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Alles über das Starlink Satellite Internet-Projekt. Teil 14. Kommunikationskanäle zwischen Satelliten

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Inter-Satelliten-Verbindungen



Am 3. September 2020 kündigte SpaceX die ersten Tests der Inter-Satellite Link (ISL) an.



Das Vorhandensein solcher Kanäle in der Starlink-Konstellation wurde zu Beginn angekündigt, aber später wurden sie in den Satelliten der ersten Generation aufgegeben, um Zeit und Geld zu sparen.



Inter-Satellitenkanäle würden es ermöglichen, das Kommunikationsproblem in den Regionen des Planeten zu lösen, in denen es unmöglich ist, ein Gateway auf der Erde mit einer daran angeschlossenen Glasfaserverbindung für den Internetzugang zu installieren. Derzeit kann Starlink keine Dienste in den Meeren und Ozeanen anbieten, außer in kurzer Entfernung von der Küste, wodurch es sich von den hoch lukrativen Märkten für Kreuzfahrtschiffe und kommerzielle Seeschifffahrt sowie von den meisten Langstreckenflügen in der globalen Zivilluftfahrt abhebt. ...



Ein weiterer weit verbreiteter und heiß diskutierter Vorteil von ISL ist, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals im Weltraum gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, bei optischen Kabeln jedoch geringer ist und theoretisch die Verzögerung bei der Verwendung von Starlink-Satelliten mit ISL geringer ist als bei Verwendung von transatlantischen U-Boot-Kabeln, die die USA verbinden mit Europa, Asien und Australien, und dies wird Börsenmakler anziehen, die an den Börsen dieser Kontinente handeln.



Bevor wir mit der Diskussion fortfahren, lassen Sie uns ein wenig über die Technologie der Laserkommunikation erzählen.



Bereits heute werden häufig Laser verwendet, um große Datenmengen über Glasfaserkabel zu übertragen. Ihre Verwendung im Weltraum hat ein noch größeres Potenzial: Das Fehlen eines physischen Übertragungsmediums ermöglicht es, eine hohe Geschwindigkeit der Informationsübertragung zu erzielen. Ein weiterer Vorteil von Lasern besteht darin, dass Licht eine Wellenlänge hat, die 10.000-mal kürzer ist als die Wellenlängen von Funkwellen, die in der Weltraumkommunikation verwendet werden (oder eine Übertragungsfrequenz, die 10.000-mal höher ist). Dies bedeutet, dass sich das Laserlicht in einem engeren Strahl bewegen kann und kleinere Empfänger benötigt, um ein Signal zu empfangen, das ausreicht, um die Amplitude zu verarbeiten. Dies erhöht nicht nur das Sicherheitsniveau der Weltraumkommunikation, sondern verringert auch das Gewicht und die Abmessungen der Kommunikationsausrüstung.Für die Lieferung in den Weltraum wird viel Geld ausgegeben.





Zahl: Ansicht des Bordkits für Laserkommunikation LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), das 2013 am NASA LADEE-Experiment (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) teilgenommen hat: Kommunikation zwischen der Erde und einem Raumschiff in der Umlaufbahn des Mondes.



Es ist zu beachten, dass die Bandbreite des Kommunikationskanals unter anderem durch den Durchmesser der Empfangsoptik bestimmt wird, beispielsweise sah die Bodenempfangsstation für dieses Experiment folgendermaßen aus:





Gleichzeitig erreichte die Übertragungsrate von der Umlaufbahn des Mondes 622 Mbit / s, aber die Übertragungsrate in die entgegengesetzte Richtung betrug trotz der Größe der von der Erde sendenden Station nicht mehr als 20 Mbit / s. Das heißt, die Größe der Empfangsoptik und der Abstand zwischen dem Sender und dem Signalempfänger spielen eine Schlüsselrolle.



Derzeit liegt der Schwerpunkt auf der Verwendung von Laserkommunikation zur Kommunikation zwischen der Erde und künstlichen Erdsatelliten. Beispielsweise wiegt ein Onboard-Entwicklungskit der Mynaric AG (Deutschland) für die Laserkommunikation 7-15 kg. Dieses Kit kann 10 Gbit / s über 4500 km übertragen. Der Hersteller erwägt 100 Gbit / s, seine aktuellen Produkte laufen jedoch mit 10 Gbit / s. Beachten Sie, dass das Empfangsterminal auf der Erde zum Empfangen von Daten mit solchen Geschwindigkeiten mehr als beeindruckende Abmessungen aufweist.



