Links inter-satélites
Em 3 de setembro de 2020, a SpaceX anunciou os primeiros testes de link inter-satélite (ISL).
A presença de tais canais na constelação Starlink foi anunciada no início, mas mais tarde eles foram abandonados nos satélites de primeira geração para economizar tempo e dinheiro.
Os canais inter-satélites permitiriam resolver o problema da comunicação nas regiões do planeta onde é impossível instalar um gateway na terra com um link de fibra ótica conectado a ele para acesso à Internet. Atualmente, a Starlink não pode fornecer serviços nos mares e oceanos, exceto para uma curta distância da costa, isolando-se, assim, dos altamente lucrativos mercados de navios de cruzeiro e transporte marítimo comercial, bem como da maioria dos voos de longa distância na aviação civil global. ...
Outra vantagem amplamente discutida do ISL é que a velocidade de propagação de um sinal no espaço é igual à velocidade da luz, mas no cabo óptico é menor e, teoricamente, o atraso ao usar satélites Starlink com ISL será menor do que ao usar cabos submarinos transatlânticos conectando os Estados Unidos com a Europa, Ásia e Austrália, o que atrairá corretores da bolsa que negociam nas bolsas desses continentes.
Antes de prosseguir com a discussão, vamos falar um pouco, de fato, sobre a tecnologia de comunicação a laser.
Já hoje, os lasers são amplamente usados para transferir grandes quantidades de dados por cabos de fibra óptica. A sua utilização no espaço tem um potencial ainda maior, a ausência de um meio de transmissão físico possibilitará obter uma alta velocidade de transferência de informações. Outra vantagem dos lasers é que a luz tem um comprimento de onda 10.000 vezes menor que os comprimentos de onda das ondas de rádio usadas nas comunicações espaciais (ou uma frequência de transmissão 10.000 vezes maior). Isso significa que a luz do laser pode viajar em um feixe mais estreito e exigirá receptores menores para receber um sinal suficiente para processar a amplitude. Além de aumentar o nível de segurança das comunicações espaciais, isso reduzirá o peso, as dimensões dos equipamentos de comunicação,muito dinheiro é gasto em sua entrega ao espaço.
Figura: Vista do set de bordo para comunicação a laser LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), que participou do experimento NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) em 2013: comunicação entre a Terra e uma espaçonave em órbita da lua.
Deve-se notar que a largura de banda do canal de comunicação é determinada, entre outras coisas, pelo diâmetro da óptica receptora, por exemplo, a estação receptora terrestre para este experimento era assim:
Ao mesmo tempo, a taxa de transmissão da órbita da lua atingiu 622 Mbit / s, mas a taxa de transmissão na direção oposta, apesar do grande tamanho da estação transmitindo da Terra, não era superior a 20 Mbit / s. Ou seja, o tamanho da óptica de recepção e a distância entre o transmissor e o receptor de sinal desempenham um papel fundamental.
Atualmente, o foco principal está no uso de comunicações a laser para a comunicação entre a Terra e os satélites artificiais. Por exemplo, um kit de desenvolvimento integrado da Mynaric AG (Alemanha) para comunicação a laser pesa 7-15 kg. Este kit pode transmitir 10 Gbps em 4500 km. O fabricante está considerando 100 Gbps, mas seus produtos atuais funcionam a 10 Gbps. Observe que o terminal de recepção na Terra para receber dados em tais velocidades tem dimensões mais do que impressionantes.
A figura mostra o terminal de laser aterrado Mynaric.
Visar, capturar e rastrear uma nave espacial é o problema mais desafiador nas comunicações a laser baseadas no espaço, de acordo com Mynaric. A compensação fundamental aqui é encontrar um meio-termo entre a precisão do apontamento e a potência do feixe de luz: quanto menor a divergência (espalhamento) do feixe de luz, maior o sinal no receptor, mas, neste caso, o requisito de precisão de apontamento é maior. A divergência do feixe de luz de um laser moderno pode chegar a 10 μrad (ou 0,00057 graus). Note que neste caso o feixe de luz a uma distância de 1000 km tem um diâmetro de apenas 10 metros, e a tarefa de "acertá-lo" com outro satélite será extremamente difícil para o sistema de orientação.
