Услуги американских провайдеров и телеком-компаний одни из наиболее дорогих в мире, в то время как их качество, в частности пропускная способность, оставляет желать лучшего.

Тому есть ряд объективных причин например, устаревшие стандарты широкополосной связи и статистика, постоянно требующая уточнений. Оба момента снижают предсказуемость развития инфраструктуры, затрудняют планирование новых и обновление действующих линий связи.

Обсудим, что предлагает SpaceX и как команда Starlink подключилась к решению проблемы.

Интернет в деревню

Устаревшая методология и, как следствие, низкая точность отчетности, которую подают американские интернет-провайдеры, привела к серьезным проблемам. Как выяснили частные компании, до сорока двух миллионов граждан не могут воспользоваться услугами широкополосного доступа в сеть. По их месту жительства просто нет такой возможности.

Наибольшие сложности возникают за пределами крупных населенных пунктов, где отчетность ведется по блокам переписи площадью с целый округ (до 2-3 км²). В статистике их учитывают как обладающие высокоскоростными линиями связи, даже если подключение есть всего лишь у одного домохозяйства на целый census block.

Нехватка широкополосного доступа в сеть наблюдаются уже достаточно давно, на что указывают и независимые опросы трое из пяти респондентов (58%) подтверждают, что сложности такого рода у них все еще есть. Однако власти перешли от обсуждения к принятию мер по разрешению ситуации буквально недавно в первой половине года.

Этим летом Федеральная комиссия по связи США (Federal Communications Commission, FCC) утвердила правила участия в широкомасштабной программе субсидий, составивших в общей сложности шестнадцать миллиардов долларов. Претендовать на свою долю от этой суммы смогли сотни телеком-компаний, желающие обеспечить жителей малочисленных районов высокоскоростными линиями. Однако еще на подготовительном этапе представители комиссии заявили, что спутниковая интернет-связь скорее всего не будет включена в программу.

Что там со SpaceX

Компании удалось опротестовать подход FCC, исключающий для нее возможность участия в программе субсидий. В пояснительной записке представители SpaceX подчеркнули, что главное высокое и стабильное качество услуг, а не способ их доставки потребителю. Комиссия пошла навстречу компании, допустила ее к конкурсу, а по его итогам выделила $885,5 млн.

Еще $8,3 млрд из первой части общего пакета поддержки FCC распределили среди 180 провайдеров. Кстати, некоторые из них выразили сомнения относительно возможностей Starlink, сославшись на потенциальные обрывы связи и сложности с поддержанием соединения, если компания не сможет ввести в строй достаточно число спутников. В качестве своеобразного ответа в начале ноября руководство SpaceX отчиталось об успешном бета-тесте сервиса.

Что еще у нас есть на Хабре:

• CPPA от GDPR не далеко падает: в Канаде ужесточат требования по защите ПД

• Переведут ли госсофт на open source возможности для развития этого тренда в США

• За что критикуют инициативы британских интернет-регуляторов разберемся, что к чему

Пока достаточно сложно сказать, для какой части из нескольких десятков миллионов граждан, сталкивающихся с нехваткой широкополосного доступа в сеть, Starlink сможет предложить достойную альтернативу. Ряд скептиков полагают, что процесс доставки спутниковой интернет-связи в американскую деревню может несколько замедлить необходимость покупки и установки дополнительного оборудования для приема и обработки сигнала. По данным CNBC, стоимость комплекта может составить до $500, а ежемесячные платежи окажутся на уровне $99, что вполне укладывается в верхнюю границу цен на соответствующие услуги в США.

Другие сомневающиеся указывают на то, что субсидии не будут единовременными. Действительно, их распределят на несколько лет при условии соответствия промежуточным требования комисси. В масштабе общих затрат на реализацию проекта эта сумма не окажет решающего влияния. Однакосам факт успешного участия в конкурсе может стать прецедентом и открыть для Starlink доступ к новым программам поддержки. Кто знает, как еще правительство решит поддержать телеком-компании в контексте всеобщего перехода на дистанционку.

Сложности остаются

Решение проблемы с широкополосным доступом скорее всего затянется несколько лет. Даже если у SpaceX и команды Starlink получится выйти из беты в самое ближайшее время, обеспечить стабильную интернет-связь сразу для всех малонаселенных районов страны точно не выйдет.

