По-моему, одно из любимых занятий Господа Бога –
заставлять действовать тех, кто говорит «никогда».
Стивен Кинг
К звездам!
Александр Голышко, системный аналитик, ГК «Техносерв», к. т. н.
Виталий Шуб, независимый эксперт, к. ф.-м. н.
Когда, казалось бы, почти все сказано и даже почти стандартизировано для сетей мобильной связи пятого поколения (5G), аккумулирующих все имеющиеся на сей счет технологии и радиочастоты, выяснилось, что в новых сетях так и не решена проблема с глобальным охватом всей поверхности планеты Земля. Решение чисто наземными радиосредствами требовало либо больших денег, либо очень больших денег, либо денег просто невозможных. Ожидаемый выход появился только летом 2017 г., когда во время проведения авиасалона в парижском пригороде Ле-Бурже Европейское космическое агентство (ЕКА) презентовало проект «Satellite for 5G» для исследований возможности создания космического сегмента сети 5G.
Еще 20 лет назад, при создании концепции сетей 3G (IMT-2000), предусматривалось создание спутникового сегмента для обеспечения глобального охвата планеты. Однако тогдашние споры по принятию сразу пяти (!) стандартов 3G отодвинули спутниковый сегмент «на потом». Потом же, на этапе создания сетей 4G, будучи очарованы возможностями технологии OFDM, про него вообще забыли, понадеявшись на какие-нибудь будущие конвергентные решения спутниковой и наземной мобильной связи. Никаких решений не случилось, и к спутниковому сегменту пришлось-таки вернуться на этапе сетей 5G, которые помимо всего прочего призваны объединить все предыдущие поколения, все технологии и все радиочастоты. Но даже объединением всех зон покрытия сетей 2G/3G/4G/5G покрытия поверхности планеты все равно не получить, поэтому и вернулись к идее спутникового сегмента мобильной связи 5G. Впрочем, как известно, ничто не ново под Луной.
Как все начиналось
История создания коммерческих систем мобильной спутниковой связи звучит почти как первая фраза Ветхого Завета: «Вначале было слово (жены Гэлвина-младшего), и только тело его (супруга) летало над водами (то есть в самолете в командировке) вне зоны доступа сотовой связи».
В общем, корпоративная легенда старой Motorola гласит, что все началась с того, что с кем-то из топ-менеджеров компании (возможно, членов семейного клана Гэлвинов – потомков отца-основателя компании) не смогла связаться его супруга во время его нахождения в командировке. И якобы гнев ее (супруги) был столь ужасен, что несчастный топ, получив по полной по возвращении из бизнес-трипа, выйдя на работу, собрал совещание своих присных и потребовал от них немедленно, не сходя с места, представить план создания глобальной системы мобильной связи, покрывающей весь земной шар без изъятия, – для исключения впредь любой возможности повторения подобного рода семейных эксцессов. Лучшие умы Motorola (а это были действительно сливки глобального инженерного корпуса сотовой связи) дисциплинированно взяли под козырек и отправились исполнять полученный приказ.
В результате родилась американская система Iridium, названная по первоначальному количеству (77) спутников связи на низкой орбите – по аналогии с количеством электронов в атоме иридия. Даже после того как количество активных спутников было секвестрировано до 66, название системы сохранилось и пошло в коммерцию. И тогда практически в любом месте планеты любой человек мог достать мобильный спутниковый телефон и сказать: «Ну, здравствуй! Это я!».
Система Iridium имела уникальные (но при этом относительно тяжелые и дорогие) спутники, обеспечивавшие связь не только с Землей, но и друг с другом. Это позволяло приземлять трафик где угодно, что сразу же не понравилось спецслужбам других стран, в обязанности которых входит контроль над трафиком. Трафик заставили приземлять в дополнительных хабах – сеть заработала, и это событие дало начало мощному процессу разработки и создания аналогичных систем. И все это случилось несмотря на дальнейшее банкротство Iridium, крайне ограниченную скорость передачи на абонентский терминал и суммарную емкость системы. После того как проект стоимостью 5 млрд долл. довольно быстро обанкротился, его за остаточную, символическую цену в 50 млн продали Пентагону. Так американские вояки за сущие «копейки» (быть может, таким изначально и был бизнес-план) получили работающую систему глобальной мобильной спутниковой связи с одной точкой приземления всего спутникового трафика в США и тремя шлюзами в странах с огромными территориями – России, Китае и Индии.
