ОБЗОР ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА STARLINK

ОБЗОР ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА STARLINK

Научная статья

Миронова Э.Ю. *

ORCID: 0000-0001-8687-9674,

Колледж инфраструктурных технологий Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, Якутск, Россия

* Корреспондирующий автор (emiron93[at]yandex.ru)

Аннотация

В настоящее время технологии беспроводной связи быстро развиваются, в частности технологии глобального беспроводного доступа – спутниковая связь. В начале 2018 года в феврале компания SpaceX анонсировала свой инновационный проект по организации системы спутниковых созвездий Starlink. Данный проект принято просто называть «космическим интернетом» или «космическим Wi-Fi». В ходе исследования выясним насколько близки к истине такие названия, а также рассмотрим организацию спутниковой системы, радиопокрытие спутников, возможные проблемы и применение.

Ключевые слова: Starlink, SpaceX, OneWeb, глобальный интернет, спутниковая система, LEO, VLEO.

OVERVIEW OF STARLINK – WIRELESS ACCESS GLOBAL NETWORK

Research article

Mironova E.Yu *.

ORCID: 0000-0001-8687-9674,

College of infrastructure technologies of the North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov, Yakutsk, Russia

* Corresponding author (emiron93[at]yandex.ru)

Abstract

Currently, wireless technologies are rapidly developing, in particular, global wireless access technologies – satellite communications. SpaceX has announced its innovative project on the organization of the Starlink satellite constellation system at the beginning of 2018, in February. This project is called the "space Internet" or "space Wi-Fi." During the course of the study, we will find out how close are these name to the current situation, and also consider the organization of the satellite system, satellite radio coverage, possible problems, and applications.

Keywords: Starlink, SpaceX, OneWeb, global Internet, satellite system, LEO, VLEO.

Введение

Starlink – это инновационный проект спутниковой системы на околоземной орбите, разрабатываемый частной компанией SpaceX, основателем которой является Илон Маск. Данная спутниковая система предназначена для обеспечения жителей всей планеты беспроводным доступом к дешевому и высокоскоростному спутниковому интернету. Система предназначена для предоставления широкого спектра широкополосных и коммуникационных услуг для жилых, коммерческих, институциональных, правительственных и профессиональных пользователей по всему миру.

Организация спутниковой системы

22 февраля 2018 года в 17 часов 17 минут по московскому времени компания SpaceX приступила к выполнению испанской миссии PAZ, где они с военной базы Vandenberg вывели на орбиту спутник наблюдения Земли, а также, в качестве дополнительной нагрузки два спутника Microsat-2a и Microsat-2b. Эти спутники являются прототипами, тестовыми спутниками проекта Starlink, которые отделились от ракеты-носителя на высоте 511 км и начали тестирование своих антенн посредством передачи телеметрии, тестовых пакетов данных, а также видеотрансляции с борта. В течение полугода эти спутники должны набрать высоту до 1125 км, провести тестирование и затем сойти с орбиты по рассчитанной траектории. Следовательно, их нельзя причислить к рабочей группе спутников проекта Starlink.

Всего в спутниковой системе проекта Starlink должно быть задействовано около 12 тысяч спутников, в первую очередь SpaceX будет выводить рабочую группу из 4425 спутников LEO на высоту от 1,110-1,325 км на 83 орбитальные плоскости, которые будут вещать в K_a («above» от 26,5-40 ГГц) и K_u («under» от 12 -18 ГГц) диапазонах (К-диапазон 18-26,5 ГГц). Кроме того, в систему так же входит связанные с ними наземные средства управления, наземные станции шлюза и наземные станции конечного пользователя (см. таблицу 1).

Таблица 1 – Характеристики созвездия системы спутников первой рабочей группы

СОЗВЕЗДИЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВ SPACEX
Параметр	Первоначальное развертывание (1600 спутников)	Окончательное развертывание (2825 спутников)
Количество орбитальных плоскостей	32	32	8	5	6
Количество спутников	50	50	50	75	75
Высота, км	1,150	1,110	1,130	1,275	1,325
Наклон º	53	53,8	74	81	70

 

Технические характеристики будущих спутников в настоящее время неизвестны. А именно мощность и количество антенн на аппаратах, поэтому не стоит ожидать скоростей более 100 Мбит/с, к тому же пропускная способность данных со спутников будет фиксированной из-за этого будет труднее обслуживать большое количество абонентов. Поэтому в первое время Starlink будут пользоваться в основном путешественники, люди, которые проживают в отдаленных регионах и с низкой плотностью населения [1].

Радиопокрытие спутниковой системы

Для густонаселенных территорий вводится вторая группировка в 7518 спутников VLEO, которая будет выведена на низкую околоземную орбиту, где высота составляет 340 км. Эти спутники будут работать в более скоростном V-диапазоне (полоса частот от 40 ГГц до 75 ГГц) для густонаселенных городов, где заявленная скорость передачи будет достигать 1 Гбит/с.

Конфигурация созвездия VLEO (SpaceX определяет, как V-band Low Earth Orbit) рассчитана в таблице 2.

