Как спутники становятся новыми вышками сотовой связи: антенны большего размера и лучшее формирование диаграммы направленности обеспечивают маршрутизацию вызовов через орбиту

Starlink sent and received texts over a 4G/LTE connection between mobile phones via its latest generation of satellites, called v2mini, for the first time this month, following similar projects from Amazon, Apple, AST SpaceMobile, Huawei, and Lynk Global. Starlink—the satellite constellation operated by SpaceX—will offer text messaging to subscribers of at least eight different mobile-network operators around the world and may offer voice and data coverage without the need for the ground terminals its customers now use in “coming years,” Starlink’s U.S. partner T-Mobile said in a statement.

Starlink впервые в этом месяце отправляла и получала текстовые сообщения через соединение 4G/LTE между мобильными телефонами через спутники последнего поколения под названием v2mini, следуя аналогичным проектам от Amazon, Apple, AST SpaceMobile, Huawei и Lynk Global. Starlink — группировка спутников, управляемая SpaceX, — будет предлагать обмен текстовыми сообщениями абонентам как минимум восьми различных операторов мобильной связи по всему миру и может обеспечивать покрытие голоса и данных без необходимости использования наземных терминалов, которые ее клиенты сейчас используют в «ближайшие годы». Об этом говорится в заявлении американского партнера Starlink компании T-Mobile.

The Starlink achievement is the latest example of how satellites and cellular base stations are converging. A handful of companies are exploiting cheaper satellite fabrication and launch costs, as well as adapting existing technologies such as beamforming, to bridge the several hundred kilometers between mobile phones and orbiting satellites. Among the many new wrinkles those companies have to iron out is the fact that for the first time, the towers themselves are the mobile component of the network: Low Earth orbit (LEO) satellites move at tens of thousands of kilometers an hour, so they have little time to communicate with any one mobile phone on the Earth’s surface.

Достижение Starlink — новейший пример того, как спутники и базовые станции сотовой связи сходятся. Несколько компаний используют более дешевые затраты на изготовление и запуск спутников, а также адаптируют существующие технологии, такие как формирование луча, для преодоления нескольких сотен километров между мобильными телефонами и орбитальными спутниками. Среди многих новых проблем, которые приходится решать этим компаниям, является тот факт, что впервые сами башни стали мобильным компонентом сети: спутники на низкой околоземной орбите (НОО) движутся со скоростью десятки тысяч километров в час, поэтому они у нас мало времени на общение с каким-либо мобильным телефоном на поверхности Земли.

The companies competing to solve these problems have so far sent and received text messages on conventional phones via a commercial satellite (Huawei/China Telecom; Lynk Global; Apple/Globalstar) and performed voice and data calls over 5G via an experimental satellite (AST SpaceMobile) as IEEE Spectrum has reported. Investors have taken notice: Lynk Global is going public in a deal that values the company at up to US $800 million while AT&T, Google, and Vodafone recently invested in AST SpaceMobile, which has a market capitalization of $674.6 million.

Компании, конкурирующие за решение этих проблем, до сих пор отправляли и получали текстовые сообщения на обычные телефоны через коммерческий спутник (Huawei/China Telecom; Lynk Global; Apple/Globalstar) и осуществляли голосовые вызовы и вызовы для передачи данных через 5G через экспериментальный спутник (AST SpaceMobile ), как сообщает IEEE Spectrum. Инвесторы обратили на это внимание: Lynk Global выходит на биржу в сделке, стоимость которой оценивается в 800 миллионов долларов США, а AT&T, Google и Vodafone недавно инвестировали в AST SpaceMobile, рыночная капитализация которой составляет 674,6 миллиона долларов США.

“I recall many discussions 10 years ago where the mobile operators told the satellite people, ‘Your price points are way too high.’ This has totally changed due to more availability of the technology, more agile development, and a different approach to failure.”—ANDREAS KNOPP, UNIVERSITY OF THE BUNDESWEHR

«Я вспоминаю множество дискуссий 10 лет назад, когда операторы мобильной связи говорили специалистам по спутниковой связи: «Ваши цены слишком высоки». Ситуация полностью изменилась благодаря большей доступности технологии, более гибкому развитию и другому подходу к сбоям. — АНДРЕАС КНОПП, УНИВЕРСИТЕТ БУНДЕСВЕРА

Until very recently, satellites could not connect to mobile phones hundreds of kilometers below. The sort of satellite phones people took on expeditions to more remote places have chunky antennas, require clear lines of sight to multiple satellites, and take a while to acquire a signal. Integrating terrestrial and satellite cellular networks isn’t as easy as moving between cell towers and handing off the signal from one to the next.

