Content uploaded by Bostjan Batagelj
Author content
All content in this area was uploaded by Bostjan Batagelj on May 07, 2021
Content may be subject to copyright.
ELEKTROTEHNIŠKI VESTNIK 88(1-2): 1-7, 2021
PREGL EDNI S TROKOV NI Č LA NEK
Vrednotenje tehničnih lastnosti komunikacijskega omrežja
majhnih satelitov Starlink
Žiga Andrejc, Boštjan Batagelj
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Laboratorij za sevanje in optiko, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana, Slovenija
E-pošta: ziga.andrejc@gmail.com
Povzetek. Cilj vseh komunikacijskih satelitskih povezav je, da se za dobrobit človeštva zadovoljijo ogromne
komunikacijske potrebe s pošiljanjem signala najboljše kakovosti z najnižjo pasovno širino in močjo ter z
uporabo najpreprostejše in najprimernejše strojne opreme. Za doseganje teh ciljev se danes načrtovanje
komunikacijskih satelitskih sistemov preusmerja iz geostacionarne tirnice v nižje zemeljske tirnice, kjer se signal
najboljše kakovosti izvede z zmanjševanjem verjetnosti napak in zakasnitev. Pri konstelacijskem sistemu majhnih
satelitov je ob zasnovi zaželeno, da se zmanjšajo zapletenost in stroški implementacije predlaganega sistema,
potrebna prenosna moč, ki se pretvori v razmerje med signalom in šumom, in uporabljeni frekvenčni spekter.
V delu je ovrednoteno satelitsko širokopasovno komunikacijsko omrežje Starlink, ki ga razvija ameriško podjetje
SpaceX. Pregledane in komentirane so glavne tehnične značilnosti tega zelo posebnega segmenta širokopasovnih
komunikacijskih omrežij, osnovanih na konstelacijskem omrežju tehnologije majhnih satelitov. Glavni namen
prispevka je jasno prikazati tehnične lastnosti omrežja Starlink, ki jih podjetje SpaceX običajno ne razkriva
podrobno v javno dostopnih predstavitvah.
Ključne besede: Starlink, satelitsko omrežje, telekomunikacijsko omrežje, širokopasovni dostop, nizka
zemeljska tirnica
Evaluation of the Starlink Small Satellite Communications
Network Technical Specifications
In all links involving communications satellites, the aim is to
send the best-quality signal with the lowest bandwidth and
power using the simplest and most appropriate hardware. This
is for everyone’s benefit, because it is necessary to satisfy
enormous demands for all types of communications. For the
purpose of achieving these targets, the design of
communications-satellite systems is being shifted from the
geostationary orbit to lower Earth orbits, where the best-
quality signal is achieved by minimizing the probability of
error and latency. In a small-satellite constellation system, the
design minimizes the complexity and the cost of implementing
the proposed system, reduces the required transmission power,
which translates into signal-to-noise ratio, and narrows the
frequency spectrum being used.
The work evaluates the Starlink-satellite broadband-
communications network developed by the American
company SpaceX. The main technical characteristics of this
special segment of broadband-communications networking
based on the constellation network of small-satellite
technology are reviewed and commented on. The main
purpose of the paper is to clearly show the technical
characteristics of the Starlink network that SpaceX does not
disclose in popular-science presentations.
Keywords: Starlink, satellite network, telecommunications
network, broadband access, low Earth orbit
1 UVOD
Izgradnja in poskusi poslovne uporabe svetovnega
širokopasovnega omrežja elektronskih komunikacij prek
sistema umetnih satelitov so se začeli že pred več kot 10
leti. [1] Tovrstne satelitske storitve, ki so alternativa
zemeljskim omrežjem iz optičnih vlaken ali brezžičnim
povezavam, pa niso tuje niti slovenskemu programu za
zagotavljanje širokopasovnih povezav na podeželju, v
Posočju se je zgodba začela odvijati že leta 2009. [2] V
nasprotju z običajnimi zemeljskimi komunikacijskimi
omrežji, pri katerih internetni promet potuje po optičnih
kablih ali krajši razdalji po zraku, satelitsko internetno
omrežje prenaša informacije s pomočjo mikrovalovnega
valovanja, ki potuje med satelitom v zemeljski tirnici in
uporabnikom nekje na Zemlji. Kljub trenutni
razširjenosti zemeljskih fiksnih in mobilnih omrežij ter
nekaterim omejitvam današnjih satelitskih omrežij pa
vzpostavitev resnično globalnega internetnega omrežja,
ki bo lahko ponujalo storitve uporabnikom ne glede na
lokacijo, brez satelitske tehnologije ne bo mogoča. Nov
globalni internet, ki bo zagotovljen brez lokalnih
telekomunikacijskih operaterjev, bo odporen proti
lokalnemu cenzuriranju in omejevanju storitev, a bo na
žalost vodil v globalni monopol in ogrozil nevtralnost
interneta. [3]
Trenutno satelitsko internetno omrežje zagotavljajo
veliki in zmogljivi sateliti, nameščeni v geostacionarni
Prejet 7. januar, 2021
Odobren 15. februar, 2021
2 ANDREJC, BATAGELJ
tirnici (angl. geostationary orbit – GEO) [4], katerih
slabost je relativno velika zakasnitev signala (t) zaradi
medsebojne oddaljenosti med uporabnikom na Zemlji in
satelitom. Teoretična zakasnitev v obe smeri za
opazovalca, ki ima geostacionarni satelit v nadglavišču
(zenitu), je podana kot
(1)
kjer je hGEO višina geostacionarne tirnice nad
zemeljskim ekvatorjem, ki znaša 35.786 km, in c0
hitrost razširjanja elektromagnetnega valovanja v
praznem prostoru, ki v približku znaša 3108 m/s.
