Чем позвонить с Эвереста? История и обзор спутниковой связи. Часть 1

Времена, когда спутниковый телефон был кирпичом с выдвижной антенной, остались в далеком прошлом. Двадцать-тридцать лет назад для связи с космосом могла потребоваться даже не трубка, а полноценный чемодан.

А сегодня ваш обычный смартфон подходит к тому, чтобы решать пустить ли вызов через базовую станцию или через ближайший спутник. Мы прошли путь от аналоговых чемоданов весом в несколько кило до лазерных мостов в космосе и технологии Direct‑to‑Cell. В этом материале я хочу рассказать как зарождалась спутниковая связь, какой путь она прошла и что мы имеем на текущий момент. Мы узнаем почему иридий стал символом грандиозного коммерческого фиаско, чем высокоэлиптическая орбита отличается от геостационарной, что изменилось в космосе с приходом DVB-S2 и чем позвонить с Эвереста.

А с теми, кто как и я, рос в 90-е, мы вспомним и объясним самую противную фразу нашего детства: “Это канал звукового сопровождения, программы “Орбита-4 Восток", центрального телевидения, пиии!”. Все же помнят, что она значила для нас? Что утренних мультиков не будет…

Всемирная связь

В начале 1980-х сотовая связь только начинает победное шествие: NMT‑450 в Скандинавии, AMPS в США. Людям понравилась идея звонить без проводов, но устойчивый сигнал есть только в мегаполисах. Возникает закономерный вопрос: можно ли придумать универсальный механизм, который позволит позвонить откуда угодно? Хоть с вершины Эвереста, и чтобы при этом не требовалось разворачивать локальную сеть связи, тащить вышки и кабель? Ответом стал спутниковый телефон. 

В 1982 году начала коммерческую деятельность международная система Inmarsat. Назвать этот телефон “портативным” язык не поворачивался. Аппаратура стандарта Inmarsat‑A представляла собой тяжелый чемодан с параболической антенной. Связь была аналоговой, использовался метод FDMA (Frequency Division Multiple Access - частотное разделение каналов) с частотной модуляцией (FM). Каждый канал занимал полосу 50 кГц, а мощность передатчика достигала 50–100 Вт. Сигнал шел на геостационарные спутники (ГСО, GEO), висящие на высоте 36 000 км. 

Затухание в свободном пространстве на такой трассе для C‑диапазона составляет около 190–200 дБ, поэтому требовались параболические антенны диаметром от 0,8 до 1,2 м с высоким коэффициентом усиления. О конфиденциальности и Интернете речи не шло - только открытый голос и низкоскоростной факс (2,4 кбит/с). Задержка сигнала (RTT) составляла ощутимые 500–600 мс, делая разговор похожим на радиосвязь с дальней космической станцией. Тарифы кусались - 5–6 долларов за минуту. Это был инструмент для морской связи и экстренных случаев.

В 1990‑е годы пришла цифра. Стандарты Inmarsat‑B и Inmarsat‑M внедрили TDMA (Time Division Multiple Access - временное разделение каналов) и кодирование с исправлением ошибок (FEC) на основе сверточных кодов. Это позволило снизить требуемое отношение сигнал/шум и уменьшить антенны. Появился стандарт Inmarsat Mini‑M - терминал размером с ноутбук с выдвижной антенной, работавший на скорости 4,8 кбит/с для голоса. Однако геостационарная орбита оставалась далекой: задержка в 250 мс в одну сторону создавала дискомфорт при диалоге, а в широтах выше 80° спутник опускался за горизонт, и связь терялась.

Краткий курс теории спутниковой связи

Если вы не почти не сталкивались со спутниковой связью, то история выше могла вызвать у вас много вопросов. И это правильно. Потому, прежде чем двигаться дальше, давайте разложим по полочкам три главные вещи, которые определяют любой спутниковый канал: орбиту, частоту и архитектуру. 

Общая идея орбит упирается в уравнение радиолинии - мощность сигнала на входе приемника обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем выше спутник, тем мощнее должен быть передатчик или больше антенна. Выделяют четыре вида орбит:

• Геостационарная орбита (ГСО, GEO) - высота около 36 000 км. Спутник висит над одной точкой экватора, обеспечивая постоянное покрытие фиксированной зоны. Антенну настроил один раз и забыл. Но плата за это - огромные потери на трассе (190–200 дБ), задержка RTT 500–600 мс и невозможность работы в приполярных широтах (выше 80°). Спектральная эффективность низка из‑за сложности повторного использования частот.