Ситуацию осложняют и запрет на строительство широкополосных сетей силами местных сообществ. Помимо этого для пятидесяти миллионов американцев все еще актуален вендор-лок. Там, где они живут, выбирать не приходится: услуги связи предоставляет всего одна компания, что не самым лучшим образом сказывается и на их стоимости.

Что еще почитать у нас в блоге:

• Интернет в деревню строим радиорелейную Wi-Fi-сеть

• Адреса IPv4 заканчиваются хронология истощения

• В Китае ввели блокировку ESNI-соединений

• Проект Доступный интернет: промежуточные итоги

• В Канаде пытаются ужесточить требования по защите ПД

В обзоре представлены направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, которые активно проводятся в настоящее время во многих странах с целью поиска технологий создания плоских антенн со сканированием лучом для наземных терминалов спутниковой связи. Среди многочисленных решений в статье отмечены те, которые на взгляд авторов являются наиболее перспективными.

In our article we review and suggest categorization of various engineering approaches used to develop satellite communication ground terminal flat-panel scanning antenna. Among many solutions we highlight the several of the most promising technologies and concepts.

В последнее десятилетие во многих странах мира активно проводятся поисковые НИР и ОКР, целью которых является поиск технических решений для создания недорогих плоских сканирующих антенн (Flat-panel antennas, FPA). Сегодня главным драйвером для этого является возрастающее количество планируемых сценариев предоставления услуг широкополосного доступа (ШПД) на подвижных объектах.

Различные реализации FPA известны достаточно давно, однако до сих пор они относились к классу оборудования, не предназначенного для массового применения. Отсутствие на рынке недорогих пользовательских терминалов с плоской сканирующей антенной часто обозначается как проблема, ограничивающая коммерциализацию новых низкоорбитальных систем спутникового ШПД, в создание которых вкладываются миллиарды долларов, поэтому работой в этом направлении занимаются большое количество инженерных и научных коллективов во всем мире.

В процессе решения задачи достижения приемлемых для массового рынка параметров FPA проводятся исследования возможности улучшения их радиотехнических и эксплуатационных характеристик и, главное, снижения себестоимости FPA в производстве. В результате появляется множество новых подходов к построению таких антенн. В статье мы предлагаем классификацию присутствующих на рынке антенных решений, обзор существующих технологий построения FPA и анализ их перспективности на рынке спутникового ШПД.

На текущий момент заявлено к созданию порядка 10 низкоорбитальных спутниковых группировок ШПД. Некоторые из них уже находятся на стадии тестирования, а ряд на стадии активной разработки. Общей проблемой для всех подобных проектов является доступный для конечного пользователя абонентский терминал. На рынке существуют несколько решений, однако ни одно из них пока не приблизилось к целевому показателю стоимости.

Можно выделить 6 основных перспективных направлений построения FPA. Это использование

• радиочастотных интегральных схем (RF ASIC);

• аналоговых методов диаграммообразования;

• методов радиофотоники;

• цифровых антенных решеток;

• квазиоптических антенн;

• антенн поверхностной волны.

Первые четыре направления являются различными вариациями хорошо известных в антенной технике фазированных антенных решеток (ФАР). Пятое направление квазиоптических антенн также известно достаточно давно. Шестое направление антенн поверхностной волны (АПВ) является сравнительно новым и слабо исследованным. Антеннам поверхностной волны в данном обзоре уделено особое внимание. Поясним суть отличий антенн поверхностной волны от фазированных антенных решеток.

В ФАР антенные элементы являются резонансными структурами, расположенными с шагом около половины длины волны. За счет параллельного возбуждения элементов в определенной фазе с помощью диаграммообразующей схемы в раскрыве антенны формируется необходимое амплитудно-фазовое распределение поля, которое определяет диаграмму направленности в дальней зоне. В АПВ элементы расположены с шагом существенно меньше длины волны и не являются резонансными структурами. Возбуждение полотна антенны осуществляется поверхностной волной, а параметры излучения определяются законом распределения элементов и их геометрией. Исследованию АПВ посвящено большое количество статей в научной литературе в последнее десятилетие.

Далее проведем обзор каждого из обозначенных направлений в отдельности.