Za opazovalca, ki ima geostacionarni satelit na
obzorju (horizontu), pa se teoretična zakasnitev v obe
smeri izračuna kot
(2)
kjer je RZ polmer Zemlje, ki znaša 6.378 km. Teoretična
dvosmerna zakasnitev, ki se razpenja med 238 ms in
278 ms, se zaradi obdelave signala na satelitu in tudi
štirikratnega potovanja razdalje med Zemljo in
satelitom, ker geostacionarni sateliti nimajo
medsatelitskih zvez, v praksi podaljša na 600 ms ali več.
[5] Z namenom zmanjšati zakasnitve in omogočiti
storitev čim večjemu številu uporabnikov so se že pred
več kot 20 leti začele vzpostavljati satelitske
konstelacije v nizki zemeljski tirnici (angl. low Earth
orbit – LEO) in srednji zemeljski tirnici (angl. medium
Earth orbit – MEO), katerih lastnosti primerja tabela 1.
Zaradi ekonomije obsega in kratke življenjske dobe se v
LEO nameščajo majhni sateliti, kjer svojo vlogo v
zadnjih letih utrjuje tudi Slovenija [6, 7].
Tabela 1: Lastnosti tirnic za satelitsko internetno omrežje.
vrsta tirnice
LEO
MEO
GEO
oddaljenost
100 km–
2.000 km
2.000 km–
36.000 km
36.000 km
zakasnitev
10 ms
120 ms
260 ms
hitrost
satelita
7,8–6,9 km/s
6,9–3,1 km/s
>3,1 km/s
vidljivost
satelita
kratka
srednja
vedno
predaja
zveze
pogosta
srednja
ni
območje
pokrivanja
majhno
srednje
veliko
življenjska
doba satelita
3–7 let
10–15 let
10–15 let
Izzivov, ki se pojavljajo pri gradnji širokopasovnega
satelitskega internetnega omrežja v LEO, je več. [1]
Vzdrževanje zvez na relacijah satelit–satelit in satelit–
Zemlja ter obratno ni trivialno, ker se topologija
omrežja spreminja. Komunikacijski protokoli morajo
omogočati mobilnost tako mrežnih vozlišč na satelitih
kot terminalov na Zemlji in imeti toleranco za
spreminjajoče in visoke zakasnitve ter slabljenja
signalov pri komunikaciji. V novi arhitekturi omrežja
podatke procesirajo in usmerjajo tudi sateliti, ki morajo
biti zaradi velikih hitrosti gibanja sposobni hitre predaje
zvez.
Med aktualnimi projekti majhnih satelitov v LEO je
medijsko najbolj odmeven Starlink podjetja SpaceX.
Projekt je prvič ugledal luč januarja leta 2015, ko je
svetu svojo idejo predstavil direktor in lastnik podjetja
Elon Musk. [8] Ob predstavitvi je povedal, da je njihov
cilj prenos večine internetnega prometa na dolgih
razdaljah in okrog 10 % lokalnega internetnega prometa
nekega območja. Starlink je zasnoval, da omogoči hiter
in cenovno ugoden prenos velikih količin podatkov na
odročnih območjih, kamor žične povezave ne sežejo.
Prav tako je izpostavil, da imajo satelitska internetna
omrežja prednost pred zemeljskimi, saj je hitrost
elektromagnetnega valovanja za približno 30 % višja v
vakuumu kot v optičnem vlaknu in je potrebnih manj
vozlišč, da informacija prispe na oddaljen cilj. SpaceX
se pri vzpostavitvi omrežja majhnih satelitov sooča z
izzivi visokih cen satelitov, izstrelitve predmetov v
tirnice in opreme na uporabnikovi strani, kar se odraža
tudi v spreminjanju dokumentacije, ki jo vlaga na
ameriško Zvezno komisijo za komunikacije (angl.
Federal Communications Commission – FCC). [9]
Pričujoč prispevek v nadaljevanju vrednoti tehnične
lastnosti satelitskega širokopasovnega
komunikacijskega omrežja Starlink podjetja SpaceX,
kjer so v naslednjem poglavju pregledane in
komentirane glavne tehnične značilnosti omrežja
majhnih satelitov Starlink. Nato pa sta jasno prikazana
vesoljski segment z medsatelitskimi zvezami in
zemeljski segment z uporabniškim terminalom. V
zaključku so povzete lastnosti sistema in ugotovitve
prvih testnih uporabnikov.
2 GLAVNE ZNAČILNOSTI STARLINKA
2.1 Pokritost in zakasnitve
Pri omrežju majhnih satelitov Starlink se časovne
zakasnitve minimizira s tem, da se satelite namešča v
LEO, kjer pa je glavna pomanjkljivost majhno vidno
polje. Posamezen satelit opazuje oziroma omogoča
komunikacijo le na majhnem geografskem območju na
Zemlji, kot je prikazano na sliki 1. V fazi nepopolne
konstelacije bo uporabnik lahko komuniciral s satelitom
samo pri elevacijah, ki bodo večje od 25. [10]
Če privzamemo, da je ekscentričnost tirnice satelita
Starlink enaka nič, kar pomeni, da potuje po krožnici,
se hitrost potovanja izračuna po izrazu
(3)
kjer je hLEO višina tirnice, pa težnostna konstanta
Zemlje, ki znaša 3,9860051014 m3/s2. Satelit Starlink, ki
je na višini 550 km nad Zemljinim površjem [10], se
giblje s hitrostjo 7,585 km/s. Če zanemarimo hitrost, ki
jo ima uporabnik zaradi vrtenja Zemlje in znaša največ
na ekvatorju, kjer je 0,47 km/s, lahko izračunamo čas,
ko satelit omogoča uporabniku signal
VREDNOTENJE TEHNIČNIH LASTNOSTI KOMUNIKACIJSKEGA OMREŽJA MAJHNIH SATELITOV STARLINK 3
(4)
kjer je L razdalja, ki jo prepotuje satelit, medtem ko
omogoča zvezo med uporabnikom in satelitom.