• Средняя орбита (MEO) - высота 8 000–20 000 км. Это компромиссный вариант, используемый в системах GPS/ГЛОНАСС и телекоммуникационных проектах типа O3b. Задержка ниже, потери меньше, но спутник уже не статичен.

• Низкая орбита (LEO) - высота 500–1 500 км. Здесь минимальная задержка (RTT 10–40 мс) и относительно малые потери (около 150–160 дБ на частотах L‑диапазона). Появляется возможность использовать абонентские терминалы малой мощности (0,6–2 Вт). Однако спутник движется со скоростью около 7,5 км/с, время его нахождения в зоне видимости - всего 5–15 минут, поэтому для глобального покрытия нужна группировка из десятков или тысяч аппаратов, а также сложные алгоритмы хендовера (передачи луча) между спутниками.

• Высокоэллиптическая орбита (ВЭО, HEO) - особый класс орбит с сильно вытянутым эллипсом. Перигей (ближайшая к Земле точка) может находиться на высоте всего 300–1000 км, а апогей (самая удаленная точка) - достигать 40 000 км и более. Классический пример - орбита “Молния” с апогеем около 40 000 км над Северным полушарием и перигеем ~500 км над Южным. Период обращения - 12 часов, наклонение - 63,4°. Это особенная орбита и у нее своя логика. Спутник проводит 8–10 часов в районе апогея, медленно перемещаясь относительно Земли. Для стран и территорий с высокими широтами (Россия, Канада, Скандинавия) это позволяет обеспечить устойчивую связь и телевещание там, где геостационарные спутники висят низко над горизонтом или вовсе не видны (выше 80° широты). Трех-четырех аппаратов на таких орбитах достаточно для круглосуточного покрытия. 

Минус такой орбиты в том, что спутник постоянно меняет расстояние до абонента, а значит, меняются затухание сигнала и доплеровский сдвиг частоты. Наземные антенны должны отслеживать его движение - либо механически поворачиваться, либо использовать фазированные решетки. Дважды за оборот спутник проходит через радиационные пояса Ван Аллена, что требует повышенной радиационной стойкости электроники. Кроме того, из-за большой высоты апогея задержка сигнала (RTT) может достигать 200–300 мс, что заметно выше, чем на LEO, но все же ниже, чем на GEO. Именно на такой орбите работал первый в мире спутник связи “Молния‑1”, запущенный в СССР в 1965 году, и сегодня этот тип орбиты во всем мире называют орбитой типа “Молния”. 

Следующим важнейшим параметром спутниковой связи у нас идет частотный диапазон. Его выбор - это всегда компромисс между проникающей способностью, размером антенны и доступной полосой. 

• L‑диапазон (1–2 ГГц) - классика мобильной спутниковой связи (Iridium, Globalstar, Inmarsat): сигнал проходит сквозь облака и листву, слабо затухает в атмосфере, но полоса узкая, что ограничивает скорость (до сотен кбит/с). 

• S‑диапазон (2–4 ГГц) используют для вещания и связи с подвижными объектами (Inmarsat, российские «Экспресс‑РВ»). 

• C‑диапазон (4–8 ГГц) - «рабочая лошадка» фиксированной спутниковой связи, устойчив к дождю, но требует крупных антенн (до 3–5 м для приемных станций). 

• Ku‑диапазон (12–18 ГГц) широко применяется для VSAT и телевидения: антенны уменьшаются до 0,6–1,2 м, но появляется зависимость от осадков (замирания до 5–10 дБ при ливне). 

• Ka‑диапазон (26–40 ГГц) позволяет получить высокие скорости (до сотен Мбит/с на терминал) за счет широкой полосы, но сильно зависит от погоды (затухание в дождь может превышать 15–20 дБ). Его используют Starlink, Viasat. 

• Q/V‑диапазон (40–75 ГГц) перспективен для наземных станций сопряжения и межспутниковых линий, активно внедряется в новых группировках.

Еще один важнейший параметр - архитектура. В архитектуре прозрачного ретранслятора (bent pipe), которую используют Globalstar и большинство геостационарных систем, спутник работает как простое зеркало. То есть принимает сигнал от абонента и немедленно перенаправляет его на наземную станцию сопряжения (Gateway), находящуюся в зоне радиовидимости. Если в радиусе сотен километров нет такой станции с выходом в телефонную сеть или Интернет, связь невозможна. Поэтому такие системы требуют густой сети станций сопряжения, что ограничивает их применение в океанах, Арктике или глубоко в горах. 

