O realizaci komunikace prostřednictvím zařízení umístěných nad zemí v malé výšce až po stratosféru se pokouší odborníci a dobrodruzi již dlouhou dobu. To ostatně dokládá také fakt, že jsme se na těchto stránkách o výškových platformách a evropském výzkumném projektu CAPANINA bavili bezmála před třemi roky (viz článek Širokopásmový přístup přes stratosféru). Za tu dobu širokopásmový přístup ve světě obecně dospěl, ale bezdrátová komunikace také a spolu s ní její obliba. Z tohoto pohledu je třeba zhodnotit přínos projektu pro rozvoj bezdrátové komunikace a poskytování komunikačních služeb v různých situacích a regionech.
Evropský výzkumný projekt CAPANINA zahájil v listopadu 2003 a konsorcium složené ze třinácti evropských a japonských partnerů jej dovedlo až k jeho zdárnému ukončení v lednu letošního roku. Jeho základním úkolem bylo využít rádiovou komunikaci (v oblasti milimetrových vln) a optickou bezdrátovou komunikaci (FSO, Free Space Optics) na podporu komunikace uživatelů do kapacity 120 Mbit/s, v oblasti pokrytí o průměru 60 km, a to prostřednictvím tzv. výškových platforem (HAP, High Altitude Platform).
HAP zahrnuje různé kategorie vzdušných „vozítek“, od balónů, letadel pilotovaných i nepilotovaných, napájených buď běžným palivem, vodíkovými články nebo sluneční energií, až po moderní vzducholodě. Pro dosažení potřebného pokrytí oblasti komunikačními službami, vyhnutí se kolizím s letadlovým provozem a pro bezproblémové fungování bez boje se silnými větry a nízkým tlakem se HAP umisťují do výšky 17–22 km nad zem.
Obrázek: HAP v podání CAPANINA
Tři roky výzkumu a vývoje nebyly plánovány náhodou, protože jednak si projekt vyčlenil řadu ambiciózních technických cílů (nezahrnujících ovšem stavbu HAP příští generace, na což by prostředky rozhodně nestačily) a jednak jeho výsledky nejsou určeny jen pro krátkodobé využití, ale zkoumaly se možnosti nasazení vyvinuté technologie i v dlouhodobějším měřítku.
Pilotní testy
Projekt prokázal prostřednictvím svých tří pilotních zkoušek, jak mohou fungovat stratosférické balóny a nepilotovaná letadla pro poskytování komunikačních služeb. V rámci letu stratosférického balónu byly poskytovány webové a video služby, podobně jako páteřní propojení jak optickým bezdrátovým spojem o kapacitě 1,2 Gbit/s, tak spojem 802.11b o kapacitě 11 Mbit/s. Kombinace obou komunikačních možností na jednom vzdušném vozítku byla unikátní, protože je třeba velice pečlivě hlídat váhu umístěných přístrojů na palubě (vejít se do povoleného maxima), vyřešit jejich ochranu proti přehřívání/mrznutí a vyrovnání se s nízkým tlakem a také zajistit rovnováhu zátěže. Poprvé se také podařilo zrealizovat komunikaci typu FSO ze stratosféry k pozemní stanici se spojem přes 60 km (samozřejmě při jasném počasí).
Pro různé komunikační účely bude možné (také podle typu platformy) nasadit různá zařízení (nejedná se o unifikované ale flexibilní řešení). Celý systém je navržen jako vysoce modulární z hlediska zařízení na HAP. Pro využití více HAP pro pokrytí dané oblasti se počítá s vysoce zaměřenými anténami v zařízení u zákazníka (CPE, Customer Premises Equipment).