Slika 1 Premik satelita, medtem ko je viden uporabniku.
Iz podobnih krožnih izsekov na sliki 1 sledi
(5)
kjer je d polmer geografskega območja, ki ga satelit
pokriva, in znaša 940,7 km [10]. V primeru minimalne
elevacije 25˚, bo satelit, medtem ko bo uporabniku
omogočal storitev, naredil 20043,6 km, za kar bo
potreboval 4,49 minute. Ko bo konstelacija
komunikacijskega omrežja majhnih satelitov Starlink
popolna, bo minimalna elevacija 40˚, satelit pa bo pokril
geografsko območje s polmerom 573,5 km in bo po
enačbi (5) uporabniku na razpolago zgolj 2,74 minute.
Ker imajo sateliti v LEO manjšo geografsko območje
pokrivanja, se jih za globalno pokritost potrebuje več.
Za nemoten sprejem se morajo pokrivna območja
prekrivati in antena na uporabniški strani mora
preklopiti na sosednji satelit po vsaj 4,49 minute
oziroma 2,74 minute. Krajši časi, povezave s satelitom,
zahtevajo hitro odzivnost pri uporabniški anteni.
Od geostacionarnih nižje Starlinkove tirnice,
prinašajo nižje zakasnitve pri potovanju signala.
Podobno, kot se pri geostacionarnemu satelitu po enačbi
(1) izračuna teoretično zakasnitev v obe smeri za
opazovalca, ki ima satelit v zenitu, je mogoče izračunati
minimalno teoretično dvosmerno zakasnitev tudi za
satelit Starlink.
(6)
Glede na elevacijski kot (El), pod katerim se vidi satelit,
je mogoče s pomočjo kosinusnega izreka izračunati
maksimalno dvosmerno zakasnitev
,
(7)
kjer je središčni kot podan z izrazom
(8)
Teoretično najnižja zakasnitev v obe smeri za satelit
Starlink na višini 550 km v zenitu znaša 3,6 ms. Glede
na elevacijski kot 40 ali 25 pa je dvosmerna
zakasnitev maksimalno 5,4 ms oziroma 7,5 ms.
Glede na hitrejše razširjanje elektromagnetnega
signala po daljši poti prek satelitskega omrežja in
počasnejše razširjanje po krajšem optičnem omrežju je
mogoče določiti mejo, od katere pride signal na cilj
hitreje prek satelitskega omrežja kot prek neposrednega
optičnega vlakna. Če obravnavamo zgolj hitrosti
elektromagnetnega valovanja in v izračunu ne
upoštevamo časa procesiranja ter usmerjanja signala
med različnimi vozlišči, zakasnitev po posamezni
komunikacijski poti ovrednotimo kot razliko zakasnitev.
Uporaba optičnega vlakna z najkrajšo razdaljo (r) med
točkama A in B da zakasnitev
,
(9)
kjer je n lomni količnik vlakna (v približku 1,5).
Uporaba satelita Starlink na višini hLEO v zenitu in
najkrajše medsatelitske povezave (L) med točkama A in
B da
(10)
Po združitvi enačbe (9) in enačbe (10) dobimo iskano
mejno razdaljo, pri kateri je potovanje signala prek
satelitske zveze enako potovanju signala prek optičnega
vlakna.
(8)
Iz izračunov vidimo, da bo komunikacija na razdalje,
večje od 2.658,5 km, potekala hitreje prek satelitov v
LEO na višini 550 km kot prek neposrednega optičnega
vlakna. Ob upoštevanju, da satelita nista vedno v zenitu,
se ta mejna razdalja nekoliko podaljša. [11] Vendar tudi
optično vlakno ne poteka vedno po najkrajši razdalji in
prek optične povezave signal prepotuje več vozlišč kot
prek satelitskega omrežja. V korist omrežju Starlink
govori tudi to, da sistem uporablja protokol P2P (angl.
peer-to-peer), ki naj bi bil preprostejši od IPv6, vendar
pa vključuje tudi »end-to-end« šifriranje.
2.2 Razpored satelitov
Leta 2017 je podjetje SpaceX od FCC dobilo
dovoljenje za izstrelitev 12.000 satelitov, za katere je
načrtovano, da bodo krožili okrog Zemlje v različnih
tirnicah, kot je to prikazano v tabeli 2. Prvih 4.400
satelitov bo v tirnicah na višinah okoli 550 km in bodo
delovali v frekvenčnih pasovih Ku (12–18 GHz) in Ka
(26,5–40 GHz). [12] Preostalih 7.600 satelitov bo
uporabljalo frekvenčni pas V (40–70 GHz) in bodo
krožili okrog Zemlje na višinah okoli 340 km (angl.
very low Earth orbit – VLEO). [13] Oktobra 2019 pa je
SpaceX že podal nov zahtevek za 30.000 novih
satelitov, ki naj bi krožili okrog Zemlje na višinah od
328 do 580 km. S prvimi 12.000 sateliti v LEO bodo
pokrivali ves svet med geografskimi širinami 70°
4 ANDREJC, BATAGELJ
severno in 70° južno. Konstelacija takšnih razsežnosti
pa skrbi profesionalne in amaterske astronome doma in
po svetu, saj so prepričani, da bo število svetlih
predmetov motilo opazovanje vesolja. [14, 15] Podjetje
SpaceX je v odgovor na očitke astronomov na satelite
naneslo temen premaz za zmanjšanje bleščanja, vendar
je ta povzročal pregrevanje komponent, zato so našli
novo rešitev v senčnikih. [16]
Tabela 2: Najnovejši razpored satelitov Starlink.
