26.10.2020

Мини-энциклопедия Starlink. Часть 3. ЦУС, гейтвеи, абонентский терминал


   Центр управления сетью (ЦУС) обеспечивает управление всей сетью спутниковой связи, координацию работы шлюзовых и абонентских станций, задание единого времени в сети, выделение частотных слотов на спутниках для работы (передачи данных) шлюзовых и абонентских станций, ведение биллинга, сбора данных о переданной и полученной информации, сбор данных о состоянии системы.

Учитывая критическую важность ЦУС, в сети как правило предусматривается основной ЦУС и резервный ЦУС, работающий в состоянии горячего резерва.

Оборудование ЦУС.jpgОборудование Центра управления сетью для спутниковой сети на геостационарной орбите компании Hughes Network Systems (США)

По сути ЦУС - это набор серверов, соединенных оптико-волоконными линиями связи с шлюзовыми станциями. Связь ЦУС и гейтвеев по оптическим каналам очень важна, так как обеспечивает передачу пакетов информации ЦУС на гейтвей с постоянной задержкой, что позволяет эффективно управлять процессом передачи информации на спутник и, самое главное, процессом переключения спутника с одного гейтвея на другой, а терминала - между спутниками. Использование любых систем связи, например, сотовой или беспроводной, если в них есть протоколы, допускающие плавающую задержку, тут недопустимы.

Согласно заявлению Илона Маска, в сети будет использоваться собственный проприетарный протокол, который будет проще чем ip6 и иметь небольшой размер заголовков: «“will be simpler than IPv6 and have tiny packet overhead.” It’s also “definitely” going to be a peer-to-peer connection». Также в сети будет использоваться сквозное шифрование трафика

Комментарий.jpg
Более о ЦУС сети Starlink сейчас практически ничего неизвестно.

Шлюзовые станции (гейтвеи)

Шлюзовые станции (гейтвеи) обеспечивают передачу информации из сети интернет через спутник на абонентские терминалы. Таким образом, в отсутствие межспутниковой связи, для функционирования абонентского терминала необходимо, чтобы в зоне покрытия сигнала спутника, через который работает в данный момент абонентский терминал, находился как минимум один гейтвей. Один гейтвей может работать с сотнями и тысячами абонентских терминалов. Типовой гейтвей сети Starlink имеет 8 антенн, каждая из которых может передавать информацию на «свой» спутник.
Gateway.jpg
Поэтому под гейтвеем в рамках сети Starlink надо понимать совокупность отдельных антенных постов, расположенных в одном месте и работающих в Ка-диапазоне. Обычно в гейтвее находятся и абонентские терминалы, служащие для контрольных целей: они проверяют, на каких модуляциях в данных погодных условиях работает сеть в данном районе.

Под радомом (так называется радиопрозрачный колпак) находится что-то похожее на такую антенну:

Антенна.jpg

Гейтвей должен иметь гарантированное энергообеспечение и подключение к магистральным каналам сети интернет (backbone). При этом точкой входа абонента в сеть интернет будут не ближайший к гейтвею узел какого-либо местного провайдера, а только собственные сервера SpaceX, на которых будет стоять система биллинга, управления трафиком клиента и оборудование СОРМ (Система оперативно-розыскных мероприятий, американское название аналогичного закона об обязанности телеком-оператора дать полиции возможность просматривать трафик - Communications Assistance for Law Enforcement Act, сокращенно CALEA).

Так как требования к серверам для указанных выше сервисов весьма высоки, скорее всего у Starlink будет 4-5 точек входа в интернет на территории США на самых известных узлах по обмену трафиком (IX) между интернет-провайдерами. Кстати, это добавит несколько миллисекунд, а может и пару десятков мс к общей задержке в сети.

