Спутниковый доступ в Интернет

Спутниковая WildBlue антенна на фасаде дома для приема Интернета

Спутниковый доступ в Интернет – доступ в Интернет, предоставляемый через спутники связи ; если он может поддерживать высокие скорости , его называют спутниковым широкополосным доступом . Современные спутниковые интернет-услуги потребительского уровня обычно предоставляются отдельным пользователям через геостационарные спутники , которые могут обеспечивать относительно высокие скорости передачи данных. с новыми спутниками, использующими K _u диапазон для достижения скорости передачи данных в нисходящем направлении до 506 Мбит/с . Кроме того, новые группировки спутникового Интернета разрабатываются на низкой околоземной орбите , которые обеспечат доступ к Интернету с малой задержкой из космоса.

История

После запуска первого спутника «Спутник-1 » в Союзе Советских Социалистических Республик ( СССР, широко известный как Советский Союз ) в октябре 1957 года, США успешно запустили спутник «Эксплорер-1» в 1958 году. Первый коммерческий спутник связи был Telstar 1 , построенный Bell Labs и запущенный в июле 1962 года.

Идея геосинхронного спутника , который мог бы вращаться вокруг Земли над экватором и оставаться неподвижным, следуя за вращением Земли, была впервые предложена Германом Поточником в 1928 году и популяризирована писателем-фантастом Артуром Кларком в статье в журнале Wireless World. в 1945 году. Первым спутником, успешно достигшим геостационарной орбиты, был Syncom3 , построенный компанией Hughes Aircraft для НАСА и запущенный 19 августа 1963 года. Последующие поколения спутников связи с большей мощностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками были приняты для использования в доставке телевизионных сигналов, в военных целях и в телекоммуникационных целях. . После изобретения Интернета и Всемирной паутины геостационарные спутники вызвали интерес как потенциальное средство обеспечения доступа в Интернет.

Важным фактором развития спутникового Интернета стало открытие K _a диапазона для спутников. В декабре 1993 года компания Hughes Aircraft Co. подала в Федеральную комиссию по связи заявку на лицензию на запуск первого _{K a} спутника -диапазона Spaceway . В 1995 году Федеральная комиссия по связи (FCC) обратилась с призывом к увеличению количества спутниковых приложений K _{- диапазона} , привлекая заявки от 15 компаний. Среди них были EchoStar , Lockheed Martin , GE-Americom , Motorola и KaStar Satellite, позже ставший WildBlue .

Среди выдающихся претендентов на раннюю стадию развития сектора спутникового Интернета был Teledesic , амбициозный и в конечном итоге провальный проект, частично финансируемый Microsoft , который в конечном итоге стоил более 9 миллиардов долларов. Идея Teledesic заключалась в создании группировки спутникового Интернета из сотен низкоорбитальных спутников на частоте K _a- диапазона, обеспечивающих недорогой доступ в Интернет со скоростью загрузки до 720 Мбит/с. Однако в 2003 году от проекта отказались. Провал Teledesic в сочетании с заявлением о банкротстве поставщиков спутниковой связи Iridium Communications Inc. и Globalstar ослабил энтузиазм рынка по развитию спутникового Интернета. Первый спутник для потребителей, готовый к использованию Интернета, был запущен в сентябре 2003 года.

В 2004 году, с запуском Anik F2 , первого спутника с высокой пропускной способностью , начал функционировать класс спутников следующего поколения, обеспечивающих улучшенную пропускную способность и пропускную способность. Совсем недавно спутники с высокой пропускной способностью, такие как спутник ViaSat-1 компании ViaSat в 2011 году и Юпитер компании HughesNet в 2012 году, добились дальнейших улучшений, увеличив скорость передачи данных в нисходящем направлении с 1–3 Мбит/с до 12–15 Мбит/с и выше. Услуги доступа в Интернет, подключенные к этим спутникам, ориентированы в основном на сельских жителей в качестве альтернативы услугам Интернета по коммутируемому доступу, ADSL или классическим ФСС .

В 2013 году первые четыре спутника созвездия O3b были запущены на среднюю околоземную орбиту (СОО) , чтобы обеспечить доступ в Интернет «остальным трем миллиардам» людей, не имевшим на тот момент стабильного доступа в Интернет. В течение следующих шести лет к созвездию, которое теперь принадлежит и управляется SES , присоединились еще 16 спутников .

С 2014 года все большее число компаний объявляют о работе над доступом в Интернет с использованием группировок спутников на низкой околоземной орбите . SpaceX , OneWeb и Amazon планировали запустить более 1000 спутников каждая. Только OneWeb к февралю 2017 года собрал на этот проект 1,7 миллиарда долларов. и SpaceX привлекли более одного миллиарда долларов в первой половине 2019 года для своего сервиса под названием Starlink . Они ожидали, что к 2025 году доход от спутниковой группировки составит более 30 миллиардов долларов. По состоянию на февраль 2024 года Starlink имеет на орбите 5402 действующих спутника.

Многие запланированные группировки используют лазерную связь для межспутниковых связей, чтобы эффективно создать космическую магистраль Интернета .

В сентябре 2017 года SES анонсировала следующее поколение спутников и сервиса O3b под названием O3b mPOWER . Созвездие из 11 спутников MEO обеспечит 10 терабит пропускной способности по всему миру посредством 30 000 точечных лучей для услуг широкополосного Интернета. Первые два спутника O3b mPOWER были запущены в декабре 2022 года, еще девять планируется развернуть в 2023-2024 годах, а первоначальный запуск ожидается в третьем квартале 2023 года.

С 2017 года такие авиакомпании, как Delta и American, внедряют спутниковый интернет как средство борьбы с ограниченной пропускной способностью в самолетах и ​​предлагают пассажирам удобные скорости интернета.