Parameter
prva faza
(1.584
satelitov)
finalna faza
(2.824 satelitov)
število tirnic
72
72
36
6
4
število satelitov
v tirnici
22
22
20
58
43
višina [km]
550
540
570
560
560
naklon tirnice [ᵒ]
53
53,2
70
97,6
97,6
Tabela 3: Razpored satelitov VLEO-konstelacije.
število satelitov na določeni višini
2.547
2.478
2.493
višina [km]
345,6
340,8
335,9
naklon tirnice [ᵒ]
53
48
42
Poleg majhnega vidnega polja prinaša nizka
zemeljska tirnica tudi hitro upadanje višine zaradi upora
z višjimi plastmi ozračja, zaradi česar je za ohranjanje
tirnice potrebno ponovno pospeševanje ali pa izstrelitev
novega nadomestnega satelita. Hitro upadanje tirnice
ima tudi pozitivno stran, saj bodo nedelujoči sateliti
sami padli proti Zemlji in izgoreli v ozračju, kar pa
pomeni manj vesoljskih smeti.
Glede na to, da je SpaceX leta 2017 dobil dovoljenje
za skupno število 11.927 satelitov Starlink in da je
njihova predvidena življenjska doba 6 let, bo na Zemljo
vsako leto padlo 1.987 satelitov, kar je v povprečju 5,4
satelita na dan. Čeprav je bilo tveganje za človeške žrtve
zaradi satelitov Starlink 1 : 18.200 (vsake 6 let en ranjen
ali ubit Zemljan) [17], kar je nad zahtevami Evropske
vesoljske agencije (ESA) in Ameriške nacionalne
zrakoplovne in vesoljske uprave (NASA), je FCC marca
2019 s podjetjem SpaceX dosegla dogovor o
preoblikovanju satelitov tako, da v celoti zgorijo v
ozračju. [18]
3 VESOLJSKI SEGMENT
Celoten vesoljski segment sestavlja tisoče majhnih
satelitov, vsak tehta po 227 kilogramov in je po oceni
velikosti 3,11 m x 1,49 m, ko je sončni panel zložen.
[19] Prvih 1.584 satelitov bo krožilo okrog Zemlje v 72
tirnicah (v vsaki 22 satelitov), razmaknjenih na različnih
višinah in položajih, da bi se izognili trkom. Sateliti
bodo enakomerno razporejeni okoli vsakega obroča,
tako da bodo imeli vedno na vidiku sosednje satelite v
svoji tirnici in prav tako satelite v sosednji tirnici.
Internetni promet in usmerjanje poteka prek satelitov,
in ne prek vozlišč na Zemljinem površju. Posamezna
zemeljska postaja se poveže s satelitom, ki je v njenem
vidnem polju, in ko se ta satelit premakne zunaj dosega,
ta povezavo preda na naslednji satelit po svoji tirnici.
Nato se signal preusmeri skozi niz medsatelitskih
povezav, dokler ne doseže satelita, ki je v vidnem polju
ciljne zemeljske postaje.
Sateliti so rezultat masovne proizvodnje, kar pomeni
veliko nižjo ceno na posamezno enoto, kot jo imajo
drugi podobni proizvodi. Za ohranjanje tirnice,
pridobivanje višine in ne nazadnje tudi izhod iz tirnice
se uporablja pogon na Hallov pojav (angl. Hall effect
thruster – HET) s plinom kripton, ki je vrsta ionskih
potisnikov, v katerih je pogonsko gorivo pospešeno s
pomočjo električnega polja. Potisniki HET s plinom
kripton imajo bistveno večjo erozijo pretočnega kanala
v primerjavi s podobnim električnim pogonskim
sistemom, ki deluje s ksenonom, vendar z nižjimi
stroški pogonskega goriva. [20]
3.1 Medsatelitske zveze
Sateliti Starlink med seboj komunicirajo s pomočjo
optičnih laserskih linkov, podatke na Zemljo pa
pošiljalo v frekvenčnih pasovih Ka, Ku in V, odvisno od
višine tirnice, v kateri so. Povezava do Zemlje je
radijska, saj je bolj zanesljiva kot laserska. Radijski
signali v nasprotju z infrardečimi mnogokrat bolje
prodirajo skozi oblačnost in padavine. Za podjetja, ki se
bodo vseeno odločila za laserske linke do Zemlje, pa je
Posvetovalna komisija za vesoljske podatkovne sisteme
(angl. Consultative Committee for Space Data Systems
– CCSDS) standardizirala uporabo 1.550 nm za promet
navzdol in 1.030–1.080 nm za promet navzgor, tako da
so valovne dolžine ločene. [21]
Optična komunikacija med sateliti bo uporabljala
laserje in je v večini razvita na podlagi zemeljskih
optičnih sistemov. Laserji oddajajo infrardečo svetlobo,
ki je prav tako elektromagnetno valovanje kot radijski
valovi, le da imajo kar nekaj prednosti. Ker je frekvenca
infrardeče svetlobe veliko višja (od 300 GHz do 470
THz), je na razpolago več pasovne širine, kar pa
pomeni, da lahko teoretično prenesemo mnogokrat več
informacij kot z radijskimi valovi (dosežena rekordna
hitrost z milimetrskimi valovi je 40 Gbit/s, z lasersko
povezavo pa 13.160 Gbit/s). [22] Prav tako infrardeči
signali niso tako regulirani kot radijski. Razlog za to ni
dejstvo, da je to novejša tehnologija, ampak širjenje
