобального покрытия достаточно 6 спутников). К 2015 году на экваториальную орбиту высотой около 8 тыс. км планируется запустить 20 спутников, в перспективе численность орбитальной группировки будет доведена до 90 космических аппаратов — на фоне других этот проект выделяется высокой масштабируемостью системы. Еще одно отличие: будучи в четыре раза ближе к поверхности Земли, космические аппараты сети O3b обеспечат в среднем вчетверо меньшую задержку — 120 мс. Сеть будет использовать технологию SurfBeam компании ViaSat, для клиентов скорости составят от 50 Мбит/с до 1,2 Гбит/с. В ноябре 2010 года O3b сообщила о привлечении 1,2 млрд долларов инвестиций, необходимых для реализации проекта, основными заказчиками компании станут корпоративные пользователи и операторы связи, которым будут предложены услуги по созданию распределительных сетей и IP-магистралей с доступностью, по заявлениям O3b, на уровне оптики.

Два других проекта — COMMStellation и Iridium Next — предназначены для низких орбит (LEO).

В рамках контракта с Iridium компания Thales Alenia Space начала разработку системы со сроком начала коммерческой эксплуатации в 2015–2017 годах. При затратах около 2,9 млрд долларов на систему Iridium Next, состоящую из 81 (66 (актив) +6 (горячий резерв) + 9 (запас)) низкоорбитального спутника, Iridium планирует предложить скорости до 8 Мбит/с — в три тысячи раз быстрее сегодняшней системы — трем миллионам абонентов.

Канадская компания Microsat Systems Canada готовится запустить на полярные орбиты высотой 1000 км 78 низкоорбитальных микроспутников массой 150 кг и в 2014–2015 годах приступить к коммерческой эксплуатации системы COMMStellation; полоса пропускания каждого спутника составит 12 Гбит/сек. Среди преимуществ проекта MSCI называет минимальное время отклика (ping), не превышающее 12 мс (см. Таблицу 4), и опыт разработки и изготовления микроспутников с большим временем эксплуатации.

 

Таблица 4. Время отклика спутниковых систем.

 

Тем не менее задержки меньше 100 мс, как правило, несущественны и незаметны абонентам. Намного интереснее перспектива поддержания полноценной мобильной связи в северных широтах и на пересеченной местности.

Ориентировочная стоимость проекта — около миллиарда долларов, полярные орбиты выбраны с тем, чтобы охватить абонентов, которым недоступны услуги геостационарных и среднеорбитальных Ka-систем.

 

РСС ВСД

При оптимистическом сценарии массовое предоставление услуг спутникового ШПД в Ка-диапазоне станут доступны в России уже в 2013 году. Согласно ожиданиям ФГУП «Космическая связь», ввод в эксплуатацию первого пускового комплекса, состоящего из спутников «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6», будет сопровождаться мерами по «разогреву» рынка и формированию первичной абонентской базы в 200–400 тыс. абонентов. Абонентам не придется получать частотные разрешения: ответственность за соблюдение ЭМС берет на себя оператор системы — ГПКС. Для работы со спутниками потребуются VSAT с антеннами размером 60 см, а их цена составит примерно 8000 руб. Обещаны скорости на уровне 512 Кбит/с (пиковые — до 10 Мбит/с) и абонентская плата на уровне 300–450 рублей в месяц.

Конфигурация из двух спутников выбрана с тем, чтобы обеспечить приемлемые углы места на территории России, имеющей большую протяженность с запада на восток. В направлении к абонентам доступ будут обеспечивать 20 лучей (по 10 на спутник) c общей пропускной способностью до 19 Гбит/с (или 0,9 Гбит/с на луч с полосой 110 МГц — минимум вдвое лучше, чем у KA-SAT, так и хочется разделить цифру на два, а то и на три).

На втором этапе реализации проекта, который, видимо, начнется в 2014 году, общее число лучей будет увеличено до 80–90, а ожидаемая пропускная способность составит до 66 Гбит/с — в общей сложности через 3–4 года будет почти достигнут уровень сегодняшних HTS-систем.

Что касается аппарата «Экспресс-АМ4», запуск которого намечен на текущий год, то он будет иметь два перенацеливаемых луча Ка-диапазона, предназначенных для тестовых задач. По имеющейся информации, МФТИ и «Радиокомпания Вектор» уже готовят пункты подвижной спутниковой связи для проведения исследовательских работ и участвуют в НИОКР по разработке малой земной абонентской станции спутниковой связи Ka-диапазона с антенной диаметром не более 70 см, включая модем с информационной скоростью приема/передачи не хуже 15/3,2 Мбит/с и модификации с двумя и более лучами диаграммы направленности для одновременной работы в Ku- и Ka-диапазонах (мультисервисные решения).