Deve-se lembrar que com uma conexão entre um satélite e a Terra, temos de um lado um objeto rigidamente fixo no espaço, com um canal de comunicação inter-satélite, a complexidade de organizar uma sessão de comunicação é praticamente dobrada.
Se o equipamento do satélite não pode fornecer tal precisão de apontamento, resta suportar o espalhamento do feixe amplo, que, com uma potência transmissora fixa a bordo do satélite e do tamanho do receptor óptico, reduz significativamente a vazão desse canal de comunicação.
Notamos também mais um ponto: se para um único satélite se comunicar com a Terra, basta um conjunto de comunicação a laser, que será orientado para a Terra em uma sessão de comunicação, então em um sistema complexo e multissatélites como Starlink para organizar um serviço, ou seja, um canal de comunicação contínua em qualquer hora do dia, cada satélite deve ter 4 conjuntos de módulos de comunicação a laser orientados nas quatro direções. Ao mesmo tempo, é importante que mesmo com quatro módulos, será necessário garantir a deflexão do feixe no módulo na faixa de 90 ° (mais / menos 45 ° do eixo), o que torna o projeto de tal módulo extremamente complexo e pode exigir dispositivos rotativos mecânicos no módulo de comunicação a laser. ... Se o ângulo de deflexão de 45 ° não for garantido automaticamente,então existem zonas "mortas" para recepção / transmissão de um determinado satélite, o que levará ao fato de que a comunicação não será organizada ao longo da rota mais curta, e o controle da transmissão ISL exigirá o cálculo contínuo de "zonas mortas" para cada satélite em cada momento do tempo e levando isso em consideração ao estabelecer uma "rota".
Uma questão separada é o layout da colocação dos módulos no satélite. O satélite Starlink agora está otimizado para caber o mais firmemente possível dentro da carenagem de um foguete Falcon 9 e tem formato retangular com uma altura bastante baixa, mas é neste lado "curto" que os módulos ópticos precisarão ser colocados (um de cada lado). A questão é se será possível encaixá-los no projeto atual do satélite, mesmo levando em consideração o fato de que a própria SpaceX projetará os módulos de comunicação do laser e sua ótica. A julgar pela descrição do equipamento de comunicação óptica, o controle da direção do feixe é implementado por um sistema de lentes, e tal parte óptica requer dimensões bastante grandes quando se trata de transmissão com alto rendimento.
Note também que os transmissores para comunicação a laser são novos consumidores de energia a bordo, e sua eficiência não ultrapassa 25%, ou seja, surge o problema de utilizar e despejar no espaço os 75% restantes da energia consumida, que, embora não seja crítica, é no entanto tarefa que requer uma solução de engenharia.
Um problema separado, muito mais complexo e importante é o gerenciamento de tráfego direcionado ao canal de comunicação óptica. Lembremos que os satélites de comunicação "clássicos" existentes em órbita geoestacionária são repetidores, isto é, com espelhos. Eles recebem um sinal da Terra em uma frequência e o transmitem de um satélite para a Terra em outra, mas sem alterar a modulação e outros parâmetros do próprio sinal.
Para compreensão, mostraremos com um exemplo elementar o que é modulação e como informações úteis são transmitidas em um sinal de rádio.
É feita uma distinção entre uma onda portadora e um sinal de banda base. Se estamos falando sobre a transmissão de um sinal analógico, então outro sinal é sobreposto na frequência da portadora, mudando a amplitude da frequência da portadora:
A) o tipo do sinal de frequência da portadora,
B) o tipo de sinal modulante (informação útil), C
) o tipo do sinal transmitido com informações úteis.
Para transmitir informações digitais, a frequência da portadora e o sinal modulado com informações úteis são assim:
O principal aqui é a falta de processamento do sinal (demodulação) a bordo do satélite e, consequentemente, do equipamento para isso.