radijskega valovanja. Radijski signal, poslan z
nizkozemeljske tirnice, lahko pokrije več tisoč
kvadratnih kilometrov veliko območje na Zemlji, in če
več ljudi uporablja enak kanal, pride do prekrivanja
oziroma motenj. Po drugi strani pa veliko bolj usmerjen
laserski žarek, poslan z Lune, pokrije le okrog 20
kvadratnih km, zaradi tega in velikega razpona frekvenc
pa zelo težko pride do motenj. Prav tako za lasersko
komunikacijo porabimo veliko manj energije (radijski
oddajnik na Luni bi porabil več kot 50 x več energije
kot infrardeči oddajnik). V vesolju je doseg laserske
komunikacije v redu več deset tisoč kilometrov, zato je
primerna za medsatelitske povezave. Zelo usmerjen
žarek pa prinaša inženirske izzive, kot je »ciljanje« z
žarkom in njegovo sprejemanje, saj že najmanjše
VREDNOTENJE TEHNIČNIH LASTNOSTI KOMUNIKACIJSKEGA OMREŽJA MAJHNIH SATELITOV STARLINK 5
vibracije na razdalji več deset tisoč kilometrov
pomenijo nekajmetrsko odstopanje. Pri laserski
komunikaciji je bistven kompromis med usmerjenostjo
in močjo; manjše je odstopanje snopa, večja bo
sprejemna moč, a večje bodo tudi zahteve po
usmerjenosti.
Prvo lasersko komunikacijo je uspelo izvesti
Japoncem leta 1995 [23], od takrat so povezave vedno
hitrejše (danes že tudi do 10 Gbit/s), tehnologijo pa
razvija in uporablja vedno več podjetij. Laserske
komunikacije so uporabili pri projektu European Data
Relay System leta 2014 med sateliti v LEO in GEO,
LeoSat za satelite v LEO, prav tako pa tudi
BridgeComm in Cloud Constellation.
3.2 SpaceX-ovi »vesoljski laserji«
SpaceX je za tehnologijo svojih medsatelitskih
linkov namenil veliko sredstev, in ker se je konkurenca
prav tako odločila za uporabo laserske komunikacije,
nočejo razkriti podrobnosti. V vlogi za FCC pa so
navedli, da bodo njihovi laserji oddajali
elektromagnetno valovanje s frekvenco nad 10.000
GHz, kar pomeni infrardečo svetlobo. Vsak satelit bo
opremljen s 4 laserskimi komunikacijskimi terminali,
eden bo spredaj, eden zadaj in po eden na vsakem boku
(slika 2). Terminala spredaj in zadaj se povezujeta s
sateliti v isti tirnici, zato ostajata ves čas enako
usmerjena, terminala na bokih pa se morata premikati in
slediti satelitom v drugih tirnicah, saj se relativno drug
na drugega ves čas premikajo.
Slika 2: Konstelacija satelitov Starlink s 4 laserskimi terminali
na vsakem satelitu.
Pri prenosu v živo 11. misije Starlink 3. septembra
2020 so javno naznanili, da so 2 satelita poskusno že
opremili s svojimi laserskimi terminali,imenovanimi
space lasers, in uspešno med njimi prenesli več sto GB-
podatkov. [24] Z današnjo tehnologijo je s pomočjo 7–
15 kg težkega laserskega terminala mogoče prenašati
informacije s hitrostjo 10 Gbit/s na 4.500 km dolgi
medsatelitski povezavi. [25] Trenutni izdelki nemškega
podjetja Mynaric podpirajo 10 Gbit/s, v prihodnosti pa
obljubljajo večterabitne povezave. Na svoji spletni
strani imajo zapisano, da bodo od leta 2020 pripravljeni
na masovno produkcijo svojih laserskih terminalov. Kar
lahko med drugim pomeni, da s svojimi produkti merijo
na podjetja z večjimi konstelacijami, kot je SpaceX.
4 ZEMELJSKI SEGMENT
Podobno kot ni trivialno vzdrževanje zvez na relacijah
satelit–satelit, ker se topologija omrežja Starlink
spreminja, je zapletena tudi povezava Zemlja–satelit–
Zemlja, saj mora biti predaja zvez hitra zaradi velikih
hitrosti gibanja satelitov. V primerjavi z geostacionarno
tirnico, kjer je prednost v preprosti izdelavi in
nameščanju sprejemnih zemeljskih postaj, saj je satelit
vedno nad isto točko Zemlje, morajo pri komunikaciji
zemeljskih postaj in terminalov s premikajočimi se
sateliti na nižjih tirnicah protokoli upoštevati toleranco
za relativno visoke zakasnitve in slabljenja signalov.
Ker se sateliti v LEO gibljejo zelo hitro, je sledilna
oprema svojevrsten inženirski izziv ne glede na to, ali je
sledenje izvedeno pri zemeljski opremi ali sateliti
usmerjajo svoje sevalne snope v določene točke ob
vsakem preletu.
Pri sistemu Starlink se uporabniške naprave v
nasprotju z drugimi podobnimi ponudniki (Iridium,
Globalstar, Thuraya in Inmarsat) ne povezujejo
neposredno na satelit, ampak se povezujejo z
brezžičnim usmerjevalnikom, ki je povezan s
terminalno bazno postajo v velikosti satelitskega
krožnika s premerom 0,48 m, kot to prikazuje slika 3.
