О системе низкоорбитальной спутниковой связи

Внедрение нового стандарта мобильной связи 5G по всему миру продолжается уже пять лет. За это время 5G-технологии оказали значительное влияние на развитие таких отраслей как интеллектуальная городская экосистема («умный» город), беспилотный транспорт, электронное здравоохранение и промышленное производство.

Несмотря на достигнутый значительный прогресс, на сегодняшний день существует ряд проблем, сдерживающих процессы внедрения мобильной связи пятого поколения, одной из которых является высокая стоимость развертывания и модернизации инфраструктуры 5G, а также отсутствие прибыли по сравнению с вложенными инвестициями.

Мобильные операторы, в целях снижения финансовых затрат и получения коммерческой выгоды чаще всего разворачивают 5G-сети в крупных городах и местах с максимальной концентрацией абонентов. Эти меры стали причиной недостаточности обслуживания отдаленных областей, где развертывание мобильных сетей невозможно, не только по техническим причинам, а в основном по экономическим соображениям. Как правило, неохваченными остаются пригородные и сельские районы. Всё это приводит к увеличению цифрового неравенства в области связи между мегаполисами и удаленными территориями. А поскольку спрос на внедрение технологий мобильной связи пятого поколения во всем мире продолжает расти, наиболее важным направлением телекоммуникационного сектора стало предоставление бесшовного глобального покрытия для любого пользователя, в любом месте и в любое время. В связи с этим многие мобильные операторы стали уделять особое внимание спутниковым технологиям.

Спутниковая связь долгие годы оставалась автономной и независимой от мобильных сетей. Но современные исследования и разработки в области использования космических аппаратов (КА) для развития сетей 5G и 6G, позволяют интегрировать наземную беспроводную и неземную спутниковую (Non-Terrestrial Network, NTN) сетевые инфраструктуры связи в одну надежную универсальную экосистему для обеспечения быстрого и качественного бесшовного охвата по всему миру за счёт использования орбитальных систем передачи данных. Так, 5G NTN уже стандартизированы консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project), разрабатывающим спецификации для мобильной телефонии, в наборе технических требований Release 17, создав прочную основу для прямой связи между спутниками, смартфонами и другими типами пользовательского оборудования массового рынка. Помимо преимуществ, предоставляемых пользовательским мобильным устройствам в любом месте и в любое время, NTN в сочетании с сетями 5G, а в дальнейшем и 6G, смогут поддерживать высокоскоростное сетевое подключение с минимальной задержкой промышленных и государственных устройств Интернета вещей в таких отраслях, как автомобилестроение, здравоохранение, сельское хозяйство, коммунальные услуги, морской транспорт, железные дороги, сектор авиации (беспилотники), национальная и общественная безопасность.

Таким образом, космические аппараты связи дополнят беспроводные сети 5G и последующих поколений, заполнив пробелы, в которых наземная инфраструктура испытывает трудности.

Ранее запуск КА был доступен только крупным сверхдержавам, таким как Россия и США, так как их строительство, выведение на орбиту и обслуживание требовало значительных инвестиций. Но в настоящее время, производство, запуск и эксплуатацию космических аппаратов могут себе позволить предприятия малого бизнеса, академические учреждения и даже частные лица. Это связано со стремительным прогрессом в области спутниковых технологий, в результате которого их коммерческое использование стало экономически целесообразным и рентабельным.

За последнее десятилетие размеры КА значительно уменьшились, за счет максимальной унификации их узлов, агрегатов и элементной базы, что стало следствием снижения их стоимости. Кроме того, использование многоразовых космических систем снизила стоимость вывода спутников на целевую орбиту, что кратно увеличило количество одновременно запускаемых аппаратов.

Такие компании как Space X, OneWeb и Amazon (Kuiper) стали инициаторами внедрения космических решений, направленных на расширение глобального широкополосного доступа к сети Интернет, в том числе в удаленных, труднодоступных районах, используя в своих коммерческих проектах инновационные группировки низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit, LEO).

По сравнению с традиционными спутниками связи, располагающимися на геостационарных (Geosynchronous Earth Orbit, GEO) и средних орбитах (Medium Earth Orbit Satellite, MEO), низкоорбитальные спутники LEO имеют ряд следующих преимуществ, которые способствуют их быстрой интеграции в экосистему мобильной связи следующего поколения и коммерческому использованию в телекоммуникационном секторе:

- Главной задачей LEO является глобальное покрытие Земли с целью устранения цифрового неравенства. Так, по итогам саммита по спутниковым и внеземным сетям на выставке «Mobile World Congress 2024», прошедшей в Барселоне, было заявлено, что за пределами зоны действия мобильных сетей остается семь процентов мировых территорий и единственным реальным способом обеспечения стабильного подключения этих неохваченных областей является спутниковая связь.

