Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 14. Межспутниковые каналы связи
Часть 1 ‣ Часть 2 ‣Часть 3 ‣ Часть 4 ‣ Часть 5 ‣ Часть 6 ‣ Часть 7 ‣ Часть 8 ‣ Часть 9 ‣ Часть 10 ‣ Часть 11 ‣ Часть 12 ‣ Часть 13
Межспутниковые каналы связи (Inter-satellite links)
3 сентября 2020 года SpaceX сообщила о первых тестах межспутниковых каналов связи (Inter-satellite link, ISL).
О наличии таких каналов в группировке Starlink заявлялось еще в самом начале, однако позднее в спутниках первого поколения для экономии времени и средств от них отказались.
Межспутниковые каналы позволили бы решить проблему связи в тех районах планеты, где на земле невозможно установить гейтвей с подведенной к нему ВОЛС для доступа в интернет. В настоящее время Starlink 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, а также и от большей части 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 Starlink 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 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 меньше 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 достаточный для обработки амплитуды. Помимо увеличения уровня безопасности космических коммуникаций, это позволит уменьшить вес, габариты коммуникационного оборудования, на доставку которого в космос тратятся немалые средства.
Рис. Вид бортового комплекта для лазерной связи LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), участвовавшего в эксперименте NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) в 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/с, но скорость передачи в обратном направлении, несмотря на большой размер передающей с Земли станции, составила не более 20 Мбит/с. То есть размер приемной оптики и расстояние между передатчиком и приемником сигнала играют ключевую роль.
В настоящее время основной упор делается на использовании лазерной связи для связи Земли и искусственных 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. Производитель рассматривает скорость 100 Гбит/с, но его 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.
По данным Mynaric, 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 пучка: 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 км имеет диаметр всего 10 метров, и задача «попасть» им в другой спутник будет чрезвычайно сложной для системы наведения.
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 смириться с широким рассеянием луча, что при фиксированной мощности передатчика на борту спутника и размером оптического приемника значительно уменьшает пропускную способность такого канала связи.
Также 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 Starlink для организации сервиса, то есть непрерывного канала связи в любое время суток, каждый спутник должен иметь 4 комплекта лазерных коммуникационных модулей, сориентированных по всем четырем направлениям. При этом важно, что даже с четырьмя модулями необходимо будет обеспечить отклонение луча в модуле в диапазоне 90° (плюс /минус 45° 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° не будет гарантирован автоматически, то возникают «мертвые» зоны для приема/передачи у конкретного спутника, что приведет к тому, что связь будет организована не по кратчайшему маршруту, а управление передачей по ISL потребует непрерывного расчета «мертвых зон» у каждого спутника в каждый момент времени и учета этого при прокладке «маршрута».
Отдельным вопросом является компоновка размещения модулей на спутнике. Спутник Starlink сейчас оптимизирован для максимально плотной укладки внутри обтекателя ракеты Falcon 9 и имеет форму прямоугольника с достаточно малой высотой, но именно на этой «короткой» стороне будет необходимо разместить оптические модули (по одному на каждую сторону). Вопрос в том, удастся ли вписать их в нынешнюю конструкцию спутника даже с учетом того, что SpaceX будет сама проектировать модули для лазерной связи и их оптику. Судя по описанию аппаратуры оптической связи, управление направлением луча реализуется системой линз, и такая оптическая часть требует достаточно больших габаритов, если речь идет о передаче с высокой пропускной способностью.
Отметим также, 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 управление трафиком, направляемым в оптический канал связи. Напомним, что существующие «классические» спутники связи на геостационарной орбите являются ретрансляторами, то есть с зеркалами. Они получают с Земли сигнал на одной частоте и передают его со спутника 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 (carrier 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, соответственно, аппаратуры для этого.