Slika 3: Skica prikazuje uporabnikov prenosni računalnik,
povezan na internet prek brezžičnega usmerjevalnika in
terminalne bazne postaje Starlink.
4.1 Povezava s sateliti Starlink
Najtežja naloga bazne postaje Starlink je sledenje
satelitom. Za lažjo izvedbo je to izvedeno z mehanskim
vrtenjem snopa na grobo in elektronskim vrtenjem na
fino, ki je izvedeno z več antenami, ki s pomočjo faznih
sukalnikov sledijo satelitu. [26] Mehansko vrtenje je
izvedeno po azimutu in elevaciji ter je uvedeno z
6 ANDREJC, BATAGELJ
namenom zmanjševanja elementov antenske skupine.
Terminalne bazne postaje so lahko nameščene kjerkoli,
imajo odprt pogled na nebo. Pri nameščanju se sledi
zelo enostavnim navodilom: vključi v elektriko, usmeri
v nebo. [27]
Za prenos podatkov sateliti uporabljajo mikrovalovne
frekvence, ki jih glede na valovno dolžino razdelimo v
več frekvenčnih pasov. Pri satelitskem internetu se
uporabljajo pasovi L (1–2 GHz), Ku (12–18 GHz), K
(18–27 GHz), Ka (27–40 GHz) in V (40–75 GHz).
Načeloma višja frekvenca omogoča možnost uporabe
širših frekvenčnih kanalov in s tem prenos več
informacij, a prinaša tudi svoje težave, kot je
neposredna vidljivost (angl. line of sight – LOS), vendar
pri satelitskih komunikacijah to ni težava. Zaradi
večjega slabljenja skozi ozračje se danes večinoma
uporablja pas Ka, v prihodnosti pa lahko pričakujemo
uporabo pasu V. Glede na dokumentacijo, ki jo je
Starlink oddal na FCC, bodo zemeljski terminali imeli
antene na 11,83 GHz z dobitkom 33,2 dBi in 14,25 GHz
z dobitkom 36,6 dBi. [26] Zemeljski oddajniki bodo
imeli oddajno moč manjšo od 4,06 W in adaptivno
modulacijo od BPSK do 64QAM [26], kar bo
omogočalo prilagodljivost komunikacijskega kanala
glede na vremenske razmere.
Antena zemeljske bazne postaje bo komunicirala s
tistimi sateliti, ki so vidni pod minimalnim elevacijskim
kotom. V zgodnji fazi konstelacije bo ta kot okrog 25º,
ko bo v zraku več satelitov in jih bo dovolj v vidnem
polju uporabnika, pa se bo povečal na 40º. [28] Tako
bodo sateliti usmerjeni na manjše območje in bodo
svoje zmogljivosti razdelili med manj uporabnikov.
4.2 Omrežni prehodi
Da bo omrežje majhnih satelitov Starlink povezano v
obstoječe internetno omrežje, so potrebni omrežni
prehodi, na katere se bodo sateliti povezovali, ko bodo
prenašali podatke. Tudi v tem primeru je uporabljena
antenska skupina (angl. phased array), ki ustvari točko
usmerjenega snopa iz niza manjših nepremičnih anten.
Ena antenska skupina lahko uporabi na stotine ali tisoče
antenskih elementov z medsebojno povezanostjo, ki jo
ponuja zapletena mreža za oblikovanje snopa (angl.
beamforming). Z elektronsko spremembo relativne faze
signala, ki ga odda vsak antenski element,
(konstruktivna in destruktivna) kombinacija vseh teh
majhnih signalov ustvari večji usmerjeni snop v vnaprej
določeni želeni smeri. Ker je ta postopek popolnoma
elektronski, se lahko nastalo smer snopa popolnoma
nadzira in usmerja. Tako je mogoče spremljati gibanje
kateregakoli satelita na nebu ne glede na to, kako ali
kam se premika, brez potrebe po mehansko
premikajočih se delih. [29]
Do avgusta 2020 je SpaceX-ovo sestrsko podjetje
SpaceX Services na FCC zaprosilo za dovoljenje 43
prehodnih postaj, razporejenih po celotnih Združenih
državah Amerike, Kanadi in Avstraliji. [30] Prav tako
so zaprosili za dovoljenje uporabe 10 baznih postaj
Starlink na pomorskih plovilih [31], kar nakazuje, da
bodo svoje storitve v bližnji prihodnosti začeli ponujati
tudi v navtiki.
5 SKLEP IN REZULTATI PRVIH TESTOV
Vloga Starlika je zapolnjevati telekomunikacijsko
praznino, ki vlada v manj razvitih delih sveta, in
vzpostaviti konkurenco v predelih, kjer je trenutno
mogoč dostop prek enega samega operaterja. Zaradi
sorazmerno majhnega časa razpoložljivosti
posameznega satelita je za stalno pokritost potrebna
konstelacija večjega števila manjših satelitov, ki skupaj
delujejo kot omrežje in zagotavljajo povezljivost v
vsakem trenutku.
Od geostacionarnih nižje Starlinkove tirnice prinašajo
glede na geostacionarne tirnico toliko nižje zakasnitve,
da so primerljive z že obstoječimi kabelskimi in
optičnimi omrežji.
Nekateri uporabniki so že dobili priložnost in postali
zgodnji uporabnik sistema Starlink v okviru projekta
Stalink Beta, s katerim bo podjetje SpaceX pridobilo
informacije o delovanju omrežja in ga s tem imelo
možnost optimizirati. Z namenom bo beta izkušnja
nepopolna. Njihov cilj je vključiti povratne informacije
različnih uporabnikov in s tem zagotoviti boljši
širokopasovni satelitski internetni sistem.
