Обмен между спутником и приёмной антенной идёт в отведённых для этого участках спектра частот. Их называют диапазонами и обозначают буквами: L, S, C, X, Ku, Ka. Выбор диапазона определяет саму физику канала — как волна проходит через атмосферу, сколько данных в неё помещается и какая антенна нужна, чтобы её принять.
Что такое диапазон
Спутниковый диапазон — это участок радиочастотного спектра, в пределах которого работает определённая система связи. То есть это не одна конкретная частота, а полоса частот, выделенная для передачи сигнала.
Участки спектра распределяет Международный союз электросвязи (ITU), и каждой службе — вещанию, связи, навигации, исследованию Земли — отведены свои полосы.
У каждого диапазона есть свои физические особенности. Чем выше частота, тем более широкие непрерывные полосы удаётся выделить под передачу, и тем больше данных по ним пройдёт. Но одновременно с этим укорачивается длина волны, а от неё зависит размер антенны. На 4 ГГц волна около 7,5 см, и тарелка должна быть под два метра, а на 12 ГГц волна уже 2,5 см, и хватает шестидесяти сантиметров. Одной длиной волны дело, правда, не исчерпывается, на размер антенны влияют и другие факторы, но углубляться здесь мы не будем.
Погода тоже влияет на сигнал в разных диапазонах по-разному. Короткая волна близка по размеру к дождевой капле, и капли начинают её рассеивать и поглощать. На C-диапазоне ливень почти не заметен, на Ku картинка на пике дождя может рассыпаться, а Ka чувствителен ещё сильнее. Отсюда и правило, которое дальше объяснит все различия между диапазонами: выше частота — шире полоса и меньше антенна, но хуже погодоустойчивость.
Ниже 1 ГГц спутниковые системы встречаются редко, доступная полоса там уже, а частоты плотно заняты наземными службами. Выше 40 ГГц частоты пока только осваивают.
Сводная таблица
| Диапазон | Частоты в спутниковой связи | По классификации IEEE | Типовая антенна | Осадки | Где применяется |
|---|---|---|---|---|---|
| L | 1–2 ГГц | 1–2 ГГц | 10–20 см, часто ненаправленная | почти не мешают | спутниковые телефоны, ГЛОНАСС и GPS, судовая и авиационная связь |
| S | 2–4 ГГц | 2–4 ГГц | десятки сантиметров | почти не мешают | телеметрия, связь с космическими аппаратами, метеорология |
| C | 3,4–7 ГГц (обычно 4/6 ГГц) | 4–8 ГГц | 1,8–2,4 м и больше | мешают слабо | магистральные каналы, раздача ТВ на головные станции |
| X | 7–10,7 ГГц | 8–12 ГГц | от 1 м | мешают слабо | государственные системы, съёмка Земли из космоса |
| Ku | 10,7–18 ГГц | 12–18 ГГц | 0,6–1,2 м | заметны в сильный дождь | спутниковое ТВ, VSAT-интернет |
| K | — | 18–27 ГГц | — | очень сильно | радиолокация, в спутниковой связи не используется |
| Ka | 17,7–40 ГГц | 27–40 ГГц | 0,55–0,75 м | заметны сильно | широкополосный спутниковый интернет |
| Q, V, E | 33–86 ГГц | V — 40–75 ГГц | — | очень сильно | связь спутника с наземными станциями, служебный трафик |
| W | 75–110 ГГц | 75–110 ГГц | — | очень сильно | эксперименты, массового применения нет |
Диапазон под конкретную систему выбирает не абонент, а оператор, когда её проектирует. Обычным пользователям достаётся результат этого выбора — размер тарелки, тип конвертера и то, как приём поведёт себя в ливень. Скажем, разница между C и Ku объясняет, почему сетчатые двухметровые антенны во дворах уступили место компактным антеннам диаметром 60 см, а в спутниковом интернете от диапазона зависит, какой комплект оборудования вам предложат и попадает ли ваш адрес в зону обслуживания.
Почему в таблице разные частоты для одного диапазона
Две колонки с частотами — это две разные классификации.
- Первая сложилась в самой спутниковой связи и опирается не на круглые числа, а на то, какие полосы реально выделены спутниковым службам. В ней C-диапазон начинается с 3,4 ГГц, а Ku захватывает верх X-диапазона и расширен до 10,7–18 ГГц.
- Вторая пришла из радиолокации, её закрепил институт IEEE, и она делит спектр ровно: L — 1–2 ГГц, S — 2–4, C — 4–8, X — 8–12, Ku — 12–18, K — 18–27, Ka — 27–40.
