Итак, фазированная антенна спутника StarLink (на спутнике их 3) может формировать и передавать несколько десятков отдельных лучей. В последней версии документа отправленного для сети StarLink в ITU я насчитал 48 вариантов конфигурации лучей. Не факт, что все они работают одновременно, возможно это всего лишь варианты конфигурации, которые может формировать антенна спутника, а одновременно работает меньшее число лучей.
Точно известно, что гейтвей передает на ИСЗ в Ка-диапазоне по примерно 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 с ИСЗ максимум 16 лучей шириной по 240 МГц (если сможем использовать обе поляризации на линии ИСЗ-гейтвей. Напомню, что абонентский терминал работает на прием 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 (где угол места 90 градусов). По мере отклонения луча его диаметр увеличивается, так как 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 наличия на каждом спутнике 16 лучей, то для 100% покрытия США (или зоны между 53 параллелями ) нам будет необходимо 41480 ИСЗ (!). Что явно неправильно, так как 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. Это было осенью 2020 года при полосе 240 МГц и практически отсутствии нагрузки, кстати, в последнее время (начало 2021 года), 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 Мбит, а абонент сейчас видит менее 200 Мбит…
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 информации. 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 Кu 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.
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 территории США южнее 53 параллели (ситуации когда из любого места видно минимум 1 ИСЗ) теоретически достаточно всего 210-220 ИСЗ при их равномерном распределении и расстоянии между соседними ИСЗ около 1350 км. 1350 км это сторона квадрата вписанного в круг диаметром 1900 км — в таком случае будет полное покрытие поверхности Земли ). Соответственно, если у Вас имеется столько или больше спутников, то Вы всегда сможете закрыть любую точку на территории США, направив туда луч со спутника и НЕПРЕРЫВНО обслуживать ее.
На практике это не работает, так как SpaceX запускал свои ИСЗ по 20 штук в одной плоскости, и для более-менее равномерного покрытия их оказалось нужно более 600…
Подтверждением описанного выше является порядок принятия абонентов в бета версию.. 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), SpaceX «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.
Косвенным подтверждением этого является недавний твит Илона Маска с обещанием к концу 2021 года увеличить скорость до 300 Мбит.
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».
