Почему сервис мобильной связи от Starlink, который носит название «Direct to Cell» будет доступен только для сектора B2B, а также о том, какие технические проблемы необходимо решить инженерам Илона Маска, чтобы сделать это реальностью?
Точка зрения 5G инженера на мобильную связь со спутников🛰️
Частоты решают
Давайте взглянем на упрощённую картинку с сайта Starlink «Direct to cell»:
Согласно этой упрощенной схеме, новые спутники Starlink будут выполнять двойную функцию: спутник будет передавать/принимать сигнал с существующих терминалов Starlink (тарелок) и может передавать/принимать сигнал от обычных сотовых телефонов.
Обратите внимание на слово «не модифицированный» (unmodified). Что это значит?
«Не модифицированный» сотовый телефон — это просто обычный смартфон, способный работать только с определенными диапазонами частот. В подавляющем большинстве случаев это диапазон от 450 МГц до 3500 МГц.
В то время как уже существующий сервис Starlink работает на совершенно других частотах, порядка 10 000 - 12 000 МГц. Поддержки таких частот нет ни у одного мобильного смартфона, в том числе и у T-Mobile (или любых других операторов, которые заявили об участии в данном проекте). У них нет лицензии на излучение в этом диапазоне. Что это значит? Это означает, что текущий сервис Starlink и будущий функционал "Direct to cell" - это совершенно разные системы. Да, они обе могут использовать одни и те же спутники/наземные шлюзы, но с технической точки зрения они будут отличаться.
Что касается инфраструктуры мобильной сети, то, скорее всего, спутник будет нести только базовую станцию мобильной связи (или, как они называют её на своём сайте, модем). Есть вероятность, что спутник будет нести не только базовую станцию, но и часть функций ядра сети, но с другой стороны, для этого потребуются дополнительные мощность /вычислительные возможности и место для размещения на спутнике. А как можно догадаться, все это обычно крайне лимитировано, когда дело касается отправки в космос.
Исходя из этого, делем вывод, что базовая станция LTE будет расположена на борту спутника. В то время, как все функции ядра сети уже представлены в роли существующей сетевой инфраструктуры мобильного оператора и располагаются там, где она уже располагается, т.е. на Земле. Простыми словами, они буквально собираются перенесли базовую станцию LTE с наземной вышки на спутник.
Быстрые спутники VS быстрый LTE
Дело в том, что стандарт LTE (и все предыдущие стандарты мобильной связи) был полностью разработан как сугубо наземный сервис. Каждый аспект радиоинтерфейса был рассчитан для обслуживания мобильных пользователей в зоне действия соты (в среднем, не более 15 км) с максимальной скоростью пользователя около 500 км/ч. Все протоколы на физическом, MAC и RRC уровнях, таймеры, фичи планирования ресурсов для трафика пользователей, антенны и, непосредственно, сами пользовательские терминалы были определены и разработаны исходя из этого факта.
С другой стороны мы имеем низкоорбитальные спутники (LEO), которые движутся со скоростью порядка 8 км в секунду (!), на расстоянии 300 - 900 км от поверхности Земли, с большой площадью покрытия соты (около 50-500 км) из-за широкого луча сигнала со спутника. Кроме того, дополнительные серьезные проблемы, могут быть под влиянием погодных условий и чрезвычайно высокое ослабление сигнала в атмосфере.
Самое главное, не стоит забывать, что восходящий канал всегда(!) является узким местом даже в мобильных сетях, поскольку смартфон обычно имеет максимальную мощность передачи сигнала в направлении базовой станции порядка 0,2 Вт, тогда как базовая станция обычно имеет мощность передачи сигнала в нисходящем канале к смартфону не менее 20 Вт. Не учитывая аккумуляторы, размеры, антенны и т.д.
Таким образом, пользовательские терминалы всегда являются узким местом. Мне, как инженеру мобильно связи, очень трудно представить, как именно спутники Starlink будут принимать такой чрезвычайно слабый сигнал от смартфона. Согласно тому, что я смог найти в Интернете, им удалось разработать сверхчувствительную специальную антенну и установить ее на борту спутников нового поколения, чтобы принимать невероятно слабый сигнал от пользователей. Пока в сети нет реальных технических характеристик, деталей, цифр касательно характеристик данной антенны.