Тем временем количество проектов-эпигонов в конце 1990-х гг. просто зашкаливало (включая более дешевый американский же Globalstar или отечественный проект «Парус» и т. п.). Помимо умощненных, но так и не взлетевших систем, с сотнями (!) активных спутников на орбите, появились упрощенные, не имеющие уникального межспутникового интерконнекта и глобального покрытия системы типа Iridium или Inmarsat, региональные орбитальные платформы, построенные по принципу примитивного «спутникового зеркала» (например, Thuraya).
Изначально (еще до финансового краха системы Iridium) эксперты по части мобильной связи (в том числе и один из авторов этой статьи) честно предупреждали о высоких коммерческих рисках проекта, вызванных в первую очередь принципиальной невозможностью обеспечения покрытия внутри зданий. Природу (физику) не обманешь, о чем авторам уже приходилось говорить в печати. А использование высокочастотного (гигагерцевого) радиоизлучения в прямом и обратном спутниковых каналах, ограниченная излучаемая мощность абонентских спутниковых терминалов (единицы ватт максимум), значительная удаленность (сотни и тысячи километров от абонента) спутниковых трансиверов и ограниченная мощность их бортовых генераторов (максимум – единицы киловатт) и чувствительность приемников делают скорости передачи, зоны покрытия и практическое применение таких решений весьма ограниченными даже сейчас, спустя 20 лет после запуска проекта Iridium. Последующая бизнес-практика показала полную обоснованность этих опасений и соображений.
Несмотря на предысторию, богатую крушениями и небогатую победами, грандиозная идея-фикс покрытия всего земного шара глобальной сетью мобильной связи и интернет-доступа (с передачей данных в Iridium было совсем неважно – 9,6 кбит/с), как бык овцу, продолжает преследовать умы передовых представителей человечества, в том числе из числа сверхуспешных миллиардеров и государственных деятелей различного ранга. Разница между ними лишь в источнике происхождения требуемых многомиллиардных инвестиций – либо из своего кармана, либо из государственного.
У меня есть мечта
Так говорил не только американец Мартин Лютер Кинг, но и почти каждый причастный к стремительному развитию мобильной связи в преддверии рубежа тысячелетий. С конца 1990-х гг., после ошеломляющего глобального успеха технологии GSM, подобно пожару охватившей почти весь земной шар (за исключением областей, охваченных технологией IS-95/CDMA One/CDMA 2000), на рынке спутниковой связи наступило упомянутое выше «легкое безумие». К тому же технический (но не коммерческий) успех сложнейшего пионерского проекта Iridium показал, что все возможно в этом мире – надо только захотеть, найти деньги и «грамотно» реализовать идею.
Собственно говоря, с точки зрения архитектуры мобильной сети это была простая экстраполяция: если низкочастотной макросотой в стандарте GSM 400/CDMA 450/LTE 450 можно покрыть, причем внутри зданий, «равнину» в радиусе 70–120 км от базовой станции, то почему бы, приподняв точку подвеса антенны на высоту всего в несколько сотен/тысяч километров, не создать этакую космическую гиперсоту, покрывающую целую страну или даже континент? Дешево и сердито! Но беда в том, что на высоте нескольких сотен километров спутник стационарно подвесить не получается, а на геостационарной орбите (ГСО) порядка 36 тыс. км задержка сигнала составляет уже 250–500 мс, что для многих критичных применений попросту неприемлемо. Напомним, что в «хотелках» 5G обозначена задержка в 1 мс!
Потому и возникли проекты со сложными, иерархичными сетевыми архитектурами спутниковых ансамблей, состоящими из слоев низколетящих спутников, а также аппаратов на средних промежуточных (тысячи километров) и ГСО-орбитах, обеспечивающих оптимальную обработку данных в соответствии с требуемой задачей силами собственно спутниковой группировки без вовлечения наземного транспортного сегмента типа Iridium.
