Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 3. Наземный комплекс

Часть 1 ‣ Часть2 ‣Часть 3

Центр управления сетью

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.

Рис. Оборудование 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 IPv6 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:

Более о ЦУС сети Starlink сейчас практически ничего неизвестно.
К комплексу ЦУС можно отнести и наземный комплекс Управления и Сбора Телеметрии cети Starlink.
SpaceX использует 4 станции (телепорта), где установлены его собственные станции системы управления и сбора телеметрии в Ku и Ka-диапазоне.
Это Brewster (штат Вашингтон в США), Кордова (Аргентина), Тромсё(Норвегия), Аваруа, (Новая Зеландия). Канал телеметрии и управления для каждого спутника может быть активным до 2,5 часов в день (12 минут на один оборот вокруг Земли) орбиту, хотя расчетное время сеансов телеметрии 60 минут в день
Параметры телепортов сети StarLink

Дополнительно SpaceX заключил соглашение с норвежским оператором KSAT, чтобы использовать его всемирную сеть, работающую в диапазонах X и S. SpaceX будет иметь возможность использовать всю наземную сеть KSAT, состоящую из станций по всему миру, включая Тромсё (Норвегия), Свальбард (Норвегия), Антарктида, Сингапур, Юг Африка, Дубай и Маврикий. Эта же глобальная сеть широко используется для полетов ракет носителей Falcon 9 и космического корабля Dragon SpaceX. Так же SpaceX создал собственную станцию слежения и мониторинга в штате Вашингтон (индекс («RED1»), которая должна нести основную нагрузку, и использовать сеть KSAT при необходимости.
Сеансы связи в S- или X-диапазона могут продолжаться до 2,5 часов в день (или 10 минут на каждом витке), хотя расчетное значение 60 минут в день.

Так же SpaceX сформировал сеть тестовых станций для тестирования сервиса в сети StarLink.
Наземные тестовые станции включают шесть стационарных земных станций и три передвижные наземные станции. Их адреса:

Планировалось, что в период отработки системы спутники будут вести передачу только над этими наземными станциями (угол места от 40 ° до 90 °), что соответствует сеансу длительностью примерно 10 минут каждый день.
Каждая наземная станция оснащена от одной до четырех фазированных антенных решеток и/или параболических антенн с указанными ниже характеристиками
Так же в этих целях можно использовать антенны телеметрии и управления Ku-диапазона.

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.

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:

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°).
Вот технические характеристики Гейтвея (из заявки SpaceX японскому телеком регулятору)

Из таблицы следует – что терминал работает в канале пропускной способности (шириной канала) 500 МГц, с учетом защитных интервалов 480 МГц. Диаметр антенны 1,47 м, угол диаграммы направленности антенны 0,5 градуса, максимальное усиление антенны терминала 49,5 dBi, максимальный EIRP равен 66,5 дБВт.
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.

Рис. Карта размещения гейтвеев Starlink в США на середину октября 2020 года 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.
SpaceX предлагает следующую схему избежания интерференции с другими спутниками на геостационарной или низкой орбите, в отличие от сети OneWEB, где спутник должен был отклоняться на несколько градусов от вертикальной линии на Землю, Starlink предполагает переключение на другой Гейтвей. Вот схема из документа, направленного SpaceX в японский регулятор.

Красный пунктир «Луч не используется, так как есть возможность интерференции с другими ИСЗ». Зеленый пунктир «Луч может быть организован».
Таким образом, SpaceX выбрал вариант избыточного числа наземных гейтвеев, чтобы иметь возможность выбора для каждого ИСЗ Starlink гейтвея из нескольких, так же это накладывает на Центр Управления Сетью необходимость постоянного расчета взаимного положения каждого ИСЗ StarLink относительно спутников на ГСО, и что самое трудное со всеми ИСЗ других операторов, которые будут размещены на других орбитах и работающих в выбранных диапазонах частот. Как система Starlink будет справляться с этой задачей в будущем, если на НГСО будут запущены тысячи ИСЗ Kuiper, OneWEB, TeleSat LEO, китайских аналогичных систем, а также других систем использующих Ку и Ка диапазоны, оценить сейчас сложно, но поставленная задача выглядит весьма амбициозно.
Первая информация о размещении гейтвеев Starlink вне континентальной территории США появилась в октябре 2020 года. В данный момент австралийская дочка Space X — Australia PTY LTD подала заявки в Австралийский регулятор АСМА на размещение 4 Гейтвеев, все они планируются вдоль южного побережья Австралии (вдоль параллели 30..40 градусов южной широты).