Компании и рынок

Соединенные Штаты

По состоянию на 2024 год В число компаний, предоставляющих услуги домашнего интернета в США через спутник, входили ViaSat через свой бренд Exede , EchoStar через дочернюю компанию HughesNet , Starlink и Project Kuiper .

Евросоюз

ЕС планирует начать проект IRIS² в 2020-х годах.

Китай

По состоянию на 2023 год Китай находится в процессе создания собственной государственной группировки спутникового Интернета , которой управляет Chinasat .

Индия

Основными предложениями Индии в этой области являются Oneweb и JioSpaceFiber . А с 2023 года — развлекательные лицензии для Starlink и Project Kuiper.

Функция

Как работает спутниковый интернет.

Спутниковый Интернет обычно опирается на три основных компонента: спутник – исторически на геостационарной орбите (или GEO), но теперь все чаще на низкой околоземной орбите (LEO) или средней околоземной орбите MEO). – ряд наземных станций, известных как шлюзы, которые передают интернет-данные на спутник и обратно через радиоволны ( микроволны ), а также дополнительные наземные станции для обслуживания каждого абонента с небольшой антенной и приемопередатчиком . Другие компоненты системы спутникового Интернета включают модем на стороне пользователя, который соединяет сеть пользователя с приемопередатчиком, а также централизованный центр сетевых операций (NOC) для мониторинга всей системы. Работая совместно с широкополосным шлюзом, спутник использует топологию сети «звезда» , где все сетевые коммуникации проходят через сетевой процессор-концентратор, который находится в центре звезды. При такой конфигурации количество наземных станций, которые можно подключить к хабу, практически безгранично.

Спутник

В качестве центра новых широкополосных спутниковых сетей позиционируется новое поколение мощных спутников GEO, расположенных на высоте 35 786 километров (22 236 миль) над экватором и работающих в режиме K _a (18,3–30 ГГц). Эти новые специально созданные спутники спроектированы и оптимизированы для широкополосных приложений и используют множество узких точечных лучей. которые нацелены на гораздо меньшую площадь, чем широкие лучи, используемые более ранними спутниками связи. Эта технология точечного луча позволяет спутникам многократно повторно использовать назначенную полосу пропускания, что может позволить им достичь гораздо более высокой общей пропускной способности, чем обычные спутники с широким лучом. Точечные лучи также могут повысить производительность и последующую пропускную способность за счет фокусировки большей мощности и повышения чувствительности приемника в определенных концентрированных областях. Точечные лучи обозначаются как один из двух типов: точечные лучи абонента, которые передаются к терминалу на стороне абонента и от него, и точечные лучи шлюза, которые передаются на/от наземной станции поставщика услуг. Обратите внимание, что выход за пределы узкого пространства точечного луча может значительно ухудшить производительность. Кроме того, точечные лучи могут сделать невозможным использование других важных новых технологий, включая модуляцию «несущая в несущей ».

В сочетании с технологией точечного луча спутника с изогнутой трубой в сети традиционно используется архитектура , в которой спутник действует как мост в космосе, соединяющий две точки связи на земле. Термин «изогнутая труба» используется для описания формы пути передачи данных между передающей и приемной антеннами, при этом спутник расположен в точке изгиба. Проще говоря, роль спутника в этой сетевой схеме заключается в ретрансляции сигналов от терминала конечного пользователя к шлюзам интернет-провайдера и обратно без обработки сигнала на спутнике. Спутник принимает, усиливает и перенаправляет несущую на определенной радиочастоте через путь прохождения сигнала, называемый транспондером.

Некоторые группировки спутников на околоземной орбите, такие как Starlink и предлагаемая группировка Telesat, будут использовать оборудование лазерной связи для высокопроизводительной оптической межспутниковой связи. Взаимосвязанные спутники обеспечивают прямую маршрутизацию пользовательских данных со спутника на спутник и эффективно создают космическую оптическую ячеистую сеть , которая обеспечит бесперебойное управление сетью и непрерывность обслуживания.

Спутник имеет собственный набор антенн для приема сигналов связи с Земли и передачи сигналов к месту назначения. Эти антенны и транспондеры являются частью «полезной нагрузки» спутника, которая предназначена для приема и передачи сигналов в различные места на Земле и из них. Эту передачу и прием в транспондерах полезной нагрузки обеспечивает подсистема ретранслятора (радиочастотное оборудование), используемая для изменения частот, фильтрации, разделения, усиления и группировки сигналов перед их маршрутизацией по адресу назначения на Земле. Приемная антенна спутника с высоким коэффициентом усиления передает передаваемые данные на транспондер, который фильтрует, преобразует и усиливает их, а затем перенаправляет на передающую антенну на борту. Затем сигнал направляется в определенное место на земле через канал, известный как несущая. Помимо полезной нагрузки, другим основным компонентом спутника связи является шина, которая включает в себя все оборудование, необходимое для перемещения спутника в нужное положение, подачи питания, регулирования температуры оборудования, предоставления информации о состоянии и отслеживании, а также выполнения множества других эксплуатационных задач.

Шлюзы

Наряду с впечатляющим прогрессом в области спутниковых технологий за последнее десятилетие аналогичным образом развивалось и наземное оборудование, извлекающее выгоду из более высокого уровня интеграции и увеличения вычислительной мощности, расширяя как возможности, так и границы производительности. Шлюз — или Земная станция Шлюз (полное название) — также называется наземной станцией, телепортом или хабом. Этот термин иногда используется для описания только части антенной тарелки или может относиться ко всей системе со всеми связанными компонентами. Короче говоря, шлюз принимает радиоволновые сигналы от спутника на последнем участке обратного или восходящего потока полезной нагрузки, неся запрос, исходящий с сайта конечного пользователя. Спутниковый модем в месте шлюза демодулирует входящий сигнал от наружной антенны в IP-пакеты и отправляет пакеты в локальную сеть. Сервер/шлюзы доступа управляют трафиком, передаваемым в/из Интернета. После того как первоначальный запрос обработан серверами шлюза, отправлен в Интернет и возвращен из Интернета, запрошенная информация отправляется обратно в виде прямой или нисходящей полезной нагрузки конечному пользователю через спутник, который направляет сигнал на абонентский терминал. Каждый шлюз обеспечивает соединение с магистральной сетью Интернет для лучей шлюза, которые он обслуживает.

