Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 21. SL и проблемы поляризаци
Предлагаю ознакомиться с ранее размещенными материалами по проекту Starlink (SL):Часть 1. Рождение проекта ‣ Часть 2. Сеть SL ‣ Часть 3. Наземный комплекс ‣ Часть 4. Абонентский терминал ‣ Часть 5. Состояние группировки SL и закрытое бета-тестирование ‣ Часть 6. Бета-тестирование и сервис для абонентов ‣ Часть 7. Пропускная способность сети SL и программа RDOF ‣ Часть 8. Монтаж и включение абонентского терминала ‣ Часть 9. Сервис на рынках вне США ‣ Часть 10. SL и Пентагон ‣ Часть 11. SL и астрономы ‣ Часть 12. Проблемы космического мусора ‣ Часть 13. Спутниковая задержка в сети и доступ к радиочастотному спектру ‣ Часть 14. Межспутниковые каналы связи ‣ Часть 15. Правила предоставления услуг ‣ Часть 16. SL и погода ‣ Часть 17. Второе поколение SL ‣ Часть 18. SL на рынке COTM ‣ Часть 19. Что у SL в будущем ‣ Часть 20. Внутреннее устройство терминала SL
Сначала немного теории…
Если мы говорим о радиоволне, то она имеет такую характеристику как «поляризация». Словами это описывается так:
Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Понять слова гораздо сложнее, чем увидев это на рисунке:
Вверху — это круговая поляризация, ниже — это вертикальная (синяя линия) и горизонтальная (красная линия). Для спутниковой связи используются пары вертикальная/горизонтальная или левая/правая круговая.
В чем польза от поляризации? А в том, что она позволяет УДВОИТЬ используемый частотный диапазон, если у нас в Кu диапазоне, согласно распределению частот от Международного Союза Электросвязи он же ITU), можно использовать только 500 МГц (от 14000 до 14500 МГц), то, если мы будем использовать 2 поляризации, можем уже иметь по 500 МГц в каждой и получим в сумме уже 1000 МГц. Так например, на спутнике Ямал-200 в Кu -диапазоне было всего 6 транспондеров по 72 МГц, работавших только в 1 поляризации, а на Ямале-300К, (который должен был заменить Ямал-201 в позиции 90 градусов) таких транспондеров стало 12 (6 в горизонтальной и 6 в вертикальной) и, соответственно, доход Оператора (Газпром Космические Системы) от продажи частотного ресурса удвоился.
Если мы глянем на Starlink, то там тоже понимают важность этого и, судя по нижеприведенной таблице, они в 20-м году заявили в ФСС, что хотят использовать обе поляризации на всем возможном частотном диапазоне по 2000 МГц в правой и левой круговых поляризациях (Rx01 и Rx02 имеют одинаковые частоты, но разные поляризации).
И тогда, при спектральной эффективности 5 бит/Гц (очень много, но теоретически достижимо при очень хороших антеннах и большой величине Сигнал/шум) получим пропускную способность одного спутника 4000 МГц х 5 бит/Гц = 20 Гигабит.
Однако, как всегда есть НО! Посмотрим, как это реализовано…
Если у нас, есть обычная параболическая антенна, то поляризация устанавливается путем поворота облучателя и его волновода вокруг оси на антенну:
//В общем случае, параметры поляризации берутся из регламента компании, предоставляющей услуги аренды спутникового ресурса (например, регламент ГПКС).
Угол поляризации зависит от точных координат места установки VSAT и определяется в специальных программах. Его можно узнать у оператора ЦУС (Центр Управления Сетью, обычно в Москве), сообщив ему координаты.
После того, как затянуты болты азимута и угла местности:
Ослабьте болты на опоре крепления приемопередатчика (ODU)
Поверните ODU на угол поляризации, полученный в расчетной программе, и выполните действия указанные ниже.
После подтверждения от оператора, что параметры удовлетворяют нормам и азимут с углом места настроены нормально, необходимо произвести дополнительную настройку поляризации.