До недавнего времени спутники не могли подключиться к мобильным телефонам, находящимся на глубине сотен километров. Спутниковые телефоны, которые люди берут с собой в экспедиции в более отдаленные места, имеют массивные антенны, требуют прямой видимости нескольких спутников и требуют времени для приема сигнала. Интеграция наземных и спутниковых сотовых сетей не так проста, как перемещение между вышками сотовой связи и передача сигнала от одной к другой.

Indeed, the task is so difficult that one research group built an experimental application to help an Internet-connected livestock truck equipped with its own computer switch to an onboard Starlink ground station when the truck loses the cellular network signal. Achieving a seamless integration of terrestrial and nonterrestrial networks is the ultimate goal, says study coauthor Melisa López, a wireless communications researcher at the University of Aalborg in Denmark.

Действительно, задача настолько сложна, что одна исследовательская группа создала экспериментальное приложение , чтобы помочь подключенному к Интернету грузовику для перевозки скота, оснащенному собственным компьютером, переключиться на бортовую наземную станцию Starlink, когда грузовик теряет сигнал сотовой сети. По словам соавтора исследования Мелисы Лопес, исследователя беспроводной связи из Ольборгского университета в Дании, достижение плавной интеграции наземных и неназемных сетей является конечной целью.

Starlink doesn’t explain many details of its 4G connection, but existing commercial constellations reveal several of the building blocks of seamless satellite cellular connections, and researchers have published at least one promising lead for future constellations.

Starlink не объясняет многие детали своего соединения 4G, но существующие коммерческие группировки раскрывают несколько строительных блоков бесшовных спутниковых сотовых соединений, и исследователи опубликовали по крайней мере одно многообещающее предположение о будущих группировках.

Three Keys to Connecting Phones to Satellites

Instead of redesigning mobile phones to be more like satellite phones, companies are redesigning the satellite network to meet mobile phones more than halfway. They are making the antennas on the satellites much bigger in their scramble to turn satellites into cellphone towers. For example, AST SpaceMobile’s first satellites had antennas with surface areas of 64 square meters, followed by second generation satellites with 128 m2 antennas, with plans for going up to 400 m2. Starlink’s new v2mini satellite antennas are 6.21 m2, but Starlink plans even larger cellular-compatible satellites that it will launch when its larger Starship rocket is available.

Три ключа к подключению телефонов к спутникам Вместо того, чтобы перепроектировать мобильные телефоны, чтобы они больше походили на спутниковые, компании перепроектируют спутниковую сеть, чтобы она более чем наполовину соответствовала мобильным телефонам. Они делают антенны на спутниках намного больше, пытаясь превратить спутники в вышки сотовой связи. Например, первые спутники AST SpaceMobile имели антенны с площадью поверхности 64 квадратных метра, за ними следовали спутники второго поколения с антеннами 128 м2, площадь которых планировалось увеличить до 400 м2. Новые спутниковые антенны Starlink v2mini имеют площадь 6,21 м2, но Starlink планирует запустить еще более крупные спутники, совместимые с сотовой связью, когда станет доступна более крупная ракета Starship.

Companies are also making their satellites more like cellphone towers by flying them lower than before. For the first few decades of the space age, communications satellites were inserted into geosynchronous orbits much higher above the Earth, where they could cover a large portion of the planet’s surface for a relatively long period of time. However, those satellites handled far fewer devices than exist today.

Компании также делают свои спутники более похожими на вышки сотовой связи, размещая их ниже, чем раньше. В течение первых нескольких десятилетий космической эры спутники связи были выведены на геосинхронные орбиты гораздо выше Земли, где они могли покрывать большую часть поверхности планеты в течение относительно длительного периода времени. Однако эти спутники обслуживали гораздо меньше устройств, чем существует сегодня.

The advent of smaller and cheaper satellites and cheaper launch costs in the last decade or so have enabled business models that rely on many cheaper satellites flown in low Earth orbit. These new satellites won’t last as long but will be better able to detect the weak signals from mobile phones on the surface and handle their growing traffic.