Poslední zkouškou projektu v listopadu loňského roku bylo využití prototypu nepilotovaných letadel (UAV, Unmanned Aerial Vehicles) typu HALE Global Observer (od AV Inc., dříve Aerovironment Inc.) v americké poušti se čtyřmi pozemními stanicemi (s přesným souřadnicemi GPS) a jedné mobilní (anténa umístěna na střeše vozu, se zaměřením GPS). Z komunikačního hlediska se prováděla měření důležitá pro zaměření a udržení stability optického paprsku pro komunikaci mezi HAP navzájem (v předpokládaných výškách kolem 20 km budou dosahovat optické bezdrátové spoje délky stovek km, s využitím typicky vlnové délky 1550 nm). Vývoj Global Observer bude dokončen v příštím roce, kdy se předpokládá, že letadlo bude schopné setrvat ve výšce 20 km celý týden s využitím baterií na vodík (vývoj hospodárných solárních panelů je pomalejší, než se čekalo) a bude mít nosnost 450 kg pro komunikační vybavení.
Obrázek: Poslední test CAPANINA (2006)
Původně se měly výsledky projektu zkoušet s letadly NASA/AV Pathfinder Plus schopnými stratosférického letu. Tato letadla ovšem NASA stáhla z aktivní služby kvůli jejich stáří a novým americkým bezpečnostním předpisům. Global Observer sice patří už do nové generace HAP, ale pro zkoušku v rámci CAPANINA byla zatím k dispozici jen jeho upravená verze neschopná dosáhnout stratosféry. Proto se uskutečnilo osm letů ve výšce pouhých 300 m.
Technické výsledky
Cílem CAPANINA nebylo vymýšlet a prosazovat nové komunikační protokoly nebo technologie. Naopak bylo třeba plně využít stávajících norem a specifikací a ověřit jejich potenciální uplatnění ve specifické architektuře s HAP, která také musí spolupracovat s dalšími typy komunikačních technologií (od satelitní po mobilní 3G). Pro řešení komunikačních požadavků pro pasažéry vlaků se zvolil jako nejvhodnější IEEE 802.16-SC (Single Carrier), jinak se běžně využívá IEEE 802.11b. Tento přístup umožňuje maximální nasazení HAP bez potřeby změn na uživatelských terminálech (s podporou 3G/WiMAX/Wi-Fi).
Dalším obecným komunikačním požadavkem, který je dnes pro mnoho služeb skutečnou nutností, je řešení komunikace typu broadcast/multicast (skupině příjemců, nebo všem), což je ideální pro video aplikace.
K technickým výsledkům, jejichž potenciální využití přesahuje HAP, patří nově vyvinuté anténní technologie pro milimetrové vlny, techniky zpracování signálu pro chytré antény a kombinovaný algoritmus pro RRM (Radio Ressource Management) a řízení zaměření signálu (beamsteering). Dalším důležitým krokem je vývoj nových technologií pro sdílení nedostatkového kmitočtového spektra, což přináší mimořádné výhody při využití celé konstelace spolupracujících HAP.
Business
Jako správný projekt v rámci programu BB4A (Broadband for All), součást IST (Information Society Technologies) kategorie výzkumných projektů šestého rámcového programu EU (FP6, Framework Programme), se CAPANINA nezabýval pouze technickým řešením komunikace mezi HAP a pozemními stanicemi a HAP mezi sebou navzájem, případně se satelity, ale musel věnovat pozornost jeho možnému uplatnění v praxi (součástí byl také uživatelský průzkum v oblasti maďarského Sopronu). Proto bylo třeba zaměřit se na efektivní aplikace a pro ně specifikovat podnikatelské modely, v krátkodobém až dlouhodobém horizontu. Mezi možné kategorie uplatnění HAP patří propojení WLAN, poskytování mobilní komunikace pasažérům (rychlo)vlaků (vagóny pokryty buňkami WLAN), obecný (pevný/mobilní) širokopásmový přístup a také podpora hlasové komunikace (např. jako součást mobilních sítí 3G). Mezi zajímavé aplikace, které HAP jsou schopny díky své kapacitě nabízet, patří dnes tolik opěvované video ve vysokém rozlišení (HD, Hoch Definition).