Подстройка поляризации выполняется в несколько этапов:
·Представитель монтажной бригады под руководством оператора ЦУС немного ослабляет два болта
·По указанию оператора ЦУС монтажник начинает вращать передатчик по/или против часовой стрелке с шагом не более одного градуса до тех пор, пока оператор не остановит настройку.
·Монтажник затягивает болты и измерения в кросс поляризации проводятся еще раз
·В случае, если не удается добиться требуемого значения величины кросполяризации, то потребуется провести подстройку антенны по азимуту и углу места, а затем повторить пункт 3 этого раздела.
И это весьма трудоемкая операция, особенно когда установщик сидит на крыше в мороз, ибо в рукавицах «ловить миллиметры и градусы» практически невозможно, и общается с оператором ЦУС по спутниковому телефону Иридиум (1 минута = 1 доллар)… Но главное, что поляризация зависит от расстояния до спутника и для антенн с фазированной решеткой (угол наклона луча относительно плоскости антенны).
Справедливости ради, надо отметить, что для круговой поляризации таких сложностей нет, там всего лишь нужно правильно выбрать положение диплексера, для которого существует два варианта — Левый и Правый, отличающиеся на 90 градусов.
Диплексер — это пассивное устройство, которое реализует мультиплексирование в частотной области. Два порта мультиплексируются на третий порт. Сигналы на портах 1 (на приемник) и 2 (на передатчик) занимают непересекающиеся полосы частот. Следовательно, сигналы на 1 и 2 могут сосуществовать на порте 3 (от антенны), не мешая друг другу.
Теперь вернемся к SL.
1) Первый момент антенны с фазированной решеткой имеют худшую кросспляризационную развязку, чем классические параболические антенны. Для параболических антенн стандарт- это 29…30 дБ, а для ФАРов, как мне сказали профи в этой сфере, очень хорошим считается 26–28 дБ при работе на геостационарный спутник и при движении объекта со скоростями 30…80 км/час…
2) В случае, когда у Вас непрерывно меняется с большой скоростью расстояние до ИСЗ и угол наклона, то настроить кроссполяризационную развязку (КПР) с необходимой точностью очень сложно. Даже параболические антенны на морских судах грешат тем, что КПР иногда «слетает» и терминал начинает давать помеху на канал в другой поляризации. А судно, как известно, двигается в сотню раз медленнее чем спутник.
Увы, никто из производителей антенн FAR ESA (Фазированных с электронным управлением лучом) пока не опубликовал данные по реальной кросспольной развязке при работе с ИСЗ на низкой орбите 500+ км.
В случае Starlink проблемы с поляризацией на порядок сложнее.
Здесь антенны ФАР стоят на обеих концах спутникового канала — и на спутнике, и на земле. Вдобавок, непрерывно и очень быстро меняется не только расстояние до спутника, но и угол наклона луча относительно плоскости антенны…
При всей гениальности, трудолюбии и располагаемом бюджете инженеров, которых привлек Илон Маск к созданию своего терминала, еще 2 года назад им, похоже, стало ясно — не получится использовать две поляризации, и SpaceХ отправил в ФСС заявку, что в его наземных терминалах будет использоваться только 1 (одна) поляризация — Правая на линии со спутника к терминалу и Левая в направлении от терминала к спутнику…
То есть, SpaceX пришлось добровольно отказаться от 50% пропускной способности сети Starlink, которая была выделена ей FCC для работы своих абонентских терминалов…
Так же отметим, что в Ка-диапазоне, который используется в Starlink для передачи информации с Земли в космос, этой проблемы вообще нет, так как и на спутнике и на Земле используются параболические антенны, для которых проблема кросспола решается обычными методами, и от гейтвея на ИСЗ можно передать по-прежнему в сумме 4000 МГц в 2 поляризациях…
Можно ли в будущем что-то тут поправить? Теоретически, наверное, можно (тем более бумага же все стерпит, любые фантазии…). Но любое решение здесь затронет геометрию, параметры, возможно материалы и конструкцию терминала и его фазированной решетки. При этом помним, что главная цель — это снизить стоимость терминала. И терминал уже спроектирован и находится в серийном производстве…
Что можно сделать? Для ответа на этот вопрос нужна информация о фактическом размере кроссполяризационной развязки.
