Космический мост Alcatel

Сегодня потребителей завлекают возможностями интерактивного телевидения, заказными телепрограммами и спутниковым вещанием на домашние компьютеры, оснащенные аппаратурой индивидуального приема. Cвой космический мост между пользователями и поставщиками информации собирается навести и компания Alcatel Espace.

По прогнозу специалистов, через 10-15 лет рынок средств широкополосной связи и мультимедиа будет иметь примерно такие же размеры, как и существующий рынок средств узкополосной связи. Более того, согласно этим же оценкам, разрабатываемые в настоящее время спутниковые системы смогут удовлетворить только 20-30% потребностей этого рынка. Очевидно, что первые "снимут все сливки". Высокоскоростную передачу данных и глобальный доступ к интерактивным услугам предполагают предоставлять многие провайдеры спутниковой связи, но наилучшее качество смогут обеспечить низкоорбитальные системы спутниковой связи (ССС). SkyBridge - один из наиболее интересных проектов таких ССС.

Работы по созданию европейской системы широкополосной спутниковой связи, сегодня известной под именем SkyBridge (прежнее название Sativod), проводятся с 1993 г. Однако только в 1996 г. компанией Alcatel Espace был разработан системный проект и определен облик ССС. В 1997 г. в США была образована компания SkyBridge и выбран основной поставщик спутниковых систем и телекоммуникационных структур - Alcatel. В разработке и финансировании проекта SkyBridge участвует международный альянс промышленных компаний, в число которых входят: Loral Space & Communications (США), SPAR Aerospace и COM DEV International (Канада), Mitsubishi, Sharp, Toshiba (Япония), Aerospatiale, CNES (Франция) и SRIW (Бельгия).

Основные положения проекта

SkyBridge - это глобальная система персональной спутниковой связи, обеспечивающая широкополосный доступ по асимметричному спутниковому каналу. Ее спутниковый сегмент строится на низких круговых орбитах, что позволяет использовать для связи небольшие антенны и гарантирует малые задержки при распространении сигналов. Последнее обстоятельство особенно важно, так как делает систему совместимой с наземными сетями связи, где интерактивные услуги предоставляются в реальном времени.

Для передачи информации в SkyBridge используется Ku-диапазон частот (от 10 до 18 ГГц*), что позволяет применять в системе хорошо зарекомендовавшие себя технологии, которые компания Alcatel Espace уже испытала в реализованных проектах систем на геостационарных спутниках. Для эффективной работы системы требуется участок спектра шириной как минимум 1,05 ГГц (в каждом направлении связи).

Трафик абонентских терминалов через спутниковый ретранслятор передается в прозрачном режиме, т.е. без бортовой обработки. Применение на спутниках SkyBridge именно этого типа ретрансляторов и отказ от межспутниковых линий связи и бортовых коммутаторов, по мнению разработчиков, позволяет не только минимизировать затраты на создание КА, но и обеспечивает возможность гибко адаптироваться к постоянно меняющимся требованиям рынка. Кроме того, такое решение дает возможность без особых сложностей подключаться к наземным сетям радиотелефонной связи.

В соответствии с первоначальным проектом орбитальная группировка (ОГ) SkyBridge должна была состоять из 64 спутников. Решение о ее расширении до 80 спутников было принято по результатам маркетинговых исследований компании SkyBridge и обсуждений с потенциальными операторами услуг широкополосной связи. Согласно этим оценкам, спрос на широкополосную связь в ближайшем будущем будет значительно превышать тот, на который первоначально ориентировалась SkyBridge. Так, ожидается, что к 2005 г. на этом рынке будет около 400 млн пользователей, значительная часть которых рассчитывает на спутниковые технологии. Доход от этих услуг превысит 100 млрд долл.

Расширение орбитальной группировки не повлияло на основные технологические характеристики системы SkyBridge. Большее число спутников позволяет увеличить пропускную способность канала с 144 до 200 Гбит/с, не изменяя при этом первоначальной концепции построения системы. Новая ОГ обеспечивает видимость из любой заданной точки на поверхности Земли одновременно нескольких спутников, что позволит улучшить вероятностно-временные характеристики обслуживания. Кроме того, данная ОГ даст возможность также исключить "вредное" влияние геостационарных КА, работающих в том же диапазоне частот.

Параметры орбит

Орбитальная группировка SkyBridge состоит из 80 спутников. Ее развертывание предлагается проводить в два этапа, на каждом из которых на орбиту будет выведено по 40 КА. Достаточно низкая высота орбиты (1469 км) гарантирует малое время распространения сигнала (не более 20 мс). Спутники будут размещены в 20 орбитальных плоскостях по 4 КА в каждой. Наклонение орбиты - 530, период обращения КА - 115 мин. Плоскости орбит равномерно распределены в пространстве через 450, причем в каждой из них спутники отстоят друг от друга на 900. Обе группировки из 40 КА предполагается строить одинаковыми, но со смещением положений: угла восхождения каждого КА - на -100, средней аномалии - на +140.