Die Abbildung zeigt das Mynaric Ground Laser Terminal.





Laut Mynaric ist das Zielen, Erfassen und Verfolgen eines Raumfahrzeugs das schwierigste Problem bei der Kommunikation mit Weltraumlasern. Der grundlegende Kompromiss besteht darin, einen Kompromiss zwischen Zielgenauigkeit und Lichtstrahlleistung zu finden: Je kleiner die Divergenz (Streuung) des Lichtstrahls ist, desto höher ist das Signal am Empfänger, aber in diesem Fall ist die Anforderung an die Richtgenauigkeit höher. Die Divergenz des Lichtstrahls eines modernen Lasers kann 10 μrad (oder 0,00057 Grad) erreichen. Beachten Sie, dass in diesem Fall der Lichtstrahl in einer Entfernung von 1000 km einen Durchmesser von nur 10 Metern hat und die Aufgabe, ihn mit einem anderen Satelliten zu "treffen", für das Leitsystem äußerst schwierig ist.



Es sei daran erinnert, dass bei einer Verbindung zwischen einem Satelliten und der Erde auf einer Seite ein im Raum starr fixiertes Objekt mit einem Kommunikationskanal zwischen Satelliten vorhanden ist und sich die Komplexität der Organisation einer Kommunikationssitzung praktisch verdoppelt.



Wenn das Gerät auf dem Satelliten keine solche Richtgenauigkeit liefern kann, muss es die breite Strahlstreuung ertragen, die mit einer festen Sendeleistung an Bord des Satelliten und der Größe des optischen Empfängers den Durchsatz eines solchen Kommunikationskanals erheblich verringert.



Wir stellen noch einen weiteren Punkt fest: Wenn für die Kommunikation eines einzelnen Satelliten mit der Erde ein Satz Laserkommunikation ausreicht, der in einer Kommunikationssitzung zur Erde ausgerichtet wird, dann in einem so komplexen System mit mehreren Satelliten wie Starlink zur Organisation eines Dienstes, dh eines kontinuierlichen Kommunikationskanals Tageszeit muss jeder Satellit 4 Sätze von Laserkommunikationsmodulen haben, die in alle vier Richtungen ausgerichtet sind. Gleichzeitig ist es wichtig, dass auch bei vier Modulen die Ablenkung des Strahls im Modul im Bereich von 90 ° (plus / minus 45 ° von der Achse) sichergestellt werden muss, was den Aufbau eines solchen Moduls äußerst komplex macht und möglicherweise mechanische Drehvorrichtungen im Laserkommunikationsmodul erfordert. ... Wenn der Ablenkwinkel von 45 ° nicht automatisch garantiert wird,Dann gibt es "tote" Zonen für den Empfang / die Übertragung von einem bestimmten Satelliten, was dazu führt, dass die Kommunikation nicht auf dem kürzesten Weg organisiert wird, und die Steuerung der ISL-Übertragung erfordert zu jedem Zeitpunkt eine kontinuierliche Berechnung der "toten Zonen" für jeden Satelliten und berücksichtigt dies beim Verlegen einer "Route".



Ein separates Problem ist das Layout der Platzierung von Modulen auf dem Satelliten. Der Starlink-Satellit ist jetzt so optimiert, dass er so fest wie möglich in die Verkleidung einer Falcon 9-Rakete passt. Er hat eine rechteckige Form mit einer relativ geringen Höhe. Auf dieser „kurzen“ Seite müssen jedoch optische Module platziert werden (eines auf jeder Seite). Die Frage ist, ob es möglich sein wird, sie in das aktuelle Design des Satelliten einzubauen, auch wenn SpaceX selbst die Module für die Laserkommunikation und ihre Optik entwirft. Gemessen an der Beschreibung der optischen Kommunikationsausrüstung wird die Steuerung der Strahlrichtung durch ein Linsensystem implementiert, und ein solches optisches Teil erfordert ziemlich große Abmessungen, wenn es um die Übertragung mit hohem Durchsatz geht.