В данный момент Starlink использует на гейтвеях параболические антенны диаметром 1,5 м в радомах (радиопрозрачные купола) собственного производства и с передатчиком мощностью 50 Вт. Особенностью параболических антенн является то, что они, в отличие от антенн с фазированной решеткой, могут работать при малых углах места (в заявке SpaceX указано, что до 5°). В совокупности с тем, что антенны на спутнике для связи с гейтвеем тоже параболические и имеют возможность отклоняться в нужном направлении, это позволяет существенно расширить рабочую зону передачи информации от гейтвея на спутник.

Карта размещения гейтвеев.pngКарта размещения гейтвеев Starlink в США с указанием их теоретической зоны покрытия при угле места 5-10 градусов.

Одной из проблем, с которой сталкивается SpaceX при развертывании сети гейтвеев в США - то, что в США часть Ка-диапазона закреплена за сервисом UMFUS. Последняя аббревиатура - это общее понятие, которым FCC обозначает инновационные услуги фиксированной или подвижной связи, а также интернета вещей (IoT), использующих полосу частот 27,5-28,35 ГГц в Ка-диапазоне. Услуги (или сети), которые могут предоставлять лицензиаты UMFUS, относятся только к технологиям фиксированной и наземной сотовой связи, а также фиксированной спутниковой службы, то есть подвижная спутниковая связь (такая как Starlink) к ним не относится. Поэтому SpaceX должна искать в США районы с очень низкой плотностью населения - не более 450 человек в зоне, где плотность излучения (PFD) от антенн спутниковой связи гейтвея Starlink составляет некий фиксированный предел Х (-77.6 dBm/m2/MHz): там, по мнению FCC, система Starlink не сможет помешать сервисам UMFUS.

Учитывая, что для гейтвеев желателен открытый вид на небо и возможность работы по всем 360 градусам и с минимальными углами места, это условие существенно усложняет процесс поиска подходящего места для гейтвея.

Гейтвеи имеют в своем составе модуляторы и демодуляторы, которые обеспечивают преобразование модулированного радиосигнала в цифровой поток данных и выдачу его в наземную сеть.

Как указывалось выше, единое время и фиксированная задержка в прохождении пакета между ЦУС и гейтвеем играет абсолютно критичную роль в системе Starlink, поэтому размещение гейтвеев на движущихся, даже с минимальной скоростью, объектах (например, плавучих платформах в океане) может быть трудно решаемой задачей.

На данный момент информации о размещении гейтвеев Starlink вне континентальной территории США не имеется.

Абонентский терминал

Абонентский терминал – это индивидуальная станция, устанавливаемая на стационарном объекте (доме) и рассчитанная на обслуживание одного абонента (аккаунта). То есть пользоваться интернетом, который раздается по Wi-Fi, могут все проживающие в доме, но это будет один счет в биллинге. И вероятность того, что SpaceX организует в ближайшее время групповой доступ или несколько аккаунтов на один терминал, я оцениваю как очень низкую.
Технические параметры терминала практически неизвестны. Однако в одном из писем SpaceX была приведена вот такая таблица:
технические параметры терминала.png
Данные по модуляции, особенно на линии «космос – Земля», приведены скорее всего с оптимизмом, а вот данные по диаграмме направленности антенны (особенно установленной на спутнике) весьма полезны для понимания, как будет работать сеть Starlink.
Абонентский терминал состоит из двух частей. Антенна диаметром 47 см с фазированной решеткой, которая устанавливается вне дома так, чтобы иметь максимально открытый вид на небо по всем 360 градусам:
Абонентская антенна.jpg
Антенна соединяется с блоком питания по кабелю с разъемом Ethernet, который одновременно служит и кабелем питания (технология РоЕ, power over Ethernet).
В доме располагается Wi-Fi роутер и блок питания.

Так как внешний вид роутера является секретной информацией, то фотографий лучшего качества я представить не могу.

Вот как будет выглядеть шильдик на роутере:
Роутер.jpg
Роутеры производятся на Тайване, а антенны - в США, силами самой SpaceХ.

Еще одним элементом комплекта терминала будет блок питания, обеспечивающий и роутер, и антенну.