 

Таблица 2 – Характеристики созвездия системы спутников второй рабочей группы

Количество спутников	2547	2478	2493
Высота, км	345,6	340,8	335,9
Наклон в градусах	53	48	42

 

Система SpaceX будет использовать усовершенствованные технологии формирования лучей фазированной решетки и цифровой обработки данных на борту каждого спутника, чтобы эффективно использовать и гибко распределять ресурсы спектра частот с другими пользователями сети на основе космических и наземных лицензий. Технологии с фазированной решеткой будут использоваться на пользовательских терминалах системы, чтобы можно было использовать высоконаправленные и управляемые антенные лучи, которые отслеживают спутники системы. Те же технологии с фазированной решеткой на земных станциях шлюза будут генерировать пучки с высоким коэффициентом усиления для связи с несколькими спутниками внутри созвездий с одного узла шлюза. Система также будет использовать оптические межспутниковые линии связи для бесперебойного управления сетью и непрерывности обслуживания, одновременно сводя к минимуму охват спектра всей системы и облегчая совместное использование спектра с другими космическими и наземными системами [1].

Работая на высоте 1110 км и более при наклонах от 53 до 70 градусов, спутники в созвездии LEO будут иметь относительно больший след с узкими пятнами, покрывающими относительно широкую зону обслуживания (около 4,5 млн км²). Поскольку созвездие VLEO работает примерно на одну треть от высоты созвездия LEO, его спутники будут охватывать менее одной десятой площади лучей созвездия LEO, но отображаться будет в одну и ту же сетку (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Сравнительный охват LEO и спутникового следа VLEO

  Наземные технологии связи со спутниковой системой

Расширенные технологии формирования фазированной решетки и цифровой обработки данных в спутниковой полезной нагрузке дают системе возможность высокоэффективного использования ресурсов спектра Ku- и Ka-диапазона и гибкость для обмена этим спектром с другими лицензированными пользователями. Пользовательские терминалы, работающие с системой SpaceX, будут использовать аналогичные технологии с фазированной решеткой, позволяющие использовать высоконаправленные, управляемые антенные лучи, которые отслеживают спутники на низкой околоземной орбите.

На терминале доступа будет применяться фазированная антенная решетка для быстрого переключения с одного спутника на другой, поэтому для переключения абонента понадобится всего лишь несколько миллисекунд. Но данный терминал, скорее всего, будет весьма немалых габаритов в лучшем случае размером со среднестатистический ноутбук. Стоить такой прибор так же будет немало, по предварительной информации от 100-300$. К примеру, можно привести аналогичный терминал компании OneWeb, которая так же занимается подобным проектом. Обе компании работают отдельно друг от друга и являются прямыми конкурентами.

Изменения в планах

По плану SpaceX компания должна приступить к реализации проекта Starlink в 2019 году, начав выводить на орбиту рабочую группировку первой фазы. Однако, профессор Марк Хэндли из Университетского колледжа Лондона произвел расчет орбит спутников на основе данных от SpaceX и смоделировал спутниковую систему (см. рисунок 2), состоящую из трех основных рабочих групп (фаз). Также вычислил необходимое количество спутников для успешного и прибыльного функционирования на околоземной орбите, что может составить лишь треть от планируемого числа – 4425 спутников. Кроме того, данная модель имитировала передачу сигнала из одной точки мира в другую, где задержка сигнала в среднем не превышала 90 миллисекунд.

Рис. 2 – Моделирование спутниковой системы Starlink, пример процесса установления соединения и передачи данных

 

Марк Хэндли утверждает, что «Сеть будет иметь очень хорошую связь на больших расстояниях с малыми задержками, как, например, при отправке сообщений. Это очень важно для банков и подобных компаний, которые всегда хотят очень быстро получать информацию. Они платят большие деньги за создание сетей, зачастую, частным, а не обычным коммерческим провайдерам. Даже с первой фазой в 1600 спутников у SpaceX будут большие доходы» [5], [6].

Кроме того, по полученным данным от спутников-прототипов, компания SpaceX 8 ноября 2018 года решила сократить высоту орбиты для первой рабочей группировки спутников до 550 км и с углом наклона в 25º. Такие изменения могут повлечь за собой выгоды в том отношении, что будет расходоваться меньше топлива для подъёма на орбиту «вставки» спутников (300-350 км). Функционирование на более низкой высоте увеличивает надежность, уменьшая интенсивность потока излучения, и уменьшает шанс столкновения в переполненных 550-1,150-километровых орбитах LEO, кроме того на орбитах ниже 650 км благодаря притяжению Земли и солнечному ветру, потенциальный космический мусор будет постепенно падать и сгорать в плотных слоях атмосферы Земли. Это решение также позволяет уменьшить задержку передачи сигнала, что увеличивает скорость передачи данных, правда в ущерб области радиопокрытия [4].

