Как работает спутниковая сеть StarLink (конфиденциальная информация)
Пока с одной стороны SpaceX не раскрыл данную информацию, а с другой стороны я не получил доступа к официальным материалам Space X и соответсвующие тогда ограничения на их публикацию, спешу зафиксировать свой взгляд/понимание этого процесса (технологии).
Итак, Фазированная антенна спутника StarLink может передавать несколько десятков отдельных лучей. В последней версии документа отправленного для сети StarLink в ITU я насчитал 48 лучей. Не факт, что все они работают одновременно, возможно это различные конфигурации, которые может формировать антенна спутника, а одновременно работает меньшее число лучей.
Точно известно, что ГейтВей передает на ИСЗ в Ка диапазоне по 2000 МГц (8 лучей по 480 МГц) в каждой поляризации, а один луч от ИСЗ на абонентский терминал имеет ширину 240 МГц. Итого мы можем одновременно передать 16 лучей каждый шириной по 240 МГц (если сможем принять с Гейтвея в левой поляризации а передать на терминал с ИСЗ в правой - напомню, что абонентский терминал работает только в одной поляризации - правой). .
Диаметр зоны луча на поверхности Земли составляет примерно 24 км по линии - 3дБ (это сообщил сам SpaceX.
Но это в надире - прямо под ИСЗ (угол места 90 градусов) . По мере отклонения луча его диаметр увеличивается , так как также немного растет угол диаграммы направленности фазированной антенной решетки. И на периферии , которая соответствует углу видимости ИСЗ (угол места) в 25 градусов это может быть существенно больше вплоть до 70 км.
Это можно проиллюстрировать вот таким рисунком.
Отметим, что если мы примем диаметр луча в 24 км (или площадь 452 кв.км) и 16 лучей то для 100% покрытия США (или зоны между 53 параллелями) нам будет необходимо 41480 ИСЗ (!!!!)
Что явно неправильно ибо SpaceX обещал это (100% покрытие континентальной США ) сделать с помощью первой фазы проекта с 1584 ИСЗ.
И это можно сделать - мой вариант ответа базируется еще на одном видимом несоответствии в сети StarLink стандартам спутниковых сетей. А именно - максимальная скорость в сети StarLink измеренная во время тестов равна 240 Мбит. И это при полосе 240 МГц и практически отсутствии нагрузки (кстати в последнее время, когда абонентов стало больше таких «рекордов» уже нет). Я практически не вижу результатов тестов лучше 170 Мбит (и это при 240 МГц полосы). Отношение сигнал шум в сети StarLink находится на уровне 9-10 дБ, что соответствует модуляции 8PSK и спектральной эффективности 3 бит/Гц. То есть информационная скорость одного луча от ИСЗ в направлении на абонтерминал где то 720 Мегабит. А абонент видит менее 200..
В чем причина?? А она проста и отвечает и на вопрос: как можно столь малым числом лучей и ИСЗ покрыть такую большую площадь??
Ответ прост - лучи постоянно "прыгают" (перемещаются") между зонами. Я вижу 2 варианта реализации таких «прыжков»:
1) Вариант - Луч фиксирован на зоне. Каждый луч на протяжении 15 секунд (это длина цикла в сети StarLink когда происходит пересчет положения ИСЗ относительно терминалов и переназначения какой терминал с каким ИСЗ работает ) зафиксирован на определенной зоне. Но коммутация этого луча в луч ИСЗ - Гейтвей происходит по очереди, например, зоны (соты) чередуются как 7-8-9-7-8-9-7-8-9. Время работы с каждой зоной не должно быть меньше длины кадра (пакета). Например, примем, что длина кадра/пакета 10 миллисекунд. Такой кадр, содержит 720 Мбит * 0,01 секунды = 7,2 мегабит = 900 килобайт информации. Можно еще увеличить частоту опроса до 1 раза в 1 миллисекунду и тогда объем пакета /кадра будет допустим 100 кБайт информацию. При этом в этом кадре/пакете будет содержаться информация для всех абонентских терминалов в данном луче. Но если в луче только один работающий терминал, то все эти килобайты - его.
В зависимости от нагрузки в каждом луче, есть теоретическая возможность поменять циклограмму опроса сот: вместо 7-8-9-7-8-9, перейти на 7-8-9-8-7-8-9-8, при этом как мы понимаем терминал в соте 8 увидит скорость в 2 раза выше, чем его «коллега» в сотах 7 или 9.
2) вариант "Прыгающий луч" - этот же по сути процесс, но в нем луч перемещается по зоне видимости ИСЗ между разными сотами: каждый из 16 лучей в Ка диапазоне на ИСЗ жестко скоммутирован с лучом Ка диапазона (2 луча Ку на один канал Ка) и постоянно «прыгает» из одной соты на Земле в другую- напомню, что время переключения ФАР с электронным управлением порядка 5 микросекунд, то есть, если мы говорим о работе по описанной выше схеме , то это будет выглядеть так
1 мс работа(отправка 1 кадра) на луч 7 - 0,005 мс переключение с 7 го луча на луч 8 - 1 мс работа в луче 8 - 0,005 мс переключение на луч 9 - 1 мс работа в луче 9.
Здесь уже все решает вопрос простоты коммутации на ИСЗ сколько микросекунд она длится, или время переключения луча ФАР на другой луч.
В принципе, на рисунке можно это описать как сеятель в поле бросает зернышки каждый раз в другую лунку..
Следствием данного построения сети является то, что оно обеспечивает возможность работы при минимально возможном числе ИСЗ на рабочей орбите. Каждый ИСЗ имеет диаметр зоны видимости его с Земли 1900 км. То есть для 100% покрытия США (ситуации когда из любого места видно минимум 1 ИСЗ достаточно всего 210 ИСЗ, правда при их равномерном распределении. Если у Вас их столько или больше, то Вы можете выбрать по одной зоне (соте ) на территории США, отстоящих друг от друга на 1400 км и НЕПРЕРЫВНО обслуживать ее с помощью существующих 210+.. ИСЗ.
Это правда не реально, так как Space X запускал свои ИСЗ по 20 штук в одной плоскости, и для более менее равномерного покрытия их оказалось нужно более 600..
Что то похожее происходит сейчас в эксплуатации на этапе БетаВерсии. Абоненты получают приглашения строго по географическому принципу - они живут в сотах, признанных SpaceX «обслуживаемыми» с приемлемым временем потери видимости на рабочий ИСЗ (сейчас это считанные минуты в сутки). По мере роста числа ИСЗ на орбите и ресурса пропускной способности на них (свободного трафика для передачи/ места для него в кадре) , Спейс Х «включает» очередную «соту» для обслуживания и направляет приглашения живущим в ней абонентам.
При этом, за счет того, что каждая рабочая сота постепенно «наполняется» абонентами скорость, которую получают абоненты снижается. Напомню, что тест измерения скорости длится 5 секунд . И за это время каждый терминал - получит место для своего трафика в среднем в 1000/3х5= 1500 пакетах/кадрах. (Это если один луч обслуживает 3 соты, но ничто не мешает SpaceX принять, что абоненту сейчас достаточно скорости 100 Мбит и тогда одним лучом можно обслужить минимум 6 сот .
На мой взгляд, вышеизложенное не противоречит ни одному известному мне факту по работе StarLink , поэтому я и решил это изложить здесь. Надеюсь, время покажет насколько я был прав или заблуждался. Но на данный момент это первое из виденных мной в мировом Интернете подробных объяснений «как работает» StarLink.