Часть 4 Абонентский терминал

 

Абонентский терминал – это индивидуальная станция, устанавливаемая на стационарном объекте (доме) и рассчитанная на обслуживание одного абонента (аккаунта). То есть пользоваться интернетом, который раздается по Wi-Fi, могут все проживающие в доме, но это будет один счет в биллинге. И вероятность того, что SpaceX организует в ближайшее время групповой доступ или несколько аккаунтов на один терминал, я оцениваю как очень низкую.

В 2016 году в документах направленных Space X в FCC (см. apps.fcc.gov/els/GetAtt.html?id=197812&x=) было заявлено 5 типов абонентских терминалов. В таблице ниже это Модели A, B, C, D. E

Первые 2 колонки относятся к земным станциям для задач управления и мониторинга за спутником, и последние пять это абонентские терминалы

 

На сегодня, известна конструкция модели ES-A. Модель ES-B, судя по величине угла диаграм­мы направленности, должна была иметь больший диаметр антенны, и возможно из за своего больше­го размера относительно модели А с диаметром антенны 48 см, была признана неподходящей для мас­сового потребительского рынка из-за возможно более высокой стоимости. Возможно типоразмер модели В соответствует плоским антеннам с фазированной решеткой, устанавливаемым на спутнике StarLink. Модели с параболическими антеннами пока публике представлены не были и возможно будут разработаны позднее.

Как мы видим, в сети StarLink абонентский терминал может работать с каналами на прием (downlink) 5 номиналов шириной в 15, 30, 60, 120 и 240 МГц, позволяющими передать соответственно 15, 30, 60, 120 и 240 Мегасимволов.

Технические параметры абонентского терминала: по данным заявки Space X, направленной японскому регулятору в 2020 году основные параметры терминала не изменились с момента подачи первой заявки в FCC в 2016 году:

То есть внешний диаметр антенны 55 см, ее коэффициент усиления G/T 9 dB/K, максимальные скорости: 350 Мбит из Интернета, и 130 Мбит от терминала в Интернет.

 

Из таблицы следует – что терминал работает на передачу в канале (inroute) пропускной способ­нос­ти (шириной канала) 60 МГц. Эффективный диаметр антенны 48 см, угол диаграммы направленности антенны 2,8 градуса, максимальное усиление антенны терминала 34,6 dBi, максимальный EIRP (ЭИИМ) равен 38,2 дБВт.

Мощность передатчика абонентского терминала меняется в зависимости от его наклона относи­тель­но линии в зенит. В случае, когда луч антенны направлен в зенит, мощность выдаваемая на антенну со­став­ляет 0,76 Вт, при предельном отклонении от вертикали 4,06 Вт. Ограничение здесь задаются сани­тарными нормами США на плотность потока радиоизлучения, где параметры терминала SpaceX всего на 1% ниже разрешенного уровня для установки, не требующей привлечения профессиональных инсталляторов.

Таким образом, можно сделать вывод о достаточно низкой спектральной эффективности на прием абонентского терминала при 240 МГц ширина канала по нему передается не более 350 Мбит, то есть 1,5 бит/герц. Это, скорее всего, связано с малым диаметром самой антенны и присущей антеннам с фазированной решеткой малым коэффициентом использования площади.

Также, как было показано выше, в одном из писем SpaceX была приведена вот такая таблица:

Данные по модуляции, особенно на линии «космос – Земля», приведены, скорее всего, «с опти­мизмом», ибо 64QAM это 6 бит на символ, а максимум 3, которые характеризуют имеющееся сейчас отношение сигнал/шум.

Абонентский терминал состоит из трех элементов. Главный – это антенна диаметром 55см с фазированной решеткой, которая устанавливается вне дома так, чтобы иметь максимально открытый вид на небо по всем 360 градусам:

На фото одна из первых версий абонентского терминала StarLink

Антенна соединяется с блоком питания по кабелю с разъемом Ethernet, который одновременно служит и кабелем питания (технология РоЕ, power over Ethernet).

Вот фотография терминала от 1 ноября 2020, когда началось публичное бета тестирование.

 

Судя по всему, антенна имеет внешнее пластиковое покрытие типа кожуха, в сети 12 октября появилось фото терминала, расположенного на полигоне Бока Чика в Техасе, где этот кожух не вы­держал местных климатических условий и начал разрушаться:

 

В доме располагается Wi-Fi роутер и блок питания.

