Как работает спутниковая сеть StarLink (конфиденциальная информация)

Пока с одной стороны SpaceX не раскрыл данную информацию, а с другой стороны  я не получил доступа к официальным материалам Space X  и соответсвующие тогда ограничения на их публикацию, спешу зафиксировать  свой взгляд/понимание этого  процесса (технологии).

Итак, Фазированная антенна спутника StarLink  может передавать несколько десятков отдельных лучей. В последней версии документа отправленного для сети StarLink  в ITU я насчитал 48 лучей. Не факт, что все они работают одновременно, возможно это   различные конфигурации, которые может формировать антенна спутника, а одновременно работает меньшее число лучей.

Точно известно, что  ГейтВей передает на ИСЗ в Ка диапазоне  по 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  16 лучей каждый шириной  по 240 МГц (если сможем принять с Гейтвея в левой поляризации а передать на терминал с ИСЗ в правой – напомню, что абонентский терминал работает 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 (угол места 90 градусов) . По мере отклонения луча его диаметр  увеличивается , так как  также  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 16 лучей то для 100% покрытия США (или зоны между 53 параллелями)  нам будет необходимо  41480 ИСЗ (!!!!)

Что явно  неправильно ибо 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. И это при полосе 240 МГц и практически отсутствии нагрузки (кстати в последнее время, 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 Мегабит. А абонент  видит менее 200..

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  информацию. 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 Ку  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.

В принципе, на рисунке можно это описать как сеятель в поле бросает зернышки каждый раз в другую лунку..

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 США (ситуации когда из любого места видно минимум 1 ИСЗ достаточно всего 210 ИСЗ,  правда при их равномерном распределении. Если у Вас их столько или больше, то Вы можете выбрать  по одной зоне (соте ) на территории США,  отстоящих друг от друга на 1400 км и НЕПРЕРЫВНО обслуживать ее  с помощью  существующих 210+.. ИСЗ.
Это правда не реально, так как Space X запускал свои ИСЗ по 20 штук в одной плоскости, и для более менее равномерного покрытия их оказалось нужно более 600..

Что то похожее происходит сейчас в эксплуатации на этапе БетаВерсии. 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) , Спейс Х «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 .

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.