Появление меньших по размеру и более дешевых спутников и более дешевые затраты на запуск в последнее десятилетие или около того позволили создать бизнес-модели, основанные на использовании множества более дешевых спутников, летающих на низкой околоземной орбите. Эти новые спутники прослужат недолго, но смогут лучше обнаруживать слабые сигналы мобильных телефонов на поверхности и обрабатывать их растущий трафик.

SpaceX’s Starlink network can connect directly to an off-the-shelf cellphone, potentially eliminating the need for bulky satellite phones.STARLINK

Сеть SpaceX Starlink может подключаться напрямую к стандартному мобильному телефону, что потенциально устраняет необходимость в громоздких спутниковых телефонах. STARLINK

«Я вспоминаю множество дискуссий 10 лет назад, когда операторы мобильной связи говорили специалистам по спутниковой связи: «Ваши цены слишком высоки». Ситуация полностью изменилась благодаря большей доступности технологий, более гибкому развитию и другому подходу к сбоям. — говорит Андреас Кнопп, инженер по обработке сигналов из Университета Бундесвера в Мюнхене.

Another contributor is improved beamforming, which is how a transmitting device calculates the best way to direct its signal to reach a particular recipient, without interfering with other recipients. That may involve bouncing a signal off a building or mountainside, from terrestrial towers, or it may involve precise targeting of a narrow, fast-moving signal, from a satellite moving tens of thousands of kilometers per hour.

Еще одним фактором является улучшенное формирование луча, то есть то, как передающее устройство рассчитывает лучший способ направить свой сигнал для достижения определенного получателя, не создавая помех другим получателям. Это может включать отражение сигнала от здания или склона горы, от наземных вышек, или это может включать в себя точное нацеливание на узкий, быстро движущийся сигнал со спутника, движущегося со скоростью десятки тысяч километров в час.

More sophisticated beamforming can involve sending the same signals from multiple antennas so that the signal’s reinforce each other, a bit like when sound waves harmonize. Anyone who has tuned a home speaker system to provide the best sound at the point of a particular couch has done beamforming, probably with the help of sophisticated software in the background.

Более сложное формирование луча может включать отправку одних и тех же сигналов от нескольких антенн, чтобы сигналы усиливали друг друга, что немного похоже на гармонизацию звуковых волн. Любой, кто настраивал домашнюю акустическую систему так, чтобы обеспечить наилучший звук в точке, где находится конкретный диван, выполнял формирование луча, вероятно, с помощью сложного программного обеспечения в фоновом режиме.

In the future, it may be worth spreading the task of beamforming across even more satellites than now, write the authors of a pair of recent papers. A scenario floated in one of the studies is the use of more than two dozen tiny satellites flying in close formation to replicate the work done today by one cellular-compatible satellite. “Each of these satellites is now independent, with its own components. The main aspect is this synchronization algorithm, which has to align frequency, phase, and the time for the signals to arrive coherently,” says Diego Tuzi, a graduate student studying signal processing at the University of the Bundeswehr who, together with Knopp, is a coauthor on one of those recent papers.

В будущем, возможно, стоит распространить задачу формирования луча на еще большее количество спутников, чем сейчас, пишут авторы пары недавних статей. Сценарий, предложенный в одном из исследований, заключается в использовании более двух десятков крошечных спутников, летающих плотным строем, для повторения работы, выполняемой сегодня одним спутником, совместимым с сотовой связью. «Каждый из этих спутников теперь независим и имеет свои собственные компоненты. Основным аспектом является этот алгоритм синхронизации, который должен согласовывать частоту, фазу и время, чтобы сигналы поступали когерентно», — говорит Диего Тузи, аспирант, изучающий обработку сигналов в Университете Бундесвера, который вместе с Кноппом соавтор одной из этих недавних статей.

For now, what Starlink and its competitors are offering is very little, though it is a necessary step. “It’s better than nothing,” says Thomas Delamotte, another coauthor on the recent paper and a signal processing engineer at the University of the Bundeswehr, “but if you want to have a long-term perspective we will need new approaches to make 6G ubiquitous.”

На данный момент то, что предлагают Starlink и его конкуренты, очень мало, хотя это необходимый шаг. «Это лучше, чем ничего», — говорит Томас Деламотт, еще один соавтор недавней статьи и инженер по обработке сигналов в Университете Бундесвера, — «но если вы хотите иметь долгосрочную перспективу, нам понадобятся новые подходы, чтобы сделать 6G повсеместным ».