На видео ниже первый показ терминала из дома сотрудницы

https://www.youtube.com/watch?v=J55TeuMkAaM&feature=emb_logo
Рис. Роутер в руке сотрудника SpaceX, на заднем фоне – антенна (выглядит как белый круглый стол на одной черной ножке).

Так как внешний вид роутера до 27 октября 2020 года являлся секретной информацией, то фотографии лучшего качества появились только после этой даты.

 

Вот фирменный шильдик на роутере:

Роутер создан на базе SoC Qualcomm IPQ4018. Это очень популярный и дешевый SoC для маршрутизаторов Wi-Fi с хо­рошей поддержкой со стороны Linux. Он имеет 2 частотных диапазона (передатчика). 5,8 ГГц (полоса 80 МГц) и 2,4 ГГц (ширина полосы 40 МГц). Также внутри находится 5-портовый процессор коммутатора. Управление от OpenWRT или слегка модифицированного Qualcomm SDK. Роутеры производятся на Тайване.

Антенны по имеющимся на данный момент данным производятся  в США, силами самой SpaceХ.

 

 

Еще одним элементом комплекта терминала будет блок питания, обеспечивающий и роутер, и антенну.

 

Один из первых тестеров замерил энергопотребление терминала StarLink при работе его от автомобильного аккумулятора, потребляемая мощность составила 116 Вт. Общее энергопотребление терминала может достигать 180 Вт (кабель РоЕ 2 линии по 56 В и 1,6 А и одна линия 56 В и 0,3 А. Также имеются сведения, что антенна терминала StarLink имеет подогрев.

Комплект терминала поставляется в картонной упаковке размером примерно 60 на 60 см и весом 9..9,5 кг. На фото слева коробки, поставлявшиеся на этапе закрытого бета тестирования. На этапе публичного бета тестирования поставка началась в других коробках (фото справа).

 

Вид внутри

Интересно, что терминал получил в SpaceX свое собственное имя: Dishy McFlatface

Несмотря на известнейший твит Илона Маска про Plug and Play:

– это весьма далеко от истины. До того, как «plug» вилку кабеля блока питания в розетку и начать «play», придется заняться интересным мероприятием – монтажом антенны.

Самое простое и типовое решение это установка на плоскую поверхность – газон:

трипод для установки на землю входит в стандартную поставку

Длина кабеля РоЕ составляет 100 футов (30 метров), при этом один из его концов, входит в антенну и не может быть от нее отсоединен без ее разборки.

Понятно, что размер опоры маловат для сильного ветра и будет необходимо привалить тре­ногу-основание грузами или прикрутить ее саморезами/дюбелями к иной прочной поверхности.

Змеящийся по траве провод мягко говоря не лучшее решение, если Абонент иногда косит траву газонокосилкой. Тогда решение – монтаж на крыше (также типовое решение). Однако, нет 100%-ой уверенности, что поколение Z, привыкшее к айфонам, так легко справится с таким мон­тажом, когда на конек крыши надо будет затащить и закрепить вот такую конструкцию:

Рис. Easy Up EZ PNP Peak – непроникающее крепление антенны Starlink на крыше

Самое сложное во время монтажа – не повредить имеющуюся на крыше гидроизоляцию и обеспечить ее в месте, где кабель попадет в дом.

В общем, по оценке автора, не менее 50% потенциальных абонентов решат прибегнуть к услугам профессионального инсталлятора или строителя, чтобы сэкономить свое время и деньги на будущем ремонте дома.

Сказать о внутрен­нем устройстве ан­тенны нечего, ибо это корпоративный секрет SpaceX (по крайней мере, до тех пор, пока ка­кой-нибудь терми­нал не украдут и не вскроют тайные по­клон­ники таланта инженеров SpaceX). Тем не менее, на­шлись умные люди, решившие просве­тить терминал теп­ло­ви­зором. И вот что они увидели:

 

 

Скорее всего, внутри окажутся вот такие чипы/микросхемы (фото взято у C-Com, другого производителя антенн с плоской фазированной решеткой):

Рис. Модули 4 на 4 элемента RX для приема, TX на передачу. Монета канадская.

 

Прямой подсчет, показывает, что в антенне имеется около 1675 таких элементов. Теория подтверждает возможность размещения такого числа чипов: Линия “вниз” /прием 10,7–12,7 ГГц (длина волны 2,5 см). Линия “вверх” (передача) 14-14,5 ГГц или 2,1 см. Чтобы избежать появления боковых лепестков, нужно расстояние между излучателями примерно 1/2 от самой короткой используемой длины волны, или примерно 1,05 см. Антенна 48 см, оставьте 2 см по краю для поля, поэтому активный диаметр составляет 44 см. Таким образом, вы можете уместить (44 / 1.05) ^ 2 элементов или примерно 1756 элементов.