Резервирование будет осуществляться за счет четырех резервных спутников SkyBridge, выведенных на четыре промежуточные орбиты высотой около 940 км, запуск которых предполагается осуществить лишь после развертывания и ввода в эксплуатацию основной группировки системы.

Предложенная ОГ, по утверждению авторов проекта, малочувствительна к деградации орбиты спутника. Включение корректирующих двигателей потребуется не чаще одного раза в два месяца. При этом максимальное изменение скорости движения спутника за весь срок его активного существования не превысит, по их оценкам, нескольких метров в секунду. Управление маневрированием КА будет осуществляться по командам с Земли.

Космический аппарат

Стартовая масса КА SkyBridge - 800 кг (масса полезной нагрузки - 300 кг), максимальная мощность солнечных батарей - 3000 Вт (1600 Вт в номинальном режиме). Точность поддержания КА на орбите - не менее 0,50.

Активная бортовая антенная система спутника будет обеспечивать формирование 45 лучей. Усиление и форма лучей подобраны таким образом, чтобы у поверхности Земли сформировалась многосотовая зона покрытия.

Расчетный срок эксплуатации спутника - восемь лет, ожидаемая надежность - 0,85, в том числе подсистем управления и полезной нагрузки - 0,92.

В качестве средств вывода на орбиту предполагается использовать ракеты-носители серии Ariane: либо Ariane 4 (6 КА за запуск), либо Ariane 5 (12 КА за запуск). Восполнение ОГ планируется осуществлять с помощью более легких носителей, обеспечивающих выведение на орбиту за один запуск двух спутников.

Зоны обслуживания

Один КА должен обеспечить зону обслуживания размером около 6000 км при рабочих углах места терминала не более 100, при этом диаметр зоны парциального луча составит 700 км. Ретрансляционный комплекс будет оснащен следящей антенной с перенацеливаемой во время движения КА диаграммой направленности. Все абоненты, расположенные в одной парциальной зоне, должны обслуживаться одной станцией сопряжения. При выходе спутника из зоны радиовидимости станция сопряжения автоматически переключается на другой КА. Каждый спутник образует квазинеподвижную зону поверхности Земли, что сокращает необходимое для непрерывного обслуживания этой зоны количество переключений абонентских каналов (по сравнению со схемой организации покрытия, при которой луч просто скользит по поверхности Земли). Для глобального покрытия всей поверхности суши достаточно 426 узких фиксированных лучей.

Полномасштабная орбитальная группировка SkyBridge (80 КА) обеспечит глобальное обслуживание на широтах от 680 ю.ш. до 680 с.ш., где в зоне радиовидимости станций сопряжения будет находиться по крайней мере один спутник. Что же касается средних широт, то в них в зоне радиовидимости будут одновременно присутствовать два-три спутника (без учета КА угол видимости которых менее 100).

Архитектура

Система широкополосной связи SkyBridge имеет распределенную структуру (см. рисунок) и построена в виде двух выделенных сетей связи: высоко- и низкоскоростной. По каналам высокоскоростной сети пользователю предоставляются услуги, в то время как низкоскоростные каналы используются для передачи запросов. Объединение высоко- и низкоскоростных сетей происходит на станции сопряжения.

Структурная схема системы SkyBridge

Для передачи информации используются два асимметричных широкополосных канала:

• высокоскоростной со скоростью до 100 Мбит/с (кратность n х 20 Мбит/с);
• низкоскоростной со скоростью до 10 Мбит/с (кратность n х 2 Мбит/с).

Система строится без использования межспутниковых линий связи и бортового коммутатора, обработка всех потоков информации и их маршрутизация производятся на Земле.

Станции сопряжения

Для обеспечения глобального обслуживания в сети SkyBridge запланировано строительство около 400 (200 - на первом этапе) станций сопряжения. Каждая из них должна контролировать и обрабатывать весь трафик в зоне обслуживания радиусом около 350 км. Максимальная пропускная способность станции - 2,5 Гбит/с. При таком трафике станция способна обслужить в своей зоне от 10 до 400 тыс. абонентов.

Станции сопряжения будут размещаться в районах Земли с достаточно высокой плотностью населения, где существует развитая наземная инфраструктура. Их сопряжение с существующими наземными сетями обеспечивается через коммутатор ATM. Станция будет поддерживать большинство из современных протоколов широкополосной связи (IP, Frame Relay, N-ISDN, B-ISDN, X.25) и интерфейсов (PDN, SDN, ATV, FDDI, DQDB). Разработчики предполагают также использовать каналы SkyBridge для объединения удаленных между собой базовых станций в сетях сотовой связи.

Абонентские терминалы

В системе SkyBridge предусмотрено применение двух типов абонентских терминалов: профессиональных (для высокоскоростной передачи данных и удаленного доступа к локальным сетям) и потребительских (домашних). Оба типа ориентированы на работу в интер- активном режиме, при котором скорость в линии "вверх" на порядок ниже, чем в линии "вниз". Основное различие между терминалами - в их назначении и размерах используемых малогабаритных антенн. Диаметр антенны профессионального терминала в два раза больше потребительского (см. таблицу).