Параллельно публике стали предлагаться более дешевые варианты построения мега- и гиперсот, с использованием таких экзотических аппаратов для несения антенной части базовой станции, как дирижабли, привязные аэростаты, а в последние годы еще и (мега) дроны, в том числе питаемые солнечной энергией для многомесячного свободного полета в верхних слоях стратосферы.
Однако быстро выяснилось, что все эти «прекраснодушные мечтания» потенциальных производителей подобного рода девайсов стали раз за разом разбиваться о суровую прозу бизнес-жизни под названием «операторский бизнес-кейс», который у нас не допускает бесцельного расходования финансовых ресурсов оператора на покрытие пустых или малозаселенных пространств, а то и стран третьего мира с совершенно нищим населением.
Инфраструктура сотового оператора, как колония бактерий в чашке Петри, растет по плотности абонентов с дорогими услугами, покрываемых наиболее экономичным способом, т. е. по мегаполисам и крупным городам Земли, а также по основным транспортным артериям, их соединяющим. Благотворительность в число добродетелей частных сотовых операторов никогда не входила, а государства сотовые сети сами не строят (кроме Китая и Северной Кореи). Поэтому сразу после запуска проекта Thuraya наступил перерыв продолжительностью около 15 лет, окончание которого мы, похоже, наблюдаем в настоящее время.
Правда, этот промежуток был заполнен бурным развитием фиксированного спутникового телевещания (DVB-S/S2), попытками создания спутникового сегмента прямого спутникового мобильного телевещания (DVB-SH), а в последние годы и фиксированного спутникового ШПД в Ka-диапазоне.
Все подобные проекты базируются на использовании радиоизлучения в высоких гигагерцах, разрешенных для спутниковых применений на глобальном и национальном уровнях, и предполагают работу в LoS (Line of Sight) условиях, т. е. прямой видимости между спутником и наземным (стационарным или мобильным) терминалом.
Предпринимались, правда, попытки обеспечить покрытие внутри зданий со спутника – за счет использования радиоизлучения с частотой ниже 1 ГГц (700 МГц), однако, несмотря на теоретическую возможность такого решения, подкрепленного натурными экспериментами, дело дальше не пошло из-за конфликта интересов в частотных присвоениях с операторами эфирного наземного телевещания.
В результате на основе бизнес-практики последних 20 лет, опыта практической работы и коммерческой эксплуатации сетей Iridium, Globalstar, Inmarsat и др. можно сделать вывод, что сектор рыночных применений систем глобальной спутниковой связи, работающих на мобильные абонентские терминалы в условиях прямой видимости на несущих частотах гигагерцового диапазона и выше (миллиметровых волн), крайне узок и сосредоточен в основном в области морского транспорта (где нет гор, ущелий, зданий и лесов) и систем экстренной связи в труднодоступных районах, не имеющих развитой инфраструктуры обычной гражданской сотовой связи или профессиональных транкинговых систем.
Более того, запретительно высокое поглощение радиоизлучения частотой выше 2–3 ГГц стенами зданий, а также ограниченная мощность бортовых энергосистем и трансиверов телекоммуникационных спутников, чувствительность их приемных трактов и низкая мощность трансиверов собственно мобильных спутниковых терминалов делают труднореализуемыми попытки создания полноценных самодостаточных спутниковых систем мобильной связи с покрытием внутри зданий.
Казалось бы, все, приехали? Но не тут-то было!
А тут и 5G удачно подвернулось
Шло время, а сказки, обещанной построением систем 4G/LTE, опять не случилось, потому что никак пока не удается сделать всех счастливыми и желательно даром. Дабы никто не ушел обиженным (кушать-то производителям оборудования мобильной связи тоже надо), следовало бы продавать базовые станции сотнями тысяч, а еще лучше – миллионами штук, но их и так уже понаставлено миллионы. Значит, настало время придумать что-нибудь новое. Это «новое» (аккуратно перелицованное старое под названием OFDMA), оперативно придумали и назвали 5G. Собственно говоря, 5G отличается от 4G/LTE тремя основными вещами:
- использованием технологии mMIMO (massive MIMO) типа 8×8 и выше;
- архитектурой сети сквозного мобильного пакетного бэкхола, обеспечивающей малые времена задержки сигнала сетью;
- абсолютной всеядностью и неразборчивостью в радиочастотных связях – от несущих частот порядка 500 МГц и почти аж до 100 ГГц.