Beta preizkušanje je bilo sprva namenjeno
uslužbencem SpaceX-a in njihovim družinam. Proti
koncu oktobra 2020 pa se je začelo javno beta
preizkušanje, imenovano »Better Than Nothing Beta«,
na katerega se uporabniki lahko prijavijo prek spletne
strani, vendar sta trenutni območji preizkušanja le
severni del ZDA in južni del Kanade. Javno beta
preizkušanje pa ni brezplačno, posameznik mora plačati
mesečno naročnino 99 USD in ceno 499 USD za vso
strojno opremo, ki vključuje terminalno bazno postajo s
satelitsko anteno, brezžični usmerjevalnik, napajalnik in
vse povezave med njimi. [32]
V e-poštnem sporočilu, ki ga pošljejo beta
kandidatom, obljubljajo hitrosti od 50 Mbit/s do 150
Mbit/s ter zakasnitve od 20 ms do 40 ms. [33] Dejanski
rezultati, ki jih preizkuševalci trenutno dosegajo, so
zakasnitve od 15 ms do 256 ms (povprečje 38 ms) in
internetne hitrosti navzdol od 15 Mbit/s do 205 Mbit/s
(povprečje 98 Mbit/s). [34] Takšne rezultate dosegajo s
trenutno nameščenimi 960 sateliti (december 2020) od
predvidenih 4.400 za prvo fazo. Z večjim številom
satelitov v tirnicah in zemeljskih postaj ter izboljšano
programsko opremo pa je pričakovati doseganje
obljubljenih boljših rezultatov.
LITERATURA
[1] Hubert Fröhlich, Boštjan Batagelj, “Širokopasovni mobilni dostop
preko satelitskih komunikacij”, Triindvajseta delavnica o
telekomunikacijah VITEL: Širokopasovna mobilna omrežja, 23 in
24. november 2009, Brdo pri Kranju. Slovenija, st. 40-43, 2009.
[2] Neva Blazetič, “Internet prek satelita”, Primorske novice, 22.
April 2009, št. 93, str. 6, 2009.
VREDNOTENJE TEHNIČNIH LASTNOSTI KOMUNIKACIJSKEGA OMREŽJA MAJHNIH SATELITOV STARLINK 7
[3] Boštjan Batagelj, “5G ni nič revolucionarnega, zarota proti
človeštvu pa prav tako ne”, Monitor, let. 30, št. 3, str. 28–31,
2020.
[4] Matjaž Vidmar, “Tirnice umetnih satelitov”, 2. poglavje v
Uporaba vesoljskih tehnologij, urednik Drago Matko, Radovljica:
Didakta, 1996.
[5] Jon Brodkin, “Satellite Internet faster than advertised, but latency
still awful”, dosegljivo: https://arstechnica.com/information-
technology/2013/02/satellite-internet-faster-than-advertised-but-
latency-still-awful/#p3n, dostopano: 29. 12. 2020.
[6] Tomaž Rodič, et al., “Small satellites technologies from
newcomers perspective - Slovenian case Space.si”, Proceedings
of the 4S Symposium. Small Satellites Systems and Services
Symposium, Madeira, Portugal, 31 May - 4 June 2010, Centre
National d'Études Spatiales: = CNES, str. 1–11, 2010.
[7] Leon Pavlovič, “Slovenija gre v vesolje: zahtevnost tehnologije
na krovu satelita”, Elektrotehniški vestnik 83(3): 81–86, 2016.
[8] Elon Musk, “SpaceX Seattle 2015”, dosegljivo:
https://youtu.be/AHeZHyOnsm4, dostopano: 29. 12. 2020.
[9] Dosegljivo: https://fcc.report/company/Space-Exploration-
Holdings-LLC, dostopano: 29. 12. 2020.
[10] “SpaceX non-geostationary satellite system attachment a
technical information to supplement schedule S”, dosegljivo:
dostopno: https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20181108-
00083/1569860, dostopano: 29. 12. 2020.
[11] Mark Handley, “Delay is Not an Option: Low Latency Routing in
Space”, HotNets '18: Proceedings of the 17th ACM Workshop on
Hot Topics in NetworksNovember 2018 Pages 85–91,
https://doi.org/10.1145/3286062.3286075
[12] “Modification on a Satellite Space Stations filing – SPACEX
NON-GEOSTATIONARY SATELLITE SYSTEM”, dostopano
14. 8. 2020, dostopno na: https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-
20200417-00037/2274316, dostopano: 29. 12. 2020.
[13] “Application to Launch and Operate on a Satellite Space Stations
filing – SPACEX V-BAND NON-GEOSTATIONARY
SATELLITE SYSTEM”, dostopano 14. 8. 2020, dostopno na:
https://fcc.report/IBFS/SAT-LOA-20170301-00027/1190019
[14] “Sateliti Starlink BODO uničili pogled na zvezdno nebo!“, e-
Spika, 3. 12. 2019, dosegljivo: http://astronomska-revija-
spika.si/bodo-sateliti-starlink-unicili-pogled-na-zvezdno-nebo/
dostopano 31. 12. 2020.
[15] Tomaž Zwitter, “Bomo gledali le še satelite in ne zvezd?“, Večer,
1. 2. 2020, dosegljivo: https://www.vecer.com/10123755
dostopano: 31. 12. 2020.
[16] “Astronomy discussion with national academy of sciences“, 28.
april 2020, dosegljivo: hhttps://www.spacex.com/updates/
starlink-update-04-28-2020/index.html dostopano: 31. 12. 2020.