Так, при работе в Кu-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 Starlink 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, по которому передаваемые сигнал и информация при попадании на борт спутника направляются исключительно в межспутниковый канал связи. То есть радиосигнал 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,
Б) весь частотный ресурс, задействованный для передачи информации, передаваемой далее по межспутниковым каналам связи, будет 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 в двухчастотном 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 и не требует специальных абонентских терминалов, но требует наличия на борту маршрутизатора, способного обработать пакеты на скорости до 20 Гбит/с. 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 даже при наличии мощной СОТР (системы охлаждения и терморегуляции) будут находиться в большем диапазоне температур. При этом наличие мощной СОТР, несомненно, отразится на массогабаритных параметрах спутника.
Заметим, однако, что все вышеуказанные проблемы носят технический характер и в принципе решаемы.
Наличие межспутниковых оптических каналов приведет к появлению разных услуг для потребителя. Он может получить доступ в интернет через обычный гейтвей по базовым тарифам и со «стандартной» задержкой в канале, а может выбрать опцию «быстрой» связи, когда его информация отправится по межспутниковым каналам связи и «опустится» на Землю только на ближайшем к конечному пункту гейтвее. Безусловно, эта «быстрая» передача данных будет дороже, а стоимость трафика, передаваемого таким путем, естественно будет выше.
Безусловно, отдельная чисто коммерческая задача — 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 в космический сегмент.
Напомню в этой связи слова Джонатана Хофеллера, вице-президента по коммерческим продажам SpaceX: «Мы должны убедиться, что это рентабельно, перед тем как создать это (SL] и внедрить в группировку Starlink».
Есть еще один аспект наличия межспутниковых линий связи в группировке Starlink, который, возможно, не привлек пока внимания специалистов SpaceX. Внедрение ISL позволит абоненту сети Starlink 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 это обеспечить. В США это регулирует The Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), принятый в эпоху Билла Клинтона, еще до событий 9/11. Нормы этого закона и требования к телеком-операторам в США недалеко ушли от российского законодательства по СОРМ и соответствующих требований к российским операторам связи, такая же ситуация и в большинстве других государств.
Требования обеспечения СОРМ ставят две группы проблем. Одна из них — чисто внутриамериканская — как SpaceX убедить ФБР, что она выполняет требования CALEA. Возможно, это будет список предварительно одобренных ФБР абонентов Starlink, которые могут 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 SpaceX и ФБР, в конце концов, Илон Маск — добропорядочный гражданин США и патриот этой страны.
Но вопрос доступа спецслужб к трафику абонентов начинает смотреться совсем иначе, если мы говорим о другой стране.
Если до внедрения межспутниковых каналов связи SpaceX могла убедить любого национального регулятора в сфере телекоммуникаций в том, что весь трафик для абонентов данной страны пойдет с гейтвея на ее территории, на котором спецслужбы/полиция поставят соответствующее устройство police interceptor, то с наличием ISL они 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 из этой страны. В любом случае, речь пойдет об ограничении национального суверенитета на собственной территории для абонентов сети Starlink.
Безусловно наладить обмен данными внутри США и их союзников по НАТО или Западному миру будет, скорее всего, возможно, но даже в этих странах есть внутренние конфликты, как, например, в Испании — вопрос сепаратизма Каталонии, или в Турции — противостояние Эрдогана и его противников, где нет криминала или терроризма, но власти страны ограничивают или могут ограничить отдельные сайты в интернете или интересоваться перепиской отдельных своих граждан. То есть, по сути, Испания или Турция должна обязать США следить за их политическими оппонентами, даже если правительство Соединенных Штатов 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 веб-ресурсам, критикующим действующего монарха.
Одним словом, внедрение межспутниковых каналов связи в группировке SpaceX вызовет серьезнейшие проблемы для ее выхода на коммерческие рынки связи других стран.
Таким образом, можно сказать, что SpaceX стоит на распутье. Если внедрить межспутниковые каналы связи, то ее сервис вызовет значительный интерес со стороны военных, а также круизных и судоходных компаний, базирующихся в США, но шансы на предоставление коммерческих услуг связи на рынках других стран значительно ухудшатся.