UPD 18/11/20

Источники в отрасли сообщили (https://www.digitimes.com/news/a20200820PD207.html), что SpaceX выбрало поставщиком МИС (Микроволновая монолитная интегральная схема/ Monolithic microwave integrated circuit) на базе Арсенида Галлия (GaAs) компанию WIN Semiconductors (https://www.winfoundry.com/en-US) из Тайваня. Среди технологий, освоенных компаний, упоминается “Power GaAs pHEMT with Integrated Vertical PIN and Schottky Barrier Diodes MMIC Technology”, которая возможно и была востребована SpaceX для производства интегральных схем. Базовая информация о ММИС и пути их развития изложена здесь: kit-e.ru/svch/monolitnye-integralnye-shemy-svch-vzglyad-iznutri

Внешний вид

Типичные размеры и цены

Самым неожиданным в конструкции антенны является наличие электропривода. Судя по кон­струкции, антенна будет вращаться в горизонтальной плоскости на 360° и отклоняться на 50-60 гра­дусов в вертикальной плоскости. Данное решение (введение электропривода в конструкцию) яв­ля­ет­ся весьма спорным, так как любой вращающийся узел – это причина возможных отказов, особенно с учетом самых разнообразных климатический условий, когда антенна может покрываться ледяной кор­кой, в щели может попадать пыль, песок и т.п.

Отметим, что появились результаты экспериментов с “движением” терминала. В случае, если терминал находится на платформе, которая начинает качаться, то терминал очень быстро теряет ориентацию на спутник и переходит в режим поиска ИСЗ и настройки на него.

Таким образом, привод терминала является достаточно медленным, чтобы компенсировать “ка­чание” терминала, а сам терминал (по крайней мере, версия, используемая при бета-тестировании) – стационарным, не предназначенным для работы на движущихся объектах.

Судя по всему, ввод электропривода в конструкцию сделан для того, чтобы уйти от необхо­димости работы при малых углах места – наклон антенны в сторону «рабочего» в данный момент спутника увеличивает эффективную площадь антенны (см. формулу ее расчета ниже) и, соот­вет­ст­вен­но, скорость передачи и приема информации.

Эффективная площадь антенны = sin (угол места) * Геометрическая площадь.

То есть при угле места 25° эффективная площадь антенны составляет всего 42% от ее геомет­рической площади. При включении антенна терминала ориентируется на север, так как там над 53 параллелью максимальная «плотность» спутников. При этом угол наклона антенны достаточно боль­шой и позволяет иметь практически прямой угол между направлением на спутник и плоскостью антенны. При тестировании в более южных районах США, и тем более на экваторе плотность ИСЗ по сторонам горизонта будет примерно одинакова и антенна, скорее всего, будет смотреть в зенит.

Теоретически электропривод мог бы, работая постоянно, отклонять антенну в сторону бли­жай­шего «оптимального для работы» спутника, однако, это накладывает определенные требования на быстроту работы привода, и его ресурс. Для районов ниже 30 параллели спутники на 50-й па­раллели уже не видны и угол наклона терминала на север будет меньше или его не будет вообще, хотя плотность ИСЗ тем выше, чем дальше мы находимся от экватора. В районе экватора антенна будет направлена практически горизонтально к земле и «плотность» спутников в зоне видимости терминала тут минимальна.

Создание терминала с фазированной решеткой не является сложной технической проблемой, однако главный вызов несет скорее технология. Дело в том, что современные абонентские терми­налы для связи с геостационарными спутниками с параболической антенной имеют себестоимость в районе $250, и по принятой в США модели не продаются абоненту, а предоставляются ему на 2-3 года в составе услуги. В начале проекта Starlink Илон Маск указывал, что $300 – это и есть целевая себестоимость терминала. В то же время современные антенны с фазированной решеткой у других производителей, например Kymeta, стоят сейчас в пределах $20-25 тыс. Поэтому перед технологами SpaceX стоит очень сложная задача – снизить себестоимость абонентского терминала хотя бы до $1000, чтобы бизнес-кейс сошелся в ближайшее время. Отметим, что объявленная в ноябре стои­мость в 499 Долларов имеет крайне слабую связь с его текущей себестоимостью. Это в своем твите от 3 ноября 2020 года полностью подтвердил сам Илон Маск:

«Lowering Starlink terminal cost, which may sound rather pedestrian, is actually our most difficult technical challenge»