Система шлюзов, включающая наземную спутниковую систему, обеспечивает все сетевые услуги для спутниковой и соответствующей наземной связи. Каждый шлюз обеспечивает мультисервисную сеть доступа для подключения абонентских терминалов к сети Интернет.

Поскольку континентальная часть Соединенных Штатов находится к северу от экватора, все шлюзовые и абонентские антенны должны иметь беспрепятственный обзор южного неба. Из-за геостационарной орбиты спутника антенна шлюза может оставаться в фиксированном положении.

Антенная тарелка и модем

Чтобы предоставленное клиентом оборудование (т. е. ПК и маршрутизатор) имело доступ к широкополосной спутниковой сети, у клиента должны быть установлены дополнительные физические компоненты:

Наружный блок (ОДУ)

В дальнем конце наружного блока обычно находится небольшая (2–3 фута, диаметром от 60 до 90 см) отражающая радиоантенна тарельчатого типа. Антенна VSAT также должна иметь беспрепятственный обзор неба, чтобы обеспечить правильную прямую видимость (LOS) на спутник. Для обеспечения правильной настройки антенны на спутнике используются четыре настройки физических характеристик: азимут , угол места, поляризация и перекос . Сочетание этих настроек дает наружному блоку зону видимости выбранного спутника и делает возможной передачу данных. Эти параметры обычно задаются во время установки оборудования вместе с назначением луча (только диапазон K _a ); все эти шаги необходимо выполнить до фактической активации услуги. Компоненты передачи и приема обычно устанавливаются в фокусе антенны, которая принимает/отправляет данные со спутника/на него. Основные части:

• Облучатель. Этот узел является частью цепи приема и передачи VSAT, которая состоит из нескольких компонентов с разными функциями, включая рупор в передней части устройства, который напоминает воронку и предназначен для фокусировки спутниковых микроволновых сигналов поперек поверхность отражателя тарелки. Облучатель одновременно принимает сигналы, отраженные от поверхности антенны, и передает исходящие сигналы обратно на спутник.
• Блочный повышающий преобразователь (BUC). Этот блок расположен за рупором и может быть частью того же блока, но BUC большего размера (более высокой мощности) может быть отдельной частью, прикрепленной к основанию антенны. Его задача — преобразовать сигнал модема в более высокую частоту и усилить его, прежде чем он отразится от тарелки и направится на спутник.
• Малошумящий блочный понижающий преобразователь (LNB) – это приемный элемент терминала. Задача LNB — усиливать принятый спутниковый радиосигнал, отражающийся от тарелки, и фильтровать шум, то есть любой сигнал, не несущий достоверной информации. LNB передает усиленный отфильтрованный сигнал на спутниковый модем в месте нахождения пользователя.

Indoor unit (IDU)

Спутниковый модем служит интерфейсом между наружным блоком и оборудованием, предоставленным клиентом (например, ПК, маршрутизатором), и управляет спутниковой передачей и приемом. От передающего устройства (компьютера, маршрутизатора и т. д.) оно получает входной битовый поток и преобразует или модулирует его в радиоволны, меняя этот порядок для входящих передач, что называется демодуляцией . Он обеспечивает два типа подключения:

• Подключение коаксиального кабеля (COAX) к спутниковой антенне. Длина кабеля, передающего электромагнитные спутниковые сигналы между модемом и антенной, обычно не превышает 150 футов.
• Соединение Ethernet с компьютером, передающее пакеты данных клиента на серверы интернет-контента и обратно.

Спутниковые модемы потребительского уровня обычно используют телекоммуникационный стандарт DOCSIS или WiMAX для связи с назначенным шлюзом.

Проблемы и ограничения

Задержка сигнала

Задержка (обычно называемая «временем пинга») — это задержка между запросом данных и получением ответа или, в случае односторонней связи, между фактическим моментом трансляции сигнала и временем его получения на его месте. место назначения.

Радиосигналу требуется около 120 миллисекунд, чтобы достичь геостационарного спутника, а затем 120 миллисекунд, чтобы достичь наземной станции, то есть в целом почти 1/4 секунды. Обычно в идеальных условиях физика спутниковой связи составляет около 550 миллисекунд задержки туда и обратно.

Более длительная задержка является основным различием между стандартной наземной сетью и геостационарной спутниковой сетью. Задержка туда и обратно в геостационарной спутниковой сети связи может более чем в 12 раз превышать задержку наземной сети.

Задержка спутниковой связи может быть пагубной для особенно чувствительных ко времени приложений, таких как онлайн-игры (хотя она серьезно влияет только на шутеры от первого лица или гоночные симуляторы , в то время как многие MMOG могут хорошо работать через спутниковый Интернет). ), но IPTV обычно представляет собой симплексную операцию (одностороннюю передачу), и задержка не является критическим фактором для передачи видео.

Эффекты этой задержки можно смягчить с помощью сжатия данных, TCP-ускорения и предварительной выборки HTTP.

Геостационарные орбиты

Геостационарная орбита (или геостационарная околоземная орбита/GEO) — это геосинхронная орбита, расположенная непосредственно над экватором Земли (широта 0°), с периодом, равным периоду вращения Земли, и эксцентриситетом орбиты, равным примерно нулю (т.е. «круговая орбита»). . Объект на геостационарной орбите кажется наземным наблюдателям неподвижным, находящимся в фиксированном положении на небе. Ракетные установки часто размещают спутники связи и метеорологические спутники на геостационарных орбитах, так что спутниковым антеннам, которые связываются с ними, не нужно перемещаться для их отслеживания, а можно постоянно указывать на то положение в небе, где находятся спутники. Из-за постоянной широты 0 ° и округлости геостационарных орбит спутники на GEO различаются по местоположению только по долготе.