Радиочастотные интегральные схемы (RF ASIC)

Идея: Перенос максимального числа РЧ цепей на одну интегральную микросхему.

RF ASIC (также используется название beamformer) интегральная микросхема, на которую переносятся радиочастотные цепи, отвечающие за формирование диаграммы направленности и первичную аналоговую обработку сигнала. Антенна представляет собой многослойную печатную плату, на верхней стороне которой находятся антенные элементы и часть пассивной схемотехники. На нижней стороне платы находится массив микросхем RF ASIC и управляющая электроника, формирующие требуемое амплитудно-фазовое распределение и диаграмму направленности. Ключевые элементы диаграммообразующей схемы фазовращатели выполнены на основе полупроводниковых управляющих элементов (например, pin-диодов или варакторов).

Компании-разработчики: Anokiwave [1], IDT Renesas [2], Analog Devices [3], Xphased [4], HiSkySat [5].

Преимущества: Возможность создавать компактные ФАР на печатной плате, легко достигать серийности производства, известная физика сканирования.

Недостатки: Стоимость RF ASIC, реализация частотного дуплекса, коэффициент шума и шумовая добротность G/T.

Примеры: Первый терминал для спутниковой группировки Starlink построен на микросхемах RF ASIC [6].

Аналоговые ФАР

Идея: Поиск оптимального варианта реализации СВЧ фазовращателя.

Микрополосковая или другая СВЧ линия передачи диаграммообразующей схемы помещается в среду, параметры которой (как правило диэлектрическая проницаемость) изменяются под внешним воздействием (как правило электрическим полем). Это позволяет изменять электрическую длину линии, и таким образом формировать требуемую диаграмму направленности за счет изменения фазового распределения в апертуре. В качестве среды с управляемыми параметрами могут используются жидкие кристаллы (ЖК), сегнетоэлектрики, ферриты и др. Данный подход позволяет отойти от использования микросхем, за счет чего существенно снизить стоимость антенны. При применении в качестве управляемой среды жидких кристаллов появляется возможность использования для производства FPA хорошо освоенных технологий изготовления ЖК дисплеев.

Компании-разработчики: ALCAN Systems [7], Wafer [8].

Преимущества: Отказ от микросхем, известная физика сканирования.

Недостатки: Более сложная технология изготовления чем у ФАР на RF ASIC, температурная зависимость параметров управляемой среды.

Примеры: Фирма ALCAN Systems представила ряд прототипов построения ФАР на жидких кристаллах [9].

Радиооптические ФАР

Идея: Формирование диаграммы направленности в оптическом диапазоне.

В настоящее время, развитие радиофотоники позволяет использовать оптоволоконный интерфейс для передачи принятых элементами антенной решетки радиосигналов, путем их переноса на оптическую несущую. Также на оптической несущей с использованием оптоэлектронных устройств происходит формирование диаграммы направленности. Затем происходит обратный перенос сигнала с оптического в радиочастотный диапазон с его последующей оцифровкой.

Компании-разработчики: AIM Photonics [10], Photonics21 [11], EPIC [12], Analog Photonics [13].

Преимущества: Обработка сигнала на оптической несущей позволяют делать много-октавные рабочие полосы, создавать распределенные антенные системы. Кроме того, РОФАР потенциально обладают повышенным быстродействием, энергоэффективностью, высокой помехозащищенностью по сравнению с обычными радиочастотными ФАР.

Недостатки: РОФАР структурно сложны, имеют высокую стоимость и на текущий момент находятся в исследовательском поле.

Примеры: Концерн ВЕГА от Росэлектроники завершил испытания макета РОФАР [14]. Также есть несколько иностранных проектов, в частности PHODIR [15].

Цифровые антенные решетки

Идея: Прямая оцифровка сигнала и формирование диаграммы направленности в цифровом виде.

Оцифровка сигналов элементов антенной решетки может производиться как прямым методом - переносом сигнала в определенную зону Найквиста, так и с преобразованием частоты вниз. Как правило используется одно преобразование частоты. Амплитудно-фазовое распределение формируется в цифровом виде. Существуют гибридные схемы ЦАР, где часть каналов объединяется с фазированием на векторном модуляторе. FPA на ЦАР обладают предельной гибкостью, поскольку позволяют получать в цифровом виде всю информацию о структуре поля в раскрыве антенны, что необходимо для многолучевых сценариев работы и сложных сюжетов пространственной обработки. Общая производительность антенны определяется вычислительной способностью модуля цифровой обработки.