Assim, quando operando na banda Ku, o sinal é transmitido do gateway para o satélite nas frequências de 14-14,5 GHz, a bordo o sinal muda a frequência da portadora e com modulação constante (informações úteis) é transmitido para o terminal do assinante nas frequências 10,7-11 , 2 GHz. No entanto, a inclusão de canais de comunicação a laser na arquitetura da rede Starlink exigirá o roteamento a bordo do satélite e a separação dos fluxos de informações do terminal do assinante para aqueles que serão transmitidos para o gateway ou posteriormente através do canal inter-satélite. A forma mais simples, sem complicar significativamente o desenho do próprio satélite, é a atribuição de uma faixa especial de frequências dentro da banda comum, ao longo da qual o sinal e a informação transmitidos, ao entrar no satélite, são enviados exclusivamente para o canal de comunicação inter-satélite. Ou seja, um sinal de rádio de alta frequência transportando dadossobreposto ao sinal de luz antes da transmissão por meio de um canal óptico com comprimento de onda de 1000-1500 nm (RF sobre tecnologia de fibra). É mais simples, mas significa:
A) a taxa de transferência dos canais inter-satélites será inicialmente limitada,
B) todo o recurso de frequência usado para transmitir informações transmitidas posteriormente através dos canais de comunicação inter-satélites será excluído para atender assinantes comuns durante o período em que o satélite está voando sobre uma área onde há gateways suficientes e não há necessidade nos canais inter-satélite,
B) com um alto grau de probabilidade, serão necessários terminais especiais de assinantes operando no modo de dupla frequência.
Uma alternativa a esta opção é o processamento de informações a bordo do satélite. Ou seja, o sinal de rádio recebido do terminal assinante é demodulado e decodificado ao nível dos pacotes IP, enviados ao roteador, que já distribui a informação para a radiofrequência ou canal de comunicação óptica.
Este método permite o uso flexível de toda a faixa de frequência disponível e não requer terminais especiais de assinante, mas requer um roteador integrado capaz de processar pacotes em velocidades de até 20 Gbit / s. Ao mesmo tempo, o processador de tal roteador não deve funcionar em uma sala estritamente climatizada de um data center com uma faixa estreita de temperaturas de operação, mas em um espaço aberto, onde as temperaturas, mesmo na presença de um COTR poderoso (sistema de resfriamento e termorregulação), estarão em uma faixa de temperatura maior. Ao mesmo tempo, a presença de um poderoso SOTR sem dúvida afetará os parâmetros de massa e tamanho do satélite.
Observe, no entanto, que todos os problemas acima são de natureza técnica e, em princípio, podem ser resolvidos.
A presença de canais ópticos inter-satélites levará ao surgimento de diferentes serviços para o consumidor. Ele pode acessar a Internet por meio de um gateway regular com tarifas básicas e com atraso “padrão” no canal, ou pode escolher a opção de conexão “rápida”, quando suas informações são enviadas por canais de comunicação inter-satélites e “desce” para a Terra apenas no ponto mais próximo do ponto final Porta de entrada. É claro que essa transferência "rápida" de dados será mais cara e o custo do tráfego transmitido dessa forma será naturalmente mais alto.
Claro, uma tarefa separada puramente comercial é calcular quanto o custo desse tráfego "rápido" deve ser maior do que o normal, e o principal é se haverá um número suficiente de clientes dispostos a pagar por uma mudança tão fundamental na arquitetura de rede e os investimentos associados no segmento espacial.
Deixe-me lembrá-lo a respeito das palavras de Jonathan Hofeller, vice-presidente de vendas comerciais da SpaceX: “Precisamos ter certeza de que é econômico antes de criar este (SL) e implementá-lo na constelação Starlink.”
Há outro aspecto de ter links inter-satélites na constelação Starlink, que pode não ter atraído a atenção dos especialistas da SpaceX até agora A introdução do ISL permitirá que um assinante Starlink acesse a Internet do território de outro país ou transfira informações de um terminal para outro, ignorando quaisquer centros de comunicação terrestre.
