Применение Ka диапазона в спутниковом вещании: преимущества и перспективы

До момента появления оборудования для передачи сигнала узкими потоками с 1980-х годов использовался широкоформатный Ku диапазон. Он идеален для клиентов-корпораций и телевещания за счёт устойчивого сигнала и большой мощности. Однако не отвечает ожиданиям персональных потребителей, поскольку является дорогим вариантом передачи сигнала.

Ka диапазон частот в спутниковой связи — это более дешёвые системы, которые стали настоящей находкой в сфере расширения охвата радиочастот. Они не дотягивают по ряду параметров до показателей широформата, например, менее устойчивы к помехам (особенно при непогоде). Также узкие потоки способны покрыть территорию, в разы меньшую, чем при использовании Кu диапазона (этот недостаток минимизируется увеличением количества лучей).

К безусловным достоинствам систем относится более низкая стоимость оборудования, а также возможность приёма сигнала на небольшие антенны Ka диапазона (достаточно «тарелки» диаметром в 70 сантиметров). Всё перечисленное делает узконаправленную передачу сигнала выгодной для рядовых потребителей.

Поскольку Кu диапазон радиочастот был освоен человеком раньше, на сегодняшний день в его границах практически не осталось «свободного места» для новых каналов. Логичным решением для сферы спутниковой связи стало освоение другого радиодиапазона, которым и стал узконаправленный Ка.

Дополнительный частотный ресурс открыл новые перспективы развития технологий в сфере спутниковой связи. Несмотря на активное освоение частот в пределах от 26,5 до 40 гигагерц (ГГц) электромагнитного спектра, у Ка диапазона имеется ещё достаточная ёмкость для дальнейшего развития. В перспективе спутники Ка диапазона смогут обслуживать сотни миллионов абонентов.

Принцип работы систем Ка диапазона заключается в использовании множества потоков, каждый из которых покрывает свой сектор территории. Нынешние спутники, работающие по такой схеме, сами по себе значительно дороже систем для Ku диапазона. Однако цена передаваемого сигнала в пересчёте на биты информации значительно ниже, чем у широкоформатного «конкурента». Это и привлекает в сферу развития систем Ка диапазона инвесторов, готовых делать долгосрочные вложения.

Сферу спутниковой связи в Ka диапазоне обслуживают системы High-Throughput Satellite (HTS), имеющие высокую пропускную способность сигнала. Об их многолучевой архитектуре мы уже упоминали. И это является их принципиальным отличием от спутников Ku диапазона.

В HTS-системах применяются два типа лучей:

• Центральные. Их ещё принято называть Feederbeams. В каждой системе — от 1 до 4 станций-телепортов. Их ширина покрытия не превышает 200 километров.
• Пользовательские. Другое название — Userbeams. Это абонентские VSAT‑станции с зоной покрытия до 400 километров.

Дробление на многолучевую «конструкцию» позволяет повторно использовать полосы частот с учётом географического разделения. Иначе говоря, потоки работают в одном радиочастотном диапазоне без взаимного пересечения.

За счёт узкой направленности потока значительно возрастает мощность сигнала. По этому параметру Ка диапазон превосходит Ku диапазон на 5−10 дБ. Как итог, один спутниковый терминал с антенной диаметром от 70 до 90 сантиметров способен демонстрировать скорость приёма сигнала до 100 Мбит/с, а передавать информацию до 10 Мбит/с.

Если сравнивать с Ku диапазоном, для приёма сигнала в котором требуются «тарелки» диаметром не менее 120 сантиметров, то параметры получатся следующие: приём от 20 до 50 Мбит/с, передача — от 1 до 3 Мбит/с.

Многолучевая архитектура спутникового вещания в Ка диапазоне заставляет вовлечённых в процесс её развития специалистов искать оптимальные схемы размещения станций-телепортов. На сегодняшний день универсальным вариантом является сеть в виде треугольника, на вершинах которого расположены центральные передающие системы.

В такой сети число смежных зон равно трём. Если сравнивать с сетью в форме квадрата, то «треугольник» имеет выигрыш по ресурсу частот в чуть более 1,3 раза.

Применение Ка диапазона в спутниковой связи не всегда даёт качественный сигнал. Так, при природных аномалиях в виде любых осадков сигнал становится неустойчивым, а может и вовсе затухнуть. Однако осадки — явление временное и непредсказуемое по последствиям для сигнала. На мощность передачи информации воздействуют такие факторы, как вид осадков, их интенсивность и длительность.