К сожалению, пока терминал Starlink попадает в руки все больше Слесарей или АйТишников, которые его ломают или смотрят, какой там стоит вайфай… Никто пока не догадался (не смог снять частотные характеристики терминала) на каких частотах он работает, какие модкоды, какая у него кросспольная развязка, какую помеху он ставит в другую поляризацию. Эти измерения непросты- нужно 2 спектроанализатора на 14 ГГц (когда-то они стоили десятки тысяч долларов, сколько сейчас не скажу, но все равно недешево), параболическая антенна с электроприводом, и нестандартным контроллером, способным настроиться и сопровождать сигнал неизвестного формата (обычные контроллеры заточены под «телевизионный» формат сигнала DVB-S2, но не факт, что в Starlink он используется), чтобы одновременно измерять сигнал со спутника в обеих поляризациях, но я надеюсь, что в течение полугода, кто-нибудь из спутниковых компаний в США это выполнит, и информация просочится в Интернет…
Какие возможны варианты?
- Если помехи в другой поляризации относительно невелики, использовать терминалы с большим коэффициентом усиления, например: параболические антенны диаметром 1 и более метров. В этом случае, помеха просто снизить «рабочий» модкод — эффективность работы. Например, если SL будет использовать для морей и океанов достаточно большие терминалы с электроприводом, то там эта проблема не будет очень критичной.
- В принципе, не использовать эту поляризацию, а весь возможный ресурс доступный в Ка- диапазоне 4000 МГц скоммутировать в Ku, используя технологии frequency reuse или переиспользования частот:
Что такое переиспользование частот? Эта технология активно используется в спутниках HTS (High Throughput Satellite). Достаточно просто разбить наши 2000 МГц в одной поляризации на 4 диапазона по 500 МГц (обозначим их разными цветами)
(Если говорить более точно, то судя по описанию терминала, частотный диапазон для Starlink разбит не на 4 цвета, а на 8, так как канал со спутника вниз имеет ширину 240 МГц и в 2000 МГц поместится 8 каналов, но это уже детали. В этом случае, каждый луч (пятно, зона освящения на Земле) имеет свой частотный диапазон, который не накладывается на другой луч с этими же частотами, то есть нет взаимных помех.
И главное, в этом случае Starlink может использовать все 4000 МГц, которые передает c/на спутник гейтвей в Ка- диапазоне.
Какое решение выбрали в SpaceX: возможность работы одновременно в 2 поляризациях или отказ от одной и использование frequency reuse, мы пока сказать не можем.
Указание в частотной заявке, поданной в FCC обеих поляризаций — это просто административно- юридическая мера, таким образом, SpaceX оставил за собой право их использовать и аннулировал возможность других операторов подать на него жалобу за наличие вещания в виде помехи в этой поляризации.
Ответом на этот вопрос будет знание, сколько лучей одновременно может вещать спутник на Землю 8 или 16 (или еще больше, ибо формально антенна на спутнике может передавать и более узкие лучи, не только шириной 240 МГц, но и 120 МГц и 60 и 30 и даже 15 МГц).
Нет и ответа на вопрос, а возможна ли такая коммутация каналов на ИСЗ, чтобы использовать все 4000 МГц, ибо при отрицательном ответе сеть Starlink не cможет использовать половину доступного ей спутникового ресурса… И эту ситуацию, скорее всего, не исправишь до начала запуска спутников нового поколения (если принять, что вообще теоретически и практически возможно создать ФАР с КПР на уровне 29…30 дБ)… А половина частотного ресурса для зон с высоким спросом на услуги Starlink — половина доходов…