Естественно, что адепты спутниковых систем мобильной связи тут же подсуетились, стряхнули пыль со старых проектов и начали выдавать на-гора «новые-старые» идеи, но уже под флагом 5G и гармонизации с ней в плане и радиочастотного спектра, и архитектуры, а также функциональности. Опять появились и активно продаются проекты спутниковых платформ мобильной связи OneWeb и др., содержащие сотни и тысячи низколетящих (а следственно, короткоживущих) спутников связи, стоящих многие миллиарды долларов. Они поддерживаются самыми большими спонсорами современного мира – технологическими гигантами типа Google, Facebook или Amazon («Роскосмосом», кстати, тоже).
Через 3GPP стандартизуются как радиочастотные присвоения (в основном в диапазонах свыше 2 ГГц и в миллиметровом диапазоне), так и архитектуры сетей для мобильного бэкхола и разных прочих применений. При этом базовых физических ограничений типа LoS никто не отменял. Возникает резонный вопрос: где рыночная ниша для этих новых спутниковых мегапроектов?
В современном мире на планете Земля с трудом уживаются 7 млрд человек, из которых, по разным подсчетам, сотовой связью и мобильным Интернетом пользуются уже 3–4 млрд. Остальное огромное количество землян проживает в зонах отсутствующей или слаборазвитой сотовой связи. Плюс, а скорее минус: у этих людей, как правило, элементарно нет денег, чтобы платить за мобильную связь даже такие копейки, как в Индии или России после 2014 г. Конечно, есть, а точнее, будет бесконечно перспективный сектор IoT/М2М, но и к нему относятся все вышеизложенные соображения. Так в чем же сила, брат?
Как всегда, сила – в правде.
Под крышей дома своего
Итак, несмотря на ослепительные, прямо-таки сияющие высоты пятого поколения мобильной связи, особенно в их спутниковой инкарнации, всем подобным системам опять же свойственны фундаментальные (традиционные) физические ограничения на прямую видимость, отсутствие листвы, облаков и прочих поглощающих высокочастотное радиоизлучение объектов на директрисе спутникового луча, а также окон, крыш и стен зданий. А еще хорошо, если б не было грозы и различных возмущений в ионосфере.
Несмотря на более высокие технические параметры систем 5G, в том, что касается спектральной эффективности, а следовательно, и скоростей передачи в прямом и обратном каналах, мощностной бюджет радиотракта недостаточно высок для компенсации поглощения сигнала, особенно на частотах выше 1 ГГц.
Поэтому с физической точки зрения было бы логично рассматривать возможность использования радиодиапазонов ниже 1 ГГц – хотя бы для частичной минимизации названных негативных факторов. Однако очень плотная заселенность низкочастотной части радиодиапазона мириадом всевозможных радиосистем служебной/транкинговой связи, аналогового и цифрового эфирного телевещания и пр. делает эту задачу весьма затруднительной. Конечно, общемировой тренд на замещение «цифрового дивиденда» ЦЭТВ в диапазоне 470–862 МГц системами сотовой связи 4G/5G дает слабую надежду на гармонизацию радиочастотных присвоений, но радиоспектр, как говорится, не резиновый.
Другая проблема связана с тем, что, поскольку природу не обманешь, а системы 5G базируются на алгоритмах OFDM с несколько улучшенной относительно 4G спектральной эффективностью, увеличение скорости передачи в прямом и обратном каналах систем 5G достигается, в частности, за счет использования сверхширокополосных несущих порядка Nx10 и Nx100 МГц. А это требует тотальной расчистки частотного спектра с занятием ранее свободных (точнее, относительно свободных) СВЧ-полос в диапазонах десятков ГГц, особенно для спутникового сегмента.
Конечно, 3GPP предусматривает и другие сценарии использования спутниковых систем – не только для связи «борт – абонентский терминал», но и для различных вариантов обеспечения связи внутри радиоподсистем RAN (Radio Access Network), типа mobile front haul/back haul. Однако, учитывая заведомо сильно ограниченную пропускную способность спутникового радиотракта и высокие значения задержек сигнала по сравнению с оптоволоконными оптическими системами передачи класса Nx10/100 Гбит/с, сфера потенциального применения таких спутниковых подсистем весьма ограничена. Разумеется, иерархическая агрегация и маршрутизация потоков данных в таких сетях жизненно необходима – путем создания многоуровневых топологий и первичной обработки данных «на борту», но базовые физические ограничения все равно остаются – они просто не могут никуда исчезнуть.