Совсем иначе работают системы с межспутниковой связью (OISL - Optical Inter-satellite Links), такие как Iridium, Starlink и российский «Рассвет». Здесь спутники соединены между собой высокоскоростными каналами - чаще всего лазерными, работающими в оптическом диапазоне (длина волны около 1550 нм). Сигнал от абонента, попав на один спутник, передается по цепочке через все созвездие и покидает орбиту только тогда, когда достигает спутника, находящегося в зоне действия наземной станции. В результате наличие наземной инфраструктуры в районе абонента больше не требуется - достаточно, чтобы она была в любой точке Земли, где есть выход в магистральные сети. Именно эта архитектура делает глобальную спутниковую связь по‑настоящему независимой.

77й Iridium

В 1998 году Motorola запускает амбициознейший проект Iridium. Название происходит от иридия (Ir, 77‑й элемент в таблице Менделеева), так как изначально планировалось 77 спутников. Позже группировку оптимизировали до 66 - по логике проект должен был называться Dysprosium, но название осталось прежним. 

Технические параметры опережали время: 66 спутников на орбите 780 км, FDMA/TDMA в L‑диапазоне (1616–1626,5 МГц). Каждый спутник формировал 48 лучей (beams), создавая на земле “соты” диаметром около 400 км. Мощность абонентской трубки составляла всего 0,6–2 Вт - это стало возможным благодаря низкой орбите и эффективному кодированию (сверточные коды с декодированием по алгоритму Витерби). 

Главная инновация - межспутниковые каналы на Ka‑диапазоне (23 ГГц). Спутники образовывали в космосе коммутируемую сеть: звонок с Эвереста уходил на спутник над Гималаями, затем через 4–5 межспутниковых переходов достигал спутника над Северной Америкой и оттуда попадал на наземную станцию. Никакой привязки к наземным станциям - глобальное покрытие, включая океаны и полюса.

Презентация была грандиозной: вице‑президент США Эл Гор лично совершил первый звонок, аналитики пророчили миллионы абонентов. Но что‑то пошло не так с самого начала. Motorola просчитала экономику проекта, ориентируясь на мир начала 1990‑х и не предвидев стремительного распространения сотовой связи второго поколения GSM/CDMAone/D-AMPS. 

Аналитики всерьез полагали, что Iridium будут использовать жители городов для обычных звонков «в дороге». Трубка стоила 3000 долларов, весила полкилограмма, а минута разговора обходилась в 7 долларов. Сотовые сети второго поколения предлагали звонки за копейки. В итоге Iridium набрал абонентскую базу всего в 50 тысяч человек при том, что для окупаемости их должны были быть миллионы. Проект стоимостью 6 миллиардов долларов был перепродан новым инвесторам в 2000 году за 240 миллионов. Пишут, что “безупречный технически” Iridium провалился из-за просчетов бизнес-модели.

Это неправда. На самом деле непонятно на что вообще надеялись в Motorola, ведь у Iridium есть еще одна особенность, которая бы помешала ему заменить сотовую связь.

Это прозвучит странно, но два спутниковых телефона Iridium не могут нормально работать рядом. Во‑первых, у каждого спутника ограниченн ресурс: он способен держать всего 1100 одновременных каналов, а в одном луче (соте диаметром 400–600 км) свободных слотов еще меньше. Если в вашем районе все каналы заняты, спутник просто ответит «Network busy». 

Во‑вторых, телефоны мешают друг другу физически - их передатчики мощностью 0,6–2 Вт на частотах 1,6 ГГц создают взаимные помехи, из‑за чего сигнал искажается, вызовы сбрасываются, а на экране может моргать индикатор связи. 

Это происходит из-за принципа временного разделения каналов и полудуплексного режима. Грубо говоря, передача и прием у телефона идет на одной частоте, разнесение только по таймслотам. А таймслоты разных устройств не синхронизированы. Потому два телефона Iridium могут начать глушить друг друга: первый слушает, а второй на этой же частоте и в этот же таймслот начинает передачу. Даже если частота будет соседней, разнесения может не хватить. В заметках партнеров сети (таких как Beam) прямо указано: работа двух терминалов ближе 15–20 метров друг к другу - рискованная затея. Это, кстати, особенность многих спутниковых терминалов. Они дают наводки друг на друга.

Так что странно, что Motorola рассчитывала на миллионы абонентов в городах. Спутниковая архитектура изначально не была заточена под плотную городскую застройку, где все эти помехи и конкуренция за каналы стали бы неразрешимой проблемой. По сути, их бизнес-модель предполагала миллионы абонентов равномерно размазанных по планете. Как это пропустили, утвердили и вложили в это деньги… впрочем, наша история не про экономику.