Базовый абонентский терминал конструктивно выполнен в виде двух блоков: наружного (outdoor unit) и комнатного (indoor unit). В состав наружного входят антенна, модуль приемника сигналов, радиомодем и устройство управления. Комнатный (связной) блок обеспечивает интерфейс с различной аппаратурой пользователей: персональным компьютером, телевизионной приставкой (TV set-top box), телефоном типа Webphone и др.

Основной рынок широкополосных услуг сети SkyBridge - это услуги высококачественной речевой связи и видеотелефонии, передача данных мультимедиа и интерактивная связь с возможностью приема видеоизображений. Терминалы обеспечат высокоскоростной доступ удаленных пользователей в сеть Internet, к базам данных и видеоконференц-связь.

Электромагнитная совместимость

Одна из наиболее сложных проблем, которую потребовалось решить для того, чтобы использовать систему SkyBridge, не создавая помех другим ССС, - обеспечение электромагнитной совместимости с геостационарными КА, работающими в Ku-диапазоне частот. Решение этой проблемы достигается за счет ряда технических и организационных мер.

Организационные меры должны включать следующее: работу станций сопряжения и спутников в каждом географическом регионе следует взаимоувязать и жестко регламентировать; параметры низкоорбитальных спутников - контролировать не реже одного раза в сутки; работа абонентских терминалов будет запрещена до тех пор, пока они не примут сигнал со спутника.

Технические вопросы решаются также непросто. Известно, что точки стояния всех геостационарных спутников расположены по дуге. Чтобы исключить влияние наземных средств SkyBridge на работу геостационарных КА, для наземных станций SkyBridge будет введена защитная зона 6100 вокруг каждого геостационарного спутника. Всякий раз, когда луч антенны наземной станции окажется в непосредственной близости от геостационарной дуги (в защитной зоне), станция немедленно отключится от данного спутника и "перейдет" на другой, находящийся в зоне радиовидимости. Такое переключение будет осуществляться через станцию сопряжения и будет полностью прозрачным для пользователя.

При типовых условиях приема геостационарной наземной станции (отношение сигнал/шум равно -10 дБ) координационное расстояние между наземными станциями геостационарных и негеостационарных ССС составляет 7,2 км. Дальнейшее сокращение координационного расстояния до 1 км возможно лишь за счет использования дополнительных методов защиты, например введения СВЧ-экранов.

Стоимость проекта и сроки развертывания

Ориентировочная стоимость проекта SkyBridge составляет 4,2 млрд долл. По оценкам разработчиков, расширение орбитальной группировки с 64 до 80 спутников приведет к незначительному увеличению общей стоимости проекта. Намного большее влияние рост числа КА оказывает на пропускную способность. Специалисты Alcatel оценили, что увеличение стоимости на 20% дает повышение пропускной способности на 50%.

Наземные станции системы SkyBridge уже строятся, а запуск КА планируется в конце 2000 г. Предоставление услуг системы начнется с 2001 г. После полного ввода в эксплуатацию она позволит обслуживать более 20 млн пользователей во всем мире.

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев - ведущий научный сотрудник НИИТП. С ним можно связаться по адресу leonn@glasnet.ru.

Проблема совместимости с геостационарными системами

В соответствии с существующими международными нормами, уровень плотности потока мощности (ППМ) на поверхности Земли жестко ограничен. Поскольку работу системы SkyBridge планируется организовать в Ku-диапазоне частот, в котором уже работают геостационарные системы, то к ней предъявляются повышенные требования по электромагнитной совместимости.

Методы повторного использования спектра в системе SkyBridge основаны на ограничениях допустимого и суммарного уровней плотности потока мощности, создаваемого излучением терминалов на геостационарной дуге, регламентируемых статьей S22.2 WRC-97 (см. таблицу).

Для оценки влияния временных ограничений мощности, введенных WRC-97, были проведены экспериментальные исследования с использованием телевизионных спутников Astra и Hispasat, которые не обнаружили никакого ощутимого влияния на восприятие сигнала зрителями DBS-системы (Direct Broadcast Satellite) в случае работы наземной станции SkyBridge (ее воздействие было смоделировано при мощностях ниже ограничений WRC-97).

Получение прибыли запланировано

Компания SkyBridge намерена успешно решить проблему "последней мили" через местных операторов, одновременно предоставляя универсальные услуги по всему миру.

Для предоставления услуг SkyBridge намечено развернуть широкую сеть местных сервис-провайдеров. Имея лицензию на операторскую деятельность, они будут осуществлять эксплуатацию системы в различных регионах мира, взаимодействуя с операторами станций сопряжения. Последние, в свою очередь, должны заключить контракт с владельцем космического сегмента и оператором всей системы - компанией SkyBridge LP. Структура получения доходов и перечень необходимых лицензий приведены в таблице.

* Выбор конкретных номиналов частот находится в стадии рассмотрения