Обратите внимание на диапазон K в таблице. По радиолокационной классификации это 18–27 ГГц, участок между Ku и Ka, но в спутниковой связи как самостоятельный диапазон он почти не встречается. Дело в том, что около 22 ГГц лежит линия поглощения водяного пара, и волна на этих частотах гасится влагой в воздухе сильнее, чем по соседству. Связь этот участок обошла с двух сторон, снизу Ku и сверху Ka, а сам диапазон K остался в основном за радиолокацией. Сказалось и то, что спутниковые системы исторически росли вокруг Ku и Ka, так что отдельному K-диапазону просто не нашлось места. Поэтому в классификации спутниковой связи Ku тянется до 18 ГГц, Ka начинается с 17,7, и места для K между ними не остаётся.
Приём и передача идут на разных частотах
Одновременно принимать и передавать на одной частоте нельзя, передатчик заглушит собственный приёмник. Поэтому внутри каждого диапазона есть две отдельные полосы: одна на приём со спутника, другая на передачу к нему. Первую называют линией вниз, вторую линией вверх.
Типичные для спутниковой связи полосы выглядят так.
| Диапазон | Со спутника вниз | К спутнику вверх |
|---|---|---|
| C | 3,4–4,2 ГГц | 5,9–6,4 ГГц |
| Ku | 10,7–12,75 ГГц | около 14 ГГц |
| Ka | 17,7–19,3 ГГц | 27,5–30 ГГц |
В обозначениях оборудования такие пары иногда пишут через дробь, где первая цифра приёмная, а вторая передающая. Для приёма телевидения вторая колонка не нужна, ведь домашняя тарелка только принимает. А вот в спутниковом интернете задействованы обе, потому что это двусторонняя связь.
Приёмную полосу дробят и дальше, на поддиапазоны. Где-то это региональные варианты, где-то деление по назначению. Заметнее всего оно у Ku, где от него зависит выбор конвертера, — об этом ниже.
Поляризация
Радиоволна колеблется в определённой плоскости, и эта ориентация называется поляризацией. У каждой волны есть противоположная ей — колеблющаяся перпендикулярно или вращающаяся в другую сторону, и они не мешают друг другу. Приёмник принимает только «свою» поляризацию и игнорирует другую. Таким способом спутник передаёт вдвое больше, не занимая дополнительную полосу частот.
Поляризация бывает двух видов.
- Линейная — волна колеблется в одной плоскости, вертикальной или горизонтальной.
- Круговая — плоскость колебания вращается по ходу движения волны, вправо или влево.
Линейная проще в реализации и распространена шире, на ней работают C, X и заметная часть Ku. У неё есть слабое место — приёмник должен быть развёрнут так же, как передатчик, иначе часть сигнала теряется. Вдобавок волна, проходя ионосферу, слегка поворачивает плоскость колебания (это называют эффектом Фарадея), и на низких частотах поворот заметен.
Круговой волне разворот безразличен, поэтому её выбирают там, где приёмников много и настраивать каждый по углу непрактично. Так она и прижилась в вещании на абонента, а из российских Ka-бортов на неё разведены лучи Ямал-601.
Давайте теперь разберём каждый диапазон отдельно.
L-диапазон
Самый низкий из рабочих спутниковых диапазонов, 1–2 ГГц, длина волны 15–30 сантиметров. Волна такая длинная, что осадки ослабляют её незначительно, а зеркало и точное наведение не требуются — хватает штыря или небольшой пластины с широкой диаграммой направленности.
На L работают спутниковые телефоны Iridium, Inmarsat и Thuraya, судовая и авиационная связь, аварийные буи. Здесь же работает навигация: основные гражданские сигналы GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou лежат именно в L-диапазоне, потому приёмник помещается в наручные часы.
Скорость передачи в этом диапазоне низкая. Полоса узкая, и делить её приходится на всех, поэтому счёт идёт на килобиты и единицы мегабит в секунду. Но для координат, короткого сообщения или звонка этого вполне достаточно.
S-диапазон
Соседний участок, 2–4 ГГц, по свойствам близок к L. Массовому пользователю он почти не встречается, на нём идёт телеметрия космических аппаратов, связь с МКС, часть метеорологических систем и радиолокация.
C-диапазон
Классика профессионального спутникового вещания. Приём со спутника идёт в полосе 3,4–4,2 ГГц, передача к нему около 5,9–6,4 ГГц, отсюда и привычное обозначение «4/6 ГГц» в описаниях оборудования.
Длина волны здесь 5–7 сантиметров. Осадки такой сигнал гасят слабо, поэтому канал сохраняет устойчивость в тропический ливень и в мокрый снег. За это C-диапазон и ценят там, где обрыв связи допускать нельзя: магистральные каналы между континентами, ведомственные сети, раздача телевизионных программ на головные станции кабельных операторов.
Антенны для приёма сигнала в C-диапазоне большие, от 1,8–2,4 метра, а на краю зоны покрытия ставят и трёхметровые. На балкон такую не повесить. Хотя раньше на C-диапазон принимали и дома, на сетчатые тарелки, которые до сих пор попадаются во дворах. Сегодня частный приём почти целиком перешёл на Ku, где обычно достаточно антенны диаметром 60 см.
