IT-HW: в чём РЕволюция StarLink-V2? (Часть 1)
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 120 км, 3G уже 40 км, 4G около 10 км, и так до 5G с покрытием порядка сотен метров!
Range любой радио-связи снижается пропорционально росту Frequency
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 эсконентенциальному, и уже увеличилось на порядок.
Количество активных спутников Земли с 1957 по 2022.
Согласно одобрениям FCC — дальше — значительно «хуже» :)
Спутники StarLink-V1 фактически являются максимально классическими аппаратами радиосвязи массой 250–270 кг, 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 ФАР для связи с наземными абонентами), но его пропускная способность сильно ограничена радиоканалом между двумя ближайшими спутниками, а также геометрическим размером абонентской ФАР.
Белые «квадраты» на дне спутника — абонентские ФАР, направленные строго к Земле.
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.
Сетка разворачиваемого созвездия StarLink
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 постоянтсво 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 >240 мс 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=100 мм, lambda=1 мкм) 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 1 мкм 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 Питербурга (т.е. с расстояния хотя бы 2000 км) на протяжении минимум 7 лет «без единого разрыва»! (Типовой MTBF 5–7 лет).
Тест на сведение олдскул.
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!