Заключение

Проект пока не вступил на этап реализации, и по мере приближения к данному этапу, проект будет дорабатываться, так как будут появляться новые идеи, данные, проблемы и решения. Вполне вероятно, что изменится численность спутников, высота орбиты, а вместе с этим параметры антенн. Когда запустят спутниковый интернет Starlink, однозначно сказать нельзя, но при успешной реализации проекта может измениться многое в отношении применения спутниковых технологий для передачи данных и осуществления связи. Однако, даже при успешной реализации проекта могут возникнуть проблемы при внедрении данной технологии в различные страны. А именно в отношении получения лицензии на предоставление услуг широкополосного интернета.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Albulet M. Spacex v-band non-geostationary satellite system: attachment a. technical information to supplement schedule s / M. – SPACE Exploration Technologies Corp., 2017. - 60с.;
2. Musk E. Becoming a Multiplanet Species . 68th annual meeting of the International Astronautical Congress in Adelaide / Musk E., Australia: SpaceX
3. Fresh FCC Filing for Starlink Satellite Constellation. [Электронный ресурс] Reddit.com:   URL: https://www.reddit.com/r/spacex/comments/9vek5n/ fresh_fcc_filing_for_starlink_satellite/ (дата обращения: 19.11.2018)
4. Кинякина E. Зачем Илону Маску менять орбиту космического интернета. [Электронный ресурс] Forbes.ru: Технологии / E. Кинякина URL: http://www.forbes.ru/tehnologii/369027-zachem-ilonu-masku-menyat-orbitu-kosmicheskogo-interneta (дата обращения 15.11.2018
5. Спутниковый интернет Starlink от SpaceX – «лицензия для печати денег». [Электронный ресурс] habr.com: URL: https://habr.com/post/429658/ (дата обращения 21.11.2018)
6. Starlink network topology simulation & predictions. [Электронный ресурс] Reddit.com:  URL: https://www.reddit.com/r/Starlink/comments/9sxr3c/ starlink_network_topology_simulation_predictions/e8uz76s/ (дата обращения: 21.11.2018)
7. William M. Wilthshire. Application for Fixed Satelite Service by Space Exploration Holdings / M. William [Электронный ресурс] fcc.report: URL: https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20181108-00083 (дата обращения: 21.11.2018)
8. Coppock M.. FCC approves OneWeb’s low latency internet satellite network for remote areas / M. Coppock [Электронный ресурс] digitaltrends.com: URL: https://www.digitaltrends.com/computing/oneweb-high-speed-internet-satellite/ (дата обращения: 22.11.2018)
9. Полое оптоволокно позволяет снизить задержку распространения сигнала [Электронный ресурс] habr.com: URL: https://habr.com/post/174225/(дата обращения: 22.11.2018)
10. Handley M. Changes to Starlink phase 1, from FCC filling / M. Handley, 8^th Nov 2018. youtube.com: URL: https://www.youtube.com/watch?v=QEIUdMiColU (дата обращения: 22.11.2018)

Список литературы на английском/ References in English

1. Albulet M. Spacex v-band non-geostationary satellite system: attachment a. technical information to supplement schedule s / M. – SPACE Exploration Technologies Corp., 2017. - 60с.;
2. Musk E. Becoming a Multiplanet Species. 68th annual meeting of the International Astronautical Congress in Adelaide / Musk E., Australia: SpaceX
3. Fresh FCC Filing for Starlink Satellite Constellation. [Electronic resource] com:   URL: https://www.reddit.com/r/spacex/comments/9vek5n/ fresh_fcc_filing_for_starlink_satellite/ (date of the address19.11.2018
4. Kinyakina E. Zachem Ilonu Masku menyat' orbitu kosmicheskogo interneta [Why to Elon Musk to change an orbit of the space Internet]. / Kinyakina E.[Electronic resource] Forbes.ru: Technology/Elon Musk URL: http://www.forbes.ru/tehnologii/369027-zachem-ilonu-masku-menyat-orbitu-kosmicheskogo-interneta (accessed: 15.11.2018) [in Russian]
5. The satellite Internet of Starlink from SpaceX - "the license for printing of money". [Electronic resource] habr.com: URL: https://habr.com/post/429658/(accessed: 21.11.2018)
6. Starlink network topology simulation & predictions. [Electronic resource] com:  URL: https://www.reddit.com/r/Starlink/comments/9sxr3c/ starlink_network_topology_simulation_predictions/e8uz76s/ (accessed: 21.11.2018
7. William M. Wilthshire. Application for Fixed Satelite Service by Space Exploration Holdings / M. William [Electronic resource] fcc.report: URL: https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20181108-00083 (accessed: 21.11.2018)
8. Coppock M. FCC approves OneWeb’s low latency internet satellite network for remote areas / M. Coppock [Electronic resource] digitaltrends.com: URL: https://www.digitaltrends.com/computing/oneweb-high-speed-internet-satellite/ (accessed: 11.2018
9. Hollow optical fiber allows to lower propagation delay of a signal [Electronic resource] of habr.com: URL: https://habr.com/post/174225/( accessed: 11.2018
10. Handley M. Changes to Starlink phase 1, from FCC filling / M. Handley, 8^th Nov 2018. youtube.com: URL: https://www.youtube.com/watch?v=QEIUdMiColU (accessed: 11.2018)