Где деньги, Зин?!
Все вышеизложенное очевидно должно вызвать законные вопросы: если все так, как вы говорите здесь и пишете, то какой же бизнес-смысл в гомерических планах создания многоуровневых орбитальных группировок, насчитывающих сотни низколетящих и короткоживущих спутников, стоящих многие миллиарды долларов как на старте, так и в процессе эксплуатации, с учетом необходимости оперативной замены выходящих из строя вследствие поломок и сходящих с орбиты вследствие расходования бортового запаса топлива для стабилизации орбиты компонентов группировок?
В чем, собственно, business rational behind или, по-русски, бизнес-смысл новой волны космических телекоммуникационных инициатив?
Если бы речь шла о государственных инвестициях, то, как и в случае с такими известными программами, как, например ФЦП ЦЭТВ, можно было бы говорить о благородной миссии «осчастливливания» несчастного меньшинства абонентов, где бы они ни находились, наисовременнейшими сервисами пятого поколения мобильной связи за государственный счет или за демократичную и доступную широким народным массам абонентскую плату. Есть здесь и политический аспект, ибо, как известно, тот, кто владеет информацией, тот владеет миром. Развесивший свою систему глобальной спутниковой связи вокруг шарика получает прямой доступ ко всем его обитателям.
Однако вся штука в том, что значительная часть таких проектов – это частные венчурные инициативы либо индивидуальных мегаинвесторов, либо инвестиционных пулов. А раз так, то у них (проектов) должны быть грамотно нарисованные и проданные не очень разбирающимся в технике инвесторам и рынкам бизнес-кейсы и бизнес-планы. Тогда получается, что идея осчастливить половину человечества, еще не охваченного дарами систем мобильной связи 4G/5G, непосредственно из космоса и без посредников все-таки имеет бизнес-смысл, и такие системы, по мнению авторов их бизнес-кейсов, могут окупиться в стандартные сроки – три-пять лет.
Все это весьма каверзные вопросы. Особенно с учетом количества спутников связи, размещаемых на/в одном носителе за один пуск. Да и каждый запуск даже сейчас, при наличии коммерческих систем типа Falcon Heavy или «Ангара-5», – непростое, неблизкое и весьма дорогостоящее предприятие.
Вот только что анонсирована отечественная ФЦП по проекту глобальной спутниковой системы «Сфера», состоящая из 300 спутников ценою почти в 300 млрд руб., которая лишний раз подтверждает вышесказанное. Жаль, что журналисты пишут лишь про то, что реализация проекта увеличит число российских спутников на орбите в пять раз, но не уточняют, что это отнюдь не самый главный показатель для понимания конкретного выигрыша для отечественных пользователей.
Возможно, что использование перспективных сверхтяжелых ракетных платформ с поднимаемой на низкую орбиту массой порядка 100 т и более позволит обеспечить экономически оправданное размещение на орбите всей спутниковой группировки за один или несколько запусков, но это дело будущего.
В общем, вопросов пока больше, чем ответов, как в техническом, так и в коммерческом и финансовом плане. Хорошо бы, например, увидеть, как будет функционировать абонентский терминал при работе с негеостационарным (т. е. движущимся) спутником связи на ненаправленную антенну и какие скорости передачи данных он сможет предоставить абоненту в полевых условиях, а не в лаборатории. Или, скажем, сколько на самом деле будет стоить «слоеный» пирог вокруг земного шара из набора сотен низко-, средне-орбитальных и ГСО-спутников, решающих всевозможные технические (точнее говоря, физические) проблемы? И еще интересно, во сколько обойдется подобный мобильный спутниковый транспорт для 5G или же ШПД? И назовут ли его после всего этого ШПД?
Однако мы – оптимисты, которым остается надеяться, что все технические препятствия будут успешно преодолены, и скоро в любой точке планеты, за тысячи километров от городов, дорог и человеческого жилья можно будет, вытащив из кармана компактный терминал, насладиться живой трансляцией из «Дома-2».
