Спутниковая связь от А до… Задержка как главная проблема спутниковой связи

Начало в прошлой части:

Задержка, или иначе latency, – это время, которое необходимо, чтобы ваш сигнал (а точнее, пакет байт с информацией) добрался от гейтвея (хаба, центральной спутниковой станции, в общем, от любого другого спутникового терминала) через спутник до вашего абонентского терминала.

Задержка на сегодня является главной проблемой спутниковой связи через традиционные спутники на геостационарной орбите.

Начнем с того, откуда она берется. Как мы помним из первой части, спутники для фиксированной связи висят на высоте 36000 км над экватором. Не спешите делить 36000 км на скорость света (300000 м/с), ибо:

1. вы не на экваторе, а на другой широте,
2. спутник и вы, как правило, расположены на разной долготе.

То есть в прямоугольном треугольнике ваша сторона не катет, а гипотенуза.

В общем, считайте минимум 40000/ 300000 км/с, получим 0,133 секунды от антенны до спутника, потом 0,133 секунды от спутника вниз, итого уже 266 миллисекунд, а если говорить о пинге, это уже 530 мс. И не забудем про «аппаратную задержку», которая обозначает время, когда в спутниковом модеме сигнал превращается из цифры в радиоволну и обратно (если подробнее, то в спутниковых системах стандартные TCP/IP пакеты собираются в более крупный пакет (фрейм, кадр, зависит от системы и производителя), затем уплотняются, переводятся в помехозащищенные коды с повышенной избыточностью и только после этого «выплевываются» в небо).

В общем, если вы живете в России и задержка будет 600 миллисекунд, то это очень хорошо и вам повезло. Нам в России хуже всех (ну, кроме Канады, Исландии и Норвегии), мы северная страна, и расстояние у нас до спутника на экваторе больше, чем у тех, кто живет южнее.

Позвольте мне тут немного отвлечься от скоростей света и поговорить о геометрии. При установке станции спутниковой связи главный параметр для техника – это угол места, то есть угол между линией на спутник и горизонталью к Земле.

Лучшее, о чем можно мечтать в районе Москвы, это 26,5 градусов при установке станции на «Экспресс АМУ1». Если хотите попрактиковаться в расчете угла места для того города, где вы живете, то для российских спутников это можно сделать здесь.

Какой минимальный угол места может быть? Когда операторы ИСЗ рисуют карты покрытия, то там, как правило, все кончается на 5-7 градусах. Причина в том, что когда угол места приближается к нулевым значениям, то это значит, что расстояние, которое сигнал должен пройти в атмосфере (среде с максимальным ослаблением сигнала), растет очень быстро и радиосигнал быстро затухает. В районе Полярного круга угол места, как правило, близок к 5 градусам, и считается, что устойчивой спутниковой связи там нет.

И все-таки, что есть минимальное значение угла места? Не уверен, но возможно, что рекорд здесь принадлежит России. По крайней мере, мне известна история, как организовали спутниковый канал со Шпицбергеном, а это севернее 77 градуса широты. Так вот, спутниковая станция работает там с углом места минус 0,4 градуса, то есть она смотрит вниз! Конечно, вариант «от борта в лузу», то есть от поверхности Северного моря и в антенну ИСЗ, увы, не работает. Просто на Шпицбергене затащили спутниковую антенну с могучим передатчиком на вершину самой высокой местной горы, и уже с вершины удалось пройти над самыми волнами и попасть в спутник, висящий над экватором на высоте 36000 км.

Стоило это (уникальная станция с резервированием, отправка на Шпицберген оборудования и монтаж его там), конечно, очень больших денег, но российское присутствие на Шпицбергене в виде возможности смотреть российское ТВ и звонить по прямым московским номерам – это большая политика, и тут о деньгах говорить не стоит (по мнению политиков).

Надо отметить, что, возможно, норвежцы по части готовности платить за свой государственный престиж нас даже превзошли, они ради своих 2642 человек, составляющих норвежское население острова, проложили до острова подводный оптический кабель.

Можно также добавить, что низкие углы места в лесных районах России доставляют установщикам и владельцам домов изрядные проблемы, ибо очень часто высокие деревья закрывают вид на спутник. Проще всего это решить где-нибудь в Сибири, где ради интернета или возможности позвонить в Большой Мир вахтовики легко вырубают просеку длиной в 100 метров (реальный случай из жизни автора). В цивилизованной средней полосе решение задачи иногда стоит очень приличных денег.

