Между небом и землей

Год назад одну из тем номера ("Небеса рядом", #207) "Компьютерра" посвятила перспективным спутниковым системам. В том же номере рассказывалось и о проекте Sky Station - стратостате, подвешиваемом над той или иной территорией и обеспечивающем некоторое подобие спутниковой (причем дуплексной) связи. Такое соседство неслучайно - между наземными и спутниковыми системами связи существует ниша, в прямом и переносном смыслах. В эту нишу устремились компании, предлагающие проекты "стратосферных концентраторов".

Преимущества и спутниковых, и наземных систем очевидны, так же как очевидны их недостатки. Например, геостационарные спутники (GEO) имеют важное свойство "стояния" в одной и той же точке небосклона. Но дается это ценой высокой орбиты и, как следствие, затуханием и задержками распространения сигнала. В этом плане более привлекательны низкоорбитальные спутники (LEO), но здесь приходится создавать в космосе что-то вроде сотовой сети - целой группировки из спутников.

И все-таки при всех своих минусах (стоимость, сложность и т. д.) спутниковые системы связи имеют важное преимущество перед наземными: большой угол места и, соответственно, зону прямой видимости абонентов. А это очень важно, поскольку абоненты по большей части находятся в современных городских фьордах, а для связи (вследствие их большей информационной емкости) все шире используются сверхвысокие частоты (единицы и десятки гигагерц). С повышением частоты способность радиоволн огибать препятствия снижается. Даже популярные устройства типа Radio Ethernet, работающие в диапазоне 2,4 ГГц, предполагают наличие прямой видимости между приемной и передающей антенной (в противном случае приходится идти на ухищрения - например, ставить ретрансляторы или "ловить" отраженный сигнал).

Ниже речь пойдет о стратосферных концентраторах - специализированных летательных аппаратах, летающих в стратосфере и служащих аналогом спутниковой связи. Их главный козырь в игре со спутниками - быстрота развертывания и относительно небольшая рабочая высота.

Мы опишем две такие системы: Sky Station и HALO.

Sky Station

О проекте, продвигаемом Sky Station International (SSI, www.skystation.com), "Компьютерра" уже писала в упомянутом #207, поэтому коротко напомним, о чем идет речь и посмотрим, что же сделано нового за прошедший год.

Проект примечателен не только оригинальностью идеи, но и тем, что у его руля стоят весьма энергичные и неординарные личности. Небезынтересно и то, что этот полуфутуристический проект поддерживается в основном европейскими компаниями. Правда, ионный двигатель супердирижабля был предложен профессором Калифорнийского университета Альфредом Вонгом.

Основой системы Sky Station является стратостат, подвешиваемый над зоной обслуживания (например, над мегаполисом) на высоте около 21 км. Общая эффективно покрываемая связью площадь составляет примерно 19 тыс. квадратных километров. Размеры "сигары" весьма внушительны - 157 метров в длину и 62 метра в диаметре. Питание оборудования осуществляется от солнечных батарей, при этом потребляемая электрическая мощность составляет около мегаватта. Управляет положением стратостата ионный двигатель, использующий в качестве рабочего тела воздух. Планируемый срок службы - 10-12 лет.

Типовой канал связи обеспечит скорость передачи от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/c для мобильных и до 155 Мбит/c для стационарных пользователей. При этом задержка сигнала составит не более 0,5 мс (против 250 мс для геостационарных спутников), что важно, например, для услуг реального времени (обычной и IP-телефонии, видеоконференций). Сигнал будет передаваться на частоте около 47 ГГц в полосе шириной 600 МГц. Если быть более точным, то диапазон 47,2-47,5 ГГц будет использоваться для каналов "стратостат-земля", а 47,9-48,2 ГГц - для каналов "земля-стратостат". Именно такие диапазоны были закреплены за стратосферной связью решением Всемирной конференции по радиочастотам (WRC-97) в октябре 1997 года. Решение авторитетной организации, ведающей международной политикой в вопросах использовании радиоресурсов, повторяет и вердикт Федеральной комиссии по связи США (FCC), также принятый недавно.

Каналы Sky Station могут быть использованы для всех известных сегодня телекоммуникационных сервисов: телефонная и видеосвязь, доступ в Интернет, телевидение (в том числе интерактивное) и т. д. При этом, по расчетам SSI, стоимость одной минуты однопользовательского мобильного канала составит всего несколько центов.

Ввод первых стратостатов Sky Station намечен на 2001 год. На первом этапе планируется развесить около 250 платформ над всеми крупнейшими городами мира. В работе над проектом участвует ряд крупнейших компаний, многие из которых были привлечены в течение последнего года. Вот некоторые из них.

Что же произошло за последний год? Во-первых, отодвинуты сроки реализации проекта - что, впрочем, характерно для новаторских проектов.

Во-вторых, приняты упомянутые решения WRC и FCC по выделению частот для систем, подобных Sky Station (на самом деле реальных аналогов Sky Station в настоящее время нет).

В-третьих, в конце апреля 1998 года окончательно оформился круг участников, которые будут реализовывать проект Sky Station. Примечательно, что в июле этого года к ним добавилась Sky Station Africa, которая будет продвигать проект на территории Черного континента.

Стоимость Sky Station оценена в 2,5 млрд. долларов, проект набирает обороты, и, чтобы оценить его на практике, возможно, осталось подождать три-четыре года.

Самолетик (HALO)

Проект HALO (High Altitude Long Operation), разработанный Angel Technologies (www.angeltechnologies.com) совместно с Raytheon TI Systems и рядом других компаний, предлагает использовать в качестве стратосферного концентратора самолет, способный длительное время летать на большой высоте и нести полезный груз весом около тонны. По оригинальности проект HALO ничуть не уступает Sky Station, хотя, по признанию самих авторов, является лишь сплавом уже существующих передовых технологий.