По сравнению с наземной связью, вся геостационарная спутниковая связь имеет более высокую задержку из-за того, что сигналу приходится преодолевать 35 786 км (22 236 миль) до спутника на геостационарной орбите и снова возвращаться на Землю. Даже на скорости света (около 300 000 км/с или 186 000 миль в секунду) эта задержка может оказаться значительной. Если бы все остальные задержки передачи сигналов можно было устранить, радиосигналу по-прежнему потребуется около 250 миллисекунд (мс), или около четверти секунды, чтобы дойти до спутника и вернуться на землю. Абсолютный минимум общей задержки варьируется из-за того, что спутник остается в одном месте на небе, в то время как наземные пользователи могут находиться прямо под ним (с задержкой туда и обратно 239,6 мс) или далеко на стороне планеты вблизи горизонт (с задержкой туда и обратно 279,0 мс).

Для интернет-пакета эта задержка удваивается до получения ответа. Это теоретический минимум. С учетом других обычных задержек от сетевых источников типичная задержка одностороннего соединения от пользователя к интернет-провайдеру составляет от 500 до 700 мс или задержка от 1000 до 1400 мс для общего времени прохождения туда и обратно (RTT) обратно к пользователю. Это больше, чем испытывают большинство пользователей коммутируемого доступа при общей задержке 150–200 мс, и намного выше, чем типичная задержка от 15 до 40 мс, которую испытывают пользователи других высокоскоростных интернет-услуг, таких как кабельное телевидение или VDSL .

Для геостационарных спутников невозможно устранить задержку, но проблему можно несколько смягчить, если использовать Интернет-связь с функциями ускорения TCP , которые сокращают видимое время прохождения туда и обратно (RTT) для каждого пакета за счет разделения («подделки») петли обратной связи между отправитель и получатель. Определенные функции ускорения часто присутствуют в последних технологических разработках, встроенных в оборудование спутникового Интернета.

Задержка также влияет на инициирование безопасных интернет-соединений, таких как SSL , которые требуют обмена многочисленными фрагментами данных между веб-сервером и веб-клиентом. Хотя эти фрагменты данных невелики, многочисленные передачи туда и обратно, связанные с рукопожатием, приводят к большим задержкам по сравнению с другими формами подключения к Интернету, как документально подтверждено Стивеном Т. Коббом в отчете за 2011 год, опубликованном Сельским альянсом мобильной и широкополосной связи. Это раздражение распространяется на ввод и редактирование данных с использованием некоторого программного обеспечения как услуги или приложений SaaS , а также на другие формы онлайн-работы.

Высокая задержка может влиять на такие функции, как интерактивный доступ к удаленному компьютеру, например виртуальные частные сети . Многие протоколы TCP не предназначены для работы в средах с высокой задержкой.

Средние и низкие околоземные орбиты

Группировки спутников на средней околоземной орбите (MEO) и низкой околоземной орбите (LEO) не имеют таких больших задержек, поскольку спутники находятся ближе к земле. Например:

• Нынешние группировки спутников Globalstar и Iridium на низкой околоземной орбите имеют задержки в обе стороны менее 40 мс, но их пропускная способность меньше, чем у широкополосной связи со скоростью 64 кбит/с на канал. Созвездие Globalstar вращается на высоте 1420 км над Землей, а орбита Iridium — на высоте 670 км.
• Созвездие O3b вращается на высоте 8062 км с задержкой RTT примерно 125 мс. Сеть также рассчитана на гораздо более высокую пропускную способность со скоростью связи, значительно превышающей 1 Гбит/с . Будущее созвездие O3b mPOWER будет находиться на той же орбите и будет обеспечивать скорость от 50 Мбит/с до нескольких гигабит в секунду для одного пользователя.
• Исследование 2021 года показало, что спутники Starlink вращаются на высоте 550 км со средней задержкой RTT 45 мс. Другое исследование, проведенное в 2022 году, показало, что задержка сети Starlink на 1,8–22,8 мс больше, чем задержка наземных сетей, согласно исследованию, проведенному в районе метро Ванкувер. Обратите внимание, что точные результаты измерений могут отличаться, поскольку развертывание инфраструктуры Starlink варьируется в зависимости от времени и места.

В отличие от геостационарных спутников, спутники LEO и MEO не остаются в фиксированном положении на небе и с меньшей высоты могут «видеть» меньшую область Земли , поэтому для постоянного широкого доступа требуется группировка из многих спутников (низкоземных спутников). орбиты, требующие большего количества спутников, чем среднеземные орбиты) со сложным управлением созвездием для переключения передачи данных между спутниками и поддержания связи с клиентом, а также отслеживания с помощью наземных станций.

Спутникам MEO требуется передача более высокой мощности, чем LEO, для достижения той же мощности сигнала на наземной станции, но их большая высота также обеспечивает меньшую перегруженность орбиты, а более медленная орбитальная скорость уменьшает как доплеровский сдвиг , так и размер и сложность требуемой группировки.

Отслеживание движущихся спутников обычно осуществляется одним из трех способов, используя:

• более диффузные или полностью всенаправленные наземные антенны, способные поддерживать связь с одним или несколькими спутниками, видимыми в небе одновременно, но со значительно более высокой мощностью передачи, чем фиксированные геостационарные параболические антенны (из-за более низкого усиления), и с гораздо более плохим сигналом. -коэффициенты шума для приема сигнала
• моторизованные антенные крепления с узконаправленными антеннами с высоким коэффициентом усиления, отслеживающими отдельные спутники
• антенны с фазированной решеткой , которые могут управлять лучом электронным способом, а также программное обеспечение, которое может прогнозировать путь каждого спутника в созвездии.