Пропускная способность тоже "решает всё"
Существует множество источников, предлагающих интересные цифры по возможной скорости передачи данных. Но прежде всего, нам нужно принять во внимание заявление Илона Маска о том, что система сможет поддерживать голосовую связь, обмен сообщениями и базовый веб-браузинг.
Если мы рассмотрим пример с частотами для T-mobile (допустим, LTE 1900), в таком случае теоретически скорость в DL (Спутник-Земля) 3,0 Мбит/с - 7,2 Мбит/с, а скорости в UL (Земля-Спутник) 4,4 Мбит/с - 18,3 Мбит/с.
Во-вторых, важно помнить, что эти цифры теоретические (!) и относятся только к скоростям в одной соте. Для упрощения, предположим, что один спутник передает только один физический луч, и один луч равен одной логической соте LTE. Тогда, эти показатели скорости передачи данных актуальны только в случае обслуживания одного пользователя.
Таким образом, зона покрытия 1 спутника равна 1 соте. Вся пропускная способность будет распределена между всеми авторизованными пользователями в соте. Грубо говоря, если пользователь один в соте, то он может получить скорость скачивания до 18,3 Мбит/с. Если 10 пользователей одновременно захотят что-то скачать, их скорость составит всего 1,83 Мбит/с. А если 1000 пользователей одновременно захотят что-то скачать, их скорость составит всего 18,3 кбит/с (!)
Для понимания, переведем показатели скорости нисходящего канала в скорости достаточные для работы тех или иных услуг на 1 пользователя:
18,3 Мбит/с - достаточно для просмотра YouTube/streaming в качестве Full HD.
1,83 Мбит/с - достаточно для голосовых звонков, видеозвонков Skype, обмена текстовыми сообщениями, просмотра социальных сетей (возможно, с некоторыми сбоями)
18,3 кбит/с - только для текстовых сообщений, SMS, сигналов SOS.
Это расчетные теоретические показатели скорости скачивания на 1 пользователя в соте. В действительности они могут быть в 2-5 раз хуже! И не будем забывать о том, что пропускная способность именно восходящего канала (UL) всегда является узким местом, то есть UL всегда хуже чем DL!
Direct to Cell: далеко не для всех
Я полностью уверен в том, что "расчёт на коленке", произведенный ранее и является причиной почему Илон Маск разместил этот сервис в раздел для бизнеса:
It's only business! Обеспечение даже простой VoLTE связи для большого количества обычных пользователей, практически невозможно. Особенно, когда идёт речь, про пользователей с обычными смартфонами на базе сотовой связи стандарта LTE.
Даже, если каким-то чудом инженеры Илона Маска смогут заставить обычный смартфон LTE работать со спутниками, на мой взгляд, это решение подходит в основном для компаний и служб, работающих в удаленных районах со слабым, нестабильным или полностью отсутствующим сотовым покрытием. Это очень удобно, когда не нужно покупать дополнительное оборудование для связи с «большой землей», не нужны специальные, дорогие спутниковые телефоны, VSAT тарелки и т. д. Просто новая SIM‑карта или специальный тариф для своих сотрудников, и они смогут использовать свои смартфоны для самой простой двусторонней связи во время работы в районах с отсутствующей инфраструктурой мобильной связи.
Вопросы интерференции и сервис в больших городах
Как мы помним, на сайте Starlink (Direct to Cell) всегда подчёркивают факт отсутствия необходимости в новом устройстве. Заявляется, что обычного смартфона LTE без каких-либо программных/аппаратных обновлений будет достаточно, чтобы стать абонентом сервиса «Direct to cell». Это означает, что базовая станция LTE на борту спутника не будет использовать диапазоны частот Starlink, иначе смартфоны ее не поймут.
Базовая станция LTE на борту спутника будет передавать и принимать сигналы в другом диапазоне частот. На данный момент нет достоверной информации о том, какой именно диапазон частот, например, будет использовать T-Mobile для этой цели.
С моей точки зрения, есть 2 варианта:
Повторное использование существующего диапазона, который уже выделен и используется T-Mobile в их сотовой сети.