No entanto, quase todos os países, e mais ainda os desenvolvidos, possuem normas em suas legislações que obrigam todas as operadoras de telecomunicações a garantir a possibilidade de serviços especiais de acesso ao tráfego transmitido em suas redes. Trata-se justamente da garantia de acesso, quer os serviços especializados façam a leitura da correspondência ou não, isso já é questão do tribunal e de outras normas da legislação local. Mas as operadoras de telecomunicações devem fornecer isso. Nos Estados Unidos, isso é regulamentado pelo Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), adotado na era de Bill Clinton, antes mesmo dos eventos de 11 de setembro. As normas desta lei e os requisitos para operadoras de telecomunicações nos Estados Unidos não estão longe da legislação russa sobre SORM e os requisitos correspondentes para operadoras de telecomunicações russas; a mesma situação é na maioria dos outros estados.
Os requisitos para garantir o SORM apresentam dois grupos de problemas. Um é puramente americano - como a SpaceX pode convencer o FBI de que cumpre os requisitos da CALEA. Talvez seja uma lista de assinantes Starlink pré-aprovados pelo FBI que podem usar o serviço com o ISL, pode ser proibido enviar tráfego originado fora dos Estados Unidos para um assinante nos Estados Unidos, talvez o ISL transmita o tráfego gerado apenas por meio de gateways nos Estados Unidos. Em geral, as opções são muitas e elas são objeto de discussão entre a SpaceX e o FBI, afinal Elon Musk é um bom cidadão dos Estados Unidos e um patriota deste país.
Mas a questão do acesso de serviços especiais ao tráfego de assinantes começa a ficar completamente diferente se estivermos falando de outro país.
Se, antes da introdução dos canais de comunicação entre satélites, a SpaceX pudesse convencer qualquer regulador nacional de telecomunicações de que todo o tráfego para assinantes deste país sairá do gateway em seu território, no qual os serviços especiais / polícia fornecerão o dispositivo interceptador policial apropriado, então com a presença da ISL eles terão que ou aceitar a palavra de uma empresa privada americana, ou assinar algum tipo de acordo de cooperação com o FBI, transferindo para o FBI parte da autoridade para interceptar o tráfico de criminosos em potencial deste país. Em qualquer caso, vamos falar sobre a limitação da soberania nacional em seu próprio território para assinantes Starlink.
Claro, muito provavelmente será possível estabelecer a troca de dados dentro dos Estados Unidos e seus aliados na OTAN ou no mundo ocidental, mas mesmo nesses países há conflitos internos, como, por exemplo, na Espanha - a questão do separatismo da Catalunha, ou na Turquia - o confronto entre Erdogan e seus oponentes onde não há crime ou terrorismo, mas as autoridades do país restringem ou podem restringir certos sites na Internet ou estão interessadas na correspondência de cidadãos individuais. Ou seja, de fato, a Espanha ou a Turquia deveriam obrigar os Estados Unidos a monitorar seus oponentes políticos, mesmo que o governo dos Estados Unidos não os considere criminosos. E
se nos lembrarmos da Arábia Saudita (um aliado dos EUA), então é improvável que ela esteja pronta para abrir o acesso total a seus cidadãos sites de conteúdo erótico ou recursos da web que criticam o monarca atual.
Em suma, a introdução de canais de comunicação inter-satélites no grupo SpaceX causará sérios problemas para sua entrada nos mercados de comunicação comercial de outros países.
Assim, podemos dizer que a SpaceX está em uma encruzilhada. Se os canais de comunicação entre satélites forem introduzidos, seu serviço gerará um interesse significativo por parte dos militares, bem como de empresas de cruzeiros e navios com sede nos Estados Unidos, mas as chances de fornecer serviços de comunicação comercial nos mercados de outros países irão se deteriorar significativamente.
- Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 1. Nascimento do projeto
- Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 2. Rede Starlink
- Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 3. Complexo de solo
- Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 4. Terminal de assinante
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