Beachten Sie auch, dass Sender für die Laserkommunikation neue Energieverbraucher an Bord sind und ihr Wirkungsgrad 25% nicht überschreitet. Das heißt, das Problem besteht darin, die verbleibenden 75% der verbrauchten Energie zu nutzen und in den Weltraum zu leiten, was zwar nicht kritisch, aber dennoch kritisch ist Aufgabe, die eine technische Lösung erfordert.



Ein separates, viel komplexeres und wichtigeres Problem ist das Verkehrsmanagement, das auf den optischen Kommunikationskanal gerichtet ist. Erinnern wir uns, dass die vorhandenen "klassischen" Kommunikationssatelliten in der geostationären Umlaufbahn Repeater sind, dh mit Spiegeln. Sie empfangen ein Signal von der Erde mit einer Frequenz und senden es von einem Satelliten zur Erde auf einer anderen, ohne jedoch die Modulation und andere Parameter des Signals selbst zu ändern.



Zum Verständnis werden wir anhand eines elementaren Beispiels zeigen, was Modulation ist und wie nützliche Informationen in einem Funksignal übertragen werden.



Es wird zwischen einer Trägerwelle und einem Basisbandsignal unterschieden. Wenn wir über die Übertragung eines analogen Signals sprechen, wird der Trägerfrequenz ein anderes Signal überlagert, wodurch sich die Amplitude der Trägerfrequenz ändert:



A) die Art des Trägerfrequenzsignals,



B) die Art des Modulationssignals (nützliche Informationen), C



) die Art des übertragenen Signals mit nützlichen Informationen.





Um digitale Informationen zu übertragen, sehen die Trägerfrequenz und das modulierte Signal mit nützlichen Informationen folgendermaßen aus:





Die Hauptsache hier ist das Fehlen einer Signalverarbeitung (Demodulation) an Bord des Satelliten und dementsprechend die Ausrüstung dafür.



Wenn also im Ku-Band gearbeitet wird, wird das Signal vom Gateway zum Satelliten mit Frequenzen von 14 bis 14,5 GHz übertragen, an Bord ändert das Signal die Trägerfrequenz und wird mit konstanter Modulation (nützliche Informationen) mit den Frequenzen 10,7 bis 11 zum Teilnehmerendgerät übertragen 2 GHz. Die Einbeziehung von Laserkommunikationskanälen in die Architektur des Starlink-Netzwerks erfordert jedoch das Routing an Bord des Satelliten und die Trennung des Informationsflusses vom Teilnehmerendgerät in diejenigen, die zum Gateway oder weiter über den Inter-Satelliten-Kanal übertragen werden. Der einfachste Weg, ohne das Design des Satelliten selbst wesentlich zu komplizieren, ist die Zuweisung eines speziellen Frequenzbereichs innerhalb des gemeinsamen Bandes, entlang dessen das übertragene Signal und die Informationen beim Eintritt in den Satelliten ausschließlich an den Kommunikationskanal zwischen Satelliten gesendet werden. Das heißt, ein Hochfrequenz-Funksignal, das Daten trägtÜberlagerung des Lichtsignals vor der Übertragung über einen optischen Kanal mit einer Wellenlänge von 1000-1500 nm (RF over Fiber-Technologie). Es ist einfacher, aber es bedeutet:



A) Der Durchsatz von Inter-Satelliten-Kanälen wird anfänglich begrenzt.



B) Die gesamte Frequenzressource, die zur Übertragung von Informationen verwendet wird, die über Inter-Satelliten-Kommunikationskanäle weiter übertragen werden, wird für die Bedienung gewöhnlicher Teilnehmer während des Zeitraums ausgeschlossen, in dem der Satellit über ein Gebiet fliegt, in dem genügend Gateways vorhanden sind und keine Notwendigkeit besteht In Inter-Satelliten-Kanälen



B) werden mit hoher Wahrscheinlichkeit spezielle Teilnehmerendgeräte benötigt, die im Zweifrequenzmodus arbeiten.