Покупка нового участка спектра (нового диапазона), выделенного и лицензированного Федеральной комиссией по связи (FCC) только для целей "прямого подключения к сотовой сети" (Direct to Cell).
В случае повторного использования существующего диапазона существует высокая вероятность создания сильных помех для собственной наземной сотовой сети и ее пользователей. Один из возможных вариантов - включение спутниковой передачи только в определенных разрешенных сельских, отдаленных районах, где мала вероятность создания помех существующей сотовой инфраструктуре и обычным пользователям из-за небольшого количества абонентов и базовых станций LTE.
Второй способ заключается в работе нового диапазона спектра LTE с борта спутника. В этом случае будет гораздо меньше помех, даже в густонаселенных районах, и теоретически они смогут предоставлять услуги в городах. Но в этом нет смысла, поскольку в городе уже есть мобильная сеть, фиксированный интернет и другие услуги беспроводной сети. При этом они уже могут предложить гораздо более высокую скорость передачи данных и качество обслуживания по сравнению с интернетом со спутника.
Разгрузка сотовых сетей через спутники: реальность или вымысел?
Аналогичный вывод можно сделать о разгрузке наземных сетей в городах. Сложно представить, как слабая спутниковая связь со скоростью всего в несколько мегабит в секунду на пользователя (в самом лучшем случае!) сможет разгрузить сотовую сеть во время массовых мероприятий. Например мероприятие на футбольном стадионе или любая большая концертная площадка с 50 000 человек требует пропускной способности от сети в десятки терабит трафика в секунду (!). Операторы обычно используют сотни микро сот LTE/5G (аналогично точкам доступа Wi-Fi) для покрытия массовых мероприятий, чтобы иметь возможность обрабатывать такой объем трафика.
Поэтому, даже самая передовая спутниковая связь от Илона Маска с высокочувствительной и интеллектуальной фазированной решеткой на борту спутника Starlink не сможет помочь разгрузить трафик в городских и пригородных районах. В прочем, про это и не идёт речь на сайте Starlink.
Почему Starlink-у нужны мобильные операторы?
Дело в том, что у телекоммуникационных компаний уже есть большое количество реальных абонентов, вся необходимая инфраструктура, такая как сетевое ядро, транспортные сети, ЦОДы и т. д. (за исключением спутниковой, космической инфраструктуры). У каждого оператора уже есть лояльная база абонентов, насчитывающая миллионы пользователей. Кроме того, существует множество действующих бизнес-кейсов с промышленностью и гос. учреждениями.
Такие компании как Starlink работают напрямую с производителями чипов, но без частотного ресурса операторов невозможно передавать сигнал LTE. Я уверен, что все они сотрудничают друг с другом, чтобы справиться с возможными техническими проблемами на радиоинтерфесе, проводят многочисленные испытания и разрабают бизнес-кейсы.
Стоит отметить, что интеграция спутников в существующие наземные сотовые сети 5G очень сложная задача. Это связано с тем, что только в новом стандарте выпуска 5G (Release 17, 2022) было впервые описано, как это сделать. В этом стандарте предусмотрены различные изменения на радиоинтерфесе и архитектуре RAN сети, позволяющие новым смартфонам 5G работать в таких сетях. В следующих статьях обязательно сделаю обзор новых релизов 3GPP.
Пару слов про хэндоверы
Быстрое и надежное переключение (или хэндовер) между любыми сотами требуется главным образом для сервисов реального времени (голосовая связь, онлайн-игры и т.п.). Основная цель такого переключения это избежать обрывов связи или лагов в реал-тайм играх. Но в случае с SMS, мессенджерами или серфингом в интернете это вполне допустимо. Без хэндовера смартфон может потерять соединение в слабой соте и восстановить его через несколько секунд в новой, более сильной. Пользователь, скорее всего, даже не заметит этого, например, во время переписки в WhatsApp.
Для голосовой связи или других сервисов реального времени хороший и надежный хэндовер между сотами критически важен, но я уверен, что это будет в основном задача инженеров телеком операторов даже несмотя на тот факт, что базовые станции LTE будут расмещены на спутниках.