Самолет, летающий по окружности радиусом 9-15 км на высоте 18-20 км, будет дежурить восемь часов (запасы топлива и физические возможности пилотов ограничены). То есть трехсменная работа обеспечит круглосуточное функционирование сети HALO.

Для связи предполагается использовать 850-мегагерцовую полосу в области 28 ГГц, на что должно появиться соответствующее решение FCC. Из них 300 МГц используются для восходящего трафика абонентов, еще 300 МГц - для нисходящего и 250 МГц - для служебных целей.

Интересной особенностью (и принципиальным отличием от Sky Station) является то, что для более эффективного использования отведенного участка спектра обслуживаемая территория (диаметром 70-110 км, то есть площадью более 10 тыс. кв. км - размеры типичного мегаполиса) разбивается на соты площадью 14-28 квадратных километров. Рабочий диапазон для каждого направления передачи разделяется на пять полос шириной 60 МГц. Каждая сота использует одну из четырех полос (A, B, C, D), так что две любые соседние соты (см. рисунок) работают в разных полосах частот. Пятая полоса (E) используется для обеспечения шлюзов в магистральные каналы, а также для подключения привилегированных абонентов (которым требуются надежные и скоростные каналы).

За счет этого ухищрения суммарная пропускная способность одной сети HALO может быть доведена до 100 Гбит/с (от 10 до 75 тыс. каналов T1). Однако при этом надо решить довольно сложную техническую задачу. Ведь каждая сота обслуживается своей направленной антенной. А так как самолет перемещается в пространстве, то разработчикам HALO, вероятно, придется установить на борту подвижные антенны (впрочем, подобные "антенны-компасы" уже давно применяются в современной авиации). По той же причине часть пользователей, чтобы добиться должного качества и надежности, также будет вынуждена использовать поворачивающиеся антенны. Так что пока не ясно, будет ли HALO пригодна для мобильной связи.

Частным пользователям системы HALO будут предложены каналы с пропускной способностью 1-5 Мбит/с, корпоративным - 5-12,5 Мбит/с. Возможно и выделение особых каналов для провайдеров и операторов с пропускной способностью 25-155 Мбит/с. Пробные полеты самолетов должны начаться уже в этом году. Ввод же систем HALO в коммерческую эксплуатацию состоится, по всей видимости, только в следующем тысячелетии.

Итоги

Итак, полутеоретическая-полупрактическая альтернатива спутниковым системам (в первую очередь низкоорбитальным) есть. Это описанные выше стратосферные концентраторы. Насколько эта альтернатива серьезна?

Единственное очевидное преимущество стратосферных концентраторов перед низкоорбитальными, а тем более геостационарными спутниками - небольшая высота полета. Это значит, что:

а) передаваемый на землю сигнал распределяется на небольшой территории, и его мощность у поверхности достаточно велика;

б) для передачи сигнала от пользователя на стратосферный концентратор требуется более простая и компактная аппаратура;

в) задержка сигнала приемлемо мала для предоставления услуг реального времени.

Еще одно преимущество систем связи, размещаемых в стратосфере, - хорошая защищенность аппаратуры от действия космических излучений. Последние события с геостационарными спутниками HS601 производства Hughes (три аварии за три месяца, самая драматическая по своим последствиям из которых случилась на Galaxy IV, в результате чего 85 процентов пейджеров в США умолкли на двое суток) показывают, насколько уязвимы спутники, не защищаемые земной атмосферой.

Что касается стоимости стратосферных решений, то здесь их превосходство вовсе не так очевидно. Запуск низкоорбитальных спутников поставлен уже на поток. Благодаря конкуренции между космическими агентствами и невысоким требованиям к мощности ракет-носителей, выводящих низкоорбитальные спутники в космос, стоимость запуска одного аппарата составляет всего несколько сотен тысяч долларов. При этом срок службы спутников превышает десять лет. Поэтому о преимуществе в стоимости перед спутниковыми системами, на что намекают идеологи Sky Station и HALO, можно поспорить. Запуск спутников - налаженный бизнес, а вот говорить о стоимости нереализованного проекта приходится с осторожностью.

Недостатков у стратосферных концентраторов тоже, конечно, хватает. Стратосфера есть стратосфера, и она менее предсказуема, чем безвоздушное космическое пространство. Использование стратостата предполагает довольно сложные технологические решения для устойчивого управления (даже при том, что в стратосфере отсутствует турбулентное движение воздушных масс). К тому же, как это часто бывает, главные проблемы появляются на стадии реализации проекта.

Неясно и то, насколько будут безопасны стратосферные концентраторы. В Angel, упоминая Sky Station, саркастически замечают, что американская правительственная организация Federal Aviation Administration может выступить против полетов дирижаблей над крупными городами в связи с их потенциальной опасностью (катастрофы дирижаблей еще свежи в памяти). В противоположность этому Angel подчеркивает, что самолеты HALO будут управляться пилотами (причем двумя!) и поэтому абсолютно безопасны.

Но случаи падения самолетов на города и их окрестности тоже хорошо известны.

Чтобы дополнить сравнение стратосферных и спутниковых систем связи, приведем таблицу основных характеристик HALO, Sky Station, Teledesic и популярной системы "турбирования" обратного Интернет-канала DirecPC. Из четырех сравниваемых решений реально существует только DirecPC, поэтому характеристики остальных трех можно считать приблизительными.

Таблица

И все же проекты стратосферных концентраторов хороши тем, что они существуют и готовятся к реализации. Значит, у низкоорбитальных спутниковых систем, на которые обратили взоры сильные мира сего (я имею в виду Teledesic), появятся конкуренты. А кто выигрывает от конкуренции - известно. Это мы, потребители.