Jednou ze specifických oblastí, kde se rozhodně plánuje efektivně HAP nasadit, je poskytování časově omezených služeb v případě komunikačního pokrytí buď určitých akcí (veletrhy, sportovní klání – světové poháry, olympijské hry), nebo v případě živelných katastrof (nebo politického neklidu). V prvním případě se nevyplatí budovat komplexní infrastrukturu nebo stávající infrastruktura nedostačuje krátkodobému náporu uživatelů, v případě druhém zase stávající infrastruktura většinou utrpí (záplavy, požáry, zemětřesení) a není plně funkční. Poslední kategorie nasazení je specifická také typem cílového zákazníka: není jím klasický poskytovatel služeb, ale typicky vláda, záchranáři nebo vojsko.
HAP jsou tedy třetí variantou pro poskytování širokopásmové komunikace vedle sítí pozemních a satelitních. Ve srovnání s pozemními sítěmi mají HAP výhodu ve větším pokrytí (zejména s využitím konstelace více platforem), takže mohou být ekonomicky výhodné i v rozlehlých a řídce osídlených oblastech, kde se provozovatelům oprávněně nechce poskytovat kompletní infrastrukturu. Oproti satelitním sítím zase HAP nabízejí výrazně vyšší kapacitu a nižší náklady (finanční i co se zásahu do životního prostředí týká při vynesení HAP do potřebné výše ve srovnání s vysláním a umístěním družice na oběžnou dráhu).
HAP také umí podporovat mobilní uživatele: dokáží obstarat nejen komunikační potřeby pasažérů ve vlacích a jiných prostředcích hromadné přepravy, ale také mohou podporovat další služby, jako je vzdálené monitorování pro bezpečnostní účely nebo řízení provozu či management flotily vozidel (fleet management). HAP by také měly být velice užitečné pro monitorování počasí a předvídání nebezpečných jevů jako třeba hurikánů.
Podnikatelské modely (včetně finančních rozvah) [PDF, 6,05 MB] vypracované v rámci projektu lze rozdělit do dvou variant. První do středu podnikání klade samotnou platformu HAP, která poskytuje různorodé služby prostřednictvím pronájmu kapacity na velkoobchodní bázi jednomu nebo více poskytovatelům. Druhý podnikatelský model se točí kolem poskytovatele služeb, který nabízí aplikace koncovému uživateli s využitím pronajaté kapacity od provozovatele HAP. První model je ziskový zejména pro poskytování služeb krátkodobých (Event Servicing/Disaster Relief) prostřednictvím pilotovaného typu výškové platformy.
Projekt rovněž vypracoval podnikatelský model pro poskytovatele služeb 3G, což by znamenalo kombinaci podpory širokopásmových a mobilních služeb (z celkových 121 podporovaných buněk např. 60 pro 3G a zbytek pro širokopásmový přístup, jinými slovy snížení širokopásmové kapacity na polovinu kvůli poskytování služeb 3G).
Hudba daleké i blízké budoucnosti
Finanční modely CAPANINA pro zvolené aplikace ukázaly, že v případě pečlivého zvážení souvisejících technicko-ekonomických záležitostí a při volbě vhodného trhu by mělo komunikační podnikání prostřednictvím HAP být ziskové. V nejbližší době se to týká komunikačních služeb pro krátkodobé účely (včetně řešení živelných událostí). Později, s již vyspělejší technologií a dostupnými HAP, by se dalo uvažovat o ziskovém provozu HAP pro poskytování rychlého přístupu k Internetu vedle 3G aplikací.
Již dnes lze jako pionýry HAP použít letadla, ale ta jsou z ekologického hlediska méně vhodná než nepilotované HAP (zejména v budoucnu napájené ze solárních panelů). UAV by mohly být k dispozici do několika let; umožní lety v délce týdnů a mohou být nasazené v rozvojových zemích. V dlouhodobějším měřítku už by měly být k dispozici nejmodernější velké HAP (např. vzducholodě plněné heliem) schopné pobytu ve stratosféře v délce měsíců až let.
Veškeré výsledky projektu, shrnuté do třicítky dokumentů, jsou k dispozici veřejnosti na stránkách CAPANINA.
ČLÁNKY DO MAILU