X-диапазон
Полоса 7–10,7 ГГц отведена под ведомственные системы связи, научные миссии и передачу данных со спутников, ведущих съёмку поверхности Земли. Частоты здесь выше, чем в C, поэтому антенна нужна поменьше, от метра, а осадки мешают по-прежнему слабо.
Подключиться к таким системам обычный человек не может, да и оборудования для этого в магазинах нет. Приёмные станции здесь строят под конкретную задачу (скажем, под приём снимков с определённого спутника), и заказывают их организации.
Ku-диапазон
Самый известный из спутниковых диапазонов. На нём работает и телевещание, и значительная часть спутникового интернета, так что подавляющее большинство приёмных антенн, которые вообще можно увидеть на домах, настроены именно на эти частоты.
Ku занимает 10,7–18 ГГц, а вещание использует нижнюю его часть — 10,7–12,75 ГГц. Длина волны около 2,5 сантиметра позволяет использовать небольшие антенны — от 60 сантиметров, которые легко разместить на стене дома. Основное спутниковое телевидение в России работает именно здесь — и Триколор, и НТВ Плюс, и МТС, и Телекарта. Различаются у них орбитальные позиции и поляризация, но не диапазон. В этом же диапазоне работают абонентские линии низкоорбитальных группировок — OneWeb и Starlink.
Поддиапазоны
Приёмная полоса Ku разделена на поддиапазоны. Разделили её не по технической необходимости, а исторически, по тому, каким службам и каким спутникам эти полосы выделяли.
- FSS, 10,7–11,7 ГГц. Изначально отводился фиксированной спутниковой службе.
- DBS, 11,7–12,5 ГГц. Полоса непосредственного вещания на абонента, основная для телевидения.
- Telecom, 12,5–12,75 ГГц. Верхняя часть полосы, исторически связанная с французскими спутниками серии Telecom, откуда и название.
Раньше под каждый случай выпускали свои конвертеры, сегодня в рознице почти повсеместно универсальные, берущие все 10,7–12,75 ГГц. Формулировка «расширенный Ku» в описаниях означает как раз захват верхней части.
Ka-диапазон
Диапазон 17,7–40 ГГц, длина волны около сантиметра. Полоса здесь широкая, и это главная причина, по которой спутниковый интернет, работающий с геостационарных спутников, перевели сюда, ведь под абонентов удаётся выделить в разы более широкую полосу, чем в переполненном Ku. Ka задействуют и низкоорбитальные системы, правда чаще не для абонента, а для связи спутника с наземными станциями оператора.
В этом диапазоне спутники работают с узкими лучами — их называют HTS (high throughput satellite, спутник высокой пропускной способности). Полоса как бы копируется столько раз, сколько пятен, и суммарная пропускная способность спутника вырастает многократно.
Узкий луч даёт и другое преимущество. Мощность в нём собрана на небольшой площади, поэтому абоненту хватает антенны в 55–75 сантиметров.
Один из основных российских аппаратов Ka-диапазона — Ямал-601. Его лучи накрывают европейскую часть страны вместе с Калининградской областью и заходят в Западную Сибирь. Восточнее работает Экспресс-АМ5, Ka-полоса есть и у Экспресс-АМУ1, но набор услуг на каждом аппарате зависит от оператора.
Даже вместе эти спутники всю страну не закрывают. Ka-луч узкий по своей природе, поэтому покрытие складывается из отдельных пятен, за их пределами Ka-доступ недоступен. Поэтому подключение начинается с проверки конкретного адреса по карте покрытия, а не с выбора тарифа. Попал объект в луч — берут Ka, он быстрее и дешевле в пересчёте на гигабайт. Не попал — остаётся Ku, и это нормальный рабочий вариант, просто с другим тарифом.
Сигнал в Ka-диапазоне больше зависит от погоды. Сантиметровую волну дождь ослабляет заметно сильнее, чем Ku, и в сильный ливень скорость проседает. Современные платформы это частично компенсируют, меняя на ходу модуляцию и помехозащиту, — скорость снижается, зато канал не обрывается совсем.
Выше Ka: Q, V, E и W
Спрос на спутниковый трафик растёт, а свободных полос в Ku и Ka всё меньше, поэтому операторы поднимаются выше — в Q (примерно 33–50 ГГц), V (40–75 ГГц) и E (71–86 ГГц).
Абонентов там пока нет, и вряд ли скоро появятся. На таких частотах осадки сильно ослабляют сигнал. Зато для шлюзовых линий это подходит — так называют связь спутника с наземной станцией оператора, через которую он подключён к интернету. Таких станций немного, зеркала у них большие, площадки выбирают с оглядкой на климат, а при необходимости трафик переводят на резервную станцию в другом регионе.
W-диапазон, 75–110 ГГц, пока остаётся предметом экспериментов.
Комментарии