Страница 47 из 64
Рис. 2.15. Шесть ожерелий Земли из спутников Iridium
Шесть ожерелий позволяют покрыть всю поверхность Земли, как видно на рисунке. Интересным свойством Iridium является то, что в этой системе обмен данными между очень удаленными друг от друга абонентами происходит в космосе, как показано на рис. 2.16, а. Абонент на Северном полюсе напрямую связывается со спутником, который находится над ним. У каждого спутника четыре соседа, с которыми он может обмениваться данными: два в том же ожерелье (см. рис. 2.15) и два в соседних. Спутники передают голосовые данные по этой сетке, и в результате речь первого абонента достигает второго абонента на Южном полюсе.
Рис. 2.16. Пересылка данных в космосе (а); пересылка данных наземными станциями (б)
Globalstar
Альтернативой проекту Iridium является система Globalstar. Она построен на 48 низкоорбитальных спутниках, но имеет иную схему ретрансляции сигналов. Если
в Iridium в качестве маршрутизаторов используются сами спутники, передающие по цепочке сигнал (что требует наличия на них довольно сложного оборудования), то в Globalstar применяется обычный принцип «узкой трубы». Допустим, звонок приходит на спутник с Северного полюса (рис. 2.16, б). Принятый сигнал отправляется обратно на Землю и захватывается крупной наземной приемопередающей станцией рядом с домиком Санта-Клауса. Маршрутизация производится между такими станциями, разбросанными по всему миру. Наземная цель сигнала — ближайший ко второму абоненту наземный маршрутизатор. Через находящийся рядом с ним спутник вызов поступает к абоненту. Преимуществом такой схемы является то, что наиболее сложное оборудование устанавливается на поверхности Земли, а здесь работать с ним гораздо проще, чем на орбите. К тому же использование мощных наземных антенн позволяет принимать слабый сигнал со спутника; значит, можно уменьшить потребную мощность телефонов. В результате телефоны передают сигналы с мощностью всего несколько милливатт, и наземные антенны получают очень слабый сигнал, даже после его усиления спутником. Тем не менее такой мощности хватает для нормальной работы.
За год в космос запускается около 20 спутников, включая спутники-гиганты, весящие более 5000 кг. Организации, которые не могут позволить себе огромных бюджетных трат, используют крошечные спутники. Для того чтобы сделать исследование космического пространства более доступным, академики из Калифорнийского политехнического института и Стэнфорда в 1999 году придумали стандарт миниатюрных спутников и подходящей пусковой установки, значительно снижающие стоимость запуска спутника (Nugent и др., 2008). CubeSat — это спутник, представляющий собой куб со стороной 10 см. Каждый такой спутник весит не более одного килограмма, а стоимость его запуска не превышает 40 000 долларов. Пусковая установка прикрепляется к летательным аппаратам, которые отправляются в коммерческие полеты. Фактически пусковая установка — это труба, вмещающая до трех миниатюрных спутников. На орбиту они выстреливаются при помощи пружины. Уже запущено около 20 спутников CubeSat, и еще очень много проектов находятся в активной разработке. Большинство таких спутников общаются с наземными станциями в диапазонах УВЧ (UHF) и ОВЧ (VHF).
2.4.4. Спутники против оптоволокна
Такое сравнение не только уместно, но и поучительно. Всего лишь 25 лет назад люди смогли осознать, что будущее телекоммуникационных систем — за спутниками связи. В конце концов, телефонная система не особо менялась последние 100 лет, и похоже, что не изменится и еще через 100 лет. Такая стабильность вызвана, в том числе, и мощной регулятивной средой, которая обязывала телефонные компании предоставлять качественный сервис за разумные деньги и взамен предлагала гарантированную прибыль за счет инвестиций. Для тех, кому требовалось передавать не только речь, но и данные, сделали модемы на 1200 бит/с. Собственно, это все, что долгое время предоставляла телефонная система.