Несмотря на известнейший твит Илона Маска про Plug and Play:

Твит.jpg

— это весьма далеко от истины. До того, как “plug” в розетку вилку кабеля блока питания и начать “play”, придется заняться интересным мероприятием – монтажом антенны.

Нет 100%-ой уверенности, что поколение Z, привыкшее к айфонам, так легко справится с таким монтажом, когда на конек крыши надо будет затащить и закрепить вот такую конструкцию:

Easy Up EZ PNP Peak - непроникающее крепление антенны Starlink на крыше.jpgEasy Up EZ PNP Peak - непроникающее крепление антенны Starlink на крыше

Самое сложное во время монтажа - не повредить имеющуюся на крыше гидроизоляцию и обеспечить ее в месте, где кабель попадет в дом.

В случае монтажа в саду или на лужайке (если владельцу дома повезло, и она не затеняется деревьями), опора ставится просто на землю и приваливается грузами (50 фунтов = 20 кг), обычно это мешки с песком (либо бордюрный камень и т.п.). Но тут появляется другая сложность – надо проложить кабель так, чтобы не спотыкаться об него и не разрезать его газонокосилкой.

В общем, по оценке автора, не менее 50% потенциальных абонентов решат прибегнуть к услугам профессионального инсталлятора или строителя, чтобы сэкономить свое время и деньги на будущем ремонте дома.

Сказать о внутреннем устройстве антенны нечего, ибо это корпоративный секрет SpaceX (по крайней мере, до тех пор, пока какой-нибудь терминал не украдут и не вскроют тайные поклонники таланта инженеров SpaceX).

Скорее всего, внутри окажутся вот такие чипы/микросхемы (фото взято у C-Com, другого производителя антенн с плоской фазированной решеткой):

Модули 4 на 4 элемента RX для приема, TX на передачу. Монета канадская.Модули 4 на 4 элемента RX для приема, TX на передачу. Монета канадская.

Самым неожиданным в конструкции антенны является наличие электропривода. Судя по конструкции, антенна будет вращаться в горизонтальной плоскости на 360° и отклоняться на 50-60 градусов в вертикальной плоскости. Данное решение (введение электропривода в конструкцию) является весьма спорным, так как любой вращающийся узел - это причина возможных отказов, особенно с учетом самых разнообразных климатический условий, когда антенна может покрываться ледяной коркой, в щели может попадать пыль, песок и т.п.

Судя по всему, ввод электропривода в конструкцию сделан для того, чтобы уйти от необходимости работы при малых углах места – наклон антенны в сторону «рабочего» в данный момент спутника увеличивает эффективную площадь антенны (см. формулу ее расчета ниже) и, соответственно, скорость передачи и приема информации.

Эффективная площадь антенны = sin (угол места) * Геометрическая площадь.

То есть при угле места 25° эффективная площадь антенны составляет всего 42% от ее геометрической площади. На данный момент существует точка зрения, что антенна терминала будет поворачиваться только в момент первого включения, однако автор не разделяет эту точку зрения и полагает, что электропривод будет работать практически постоянно, помогая антенне иметь больший угол места в направлении ближайшего спутника. Создание терминала с фазированной решеткой не является сложной технической проблемой, однако главный вызов несет скорее технология. Дело в том, что современные абонентские терминалы для связи с геостационарными спутниками с параболической антенной имеют себестоимость в районе $250, и по принятой в США модели не продаются абоненту, а предоставляются ему на 2-3 года в составе услуги. В начале проекта Starlink Илон Маск указывал, что $300 - это и есть целевая себестоимость терминала. В то же время современные антенны с фазированной решеткой у других производителей, например Kymeta, стоят сейчас в пределах $20-25 тыс. Поэтому перед технологами SpaceX стоит очень сложная задача - снизить себестоимость абонентского терминала хотя бы до $1000, чтобы бизнес-кейс сошелся в ближайшее время.



Сергей Пехтерев

P.S Продолжение следует...











Поделиться в соц. сетях
414