В мае 2022 года казахстанский оператор мобильной связи Kcell , а также владелец и оператор спутниковой связи SES использовали спутниковую группировку SES O3b MEO, чтобы продемонстрировать, что спутники MEO можно использовать для обеспечения высокоскоростного мобильного Интернета в отдаленных регионах Казахстана для надежных видеозвонков и конференций. потоковую передачу и просмотр веб-страниц с задержкой в ​​пять раз меньшей, чем на существующей платформе на базе спутников на геостационарной орбите .

Сверхлегкие атмосферные самолеты в качестве спутников

Предлагаемая альтернатива спутникам-ретрансляторам - это специальные самолеты -станции на высотной платформе , которые будут летать по круговой траектории над фиксированной наземной точкой и работать под автономным компьютерным управлением на высоте около 20 000 метров.

США Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны Например, проект Vulture предусматривал сверхлегкий самолет, способный оставаться на месте в фиксированной зоне в течение периода до пяти лет и обеспечивать как непрерывное наблюдение за наземными объектами, так и обслуживание. Сети связи с чрезвычайно низкой задержкой. Этот проект был отменен в 2012 году, прежде чем он вступил в эксплуатацию.

Бортовые аккумуляторы будут заряжаться в светлое время суток через солнечные панели, закрывающие крылья, и обеспечивать питание самолета в ночное время. Наземные спутниковые интернет-тарелки будут передавать сигналы на самолет и обратно, что приведет к значительному сокращению задержки сигнала туда и обратно - всего 0,25 миллисекунды. Самолеты потенциально могут работать в течение длительного времени без дозаправки. В прошлом было предложено несколько таких схем с участием различных типов самолетов.

Помехи

Складная Bigpond. спутниковая интернет-тарелка

На спутниковую связь влияют влажность и различные формы осадков (например, дождь или снег) на пути прохождения сигнала между конечными пользователями или наземными станциями и используемым спутником. Это вмешательство в сигнал известно как замирание в дожде . Эффекты менее выражены в низкочастотных диапазонах «L» и «C», но могут стать весьма серьезными в более высокочастотных диапазонах «Ku» и «Ka». Для услуг спутникового Интернета в тропических регионах с сильными дождями популярно использование диапазона C (4/6 ГГц) со спутником с круговой поляризацией. Спутниковая связь в диапазоне K _a (19/29 ГГц) может использовать специальные методы, такие как большие запасы по дождю , адаптивное управление мощностью восходящей линии связи и снижение скорости передачи данных во время осадков.

Запасы на дождь — это дополнительные требования к линии связи, необходимые для учета ухудшения качества сигнала из-за влаги и осадков, и они имеют огромное значение для всех систем, работающих на частотах выше 10 ГГц.

Время, в течение которого теряется услуга, можно сократить, увеличив размер антенны спутниковой связи , чтобы собрать больше спутникового сигнала по нисходящей линии связи, а также обеспечить более сильный сигнал по восходящей линии связи. Другими словами, увеличение усиления антенны за счет использования параболического отражателя большего размера — это один из способов увеличения общего усиления канала и, следовательно, отношения сигнал/шум (S/N), что позволяет увеличить потери сигнала из-за дождя. исчезать без падения отношения сигнал/шум ниже минимального порога для успешной связи.

Современные тарелочные антенны потребительского класса, как правило, довольно малы, что снижает запас дождя или увеличивает требуемую мощность и стоимость спутниковой нисходящей линии связи. Однако зачастую более экономично построить более дорогой спутник и меньшие и менее дорогие потребительские антенны, чем увеличивать размер потребительской антенны для снижения стоимости спутника.

Большие коммерческие антенны диаметром от 3,7 до 13 м можно использовать для увеличения запаса по дождю, а также для снижения стоимости бита за счет более эффективных кодов модуляции. С другой стороны, антенны с большей апертурой могут требовать от спутника меньше энергии для достижения приемлемых характеристик. Спутники обычно используют фотоэлектрическую солнечную энергию, поэтому затраты на саму энергию не требуются, но для более мощного спутника потребуются более крупные и мощные солнечные панели и электроника, часто включая передающую антенну большего размера. Более крупные компоненты спутника не только увеличивают затраты на материалы, но и увеличивают вес спутника, и в целом стоимость запуска спутника на орбиту прямо пропорциональна его весу. (Кроме того, поскольку ракеты-носители [т.е. ракеты] имеют определенные ограничения по размеру полезной нагрузки, увеличение размеров частей спутника может потребовать либо более сложных механизмов складывания частей спутника, таких как солнечные панели и антенны с высоким коэффициентом усиления, либо модернизации до более дорогая ракета-носитель, способная выдерживать большую полезную нагрузку.)

Модулированные несущие могут динамически изменяться в ответ на проблемы дождя или другие нарушения связи с использованием процесса, называемого адаптивным кодированием и модуляцией, или «ACM». ACM позволяет существенно увеличить скорость передачи данных в нормальных условиях ясного неба, увеличивая количество передаваемых бит на Гц и, таким образом, снижая общую стоимость одного бита. Адаптивное кодирование требует своего рода обратного канала или канала обратной связи, который может осуществляться через любые доступные средства, спутниковые или наземные.

Прямая видимость

Зона Френеля. D — расстояние между передатчиком и приёмником, r — радиус зоны Френеля.

Говорят, что два объекта находятся в пределах прямой видимости, если прямая линия между объектами может быть соединена без каких-либо помех, например, гора. Объект за горизонтом находится ниже прямой видимости, и поэтому с ним может быть сложно общаться.

Обычно для оптимальной работы системы требуется полная прямая видимость между тарелкой и спутником. Помимо того, что сигнал подвержен поглощению и рассеянию под действием влаги, на него аналогичным образом влияет присутствие деревьев и другой растительности на пути прохождения сигнала. По мере уменьшения радиочастоты до уровня ниже 900 МГц проникновение сквозь растительность увеличивается, но большинство спутниковых коммуникаций работают на частотах выше 2 ГГц, что делает их чувствительными даже к незначительным препятствиям, таким как листва деревьев. Установка антенны зимой должна учитывать рост листвы растений, которая появится весной и летом.

