vsatman888 (vsatman888) wrote,
vsatman888
vsatman888

Categories:

Межспутниковые каналы связи (Space Laser) для Старлинка - в чем сложность?

Среди фанатов СтарЛинка очень много разговоров и  фантазий, как все замечательно будет в сети СтарЛинк  при наличии в ней межспутниковых каналов, и недоуменных вопросов Ну почему же Илон Маск их до сих пор не устроил , ведь мы хотим сегодня, ведь мы хотим сейчас..

Что ж я попробовал понять и оценить, что это такое межспутниковые каналы, какие есть возможности и какие сложности надо преодолеть или учесть. Сложность в том, что я никогда с ними не работал, поэтому если увидите ляп или ошибку - сигнализируйте..

Межспутниковые каналы связи InterSatellite Links

3 сентября 2020 года Спейс Х сообщило о первых тестах  межспутниковых каналов связи или ISL (Inter Satellite Link)


О наличии таких каналов в группировке СтарЛинк заявлялось еще в самом начале, однако ,  позднее в спутниках первого поколения от них для экономии времени и средств отказались.

Межспутниковые каналы позволили бы решить проблему связи   в тех районах планеты где на земле невозможно установить гейтвей с подведенным к нему ВОЛС для доступа в Интернет,  в настоящее время  СтарЛинк не может предоставлять услуги в морях и океанах кроме как на небольшом расстоянии от береговой линии, тем самым отрезая себя от весьма прибыльных рынков круизных лайнеров и  коммерческих судов морского флота, так как и от большей часть дальних полетов в  мировой гражданской авиации.

Еще одним широко и горячо обсуждаемым достоинством  ISL является то, что скорость распространения  сигнала в космосе равна скорости света, а вот в оптическом кабеле она меньше, и теоретически задержка при использовании   спутников СтарЛинк с ISL, будет меньше , чем при использовании трансатлантических подводных кабелей, связывающих США с Европой, Азией и Австралией, и это привлечет  биржевых брокеров, торгующих на биржах этих континентов.

Перед тем как перейти к обсуждению, расскажем немного собственно о технологии лазерной связи. Уже сегодня лазеры уже широко используются при передаче огромных объемов данных по волоконно-оптическим кабелям. Их использование в космосе обладает еще большим потенциалом, отсутствие физической среды передачи позволит получить высокую скорость передачи информации . Другое преимущество лазеров заключается в том, что свет имеет длину волны, меньшую в 10 тысяч раз, чем длина волны используемых в космических коммуникациях радиоволн. (или частота передачи в 10000 раз выше). Это означает, что свет лазера может распространяться более узконаправленным лучом и будет требовать меньших по размерам приемных устройств для того, чтобы получить сигнал достаточной для обработки амплитуды. Помимо увеличения уровня безопасности космических коммуникаций, это позволит уменьшить вес, габариты коммуникационного оборудования, на доставку которого в космос тратятся не такие уж и малые средства.


Вид бортового комплекта  для лазерной связи LLCD Lunar Laser Communication Demonstration, участвовавшего в эксперименте NASA  LADEE(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorerв)  2013 году связь между Землей и космическим аппаратом на орбите Луны.

Необходимо отметить, что  пропускная способность канала связи  определяется в том числе  и  диаметром приемной оптики, например , наземная приемная станция для данного эксперимента выглядела так ,

При этом скорость передачи с орбиты Луны достигла 622 Мбит в секунду, но скорость передачи в обратном направлении несмотря на большой размер передающей с Земли станции составил не более 20 мбит.  То есть размер приемной оптики и расстоние между передатчиком и приемником сигнала играют ключевую роль.

В настоящее время основной упор делается на использовании лазерной связи для связи Земли и спутников Земли. Например один бортовой комплект  разработки Mynaric, AG (Германия) для лазерной связи весит   7 - 15 кг. Этот комплект  может передавать 10 Гбит / с на 4500 км.  Компания рассматривает скорость 100 Гбит / с, но ее текущие продукты работают на скорости 10 Гбит / с. Отметим, что приемный терминал на Земле  для получения данных на таких скоростях имеет более чем внушительные размеры.

На рисунке  показан наземный лазерный терминал Mynaric.

На рисунке  показан наземный лазерный терминал Mynaric.

По словам Руководителя Mynaric  г-на Ярнала  наведение, захват и слежение  за космическим аппаратом - самая сложная проблема в космической лазерной связи. Фундаментальный компромисс здесь заключается  в поиске  компромисса между точностью наведения и мощностью светового пуска : чем меньше расходимость (рассеяние) светового пучка,  тем выше сигнал на приемнике , но в этом случае выше  требование по точности наведения. Расходимость пучка света современного лазера может достигать 10 мкрад (или 0,00057 градуса) . Отметим , что в этом случае пучок света на расстоянии в 1000 километров имеет диаметр  всего 10 метров. 

При этом необходимо помнить, что при связи между спутником и Землей мы имеем на одной стороне жестко фиксированный в пространстве объект,  при межспутниковом канале связи сложность организации сеанса связи практически удваивается.

Если же аппаратура на спутнике не может  обеспечить такую точность  наведения, то  остается  смирится с широким рассеянием луча, что при фиксированной мощности передатчика  на борту спутника и размером оптического приемника  значительно уменьшает пропускную способность  такого канала связи .

Так же отметим еще один момент, если для одиночного спутника для его связи с Землей достаточно одного комплекта лазерной связи, который в сеансе связи будет сориентирован на Землю, то в такой сложной и многоспутниковой системе как СтарЛинк для организации сервиса – то есть непрерывного канала связи в любое время суток , каждый спутник должен иметь 4 комплекта лазерных коммуникационных модулей , сориентированных по всем 4 направлениям.   При этом отметим, что даже с 4 модулями необходимо будет обеспечить отклонение луча в модуле в диапазоне 90 градусов (плюс /минус 45 градусов от оси), что делает конструкцию такого модуля чрезвычайно сложной и возможно потребует наличия механических поворотных устройств в модуле лазерной связи. Если же угол отклонения в 45 градусов не будет гарантирован автоматически, то возникнут «мертвые» зоны для приема/передачи у конкретного спутника, что приведет к тому, что связь будет организована не по кратчайшему маршруту.

Отдельным вопросом является компоновка  размещения модулей на спутнике. Спутник СтарЛинк сейчас оптимизирован для максимально плотной укладке внутри обтекателя ракеты Фалкон9, и имеет форму  прямоугольника   с достаточно малой высотой (20 см или 8 дюймов), но именно на этой «тонкой» стороне будет необходимо размещать  оптические модули, по одному на каждую сторону,  вопрос в том,  удастся ли вписать их в нынешнюю конструкцию  спутника, даже с учетом того, что Спейс Х будет само проектировать  модули для Лазерной связи и их оптику, судя по описанию аппаратуры оптической связи, управлением направлением луча реализуется системой линз и такая оптическая часть требует достаточно больших габаритов , если речь идет о передаче с высокой пропускной способностью.

Отметим так же, что передатчики для лазерной связи являются новыми потребителями энергии на борту, а их кпд не превышает 25%,  то есть возникает задача утилизации и сброса в космос оставшихся 75% затраченной энергии, что является хотя и не критической, но тем не менее требующей инженерного решения задачей.

Отдельной , гораздо более сложной и важной проблемой является управлением трафиком, направляемым в оптический канал связи. Напомним, что существующие «классические» спутники связи на Геостационарной орбите являются ретрансляторами , то есть по сути зеркалами, они получают с Земли сигнал на одной частоте , и передают его со спутник на Землю на другой , но не меняя модуляцию и другие параметры самого сигнала.

Для понимания покажем , на элементарном примере что такое модуляция и как передается полезная информация в радиосигнале.

Различают  несущую частоту (carier wave) и модулирующий сигнал если мы говорим о передаче аналогового сигнала, то на несущую частоту накладывается  другой сигнал, меняя амплитуду несущей частоты:

А) вид сигнала несущей частоты

Б) вид  модулирующего сигнала (полезной информации)

В) Вид передаваемого сигнала  с полезной информацией


Для передачи цифровой информации  несущая частота и модулированный  сигнал с полезной информацией выглядят так:


Главным здесь является отсутствие обработки (демодуляции сигнала на борту спутника и соотвественно аппаратуры для этого).

Так  при работе в Ку диапазоне сигнал передается с Гейтвея на борт спутника  на частотах 14…14,5 ГГц, на борту сигнал меняет несущую частоту и с неизменной модуляцией (полезной информацией)  передается вниз на абонентский терминал на частотах 10,7..11,2 ГГц .

Однако, включение в архитектуру сети СтарЛинк лазерных каналов связи потребует  наличия на борту спутника  маршрутизации и разделения информационных потоков от абонентского терминала ) на те которые будут переданы вниз на  гейтвей или далее по межспутниковому  каналу.  Самый простой путь без существенного усложнения конструкции  самого спутника , это выделение специального диапазона частот  в рамках общей полосы , сигнал и информация, передаваемого по  которому  при попадании на борт спутника направляются исключительно в межспутниковый канал связи, то есть радиочастотный сигнал высокой частоты, несущий данные, накладывается на световой сигнал перед передачей по оптическому каналу

с длиной волны 1000..1500 нм (технология типа RF over fiber) .  Это проще, но означает, что

а) пропускная способность межспутниковых каналов будет изначально ограничена и

б) весь частотный ресурс,  задействованный для  передачи информации, передаваемой далее по межспутниковым каналам связи,  будет по сути исключен для обслуживания обычных абонентов в тот период, когда спутник летит над территорией,  где достаточно гейтвеев и нет нужды в межспутниковых каналах.

В) с большой долей вероятности будут нужны особенные абонентские терминалы, работающие  2 частотном режиме

Альтернатива данному варианту это обработка информации на борту спутника. То есть полученный от  абонентского терминала радиосигнал демодулируется и декодируется до уровня  IP пакетов, направляется в маршрутизатор, который уже распределяет информацию в радиочастотный или оптический канал связи.

Данный метод позволяет гибко использовать  весь доступный частотный диапазон, не требует специальных абонентских терминалов, но требует наличия на борту маршрутизатора, способного обработать  пакеты на скорости до 20 гбит в секунду. При этом процессор такого маршрутизатора  должен работать не в строго климатизированном помещении дата центра с узким диапазоном рабочих температур, а в условиях открытого космоса где температуры при отсутствии системы охлаждения и терморегуляции будут находиться  в диапазоне от минус ста градусов до плюс ста и более.  Учитывая, что такое практически исключено это потребует наличия мощной СОТР (системы охлаждения и  терморегуляции) на борту спутника , что отразится на массо габаритных параметрах ИСЗ.

Заметим, однако, что все вышеуказанные проблемы носят технический характер  и в принципе решаемы. 

Наличие межспутниковых  оптических каналов  приведет к появлению  разных услуг   через обычный гейтвей и «дальняя» или «быстрая», где стоимость трафика естественно будет выше.

Безусловно отдельная  задача, чисто коммерческая это расчет того насколько стоимость такого «быстрого» трафика  должна быть выше чем обычного и главное найдется ли достаточное число клиентов готовых оплатить такое принципиальное изменение архитектуры сети и связанные с этим инвестиции.

Напомню в этой связи  слова Джонатана Хофеллер, вице-президент SpaceX по коммерческим продажам SpaceX:  Мы должны убедиться, что это рентабельно, перед тем как создать это (ISL)  и внедрить в группировку СтарЛинк)

И еще один аспект  внедрения межспутниковых линий связи в группировку СтарЛинк, который  возможно   не привлек пока внимания  специалистов Спейс Х.  Внедрение ISL позволит абоненту сети СтарЛинк выходить  в интернет с территории другой  страны или  передавать информацию  с одного терминала на другой, минуя какие либо наземные  узлы связи.

Однако, практически все страны и уж тем более развитые имеют в своем законодательстве нормы, обязывающие всех операторов связи обеспечить возможность доступа спецслужб к передаваемому в их сетях трафику. Речь идет именно о гарантии обеспечения доступа. Будут ли спецслужбы читать переписку или нет, это уже вопрос суда и других норм местного законодательства. А вот Операторы связи ДОЛЖНЫ ОБЕСПЕЧИТЬ. И точка.
В США это
The Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), принят еще в эпоху Билла Клинтона, еще до событий 9/11. Нормы этого закона и требования к Операторам недалеко ушли от Российского закондательства по СОРМ и соотвествующих требований к  Операторам Связи, так же как и законов других государств.

И требования обеспечения  СОРМ   ставят две группы проблем.

Одна чисто внутри американская – как Спейс Х убедит ФБР, что она выполняет требования  CALEA.  Тут сказать не могу, может  это будет список предварительно одобренных ФБР абонентов, кто может  использовать сервис с ISL, может будет запрещено направлять абоненту в США трафик  с происхождением вне территории США , может ISL будет передавать трафик, поднятый только через Гейтвеи на территории США .  В общем вариантов много и они предмет дискуссии между Спейс Х и ФБР, в конце концов Илон Маск добропорядочный гражданин США и ее патриот. .

Но, вопрос  доступа спецслужб к трафику абонентов начинает  смотреться совсем по другому, если мы говорим о другой стране. Если до внедрения межспутниковых каналов связи, Спейс Х мог убедить национального регулятора в сфере телекоммуникаций о том, что весь трафик для абонентов данной страны пойдет с Гейтвея на ее территории , на котором спецслужбы/полиция поставит соответствующий police interceptor, то с наличием ISL оно должны будут либо поверить на слово частной американской компании, либо подписать некое соглашение о сотрудничестве с ФБР, передав ФБР часть полномочий в перехвате трафика потенциальных преступников. В любом случае, речь пойдет об ограничении национального суверенитета на собственной территории.

Безусловно наладить обмен данными внутри США и его союзников по НАТО, или укрупненно "Западного мира"  будет скорее всего возможно, однако, даже в этих странах есть внутренние конфликты, как например, в Испании вопрос сепаратизма Каталонии или Турция с противостоянием Эрдогана и его противников, где  нет криминала или терроризма, но власти страны ограничивают или могут ограничить отдельные сайты своих оппонентов в интернете. То есть по сути Испания или Турция должна передать (обязать) США следить за ее политическими оппонентами, даже если Правительство США не считает  их преступниками.

А если мы вспомним Саудовскую Аравию (союзника США) , то вряд ли она будет готова открыть своим гражданам полный доступ к сайтам эротического содержания или критикующих действующего монарха.

Одним словом, внедрение межспутниковых каналов связи в группировке Спейс Х вызовет серьезнейшие проблемы для ее выхода на коммерческие рынки связи других стран.

Таким образом, можно сказать что Спейс Х стоит на распутье , если внедрить межспутниковые каналы связи, то ее сервис вызовет значительный интерес со стороны  круизных и судоходных компаний, базирующихся в США, и возможно, военных , но шансы на предоставление коммерческих услуг связи на рынках других стран значительно ухудшатся.

Tags: isl, starlink, космос, ликбез, телеком
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 78 comments