Вот зарубежный вариант решения задачи «увидеть спутник из леса» (правда, тут спутник на НеГеостационарной орбите).

Давайте на этом закончим урок геометрии и вернемся в область IT.

В эпоху интернета и победившего протокола IP (а автор, кстати, еще помнит жаркие споры его технарей в прошлом веке, что лучше, IP или Frame Relay) неожиданно выяснилось, что когда много-много лет назад ученые в своей лаборатории изобретали интернет и его родной протокол TCP/IP, они ни разу не думали, что будут передавать информацию не в соседнюю комнату, а через спутник на другой континент, и этот всемирно популярный протокол требует того, что после отправки одного пакета отправляющее устройство должно сначала получить от адресата квитанцию, что пакет благополучно и в целости доставлен получателю и теперь можно отсылать следующий пакет.

И когда после каждого пакетика с байтами надо ждать квитанции 600 миллисекунд и только после этого отправлять следующий пакет, то говорить о какой-то нормальной скорости передачи крупных файлов явно нет смысла.

Поэтому инженеры решили использовать спуфинг (или spoofing), тот самый любимый всеми хакерами и интернет-жуликами метод подмены, в данном случае квитанции о получении пакета. Внутри спутниковой сети модем при отправке ТСР-пакета не ждет получения квитанции об успешной его доставке, а сам генерит себе квитанцию и тут же отправляет следующий пакет. Проверка происходит не по отдельным пакетам, а по более крупным блокам, и если по пути потерялся один или пара пакетов, блок передается снова.

И вот оно, вроде бы, счастье, хотя бы что-то можно передать с задержкой в 600 мс. Напомним, что исторически спутниковая связь начинала с передачи ТВ-сигнала и голосовой связи. Для ТВ-сигнала секунда или две – вообще не деньги, а для голоса можно приноровиться. Тем более что при административно-командной системе управления в СССР при звонке начальника из центра на периферию подчиненному спорить с начальником не рекомендовалось, а, выслушав ЦУ и ЕБЦУ, нужно было сказать в конце: «Так точно!». Или: «Понял, товарищ секретарь обкома». А вот в Италии такой номер бы, наверное, не прокатил.

С появлением интернета и ТСР/IP все стало хуже. Поначалу, пока интернет был местом для фриков и ученых, все более-менее всех устраивало, но потом пришел бизнес, и через интернет пошли большие деньги. Встал вопрос безопасности и секретности, появились туннели, нормальный и всем понятный пакет превращался сначала в какой то фарш и в таком виде поступал на модем спутникового терминала, который не мог понять, где в этом фарше заголовок, а где, собственно, информация, и метод спуфинга, встроенного в устройства спутниковой сети, перестал помогать.

Даже компьютерные игры-«стрелялки» через спутниковый канал – это что-то. С другой стороны, что делать фанатам World of Tanks на Чукотке или в Якутии?

Говорят, что они выбирают в WoT исключительно самоходки и долго тренируются на одной и той же карте, изучая маршруты движения вражеских колонн и места их стояния в засаде. После чего с началом игры начинают лупить вслепую по квадратам и по соответствующей временной циклограмме. Учитывая скоротечность боя, такой «боец» иногда уже труп, но яростно стучит у себя в Анадыре по клавишам у монитора. Кроме того, стрельба по принципу «на кого бог пошлет» приводит к тому, что как минимум четверть снарядов часто достается своей же команде.

И что? Увы, ничего поделать с задержкой при связи через геостационарные ИСЗ нельзя. И при появлении кабеля в этом месте все клиенты спутникового оператора тут же на него пересаживаются, и поэтому нас (спутниковых операторов) гнали все дальше и дальше от цивилизации в глушь.

Это продолжалось почти четверть века (автор еще помнит договоры по организации каналов связи со скоростью 128 Кбит из Москвы в Самару, Ростов-на-Дону, Новосибирск), пока вдали не забрезжила звезда надежды в виде спутниковых группировок на низкой орбите OneWEB, TeleSat LEO, StarLink от Space X и пр. Вот у них с их высотой орбиты в 550-1100 км все будет как на Земле в кабеле, задержка 30-50 миллисекунд – играй не хочу!

И это сейчас для индустрии спутниковой связи главный, если не единственный шанс остаться более-менее значимой отраслью, а не быть экспонатом в музее или малой резервацией в телекоме, оставаясь только средством связи с самолетами или кораблями.

Но об этом – в следующий раз.