[17] Mark Harris, “Here Are the Odds That One of SpaceX’s Internet
Satellites Will Hit Someone“, IEEE Spectrum, 17. 12. 2018,
dosegljivo:https://spectrum.ieee.org/tech-
talk/aerospace/satellites/the-odds-that-one-of-spacexs-internet-
satellites-will-hit-someone, dostopano: 31. 12. 2020.
[18] Mark Harris, “SpaceX Claims to Have Redesigned Its Starlink
Satellites to Eliminate Casualty Risks“, IEEE Spectrum, 21. 3.
2019, dosegljivo: https://spectrum.ieee.org/tech-
talk/aerospace/satellites/spacex-claims-to-have-redesigned-its-
starlink-satellites-to-eliminate-casualty-risks, dostopano: 31. 12.
2020.
[19] Žiga Andrejc, “Komunikacijsko omrežje majhnih satelitov
Starlink“, diplomsko delo, Ljubljana, 2020.
[20] K. Holste, et al., “Ion thrusters for electric propulsion: Scientific
issues developing a niche technology into a game changer“,
Review of Scientific Instruments, vol. 91, no. 6, 2020,
https://doi.org/10.1063/5.0010134.
[21] B. L. Edwards et al., "An Update on the CCSDS Optical
Communications Working Group Interoperability Standards,"
2019 IEEE International Conference on Space Optical Systems
and Applications (ICSOS), Portland, OR, USA, 2019, pp. 1-9,
doi: 10.1109/ICSOS45490.2019.8978979.
[22] “Mynaric laserske komunikacije”, dostopano 30. 12. 2020,
dostopno na: https://mynaric.com/technology/high-speed/
[23] Kenichi Araki, et al., “Performance evaluation of laser
communication equipment onboard the ETS-VI satellite," Proc.
SPIE 2699, Free-Space Laser Communication Technologies VIII,
(22. april 1996); https://doi.org/10.1117/12.238434
[24] SpaceX “Starlink mission”, dostopano 10. 12. 2020, dostopno na:
https://youtu.be/_j4xR7LMCGY?t=598
[25] Jeff Hecht, “Laser Links will link small satellites to Earth and
each other”, Laser Focus World, marec 2020, dostopano 20. 7.
2020, dostopno na: https://www.laserfocusworld.com/lasers-
sources/article/14104017
[26] “Application for Earth station authorizations”, dostopano 29. 7.
2020, dostopno na: https://fcc.report/IBFS/SES-LIC-20190211-
00151/1619048.pdf
[27] “Tweet Elon Muska”, dostopano 31. 7. 2020, dostopno na:
https://twitter.com/elonmusk/status/1214548764054216704
[28] “License on a Satellite Earth Station filing – APPLICATION
FOR BLANKET LICENSED EARTH STATIONS”, dostopano
31. 7. 2020, dostopno na: https://fcc.report/IBFS/SES-LIC-
20190211-00151/1616678
[29] R. Mayo and S. Harmer, “A cost-effective modular phased
array”, 2013 IEEE International Symposium on Phased Array
Systems and Technology, Waltham, MA, 2013, pp. 93-96, doi:
10.1109/ARRAY.2013.6731807.
[30] “Zemljevid 39 prehodnih postaj in povezave do njihovih FCC
vlog”, dostopano 31. 7. 2020, dostopno na:
https://www.google.com/maps/d/viewer?mid=1H1x8jZs8vfjy60T
vKgpbYs_grargieVw&ll=37.48936754079531%2C-
95.94832939102747&z=5
[31] “Experimental Description and Antenna Information”, dostopano
17. 11. 2020, dostopno na: https://fcc.report/ELS/Space-
Exploration-Holdings-LLC/0773-EX-CN-2020/259301
[32] Brett Batie “Starlink Unboxing + Speed Test + Full Installation”,
dostopano 15.12.2020, dostopno na:
https://youtu.be/h0Itx_TUOKA?t=12
[33] Posnetek zaslona Starlink e-poštnega sporočila, dostopano 12.
12. 2020, dostopno na: https://i.imgur.com/rIqHpBY.jpg
[34] Zbirka testov internetnih hitrosti različnih uporabnikov, dostopno
na:
https://www.reddit.com/r/Starlink/comments/i9w09n/list_of_conf
irmed_starlink_speed_tests/ dostopano 31. 12. 2020.
ZAHVALA
Delo je bilo opravljeno v okviru raziskovalnega
programa Informacijsko komunikacijske tehnologije za
kakovostno življenje – ICT4QoL (št. P2-0246), ki ga je
sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost
Republike Slovenije iz državnega proračuna.
Žiga Andrejc je študent podiplomskega magistrskega
študijskega programa 2. stopnje Elektrotehnika na Fakulteti za
elektrotehniko v Ljubljani Univerze v Ljubljani. Njegova
raziskovalna zanimanja vključujejo satelitske informacijsko-
komunikacijske tehnologije.
Boštjan Batagelj je leta 2003 na Univerzi v Ljubljani
doktoriral s področja optičnih tehnologij. Od leta 1997 je
zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko, Katedra za
informacijsko komunikacijske tehnologije v Laboratoriju za
sevanje in optiko. Kot izredni profesor predava in vodi
laboratorijske vaje pri nekaterih telekomunikacijskih
predmetih na smeri informacijsko-komunikacijskih tehnologij.
Je avtor 300 objavljenih člankov in sodeluje pri domačih in
mednarodnih raziskovalnih projektih s področja optičnih in
radijskih komunikacij. Njegovo raziskovalno delo je povezano
z optičnimi tehnologijami, radijskimi komunikacijami ter
mikrovalovno fotoniko v raznovrstnih telekomunikacijskih
omrežjih, vključno s satelitskimi komunikacijskimi sistemi.