зона Френеля

Даже если между передающей и приемной антеннами существует прямая видимость, отражения от объектов вблизи пути сигнала могут уменьшить кажущуюся мощность сигнала из-за фазового подавления. Потеряется ли сигнал из-за отражения и если да, то сколько, определяется расположением объекта в зоне Френеля антенн.

Двусторонняя спутниковая связь

Задняя панель спутникового модема с коаксиальными соединениями для входящих и исходящих сигналов и портом Ethernet для подключения.

Двусторонняя спутниковая интернет-услуга домашнего или потребительского уровня включает в себя как отправку, так и получение данных от удаленного терминала с очень малой апертурой (VSAT) через спутник на узловой телекоммуникационный порт (телепорт), который затем передает данные через наземный Интернет. Спутниковая антенна в каждом месте должна быть точно направлена, чтобы избежать помех другим спутникам. На каждом сайте VSAT частота восходящей линии связи, скорость передачи данных и мощность должны быть точно установлены под контролем концентратора поставщика услуг.

Существует несколько типов двусторонних услуг спутникового Интернета, включая множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA) и один канал на каждую несущую (SCPC). Двусторонние системы могут представлять собой простые терминалы VSAT с антенной диаметром 60–100 см и выходной мощностью всего несколько ватт, предназначенные для потребителей и малого бизнеса, или более крупные системы, обеспечивающие большую пропускную способность. Такие системы часто продаются как «спутниковые широкополосные сети» и могут стоить в два-три раза дороже в месяц, чем наземные системы, такие как ADSL . Модемы , необходимые для этой услуги, часто являются проприетарными, но некоторые из них совместимы с несколькими разными поставщиками. Они также дороги и стоят от 600 до 2000 долларов США.

Двусторонний «iLNB», используемый в широкополосной сети SES .

Двусторонний «iLNB», используемый в тарелке широкополосного терминала SES, имеет передатчик и однополярный приемный LNB, оба работают в Ku _{терминальной} диапазоне . Цены на широкополосные модемы SES варьируются от 299 до 350 евро. Системы такого типа, как правило, не подходят для использования на движущихся транспортных средствах, хотя некоторые антенны могут быть оснащены автоматическим механизмом панорамирования и наклона для постоянного повторного выравнивания антенны, но это дороже. Технологию для SES Broadband предоставила бельгийская компания Newtec.

Пропускная способность

Потребительские клиенты спутникового Интернета варьируются от индивидуальных домашних пользователей с одним компьютером до крупных удаленных бизнес-сайтов с несколькими сотнями компьютеров.

Домашние пользователи, как правило, используют общую спутниковую емкость для снижения затрат, сохраняя при этом высокую пиковую скорость передачи данных при отсутствии перегрузки. Обычно существуют ограничения на пропускную способность в зависимости от времени, так что каждый пользователь получает свою справедливую долю в соответствии с его оплатой. Когда пользователь превышает лимит, компания может замедлить его доступ, снизить приоритет трафика или взимать плату за использование избыточной полосы пропускания. Для потребительского спутникового Интернета лимит обычно может варьироваться от 200 МБ в день до 25 ГБ в месяц. Общий носитель загрузки может иметь скорость передачи данных от 1 до 40 Мбит/с и использоваться от 100 до 4000 конечными пользователями.

Направление восходящей линии связи для клиентов с общими пользователями обычно представляет собой множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA), который включает в себя передачу периодических коротких пакетов пакетов между другими пользователями (аналогично тому, как сотовый телефон использует одну вышку сотовой связи).

Каждое удаленное место также может быть оборудовано телефонным модемом; соединения для этого такие же, как и у обычного коммутируемого интернет-провайдера. Двусторонние спутниковые системы могут иногда использовать модемный канал в обоих направлениях для данных, где задержка более важна, чем пропускная способность, резервируя спутниковый канал для загрузки данных, где пропускная способность более важна, чем задержка, например, для передачи файлов .

В 2006 году Европейская комиссия спонсировала проект UNIC , целью которого было создание комплексного научного испытательного стенда для распространения новых широкополосных интерактивных ТВ-услуг, предоставляемых через недорогой двусторонний спутник реальным конечным пользователям в дом. Архитектура UNIC использует стандарт DVB-S2 для нисходящей линии связи и стандарт DVB-RCS для восходящей линии связи.

Обычные антенны VSAT (диаметром от 1,2 до 2,4 м) широко используются для телефонных услуг VoIP. Голосовой вызов отправляется посредством пакетов через спутник и Интернет. При использовании методов кодирования и сжатия необходимая скорость передачи данных для одного вызова составляет всего 10,8 кбит/с в каждую сторону.

Портативный спутниковый Интернет

Портативный спутниковый модем

Портативный спутниковый интернет-модем и антенна, установленные Красным Крестом в Южном Судане в 2014 году.

Обычно они имеют форму отдельного плоского прямоугольного ящика, который необходимо направить в общем направлении спутника — в отличие от VSAT, юстировка не должна быть очень точной, и модемы имеют встроенные измерители уровня сигнала, которые помогают пользователю выровнять спутник. устройство правильно. Модемы имеют обычно используемые разъемы, такие как Ethernet или универсальная последовательная шина (USB). Некоторые из них также имеют встроенный приемопередатчик Bluetooth и могут использоваться в качестве спутникового телефона. Модемы также имеют собственные батареи, поэтому их можно подключить к ноутбуку, не разряжая его батарею. Наиболее распространенной такой системой является INMARSAT компании BGAN — эти терминалы размером примерно с портфель и имеют почти симметричную скорость соединения от 350 до 500 кбит/с. Существуют модемы меньшего размера, подобные тем, которые предлагает Thuraya , но они подключаются только со скоростью 444 кбит/с в ограниченной зоне покрытия.