В 1984 году в США и чуть позднее — в Европе стала возникать конкурентная борьба в области связи, которая все поставила с ног на голову. Телефонные компании занялись прокладкой оптического волокна для междугородной телефонии и стали предоставлять услуги высокоскоростного доступа в Интернет, например, по ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, Асимметричная цифровая абонентская линия). Наконец-то стали снижаться искусственно завышенные тарифы на дальнюю связь, за счет которых долгое время удерживались низкие тарифы на местные переговоры. Довольно неожиданно оптоволоконные кабели стали победителями среди средств связи.
Тем не менее у спутников имеются свои области применения, в которых оптоволокно, увы, бессильно. Во-первых, если речь идет о быстром развертывании, преимущество спутников бесспорно. Быстрая реакция крайне важна для военных целей, особенно во время войны, а в мирное время — для служб МЧС. После серьезного землетрясения и последующего цунами в Суматре в декабре 2004 года восстановить связь удалось всего за 24 часа — и все благодаря спутникам. В этом регионе существует рынок поставщиков услуг спутниковой связи, на котором крупные игроки, такие как компания Intelsat, владеющая более чем пятьюдесятью спутниками, арендуют мощности там, где это необходимо. Для клиентов, которые обслуживаются в существующих сетях спутниковой связи, в любой точке земного шара можно быстро развернуть микростанцию VSAT, обеспечив связь со скоростью до мегабита в секунду.
Вторая область применения спутников — связь в регионах с плохо развитой наземной инфраструктурой. Сегодняшние пользователи хотят иметь возможность общаться в любых уголках мира. Сети мобильной связи хорошо покрывают регионы с большой плотностью населения, но в других местах (например, в море или пустыне) они почти недоступны. Iridium же предоставляет услуги голосовой связи по всему миру, даже на Южном полюсе. Кроме того, развертывание наземной инфраструктуры стоит недешево и в большой степени зависит от территориальных условий и прав собственности. В Индонезии используется собственный спутник для внутреннего телефонного трафика. Приобрести его оказалось дешевле, чем проложить подводный кабель между всеми 13 667 островами архипелага.
Третья интересующая нас область — широковещание. Пакет данных, отправленный со спутника, одновременно принимается тысячами наземных станций. Поэтому со спутников вещают многие сетевые телеканалы. На современном рынке даже есть услуга прямого вещания со спутника: спутниковый телевизионный или радиоприемник устанавливается прямо в доме или автомобиле пользователя. Рассылать таким способом можно любое содержимое, не только телепрограммы. Например, передавать данные о стоимости акций, облигаций и ценах на товары тысячам дилеров может оказаться дешевле с применением спутника. Развернуть широковещание с помощью наземных средств будет и дороже, и сложнее.
В целом, основным средством телекоммуникаций на Земле, вероятно, будет комбинация оптоволокна и сотовой радиосвязи, но для некоторых специальных применений будет использоваться спутниковая система. Однако есть одно «но», которое может приостановить развитие всего этого: экономика. Хотя оптоволоконные кабели обладают очень высокой пропускной способностью, беспроводные системы, как наземные, так и спутниковые, вероятно, будут вести очень жесткую политику ценовой конкуренции. Если будет продолжаться удешевление спутниковых систем (например, если какие-нибудь будущие космические корабли будут способны выводить на орбиту одновременно десятки спутников связи), а низкоорбитальные спутники постепенно будут все больше использоваться в телекоммуникациях, то не исключено, что оптоволоконные сети уйдут с ведущих ролей на большинстве рынков.
2.5. Цифровая модуляция и мультиплексирование
Теперь, когда мы изучили свойства проводных и беспроводных каналов, мы обращаем наше внимание к проблеме пересылки цифровой информации. Провода и беспроводные каналы переносят аналоговые сигналы, такие как непрерывно меняющиеся напряжение, интенсивность света или интенсивность звука. Чтобы послать цифровую информацию, мы должны разработать аналоговые сигналы, которые будут представлять биты. Процесс преобразования между битами и сигналами, которые их представляют, называют цифровой модуляцией.