Звезда на орбите

Параллельно с Iridium развивался Globalstar (запущен в 1998–1999 гг.). Его создатели сознательно отказались от межспутниковых каналов, выбрав архитектуру прозрачного ретранслятора. Спутник - просто зеркало. Множественный доступ - CDMA (кодовое разделение), лицензированное у Qualcomm, что обеспечивало лучшую устойчивость к помехам и более эффективное использование частотного спектра по сравнению с FDMA/TDMA Iridium. Созвездие состояло из 48 спутников LEO и 40 наземных станций сопряжения (Gateways) по всему миру. Спутники Globalstar дешевле, они не несут сложной маршрутизации, но за это приходится платить зависимостью от наземных станций. В открытом океане или удаленной местности без наземных станций связь невозможна.

Обе системы - Iridium и Globalstar - работают до сих пор, пройдя через модернизацию. Iridium NEXT (новое поколение) получил поддержку скорости до 1,4 Мбит/с и улучшенную обработку сигналов на борту. 

Globalstar внедрил более эффективные кодеки (4,8 кбит/с) и в последние годы стал основой для спутникового компонента экстренной связи в iPhone (Apple). Именно простота архитектуры Globalstar (отсутствие сложной маршрутизации) позволила быстро адаптировать ее под интеграцию со смартфонами, где задержки и так критичны.

Давай, телевидение! Прорыв DVB‑S2 и VSAT

К концу 1990‑х сформировались две ниши: дорогая глобальная голосовая связь (Iridium) и фиксированная связь для моряков и нефтяников (Inmarsat). Массового интернета в удаленных уголках не было. Прорыв произошел в 2005 году с принятием стандарта DVB‑S2. И вот здесь нужно сделать важное отступление. 

Семейство DVB (Digital Video Broadcasting) включает несколько больших категорий:

• DVB‑C/C2 - стандарт цифрового кабельного телевидения. 

• DVB‑T/T2 - стандарт эфирного цифрового ТВ (DVB‑T2 принят в России национальным стандартом).

• DVB‑IP - передача через Интернет‑протоколы. 

• DVB‑S/S2/S2X - спутниковые стандарты. 

Но! DVB‑S/S2/S2X описывают не только и не столько телевещание, сколько как именно биты превращаются в радиосигнал. Какие типы модуляции использовать (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK), какие коды коррекции ошибок применять (сверточные, LDPC, BCH), как формировать кадры, мультиплексировать потоки и добавлять служебную информацию. Все это - тот уровень, которому безразлично, что лежит в передаваемых пакетах: MPEG‑TS с видео, IP‑пакеты, голос VoIP или файлы. DVB‑S2 даже имеет специальный режим Generic Stream (GS), оптимизированный для передачи IP‑трафика.

DVB‑S2 стал настоящим прорывом благодаря использованию LDPC‑кодов (Low‑Density Parity‑Check), которые приближаются к пределу Шеннона (теоретическому максимуму пропускной способности канала). А также адаптивному кодированию и модуляции (ACM), позволяющему подстраивать параметры модуляции под текущие погодные условия. Последнее критически важно для Ku/Ka‑диапазонов. 

Для обратного канала (от абонента к спутнику) используется DVB‑RCS (Return Channel via Satellite) с множественным доступом MF‑TDMA (Multi‑Frequency TDMA), что позволяет тысячам абонентов передавать данные в одном спутниковом транспондере. Более поздняя версия DVB‑RCS2 добавила поддержку более эффективных протоколов и гибкую настройку. 

Вся эта связка (DVB‑S2 и DVB‑RCS) легла в основу VSAT‑сетей (Very Small Aperture Terminal), обеспечивших интернетом офисы, корабли и удаленные поселки со скоростями до 50–100 Мбит/с на прием, но с задержкой 600–800 мс (из‑за геостационара). 

Эпоха геостационарного интернета сделала спутниковую связь быстрой и доступной. Она продолжалась до массового прихода низкоорбитальных систем.

Во второй части мы продолжим разбирать историю и технологии спутниковой связи. Расскажем про революцию, которую совершил Starlink, меш-архитектуру на основе лазерных каналов связи, пройдемся по развитию спутниковой связи в нашей стране, вспомним “Молнию” и “Рассвет”, а так же узнаем, что такое сателун. Не отключайтесь!

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.