Компании-разработчики: SatixFy [16], Texas instruments [17], Analog Devices [18].

Преимущества: Предельная гибкость по числу лучей и сюжетам пространственной обработки сигналов.

Недостатки: Техническая сложность, работа с предельно большим потоком данных, высокая стоимость.

Примеры: Компания SatixFy представила рынку свое решение для задач спутникового интернета вещей [19], планируется создание антенны для спутникового ШПД. Также хорошо известен проект MIDAS от DARPA [20].

Квазиоптические антенны

Идея: Использование в качестве диаграммообразующей схемы радиолинз.

Известно два основных подхода к диаграммообразованию с использованием радиолинз. В первом случае для сканирования используется переключение между выходами многолучевых антенн, построенных на основе линз Ротмана и Люнеберга. Линзы могут быть выполнены в плоском виде. Во втором случае радиолинза фокусирует поле принимаемого сигнала на один из элементов вторичной решетки. Каждый элемент вторичной решетки соответствует своему направлению прихода волны, а сканирование осуществляется за счет коммутации элементов. Таким образом построена антенна компании Isotropic Solutions.

N

Компании-разработчики: Isotropic Systems [21].

Преимущества: Отказ от микросхем, схема диаграммообразования - рисунок на печатной плате.

Недостатки: Потери в линзе (в случае линзы Ротмана), громоздкая схема.

Примеры: Фирма Isotropic Solutions разработала терминал на радиолинзах [22]. Также существует большое число исследований по теме многолучевых антенн на основе линз Люнеберга и Ротмана.

Антенны поверхностных волн

Идея: Возбуждение излучающей поверхностной волны и управление ей за счет модуляции параметров поверхности.

Антенны поверхностных волн также иногда называют антеннами на метаповерхностях и антеннами с голографическим диаграммообразованием. Антенна представляет собой поверхность, по которой распространяется поверхностная волна, чаще всего TM типа. За счет модуляции параметров поверхности часть энергии волны излучается в пространство в виде электромагнитного поля с необходимыми направлением и поляризацией. Антенна поверхностной волны не требует для управления лучом фазовращателей или большого числа микросхем, но при этом имеет более сложную физику работы, чем фазированные антенные решетки. Технологически она может быть выполнена в виде плоской волноведущей структуры с большим количеством одинаковых управляющих элементов. На текущий момент на рынке существуют антенны подобного типа на основе жидких кристаллов и варакторных диодов. В академическом поле ведутся исследования альтернативных методов, связанных с управляемыми фазовыми переходами в некоторых материалах (VO2, GeTe, BTO и др.), суперпарамагнетиками, магнитореалогическими эластомерами и др.

Компании-разработчики: Kymeta [23], Pivotal [24], WaveUp [25], MatrixWave [26].

Преимущества: предельная простота структуры антенны, технологичность изготовления, любая форма и геометрия.

Недостатки: сложная физика работы, многие идеи находятся в академическом поле и требуют дополнительных исследований.

Примеры: Компания Kymeta представила рынку антенну на основе поверхностных волн [27].

Заключение

Как видно, в мире имеется достаточно большое количество фирм, ведущих разработки антенн с управлением лучом на различных принципах функционирования. Какие из них займут место на рынке, мы увидим в ближайшие годы. По нашему мнению, наиболее перспективным и интересным направлением создания сканирующих антенн для массовых применений являются антенны поверхностных волн. Компания Kymeta уже показала на практике возможность отхода от стандартной парадигмы ФАР. Следует также отметить компанию Pivotal, которая разработала АПВ на одной многослойной печатной плате, что говорит о потенциале снижения стоимости таких антенн. Вполне возможно, что именно в этом направлении в ближайшие годы мы увидим существенные прорывы. Кроме того, в настоящее время ведутся исследования консорциумами во главе с Intel и IBM в области материалов с управляемым фазовым переходом, исследуются различные магнитные пленки с управляемыми параметрами. Это создает дополнительные предпосылки для создания новых антенн на поверхностных волнах с управлением лучом. С другой стороны, совершенно очевиден массовый приход на рынок ФАР на RF ASIC. Дальше этот подход будет постепенно преобразовываться в ЦАР, поскольку они являются наиболее гибким и эффективным решением, которое фактически позволяет напрямую оцифровывать поле в раскрыве антенны, и получать за счет этого почти неограниченную функциональность. Однако ключевыми стоп-факторами RF ASIC и ЦАР на сегодняшний день являются стоимость интегральных микросхем и сложность обработки больших потоков цифровых данных. Скорее всего, в горизонте 5 лет появятся гибридные решения на основе RF ASIC ЦАР и антенн на поверхностных волнах.

