Спутники становятся новыми элементами инфраструктуры сотовой связи

Современные спутники всё больше начинают играть роль традиционных базовых станций сотовой связи. Это стало возможным благодаря использованию более крупных антенн и улучшенной технологии формирования луча, что позволяет передавать и принимать сигналы на значительно большие расстояния. Сегодня спутники способны маршрутизировать вызовы через орбитальные сети.

Одним из значительных достижений в этой области стало недавнее событие: компания Starlink, являющаяся частью SpaceX, впервые отправила и получила текстовые сообщения через соединение 4G/LTE между мобильными телефонами с помощью своих новейших спутников v2mini. Это достижение ставит Starlink в один ряд с такими компаниями, как Amazon, Apple, AST SpaceMobile, Huawei и Lynk Global, которые также работают над развитием спутниковых телекоммуникаций. По данным Starlink, в ближайшие годы их система может предложить не только текстовые сообщения, но и голосовую и интернет-связь для абонентов по всему миру, исключая необходимость в наземных терминалах, которые сейчас используют клиенты.

Этот успех демонстрирует глобальный тренд сближения спутников и сотовых вышек в единую инфраструктуру связи. Различные компании стремятся использовать доступные технологии и снизить расходы на производство и запуск спутников, чтобы преодолеть сотни километров между мобильными устройствами на Земле и спутниками на орбите. Одной из ключевых задач, стоящих перед этими компаниями, является сложность того, что спутники на низкой околоземной орбите (LEO) движутся с огромной скоростью — десятки тысяч километров в час, что оставляет лишь небольшое окно для связи с мобильными телефонами на поверхности Земли.

Несмотря на эти трудности, прогресс в этой области очевиден. Например, различные компании уже успешно отправили и получили текстовые сообщения с обычных мобильных телефонов через коммерческие спутники (Huawei/China Telecom, Lynk Global, Apple/Globalstar), а также осуществили голосовые вызовы и передачу данных через 5G-спутники (AST SpaceMobile). Эти достижения привлекли внимание инвесторов: Lynk Global готовится к выходу на биржу с оценкой в 800 миллионов долларов, а такие гиганты, как AT&T, Google и Vodafone, недавно вложили средства в AST SpaceMobile, рыночная капитализация которой составляет 674,6 миллиона долларов.

«Я помню, как 10 лет назад операторы мобильной связи утверждали, что услуги спутниковой связи слишком дорогие. Но с тех пор многое изменилось благодаря доступности новых технологий, гибкости разработки и инновационным подходам», — отмечает Андреас Кнопп, специалист по обработке сигналов из Университета Бундесвера.

До недавнего времени спутники не могли напрямую подключаться к мобильным телефонам на Земле. Спутниковые телефоны, которые использовались в отдалённых экспедициях, имели большие антенны и требовали прямой видимости спутников для стабильного сигнала. Интеграция наземных и спутниковых сотовых сетей представляет собой более сложную задачу, чем просто переход между сотовыми вышками, когда сигнал передаётся от одной к другой.

Эта задача настолько трудна, что, например, одна исследовательская группа разработала экспериментальную систему, которая позволяет грузовикам, оснащённым компьютером, автоматически подключаться к спутниковой сети Starlink, когда они теряют сигнал наземной сети. По мнению Мелисы Лопес, исследователя беспроводной связи из Университета Ольборга, интеграция наземных и спутниковых сетей является конечной целью, которая будет достигнута благодаря технологическому прогрессу.

Хотя Starlink пока не раскрывает всех технических деталей своего 4G-соединения, существующие коммерческие спутниковые сети уже продемонстрировали основные принципы работы бесшовных спутниковых сотовых соединений. Исследователи также дали намеки на будущее развитие группировок спутников.

Три ключевых аспекта спутниковой сотовой связи

Вместо того чтобы переделывать мобильные телефоны под спутниковые системы, компании адаптируют спутниковую инфраструктуру под существующие мобильные устройства. Спутники оснащаются гораздо более крупными антеннами, чтобы они могли выполнять функции сотовых вышек. Например, первые спутники AST SpaceMobile имели антенны площадью 64 квадратных метра, а у спутников второго поколения она увеличилась до 128 квадратных метров. В планах — спутники с антеннами площадью 400 квадратных метров. Новейшие спутники Starlink v2mini оснащены антеннами площадью 6,21 квадратного метра, однако в будущем Starlink планирует запускать спутники с ещё большими антеннами, которые будут доставляться с помощью их сверхтяжелой ракеты Starship.

​

Ещё один важный аспект — размещение спутников на более низких орбитах. В течение первых десятилетий космической эры спутники связи запускались на геосинхронные орбиты, которые находятся значительно выше над Землёй. Такие спутники могли покрывать обширные территории, но их возможности ограничивались относительно небольшим количеством устройств. Однако за последнее десятилетие появление меньших и более дешёвых спутников, а также снижение затрат на их запуск сделали возможными новые бизнес-модели, основанные на низкоорбитальных спутниковых группировках. Эти новые спутники не могут работать так долго, как их геосинхронные предшественники, но они более эффективны в обнаружении слабых сигналов мобильных телефонов на Земле и справляются с возросшим объёмом трафика.

«Я помню, как 10 лет назад операторы мобильной связи утверждали, что услуги спутниковой связи слишком дороги. Всё изменилось благодаря доступности новых технологий и гибкости в проектировании», — подчёркивает Андреас Кнопп.

Улучшенное формирование луча также играет важную роль в развитии спутниковой связи. Это технология, которая позволяет спутникам более точно направлять сигнал на конкретного получателя, избегая помех для других устройств. Для этого передающие устройства рассчитывают наилучший маршрут для сигнала, что особенно важно, когда спутник движется со скоростью в десятки тысяч километров в час. Более сложное формирование луча может включать отправку одного и того же сигнала с нескольких антенн, чтобы усилить его за счёт когерентности, аналогично тому, как гармонизируются звуковые волны. Это похоже на то, как акустическая система может быть настроена для обеспечения наилучшего звучания в определённой точке комнаты.

Будущее спутниковой связи может предусматривать распределение задач формирования луча между большим количеством спутников. Исследования показывают, что небольшие спутники, работающие в тесном строю, могут эффективно выполнять задачи одного крупного спутника. «Каждый из этих спутников теперь работает автономно, и главный аспект заключается в алгоритме синхронизации, который должен согласовывать частоту, фазу и время так, чтобы сигналы поступали когерентно», — объясняет Диего Тузи, аспирант, изучающий обработку сигналов в Университете Бундесвера.

На данном этапе компании, такие как Starlink и её конкуренты, предлагают лишь базовые услуги. Однако это необходимый шаг в развитии технологий. «Это лучше, чем ничего», — считает инженер Томас Деламотт. Тем не менее, чтобы спутниковая связь стала повсеместной и достигла уровня 6G, необходимо разработать новые подходы и решения.