 

ТЕНДЕНЦИИ

Переход к Ka-диапазону сопровождается консолидацией производителей спутниковых систем и, де-факто, стандартизацией оборудования. Во многих реализуемых сегодня Ka-проектах, в том числе KA-SAT и ViaSat-1, используются технологии SurfBeam 2 компании ViaSat. По данным Comsys, в 2010 году на рынке VSAT для конечных пользователей доминировали компании Hughes и ViaSat с системами HughesNet и SurfBeam, которые обслуживали около 85% абонентов во всем мире. Начало коммерческого предоставления услуг KA-SAT и ViaSat-1 может изменить соотношение сил, но навряд ли предоставит место новым игрокам — если только они не смогут предложить еще более привлекательные цены.

При разговоре о перспективах очень показателен пример компании Hughes: спустя три года после начала ею коммерческого предоставления услуг двунаправленного спутникового доступа однонаправленный Интернет перестал пользоваться спросом (см. Рисунок 2). Еще через шесть лет началось предоставление услуг в Ka-диапазоне, сопровождающееся резким приростом числа пользователей: на конец 2009 года к услугам широкополосного спутникового доступа подключились более 500 тыс. абонентов — рост сопровождался переходом абонентов из Ku в Ka практически теми же темпами, какими терял своих абонентов однонаправленный спутниковый интернет.

 

Рисунок 2. Динамика развития спутниковых сетей на примере HughesNet (по данным Hughes).

 

В отличие от однонаправленного доступа, Ku, скорее всего, сохранит свое присутствие: лучевые диаграммы направленности Ka не очень хороши для репликации федерального контента, зато отлично подходят для региональных теле- и радиостанций. Двухдиапазонные антенны Ka/Ku уже предлагаются абонентам сервиса Tooway, аналогичные решения появились и для обеспечения мобильной спутниковой связи, в том числе на море.

Не исключено, что привлекательность спутникового доступа для российских граждан может быть заметно увеличена с помощью двухдиапазонных (Ku/Ka) комплектов и объединения двух сервисов — собственно Интернета и спутникового телевидения для федеральных программ.

Перспективы Ku-диапазона как двунаправленного сервиса не вполне ясны: возможно, предоставление услуг будет ограничено периодом эксплуатации действующих и реализуемых сегодня проектов. В более долгосрочной перспективе Ku вряд ли сможет достичь показателей эффективности, свойственных Ka, тем более что в средних широтах, по оценкам приверженцев Ka-диапазона, последний имеет преимущества по коэффициенту доступности. Что же касается северных широт, то, по мнению Олега Ожогина, директора департамента развития бизнеса компании «Московский телепорт», вследствие дождя, снега и других атмосферных эффектов и малых углов места наиболее надежным в плане качества канала связи является С-диапазон или, как вариант, низкоорбитальные спутники.

В случае ограничений по пропускной способности в канале «центральные земные станции – спутник» может быть востребована «космическая» коммутация и маршрутизация трафика — впервые эти технологии были реализованы на борту спутника SpaceWay-3, стартовавшего в 2007 году. По времени пинга они дают не очень значительные преимущества, но могут разгрузить центральные станции и предоставить еще больший выигрыш в случае кеширования контента непосредственно на борту спутника — как благодаря вдвое меньшему времени отклика, так и вследствие освобождения операторского канала от дублируемого контента (в первую очередь речь идет о видео по требованию, новостных сайтах и других популярных инфоресурсах).

При любом развитии событий, спутниковой связи предстоит очень серьезная конкуренция с наземным ШПД. Технологии развиваются стремительно — на повестке дня многих российских операторов переход на 100-гигабитные скорости, терабитные магистрали и эффективные технологии прокладки волоконно-оптического кабеля вдоль полос отчуждения автомагистралей и газопроводов. Отставание по срокам предоставления услуг (а проект РСС ВСД будет введен в коммерческую эксплуатацию не ранее 2013 года, и, по крайней мере, на первых порах абонентам вряд ли будут предложены скорости, уже сегодня доступные клиентам KA-SAT) может оказаться критическим.

Космическим проектам свойственна неторопливость…

Георгий Башилов — научный редактор «Журнала сетевых решений/LAN».

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями