Предисловие
Привет!
Я - HW RnD CTO по современной спутниковой и сотовой связи - и, как немного погруженный в отрасль человек, решил написать цикл статей о разработке cutting-edge telecom hardware.
Добро пожаловать в первую [вводно-популярную] часть цикла о разработке терминалов связи для StarLink V2!
Зачем вообще StarLink?
Вот где точно применима закономерность Мура, так это в росте потребления данных: трафик буквально удваивается каждые 2 года (например, согласно свежим данным за последние 5 лет, но тенденции уже лет 20).
Плюс, что немаловажно, наблюдается [логичный] одновременный рост потребности в зоне покрытия, что буквально противоположно скорости связи.
Или скорость, или покрытие.
Чем выше теоретическая скорость передачи данных, тем пропорционально меньше зона покрытия. Связь 1G достигала покрытия в 120км, 3G уже 40км, 4G около 10км, и так до 5G с покрытием порядка сотен метров!
Если кратко, то проблема в банальном пределе количества излучения на килограмм мяса :)
(Думаю, об этой проблеме будет отдельная статья в разрезе 6G и 7G).
Одним из решений этих критических проблем пытается стать технология D2C (Direct-To-Cell) посредством спутниковых мега-группировок связи (т.н. "satellite constellations").
Разница поколений StarLink
Оставим за скобками колоссальные проблемы ракетной отрасли с возросшей потребностью вывода аппаратов на орбиты и перейдём к самой изюминке: в чем принципиальная разница между StarLink-V1 и V2, и как именно второе поколение многократно нарастило пропускную способность?
Логистика: у кого ракеты, у того и спутники
Именно логистический ресурс является фактически главной преградой к росту спутниковых группировок, и SpaceX начала свою историю с ракетостроения ровно с прицелом на спутниковое доминирование (если отнести марсианскую романтику пока больше к пиару).
Последние 15 лет количество активных спутников резко перешло от линейного роста к экспонентенциальному, и уже увеличилось на порядок.
Согласно одобрениям FCC - дальше - значительно "хуже" :)
Спутники StarLink-V1 фактически являются максимально классическими аппаратами радиосвязи массой 250-270кг, на которых обкатывались утилитарные технологии развёртывания больших низкоорбитальных группировок связи. Да, аппарат StarLink-V1 уже можно назвать текущим апогеем эволюции спутников радиосвязи (т.к. всё дно аппарата покрыто фазированными решетками (ФАР) для связи с наземными абонентами), но его пропускная способность сильно ограничена радиоканалом между двумя ближайшими спутниками, а также геометрическим размером абонентской ФАР.
Проблему размера ФАР для StarLink-V2 в SpaceX решили буквально - увеличили размер аппарата в 4 раза >_<
(На самом деле это действительно единственный выход, но он повлёк за собой очень много проблем).
А вот ключевая РЕволюция довольно незаметно произошла не в абонентской, а в межспутниковой связи: аппараты V2 оборудованы лазерными линиями связи (FSO LCT) для общения между собой. Т.е. в самом буквальном смысле на каждом спутнике расположено по 4 лазера и 4 приёмника.
Кстати, почему 4? Почему сетка должна быть именно квадратной?
Минимальное количество связей в узле - три - при гексагональной сетке. Максимальное количество связей - 6 - при тригональной сетке. Очевидно, что гексагональное заполнение будет иметь минимальное количество аппаратов, но при этом обладать минимальной надежностью и отказоустойчивостью сети. Напротив, тригональная сетка имеет максимальную надежность, но и значительный рост аппаратов.
При этом, помимо чистой геометрии, необходимо учитывать и движение спутников по орбитам Земли.
Так вот именно удобные орбитальные наклонения и оптимальный сбалансированный набор параметров как раз приводит к выбору 4-ёх узловой сетки.
В чём фишка FSO LCT
Открытая оптическая [лазерная] линия связи, (Free-Space-Optics Laser-Communication-Terminal, FSO LCT) имеет перед фазированным радио каналом всего два преимущества: энергетическую эффективность и предельный объём передачи данных за единицу времени. Кстати, здесь важно чётко разделять "скорость канала" в [бит/сек] и "скорость передачи" каждого отдельного бита в [мс], т.к. сама скорость распространения сигналов света и радио в вакууме - одинакова. При этом, говоря о космических системах связи - зависимость ping'а от геометрического расположения элементов сети - совсем не праздный вопрос.
Прямо как в старом сисадминском анекдоте
"Самый быстрый способ передачи данных - бросить жёсткий диск."
Очевидно, в данном случае колоссальное количество данных передаётся за минимальное время, однако постоянтство и модифицируемость этого процесса околонулевые.
Большое количество "старых" спутников связи и навигации находятся на геостационарных орбитах, физическое время сигнала до которых (round trip) составляет вполне ощутимые >240мс без учёта аппаратных задержек.
Рассмотрим подробнее энергетическую эффективность
Очевидно, что чем концентрированнее [в пространстве] излучение, тем меньше необходима мощность передатчика для равной величины сигнала.
В данный момент, самый узкий радио-луч имеет угловую направленность около 2 градусов. Причём это огромная стационарная ФАР-антенна PAVE PAWS. На деле же, для компактной ФАР - даже 10-20 градусов - уже очень хорошо.
В то же время, "обычный" небольшой лазерный терминал (например, d=100мм, lambda=1мкм) имеет направленность излучения порядка 2е-5 градусов. Типовые КПД ФАР и современных лазеров условно сопоставимы на уровне 10% по мощности, в связи с чем выходит чистая разница по энергетике в 10000 раз. Справедливости ради, лазерная линия требует на приёме бОльшего контраста на фоне шумов (пропорционально битрейту), чем радио, но разница энергоэфективности всё равно в несколько порядков.
Теперь к самому битрейту
Если кратко, то самые передовые спутниковые радиоканалы K-Band имеют предельную рабочую частоту до 30ГГц, тогда как стандартные частоты лазеркома - 300ТГц (частота излучения 1мкм в вакууме), что ровно как и с энергией - аккурат в 10000 раз выше.
Разумеется, ни о каких "терабит по воздуху" никто не говорит, но только лишь потому, что текущие цифровые приёмники и коммутаторы буквально не способны переваривать такие одноканальные нагрузки (плюс не забываем о кэшировании - обеспечение чтения/записи данных на отправку фактически уже является одним из самых узких мест лазеркома).
Тем не менее, величина ~50Гбпс является вполне рабочей для приёмников лазерных линий, что в любом случае существенно превышает типовые десятки Мбпс K-band.
Итого, относительно ФАР уже сегодня FSO LCT имеет на выходе тысячекратный битрейт с тысячекратной энергетической эффективностью.
Проблемы
Каждый инженер уже давно заподозрил подвох - "его есть у нас", да не один.
За революцию приходится платить, особенно за технологическую: узкая направленность излучения накладывает запредельные требования на системы наведения и удержания канала связи; ряд оптических компонентов крайне чувствителен к космической радиации; требуются значительно более сложные ПЛИС и модуляторы, которые в свою очередь ионизируются; а ещё солнечная засветка и многое, многое другое.
Как и в любой молодой революционной технологии: буквально каждый компонент спутникового лазеркома во столько же раз сложнее и дороже, насколько и точнее/быстрее.
Небольшой мысленный эксперимент о необходимых точностях
Например, механизм удержания линии связи: попробуйте представить себе танцующего на Кавказе человека (~2 метра в профиль, хотя спутники StarLink V2 вдвое меньше), которого нужно удерживать лазерной указкой из Петербурга (т.е. с расстояния хотя бы 2000км) на протяжении минимум 7 лет "без единого разрыва"! (Типовой MTBF 5-7 лет).
Обо всём этом будет подробнее в следующих частях ;)
Отсюда возникают и проблемы с надёжностью, снова поиск новых костылей решений и технологий, и так по кругу.
Итоги и дешёвый байт (куда ж без него)
Собственно, огромные вложения SpaceX в тяжёлую ракетную индустрию, а также обкатка StarLink-V1 - всё это во многом было нацелено именно на лазерную сеть StarLink-V2, которая однозначно является революционной технологией широкополосной связи.
Наша команда занимается FSO LCT уже несколько лет: именно детальному разбору проблем космического лазеркома, а также как мы их решаем - и будет посвещён данный цикл статей.
Огромное спасибо всем, кто читает даже эти строки, и буду рад вашему фидбэку!
Комментарии (26)
Beo
21.04.2023 17:48+2Способ с жесткими дисками реально использовался во времена модемов и видеокассет. Скачать полный сериал Вавилон-5 или купить его на кассетах было не так быстро и дёшево (там больше 100 эпизодов), при этом он уже влезал на 1 HDD. Так и продавали, почти по цене диска нужной ёмкости.
Melirius
21.04.2023 17:48Он и сейчас используется: https://ru.m.wikinews.org/wiki/Первое_фото_чёрной_дыры
anonymous
21.04.2023 17:48НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
bbs12
21.04.2023 17:48+4Но мощность излучения сигнального костра намного выше, чем у роутера. Там энерговыделение может быть под 100 киловатт, все сидящие рядом с костром получают просто адские дозы. Предлагаете вернуться к этим машинам-убийцам?
mianoki Автор
21.04.2023 17:48+2Совершенно верно.
Именно поэтому и снижается зона покрытия сетей: из-за повышения дозы излучения с ростом частот - необходимо снижать амплитуду (=радиус).
В итоге, суммарное количество получаемого излучения не растёт.bbs12
21.04.2023 17:48+1из-за повышения дозы излучения с ростом частот
Это утверждение странно звучит, учитывая, что речь идет о частотах ниже инфракрасного диапазона. Эти частоты не должны повреждать ткани ничем кроме тупого нагревания, там не должно быть никакого "накопления дозы", как например с рентгеном.
Blck-1
21.04.2023 17:48+2Позанудствую немного :)
"Большое количество "старых" спутников связи и навигации находятся на геостационарных орбитах" -- навигационные спутники очень далеко от геостата, да и для них это не имеет никакого значения так как задержка сигнала не сильно влияет на качество позиционирования
"В данный момент, самый узкий радио-луч имеет угловую направленность около 2 градусов" -- непонятно что имелось ввиду под "угловой направленностью" так как даже для Ku-диапазона есть мелкие ФАР-ы (не сравнимые по размерам с приведенным монстром) с +- 2 градусами. (https://www.thinkom.com/wp-content/uploads/2022/06/thinair-ka1717-datasheet.pdf и https://www.thinkom.com/wp-content/uploads/2022/03/thinair-ka2517-datasheet.pdf например)."Десятки Мбпс K-band" -- Наверное имелся ввиду Ka-диапазон а не K-диапазон. Вот даже статья по ссылке про него и говорит. Кроме того, речь идет о линии "абонент-хаб", тогда как довольно давно нет никаких проблем организовывать сотни Мбит/с на линии "хаб-абонент" а с появлением на орбитах HTS новейших поколений с транспондерами в 200+ Мгц то и Гбит/с на линии "хаб-абонент" не являются проблемой для современных систем спутниковой связи.
Ну или единица измерения в Мбпс как-то по-другому определяется :-)mianoki Автор
21.04.2023 17:48Огромное спасибо за интересные ссылки! Я не специалист в современных ФАРах, но в любом случае в оценочных расчётах учитывал именно 2 градуса ;)
А вот про навигацию, всё же не соглашусь - как раз задержка сигнала является самым главным бичём геопозиционирования, т.к. это TOF-система. Чем меньше время сигнала, тем точнее бортовые часы отмеряют расстояние смещения.Blck-1
21.04.2023 17:48В любом случае GPS, ГЛОНАС, Galileo, BeiDu сидят не на геостате а сильно ближе и вполе себе рабоотают. ЕМНИП основная сложность в таких системах -- держать бортовые часы как можно более синхронизированными на всей группировке, так как все что они передают это сигнал точного времени..
Rikhmayer
21.04.2023 17:48Задержка сигнала - это то, что навигационный приёмник вычисляет, так что у вас получается "пчёлы против мёда". А главный бич геопозиционирования - это изменение задержки сигнала из-за прохождения его через ионосферу (и прочие атмосферы), что частично купируется излучением на двух частотах.
vassabi
21.04.2023 17:48там для наведения лазеров между спутниками одной орбиты гораздо проще механизм: расстояния изменяются немного, надо будет только компенсировать направление самого спутника (которого сносит атмосфера - на такой высоте она все еще влияет, луна, солнечная активность и т.д.)
mianoki Автор
21.04.2023 17:48Да, внутри одного орбитального наклонения действительно всё реализуется довольно просто.
А вот между орбитами.. При личном общении - инженеры Amazon Kuiper называли это главной преградой к межспутниковому лазеркому, хотя там хватает преград ;)
Astroscope
21.04.2023 17:48Связь 1G достигала покрытия в 120км, 3G уже 40км, 4G около 10км, и так до 5G с покрытием порядка сотен метров!
Не вполне понятно, что имеется в виду. Радиус сектора, площадь сектора, что-то другое?
Связь 1G, если в единицах радиуса сектора, не имела принципиальных ограничений - только объективная радиовидимость, которую нарушал рельеф, застройка, а то и горизонт.
Связь 2G зачастую означает TDMA, а значит приципиальным ограничением становится длительность защитного интервала между таймслотами. С практической точки зрения проблемы были только у GSM, тогда как D-AMPS не страдал от тридцатипятикилометрового лимита. Как и системы CDMA в принципе.
unclejocker
21.04.2023 17:48Вспомнил историю из 1999 года, когда знакомые телефонисты решили ставить абонентам вместо проводных телефонов DECT-телефоны и в какой то момент обнаружили, что на определенном расстоянии от базовой станции они перестают работать независимо от мощности сигнала и видимости антенны, сюрприз.
AlexVWill
21.04.2023 17:48Спасибо, за хорошую статью. Немного в сторону. Собственно, я давно подозревал, что SpaceX это сугубо практический коммерческий проект направленный прежде всего на удовлетворение насущных потребностей дешевых космических запусков для реализации задач вроде Starlink. А все разговоры о колонизации Марса это некий светлый идеал, к которому надо стремиться, но который в ближайшие лет 100-200 врятли сможет быть экономически оправданным, т.к. человечеству с этой самой колонизации Марса никакой практической пользы нет. Но это не значит, что не надо делать этот проект, т.к. его реализация дает толчок для развития массы смежных отраслей и знаний, которые могут быть применимы прям здесь и сейчас.
raamid
Во времена модемной связи по этому поводу была предложена следующая модель передечи данных: записываем данные на DVD диски, грузим диски прямо без коробок в самосвал. Едем в соседний город, там все выгружаем.
На все вопросы критиков по поводу надежности (диски поцарапаются) и актуальности (кому вообще придет в голову передавать такой объем данных между двумя точками) смело отвечаем: "Чувак, 0.0000000001 доллара за мегабайт на километр!!! Не ломай кайф!".
lorc
Ну Амазон собственно предлагает (или предлагали?) похожую услугу по загрузке данных в облако: вы присылаете им по почте жесткий диск, они переписывают его к себе в хранилище, потом отсылают обратно.
unclejocker
Диск по почте вчерашний день. К вам может приехать фура с дисками: AWS Snowmobile.
https://aws.amazon.com/ru/snowmobile/
triky99
AWS Snowmobile
DikSoft
Azure data box heavy )