ماهواره‌های مخابراتی پربازده

علیرضا فتحی: ماهواره‌های مخابراتی پربازده (High-throughput satellite  سرواژهHTS) دسته‌ای از ماهواره‌های مخابراتی هستند که به ازای اختصاص طیف مداری یکسان حداقل ۲ و معمولا بیش از ۲۰ برابر ماهواره‌های مخابراتی متداول فعلی که با عنوان FSS (Fixed Service Satellite) شناخته می‌شوند بازده دارند.

به‌عنوان مثال می‌توان به ماهواره‌های ویاست-۱ (ViaSat-1) و اکواستار ۱۷ (EchoStar XVII) اشاره نمود که بیش از ۱۰۰ گیگابیت بر ثانیه پهنای باند ارائه می‌کنند؛ یعنی ۱۰۰ برابر یک ماهواره مخابراتی FSS. هنگامی که ویاست-۱ در سال ۲۰۱۱ فعالیت خود را آغاز کرد، به‌تنهایی از از مجموع ماهواره‌های مخابراتی تجاری فعال در منطقه آمریکای شمالی ظرفیت بیشتری داشت.

اما ماهواره‌های مخابراتی پربازده از لحاظ فنی چه تفاوتی با ماهواره‌های مخابراتی معمول دارند؟ مزایای استفاده از این نوع ماهواره‌ها چیست و چه چالش‌هایی در مسیر توسعه ماهواره‌های مخابراتی پربازده وجود دارد؟ در این مطلب سعی می‌شود تا به این سوالات پاسخ داده شود.

تفاوت ماهواره‌های مخابراتی پربازده و معمولی

افزایش قابل توجه ظرفیت در ماهواره‌های مخابراتی پربازده از طریق یک فناوری استفاده مجدد فرکانس و پرتوهای نقطه‌ای (spot beams) صورت می‌گیرد که استفاده چندباره از یک فرکانس موج را در چند پرتو نقطه‌ای متمرکز ممکن می‌سازد. این پرتوهای نقطه‌ای معمولا شعاع‌های چندصد کیلومتری دارند. در مقابل ماهواره‌های FSS از یک پرتو گسترده با شعاع پوشش چند هزار کیلومتر استفاده می‌کنند تا مناطق گسترده‌تر و حتی قاره‌ها را پوشش دهند.

در تصاویر فوق تفاوت ماهواره‌های HTS و FSS قابل مشاهده است. در تصویر محدوده پوشش سمت چپ که متعلق به یک ماهواره FSS است، فرکانس‌ها تقریبا یکسان است. کل منطقه تحت پوشش با همین یک فرکانس پشتیبانی می‌شود و این فرکانس نمی‌تواند مجددا در این ناحیه جغرافیایی توسط ماهواره استفاده شود وگرنه تداخل سیگنال به وجود می‌آید یعنی امواج مسیرهای یکدیگر را قطع می‌کنند و به گیرنده نمی‌رسند. در تصویر سمت راست محدوده پوشش ماهواره HTS مشاهده می‌شود که به‌جای یک پرتو گسترده از تعداد زیادی پرتو نقطه‌ای تشکیل شده است. هر پرتو نقطه‌ای از یک فرکانس استفاده می‌کند و هر فرکانس قادر به ارائه مقدار زیادی پهنای باند است.

یک ماهواره FSS متداول مجهز به ۲۴ ترانسپاندر باند C و ۲۴ ترانسپاندر باند Ku، مجموعا ۱.۷ گیگاهرتز پهنای باند ارائه می‌کند که ثمره آن کمی بیش از ۳ گیگابیت بر ثانیه ظرفیت انتقال داده است. در مقام مقایسه، ماهواره IS-29e که یکی از نخستین ماهواره‌های HTS شرکت اینتلست (Intelsat) بود، با ۱۴ ترانسپاندر باند C، ۵۶ ترانسپاندر باند Ku و ۱ ترانسپاندر باند Ka،  ۲۰ الی ۶۰ گیگابیت بر ثانیه ظرفیت انتقال داده را پشتیبانی می‌کند.

بر خلاف هزینه بالای استفاده از فناوری پرتوهای نقطه‌ای، هزینه کلی بهره‌وری از ماهواره‌های پربازده به نسبت ماهواره‌های مخابراتی معمولی ارزان‌تر است. برای نمونه هزینه پهنای باند یک ماهواره FSS در باند Ku به ازای هر ۱ گیگابیت بر ثانیه به حدود ۱۰۰ میلیون دلار می‌رسد اما ماهواره‌های HTS می‌توانند هر گیگابیت پهنای باند را با هزینه کمتر از ۳ میلیون دلار در اختیار مشتری قرار دهند.

تحلیلگران صنعت در موسسه نورثرن اسکای (Northern Sky Research) پیش‌بینی می‌کنند که تا سال ۲۰۲۰ مجموع ظرفیت ارائه‌شده توسط ماهواره‌های HTS به ۱.۳۴ ترابیت بر ثانیه برسد و بدین ترتیب سهم مهمی از بازار مخابرات ماهواره‌ای را به خود اختصاص دهند.

