Книга Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

VSAT с использованием концентратора

Системы VSAT имеют колоссальные перспективы применения в сельской местности, особенно в развивающихся странах. Во многих уголках мира нет ни проводной связи, ни сотовых вышек. Бюджет большинства развивающихся стран не позволяет прокладывать телефонные линии в тысячи крошечных деревушек. Возводить сотовые вышки проще, но их нужно соединять проводами с общенациональной телефонной сетью. Установка однометровой тарелки VSAT с питанием от солнечных батарей зачастую становится оптимальным решением. VSAT — это технология, которая может положить конец опутыванию всего мира проводами. Кроме того, она способна обеспечить интернет-доступ пользователям смартфонов в регионах без приземной инфраструктуры (то есть в большей части развивающегося мира).

У спутников связи есть несколько особенностей, резко отличающих их от приземных двухточечных соединений. Прежде всего долгий путь сигнала до геостационарного спутника и обратно приводит к существенной задержке (несмотря на то что сигнал движется со скоростью света, почти 300 000 км/с). В зависимости от расстояния между пользователем и наземной станцией, а также от высоты спутника над горизонтом сквозная задержка составляет 250–300 мс. Обычно время прохождения сигнала туда и обратно составляет 270 мс (540 мс для системы VSAT с концентратором).

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