Eine Alternative zu dieser Option ist die Informationsverarbeitung an Bord des Satelliten. Das heißt, das vom Teilnehmerendgerät empfangene Funksignal wird demoduliert und auf die Ebene von IP-Paketen decodiert, die an den Router gesendet werden, der die Informationen bereits an die Funkfrequenz oder den optischen Kommunikationskanal verteilt.



Diese Methode ermöglicht die flexible Nutzung des gesamten verfügbaren Frequenzbereichs und erfordert keine speziellen Teilnehmerendgeräte, sondern einen integrierten Router, der Pakete mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Gbit / s verarbeiten kann. Gleichzeitig sollte der Prozessor eines solchen Routers nicht in einem streng klimatisierten Raum eines Rechenzentrums mit einem engen Bereich von Betriebstemperaturen arbeiten, sondern in einem offenen Raum, in dem die Temperaturen selbst bei Vorhandensein eines leistungsstarken COTR (Kühl- und Wärmeregulierungssystems) in einem größeren Temperaturbereich liegen. Gleichzeitig wird das Vorhandensein einer leistungsstarken SRT zweifellos die Masse- und Größenparameter des Satelliten beeinflussen.



Beachten Sie jedoch, dass alle oben genannten Probleme technischer Natur sind und im Prinzip gelöst werden können.



Das Vorhandensein von optischen Kanälen zwischen Satelliten wird dazu führen, dass für den Verbraucher unterschiedliche Dienste entstehen. Er kann über ein reguläres Gateway zu Grundtarifen und mit einer „Standard“ -Verzögerung im Kanal auf das Internet zugreifen, oder er kann die Option „schnelle“ Verbindung wählen, wenn seine Informationen über Kommunikationskanäle zwischen Satelliten gesendet werden und nur am nächstgelegenen Endpunkt zur Erde „absteigen“ Tor. Natürlich wird diese "schnelle" Datenübertragung teurer sein und die Kosten des auf diese Weise übertragenen Verkehrs werden natürlich höher sein.



Eine separate rein kommerzielle Aufgabe besteht natürlich darin, zu berechnen, wie hoch die Kosten eines solchen "schnellen" Verkehrs höher sein sollten als gewöhnlich, und die Hauptsache ist, ob es eine ausreichende Anzahl von Kunden gibt, die bereit sind, für eine solch grundlegende Änderung der Netzwerkarchitektur und die damit verbundenen Investitionen in das Raumsegment zu zahlen.



Ich möchte Sie in diesem Zusammenhang an die Worte von Jonathan Hofeller, Vice President Commercial Sales bei SpaceX, erinnern: „Wir müssen sicherstellen, dass es kostengünstig ist, bevor wir dieses (SL) erstellen und in der Starlink-Konstellation implementieren.“



Es gibt noch einen weiteren Aspekt bei der Konstellation zwischen Satelliten Starlink, das bisher möglicherweise nicht die Aufmerksamkeit von SpaceX-Spezialisten auf sich gezogen hat Die Einführung von ISL ermöglicht es einem Starlink-Abonnenten, aus dem Gebiet eines anderen Landes auf das Internet zuzugreifen oder Informationen von einem Terminal zu einem anderen zu übertragen, wobei alle Bodenkommunikationszentren umgangen werden.



Fast alle Länder und noch weiter entwickelte Länder haben jedoch Normen in ihrer Gesetzgebung, die alle Telekommunikationsbetreiber dazu verpflichten, die Fähigkeit spezieller Dienste sicherzustellen, auf den in ihren Netzen übertragenen Verkehr zuzugreifen. Es geht genau um die Gewährleistung des Zugangs, ob die Sonderdienste die Korrespondenz lesen oder nicht, dies ist bereits eine Angelegenheit des Gerichts und anderer Normen der örtlichen Gesetzgebung. Telekommunikationsbetreiber müssen dies jedoch bereitstellen. In den Vereinigten Staaten wird dies durch das Gesetz zur Unterstützung der Kommunikation bei der Strafverfolgung (CALEA) geregelt, das zu Zeiten von Bill Clinton bereits vor den Ereignissen des 11. September verabschiedet wurde. Die Normen dieses Gesetzes und die Anforderungen für Telekommunikationsbetreiber in den Vereinigten Staaten sind nicht weit von der russischen Gesetzgebung zu SORM und den entsprechenden Anforderungen für russische Telekommunikationsbetreiber entfernt. Dies gilt auch für die meisten anderen Staaten.