Портативный спутниковый интернет, в среднем от 5 до 7 долларов за мегабайт, обычно дороже, чем другие способы доступа в Интернет, а модемы обычно стоят от 1000 до 5000 долларов. Благодаря этому его чаще всего используют на транспортных средствах, не имеющих доступа к другим режимам доступа в Интернет, например на морских судах.

Интернет через спутниковый телефон

В течение многих лет спутниковые телефоны смогли подключиться к Интернету. Пропускная способность варьируется от примерно 2400 бит/с для спутников сети Iridium и телефонов на базе ACeS до 15 кбит/с в восходящем направлении и 60 кбит/с в нисходящем направлении для телефонов Thuraya . Globalstar также предоставляет доступ в Интернет на скорости 9,6 кбит/с; как и Iridium и ACeS, требуется коммутируемое соединение, и оплата взимается поминутно, однако и Globalstar , и Iridium планируют запустить новые спутники, предлагающие постоянные услуги передачи данных по более высоким тарифам. С телефонами Thuraya также возможно коммутируемое соединение со скоростью 9,6 кбит/с, услуга 60 кбит/с всегда включена, и пользователю взимается плата за передаваемые данные (около 5 долларов США за мегабайт ). Телефоны можно подключить к ноутбуку или другому компьютеру через интерфейс USB или RS-232 . Из-за низкой пропускной способности просмотр веб-страниц при таком соединении чрезвычайно медленный, но полезен для отправки электронной почты, данных Secure Shell и использования других протоколов с низкой пропускной способностью. Поскольку спутниковые телефоны, как правило, имеют всенаправленные антенны, выравнивание не требуется, пока между телефоном и спутником существует прямая видимость.

Односторонний прием

Односторонние наземные и обратные спутниковые интернет-системы используются с обычным коммутируемым доступом в Интернет , при этом исходящие ( восходящие ) данные проходят через телефонный модем , а нисходящие данные передаются через спутник с более высокой скоростью. В США лицензия FCC требуется только для станции восходящей линии связи; пользователям не требуется лицензия.

Другой тип системы одностороннего спутникового Интернета использует службу пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) в качестве обратного канала. При использовании стандартного GPRS или расширенных скоростей передачи данных для GSM Evolution (EDGE) затраты снижаются за счет более высоких эффективных ставок, если объем загрузки очень мал, а также потому, что эта услуга взимается не по времени, а в зависимости от загруженного объема. GPRS в качестве обратной связи повышает мобильность, когда услуга предоставляется спутником, передающим данные в диапазоне от 100 до 200 кВт. Используя спутниковую антенну шириной 33 см, ноутбук и обычный GSM-телефон с поддержкой GPRS , пользователи могут получить широкополосную мобильную спутниковую связь.

Компоненты системы

Передающая станция состоит из двух компонентов: высокоскоростного подключения к Интернету для одновременного обслуживания множества клиентов и спутниковой линии связи для передачи запрошенных данных клиентам. Маршрутизаторы интернет-провайдера подключаются к прокси-серверам, которые могут обеспечивать соблюдение ограничений и гарантий качества обслуживания (QoS) для трафика каждого клиента.

Часто нестандартные стеки IP используются для решения проблем задержки и асимметрии спутникового соединения . Как и в системах одностороннего приема, данные, передаваемые по спутниковому каналу, обычно также зашифрованы, поскольку в противном случае они были бы доступны любому, у кого есть спутниковый приемник.

Многие реализации IP-через спутник используют парные прокси-серверы на обеих конечных точках, чтобы обеспечить определенную связь между клиентами и серверами. не нужно мириться с задержкой, присущей спутниковому соединению. По тем же причинам существуют специальные реализации виртуальной частной сети (VPN), предназначенные для использования по спутниковым каналам связи, поскольку стандартное программное обеспечение VPN не может справиться с длительным временем прохождения пакетов.

Скорость загрузки ограничена модемом коммутируемого доступа пользователя, тогда как скорость загрузки может быть очень высокой по сравнению с коммутируемым доступом, при использовании модема только в качестве канала управления для подтверждения пакетов.

Задержка по-прежнему высока, хотя и ниже, чем у полного двустороннего геостационарного спутникового Интернета, поскольку только половина пути передачи данных проходит через спутник, а другая половина — через наземный канал.

Односторонняя трансляция

Спутниковые интернет-системы одностороннего вещания используются для Интернет-протокола (IP) широковещательной передачи данных, аудио и видео на основе . В США лицензия Федеральной комиссии по связи (FCC) требуется только для станции восходящей линии связи, а не для ее пользователей. Обратите внимание, что большинство интернет-протоколов не будут корректно работать при одностороннем доступе, поскольку для них требуется обратный канал. Однако интернет-контент, такой как веб-страницы, по-прежнему может распространяться по односторонней системе, «перемещая» его в локальное хранилище на сайтах конечных пользователей, хотя полная интерактивность невозможна. Это очень похоже на телевизионный или радиоконтент, который предлагает мало пользовательского интерфейса.

Механизм широковещательной передачи может включать в себя сжатие и исправление ошибок, чтобы обеспечить правильный прием односторонней широковещательной передачи. Данные также могут периодически ретранслироваться, так что получатели, которым ранее это не удалось, будут иметь дополнительные шансы повторить попытку загрузки.

Данные также могут быть зашифрованы, так что, хотя их может получить каждый, только определенные пункты назначения могут фактически декодировать и использовать широковещательные данные. Авторизованным пользователям достаточно иметь либо короткий ключ дешифрования , либо устройство автоматического плавающего кода , которое использует свой собственный высокоточный независимый механизм синхронизации для расшифровки данных.