Обсуждаем последние новости проекта и планы компании, которые стали известны благодаря тексту документа, направленного SpaceX в адрес Федеральной комиссии по связи США.

Ситуация

В прошлом году Федеральная комиссия по связи [Federal Communications Commission, FCC] приняла во внимание аргументы из пояснительной записки руководства SpaceX и разрешила компании претендовать на господдержку наравне с другими интернет-провайдерами. Средства выделили на развитие сетевой инфраструктуры в американской деревне районах, где нет широкополосных линий связи, либо альтернатив единственной телеком-компании.

Из 8,3 млрд Starlink достались 885,5 млн долларов. Остальные средства FCC распределила между 180 провайдерами. Причем некоторые из них не были готовы к тому, что проект спутниковой интернет-связи попадет в число лидеров по объему финансирования, и попытались поставить под сомнение возможности SpaceX.

Ответ компании не заставил себя ждать всего через несколько недель она заявила о результатах тестирования в штате Монтана на северо-западе США. Там удалось зафиксировать даунстрим в 210 Мбит/с. До этого в ходе теста в Нью-Йорке он был на уровне 209 Мбит/с, что в любом случае больше, чем средний уровень предложения на рынке спутниковой связи. Поэтому возможности Starlink теперь сравнивают исключительно с обычным broadband'ом.

Развитие

Первыми, кто получил приглашение на бета-тест в Европе, оказалась небольшая выборка потенциальных клиентов сервиса в Великобритании. Команда Starlink связалась с ними в декабре прошлого года и рассказала, что в рамках следующий нескольких месяцев не стоит ждать высоких и стабильных показателей соединения. Даунстрим должен быть в пределах в 50-150 Мбит/с, плюс нельзя исключать периоды полного отсутствия связи, пока компания не развернет дополнительную группу спутников и не расширит свою наземную инфраструктуру.

Так или иначе, жителям страны предложили комплект оборудования под названием Starlink Kit с тарелкой и маршрутизатором за 439 фунтов и ежемесячными платежами по 89 фунтов. В США стоимость сетапа и доступа установили на уровне 499 и 99 долларов соответственно.

В США спутниковой интернет-связью пользуется лишь 5% аудитории сети. Однако возможности Starlink позволяют ему конкурировать с классическими интернет-провайдерами, поэтому к переходу на новый тип связи уже готова практически половина американцев старше 18 лет.

Будущее

Петиция компании к FCC показала, что сейчас Starlink может похвастаться десятью тысячами пользователей, которых уже нельзя назвать тестировщиками. Их считают полноценными клиентами. Плюс в документе речь идет о расширении скоупа услуг компании: она хотела бы активнее действовать в регионах, где не хватает широкополосных линий связи, и просит у комиссию соответствующего разрешения. Более того, Starlink собирается предоставлять там и услуги голосовых вызовов, а еще поставлять источники бесперебойного электропитания для выхода в сеть в ситуации полного отключения электроэнергии в том или ином районе страны.

Как пишут в Ars Technica, к этим задачам SpaceX может привлечь сторонних подрядчиков, чтобы предложить аудитории услуги максимально возможного качества.

Что еще почитать у нас в блоге:

• До свидания, ESNI. Привет, ECH

• Новые сетевые технологии: компактный обзор

• Проект Доступный интернет: промежуточные итоги

• Как организовать ИТ-инфраструктуру для Закона Яровой

• Интернет в деревню строим радиорелейную Wi-Fi-сеть

• Адреса IPv4 заканчиваются хронология истощения

• В Китае ввели блокировку ESNI-соединений