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 со 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 контроля 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:

1. Штаб-квартира SpaceX: Хоторн, Калифорния.

2. Штаб-квартира Tesla Motors: Фремонт, Калифорния.

3. Испытательный центр SpaceX: МакГрегор, Техас.

4. SpaceX Brownsville: Браунсвилл, Техас

5. SpaceX Redmond: Редмонд, Вашингтон

6. SpaceX Brewster: Брюстер, Вашингтон.

7. SpaceX Broadband Test Van 1: переносной

8. SpaceX Broadband Test Van 2: переносной

9. SpaceX Broadband Test Van 3: переносной

 

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 избегания 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 Кu и Кa 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).