Аппаратные компоненты системы

Подобно односторонней наземной связи, спутниковый доступ в Интернет может включать в себя интерфейсы с коммутируемой телефонной сетью общего пользования для приложений громкоговорящей связи. Подключение к Интернету не требуется, но многие приложения включают сервер протокола передачи файлов (FTP) для постановки данных в очередь для широковещательной рассылки.

Компоненты системного программного обеспечения

Большинство приложений одностороннего вещания требуют специального программирования на удаленных объектах. Программное обеспечение на удаленном объекте должно фильтровать, хранить, предоставлять интерфейс выбора и отображать данные. Программное обеспечение на передающей станции должно обеспечивать контроль доступа, приоритетную организацию очереди, отправку и инкапсуляцию данных.

Услуги

Новые коммерческие услуги в этой области включают:

• Outernet – технология спутниковых группировок

Повышение эффективности

В отчете FCC за 2013 год говорится о значительном скачке производительности спутников

В своем отчете, опубликованном в феврале 2013 года, Федеральная комиссия по связи отметила значительный прогресс в производительности спутникового Интернета. В отчете FCC «Измерение широкополосной связи в Америке» основные интернет-провайдеры были оценены по тому, насколько близко они подошли к заявленным скоростям. В этой категории спутниковый Интернет возглавил список: 90% абонентов видят скорость на уровне 140% или выше заявленной.

Уменьшение задержки спутника

Основная часть замедления, связанного со спутниковым Интернетом, заключается в том, что для каждого запроса необходимо выполнить множество обращений туда и обратно, прежде чем запрашивающая сторона сможет получить какие-либо полезные данные. Специальные IP-стеки и прокси-серверы также могут снизить задержку за счет уменьшения количества циклов передачи данных или упрощения и уменьшения длины заголовков протокола. Технологии оптимизации включают ускорение TCP , HTTP предварительную выборку и кэширование DNS , а также многие другие. См. стандарт спецификаций протоколов космической связи (SCPS), разработанный НАСА и широко принятый поставщиками коммерческого и военного оборудования и программного обеспечения на рынке.

Спутники запущены

Геостационарная орбита

Спутник WINDS был запущен 23 февраля 2008 года. Спутник WINDS используется для предоставления услуг широкополосного доступа в Интернет в Японию и страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Спутник обеспечит максимальную скорость 155 Мбит/с вниз и 6 Мбит/с вверх до жилых помещений с апертурой антенны 45 см и соединение с предприятиями на скорости 1,2 Гбит/с с помощью 5-метровой антенны. Срок его расчетного срока службы подошел к концу.

SkyTerra-1 был запущен в середине ноября 2010 года с целью обеспечения Северной Америки, а Hylas-1 был запущен в ноябре 2010 года с целью обеспечения Европы.

26 декабря 2010 года был запущен спутник KA-SAT компании Eutelsat . Он покрывает европейский континент 80 точечными лучами — сфокусированными сигналами, которые покрывают территорию в несколько сотен километров по всей Европе и Средиземноморью. Точечные лучи позволяют эффективно повторно использовать частоты в нескольких регионах без помех. Результатом является увеличение мощности. Общая пропускная способность каждого из точечных лучей составляет 900 Мбит/с, а пропускная способность всего спутника — 70 Гбит/с.

ViaSat-1 был запущен 19 октября 2011 года с космодрома Байконур, Казахстан, с общей пропускной способностью 140 Гбит/с через интернет-сервис Exede . Пассажиры на борту JetBlue Airways могут воспользоваться этой услугой с 2015 года. Услуга также была распространена на United Airlines , American Airlines , Scandian Airlines , Virgin America и Qantas .

Спутник EchoStar XVII был запущен 5 июля 2012 года компанией Arianespace и помещен в свою постоянную геостационарную орбиту 107,1° западной долготы, обслуживая HughesNet . Этот спутник K _a -диапазона имеет пропускную способность более 100 Гбит/с.

В 2015 и 2016 годах правительство Австралии запустило два геостационарных спутника Sky Muster для обеспечения интернетом региональных австралийцев и жителей внешних территорий, таких как остров Норфолк и остров Рождества .

В 2006 году и 2015 г., аргентинская компания ARSAT запустила спутники ARSAT-1 и ARSAT-2 соответственно. Предоставление доступа к Интернету и телевидению в удаленных местах в стране происхождения.

Средняя околоземная орбита

С 2013 года группировка спутников O3b (на средней околоземной орбите на высоте 8063 км) заявляет о сквозной задержке передачи данных туда и обратно 238 мс.

Низкая околоземная орбита

См. Также: Созвездие спутникового Интернета.

По состоянию на март 2022 г. Около 2300 спутников было запущено для Starlink и 400 для спутниковой группировки OneWeb . SpaceX сообщила о 250 000 пользователей своей системы Starlink.

В океанографии и сейсмологии

Спутниковая связь используется для передачи данных, дистанционной диагностики приборов , для физических спутниковых и океанографических измерений с поверхности моря (например, температуры поверхности моря и высоты поверхности моря) . ) на дно океана и для сейсмологического анализа.

См. также

• Обратный канал и обратный канал
• DishNET (спутниковый доступ в Интернет в США)
• HughesNet (ранее DIRECWAY)
• IP через DVB
• Компания Ламит – спутниковый оператор, предоставляющий фиксированную и мобильную связь, включая Интернет.
• NetHope#NetReliefKit
• SES Broadband (спутниковый доступ в Интернет в Европе)
• СтарБэнд
• Teledesic - страницы спутниковой компании, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Tooway – провайдер спутникового широкополосного доступа в Интернет
• TS 2 – Интернет-провайдер для солдат армии США в Афганистане
• Терминал с очень маленькой апертурой - система спутниковой связи с небольшой параболической антенной. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Viasat Inc. (превышает Интернет)
• Поставщик услуг беспроводного Интернета

Внешние ссылки

• Усилия по стандартизации систем спутникового оборудования ViaSat/TIA