ماهواره‌های مخابراتی پربازده و چالش‌ها

هرچند ماهواره‌های HTS انعطاف‌پذیری و ظرفیت‌های جدیدی را به بازار مخابرات ماهواره‌ای اضافه می‌کنند، چالش‌هایی را نیز با خود به همراه دارند؛ از جمله پیچیده‌تر شدن شبکه و نیاز به نوآوری در توسعه پایگاه‌های کنترل زمینی برای مدیریت شبکه بدون ایجاد اختلال. این موضوع که می‌توان منطقه تحت پوشش پرتوهای نقطه‌ای را تغییر داد و یا با توجه به نیازهای بازار آن‌ها را حذف و اضافه کرد، برای اپراتورهای ماهواره‌های مخابراتی پربازده اتفاق خوشایندی است اما کار مدیران شبکه را که مسئول کنترل ماهواره، نظارت بر سیگنال‌ها، مدیریت خدمات ارائه‌شده و تعامل با مشتریان هستند بسیار سخت می‌کند.

یکی از چالش‌هایی که در هنگام استفاده از ماهواره‌های مخابراتی پربازده به وجود می‌آید، حجم بالای وظایف ایجادشده در شبکه است. تام لیزگنگ (Tom Leisgang) مدیر فنی بخش مهندسی سامانه‌های زمینی در شرکت ماهواره‌ساز SSL می‌گوید: «اتوماسیون احتمالا یکی از فاکتورهای کلیدی‌ای باشد که در ارتباط با ماهواره‌های مخابراتی پربازده به آن نیاز خواهیم داشت.» شرکت لوکزامبورگی SES که از اپراتورهای مهم ماهواره‌های HTS می‌باشد، پس از به‌کارگیری این نوع ماهواره‌ها با افزایش قابل توجهی در مقیاس فعالیت خود مواجه شده است.

این افزایش ناشی از افزایش تعامل با مشتریان، بویژه آن‌هایی می‌باشد که پهنای باند را برای کاربردهای چالش برانگیز همچون اینترنت هواپیمایی استفاده می‌کنند. یکی از چالش‌هایی که SES به آن تن داده ساخت شبکه‌ای از آنتن‌های هدایت‌پذیر برای ارتباط با منظومه ماهواره‌های مخابراتی پربازده خود در مدار MEO است که موقعیت آن‌ها در هر لحظه نسبت به زمین تغییر می‌کند.

چالش دیگر این است که سیگنال‌های پویای ماهواره‌های HTS که باعث می‌شوند پرتوهای نقطه‌ای به صورت پیوسته تغییر جهت دهند، مسئله کاهش تداخل سیگنال‌ها را با دشواری‌هایی روبرو می‌کند. تداخل سیگنال چه عمدی و چه غیرعمدی باشد باید ابتدا مکانیابی شود تا بتوان آن را برطرف کرد. بنابراین به عنوان مثال شرکت SES برای نظارت بر سیگنال‌های ماهواره‌های پربازده خود تعداد سامانه‌های زمین‌پایه خود را دو برابر کرده است.

علاوه بر موارد فوق، بحث تحلیل داده‌های کلان بدست آمده از ماهواره‌های HTS نیز مطرح است. کلان داده‌ به حجم زیادی از داده‌ها اطلاق می‌شود كه پردازش آنها بوسیله پایگاه داده‌های سنتی و ابزارهای پردازش و تحلیل سنتی قابل انجام نیست. در این مورد خاص منظور از داده‎های کلان، داده‌های حجیم جابجا شده توسط ماهواره‌ها می‌باشد. توبیاس نصیف (Tobias Nassif) مدیر بخش کنترل ماهواره شرکت ویاست (Viasat) می‌گوید اپراتورها باید از تحلیل داده‌های کلان برای پیش‌بینی نیازهای مشتریان یا جهت‌گیری‌های بازار بهره‌گیری کنند و بر اساس آن نسبت به بازار مخابرات ماهواره‌ای واکنش نشان دهند. این واکنش می‌تواند تغییر تعداد ماهواره‌ها، پهنای باند و یا سیاست‌گذاری کلی اپراتورها باشد.

ماهواره‌های مخابراتی پربازده، قطعه‌ای از پازل عصر جدید فضا (NewSpace) هستند که در مجموع به نظر می‌رسد یک شرایط برد-برد را برای مشتریان و اپراتورها به وجود آورده‌اند؛ هرچند همانطور که گفته شد چالش‌هایی نیز در مسیر توسعه این ماهواره‌ها وجود دارد. اما به هر حال علاقه وافر برای استفاده از این نوع ماهواره‌ها در کاربردهای متحرک همچون صنعت مسافربری هوایی، کنترل از راه‌دور پهپادها، دریانوردی، اتومبیل‌های هوشمند و… وجود دارد. توسعه آنتن‌های مورد نیاز برای پایگاه‌های زمینی مرتبط با ماهواره‌های HTS می‌تواند سرعت‌بخش روند سیطره این نوع ماهواره بر بازار مخابرات ماهواره‌ای باشد.