- Благодаря низкой орбите, от 160 до 2000 км над Землей (по сравнению с 36000 км GEO-аппарата), спутники LEO, обеспечивают оптимальную мощность передаваемого сигнала (около одного Вт), устраняя необходимость в громоздком приемно-передающим оборудовании из-за высокого отношения сигнал/шум. Также этот фактор влечет за собой уменьшение размеров космического аппарата.

- Частотные диапазоны, используемые для передачи данных, такие как Ka-диапазон (26,5 – 40 ГГц) и Ku-диапазон (12 – 18 ГГц), обеспечивают высокую пропускную способность в десятки мегабит в секунду.

- Низкая задержка сигнала (около 10 мс) по сравнению с традиционными GEO-спутниками (больше 500 мс) сокращает время передачи данных. Это имеет решающее значение для критически важных приложений, работающих в режиме реального времени, таких как видеоконференции, онлайн-игры и другие интерактивные сервисы.

- В отличие от спутников GEO, которые при выходе из строя не всегда имеют резервные аппараты на орбите, созвездия LEO, состоящие из тысяч спутников, обладают возможностями резервирования и могут поддерживать функционирование системы в случае сбоев.

- Низкоорбитальные спутниковые сети оптимально подходят для обеспечения связи с движущимися платформами, такими как самолеты, корабли и транспортные средства, что может расширить использование 5G-услуг в сфере поддержки мобильности транспорта. Более того, в городских районах спутники могут использоваться для разгрузки полосы пропускания, используемой наземной сотовой системой.

- LEO-сети отличаются адаптивностью и масштабированостью. Исходя из потребностей и растущего спроса на подключение к сетям 5G, спутниковые группировки могут быть оперативно развернуты над любым регионом Земли, а также расширены по мере необходимости, что продемонстрировала компания Space X, развернув группировку Starlink над территорией Украины, тем самым обеспечив подразделения украинских вооруженных сил качественной цифровой связью.

- Резервное подключение в случае чрезвычайных ситуаций, когда наземные инфраструктуры повреждены или разрушены. Также Space X обеспечивала связью спасательные службы юго-западной Флориды в ходе ликвидации последствий после урагана «Ян».

Низкоорбитальные сети привлекли к себе повышенное внимание мобильных операторов благодаря своим техническим характеристикам и вариантам использования в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Достижения и сотрудничество в космической и телекоммуникационной отраслях, продолжат формировать экосистему 5G, а в дальнейшем и 6G. По этой причине в последние годы отмечается экспоненциальный рост количества запущенных активных низкоорбитальных спутников.

Несмотря на многочисленные преимущества, LEO-сети имеют и недостатки:

- Одной из наиболее серьезных является проблема космического мусора. Из-за низкой орбиты один LEO-спутник покрывает гораздо меньшую территорию, чем геостационарный спутник. Чтобы обеспечить глобальное покрытие, необходимо задействовать группировку (от 100 до 1000 аппаратов), работающих в сети, которые обеспечивают постоянное соединение на определенной территории. С увеличением количества LEO растет риск столкновений и образования обломков, что может представлять угрозу для функционирования не только низкоорбитальных сетей, но и других космических аппаратов.

- Другой значительной проблемой являются высокие затраты на обслуживание. Несмотря на снижение стоимости вывода спутников на орбиту, LEO сети требуют существенных финансовых вложений в обслуживание инфраструктуры. Это может ограничивать доступность технологии и замедлять ее распространение.

На сегодняшний день ключевым поставщиком низкоорбитальной спутниковой связи, стремящийся преобразовать телекоммуникационный сектор, является SpaceX. Компания активно развертывает свою спутниковую группировку Starlink по всему миру. С 2019 года Starlink расширила низкоорбитальную сеть до 6000 LEO-аппаратов, позиционируя себя как крупнейшего спутникового оператора. В перспективе планируется масштабировать группировку до 42000 спутников.

Партнерами SpaceX являются такие телекоммуникационные компании как: KDDI (Япония), Optus (Австралия), One NZ (Новая Зеландия), T-Mobile (США), Salt (Швейцария), Entel (Чили) и Rogers (Канада).

Конкуренцию SpaceX составляют такие компании как английская Eutelsat OneWeb с группировкой в 542 LEO-спутника, американская Amazon с проектом Kuiper, который планирует развертывание группировки из 3236 низкоорбитальных космических аппаратов, а также канадскаяTelesat – 195 аппарата.

Таким образом, развитие космической индустрии и внедрение спутниковых технологий может внести значительный вклад в совершенствование глобальной экосистемы мобильной связи от улучшения качества связи до предоставления интернет-услуг в труднодоступных местах, способствуя цифровой трансформации.

#космос #связь