Die Anforderungen zur Gewährleistung von SORM werfen zwei Problemgruppen auf. Eines ist rein in den USA ansässig - wie SpaceX das FBI davon überzeugen kann, dass es den Anforderungen von CALEA entspricht. Möglicherweise handelt es sich um eine Liste von Starlink-Abonnenten, die vom FBI vorab genehmigt wurden und den Dienst mit ISL nutzen können. Es ist möglicherweise verboten, Datenverkehr mit Ursprung außerhalb der USA an einen Abonnenten in den USA zu senden. Möglicherweise überträgt ISL Datenverkehr, der nur über Gateways in den USA erzeugt wird. Im Allgemeinen gibt es viele Möglichkeiten und sie sind Gegenstand von Diskussionen zwischen SpaceX und dem FBI. Schließlich ist Elon Musk ein guter Bürger der Vereinigten Staaten und ein Patriot dieses Landes.



Das Problem des Zugangs spezieller Dienste zum Teilnehmerverkehr sieht jedoch völlig anders aus, wenn es sich um ein anderes Land handelt.



Wenn SpaceX vor der Einführung von Kommunikationskanälen zwischen Satelliten eine nationale Telekommunikationsbehörde davon überzeugen könnte, dass der gesamte Verkehr für Teilnehmer dieses Landes von dem Gateway in seinem Hoheitsgebiet aus erfolgt, auf dem die Sonderdienste / die Polizei das entsprechende Abfanggerät für die Polizei bereitstellen, müssen sie dies bei Vorhandensein von ISL tun Nehmen Sie entweder das Wort eines privaten amerikanischen Unternehmens oder unterzeichnen Sie eine Art Kooperationsvereinbarung mit dem FBI, indem Sie dem FBI einen Teil der Behörde übertragen, um den Verkehr potenzieller Krimineller aus diesem Land abzufangen. In jedem Fall werden wir über die Einschränkung der nationalen Souveränität auf ihrem eigenen Territorium für Starlink-Abonnenten sprechen.



Natürlich wird es höchstwahrscheinlich möglich sein, einen Datenaustausch innerhalb der Vereinigten Staaten und ihrer Verbündeten in der NATO oder der westlichen Welt herzustellen, aber selbst in diesen Ländern gibt es interne Konflikte, wie zum Beispiel in Spanien - der Frage des Separatismus Kataloniens oder in der Türkei - der Konfrontation zwischen Erdogan und seinen Gegnern wenn es keine Kriminalität oder Terrorismus gibt, die Behörden des Landes jedoch bestimmte Websites im Internet einschränken oder einschränken können oder an der Korrespondenz einzelner Bürger interessiert sind. Das heißt, Spanien oder die Türkei sollten die Vereinigten Staaten verpflichten, ihre politischen Gegner zu überwachen, auch wenn die Regierung der Vereinigten Staaten sie nicht als Kriminelle betrachtet. Und



wenn wir uns an Saudi-Arabien (einen Verbündeten der USA) erinnern, ist es unwahrscheinlich, dass es bereit ist, seinen Bürgern uneingeschränkten Zugang zu öffnen Websites mit erotischen Inhalten oder Webressourcen, die den aktuellen Monarchen kritisieren.



Kurz gesagt, die Einführung von Inter-Satelliten-Kommunikationskanälen in der SpaceX-Konstellation wird ernsthafte Probleme für den Eintritt in die kommerziellen Kommunikationsmärkte anderer Länder verursachen.



Wir können also sagen, dass SpaceX an einem Scheideweg steht. Wenn Inter-Satellitenkommunikationskanäle eingeführt werden, wird sein Dienst ein erhebliches Interesse beim Militär sowie bei Kreuzfahrt- und Schifffahrtsunternehmen mit Sitz in den Vereinigten Staaten hervorrufen, aber die Chancen, kommerzielle Kommunikationsdienste auf den Märkten anderer Länder bereitzustellen, werden sich erheblich verschlechtern.





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