Влияние осадков на передачу сигнала учитывается при определении степени надёжности канала. А для компенсации возможных потерь сигнала в периоды осадков принято предусматривать дополнительный энергетический запас. Этого можно добиться двумя способами:

• Увеличением мощности сигнала;
• Использованием антенн с повышенным коэффициентом усиления.

Оба способа имеют недостатки в виде объективных ограничений из сферы технологий и целесообразности. Поэтому продолжаются поиски других способов увеличения коэффициента надёжности канала. В частности, изучаются возможности использования дополнительных станций на поверхности планеты, а также налаживания связи между станциями через альтернативные каналы.

Спутниковые каналы для трансляции программ вещания пока слабо используют Ка диапазон: узкоформатную передачу применяет менее двух процентов таких каналов. Наиболее развито использование Ка диапазона для телевещания в США. Причём, зоны покрытия стремятся к крупным городским агломерациям, игнорируя малонаселённые сельские регионы. В других странах вещание в Ка диапазоне практически не применяется.

Такое положение дел можно объяснить инерцией рынка. Сейчас до 70% объёмов телекоммуникаций проходят через сеть непосредственного вещания (НТВ), оборудование которой ориентировано на Ku диапазон. Это привычно для провайдеров, операторов и абонентов. К тому же, переход на новое оборудование для приёма сигнала в Ка диапазоне требует финансовых затрат.

Сейчас ситуация закольцована:

• Спутниковые операторы тормозят работы по формированию новых каналов в Ка диапазоне, поскольку нет достаточного спроса от потребителей;
• Потребители не интересуются каналами в Ка диапазоне из-за малого количества предложений от операторов.

Обрисованная ситуация является временной. В Ku диапазоне становится все сложнее вводить новые мощности, тогда как в Ка диапазоне для этого имеется огромный резерв. К тому же технологии развиваются, в том числе и в сфере организации каналов.

В нашей стране системы Ka диапазона начали осваиваться сравнительно недавно. Их появление было связано с нехваткой частот в Кu диапазоне из-за развития цифрового телевидения и спутникового интернета.
Пока отношение россиян к новшеству можно охарактеризовать как настороженное. Есть основания думать, что со временем это изменится.

Мы уже упомянули такие достоинства Ка диапазона, как многолучевые системы и возможность многократного использования канала для увеличения суммарного показателя пропускной способности. Теперь расскажем ещё об одном плюсе: сжатие потоков приводит к увеличению мощности в расчёте на квадратный километр.

Это позволяет использовать малые антенны. Достаточным диаметром «тарелки» для качественного приёма спутникового сигнала считается 74 сантиметра. Такие размеры удешевляют стоимость самого оборудования, а также его транспортировки и монтажа.

Системы Ка диапазона больше рассчитаны на потребительский сектор. Из‑за возможной потери сигнала использовать такие спутники для корпоративной связи затруднительно. Также при передаче сигнала в Ка диапазоне происходит задержка, что делает невозможным проведение видеоконференций и иных видов онлайн-общения.

До тех пор, пока эти проблемы не решены, корпоративные клиенты будут продолжать отдавать предпочтение VSAT-услугам. К тому же, у корпораций имеются индивидуальные требования к спутниковой связи, что требует от операторов и провайдеров определённой гибкости. А это затруднительно делать в системах Ка диапазона, которые рассчитаны на массовый рынок.

Если продолжить разговор о корпорациях, то пока что скачка в распространении систем Ка диапазона в России не предвидится. В то же время, следует учитывать наличие нефтяных, геологоразведывательных, строительных корпораций со сложной инфраструктурой. Многие из них уже присматриваются к Ка диапазону, как к альтернативе оптической телекоммуникации и беспроводным системам связи. Ка диапазон интересен и российским телекомпаниям в рамках организации трансляций с передвижных ТВ-станций.

Касаемо персональных пользователей достоинство спутникового интернета Ka диапазона заключается в возможности организации доступа в Сеть интернет в труднодоступных населённых пунктах, куда невозможно проложить оптоволокно. В целом Ка диапазон приемлем для клиентов, желающих иметь недорогой доступ в Сеть для работы с сервисами, не требующими стабильной устойчивости и супер-скорости сигнала.