В феврале 2025 года компания Icomera (штаб-квартира в Швеции) опубликовала новостной пост, касающийся измерений пропускной способности Starlink и сотовой связи «поезд‑земля» (train-to-ground, T2G) в северных широтах. Тут надо добавить. что Icomera является ведущим мировым вендором по оборудованию связи T2G для поездов, поэтому результаты таких измерений всегда интересны в части реальной (а не рекламной) скорости передачи данных на движущееся транспортное средство со спутников Starlink. Вы узнаете, что в Starlink каждые 15 сек идет переконфигурация спутников, когда скорость соединения может заметно падать. К посту прилагался большой отчет об этих испытаниях со многими техническими деталями, перевод которого предлагается вашему вниманию.
Введение
Спутниковые сети на низкой околоземной орбите (Low Earth Orbit, LEO), такие как Starlink, могут обеспечивать широкополосное подключение в малонаселенных регионах, включая территории, расположенные в арктических и субарктических зонах. Однако только спутники в инклинационных плоскостях могут обслуживать эти северные регионы.
Объяснение термина: Инклинационная плоскость (inclination plane) — это наклон орбиты спутника относительно экватора Земли, измеряемый в градусах. Спутники с разными углами наклона орбиты покрывают разные широты Земли. Не все спутники Starlink могут обеспечивать связь в крайних северных регионах (арктических и субарктических). Только те, которые запущены на орбиты с определенным углом наклона, способны обслуживать такие высокие широты.В случае с северной Швецией лишь спутники с углом наклона орбиты 97,6° могут обеспечить покрытие в этом регионе. Это важное ограничение, которое влияет на доступность и качество спутниковой связи в северных широтах.
В северных широтах группировка Starlink менее плотная, однако общее количество спутников, вводимых в эксплуатацию, растет быстрыми темпами.
Источник https://satellitemap.space/
Для оценки связи Starlink в высоких географически экстремальных районах команда из представителей фирмы Icomera, Королевского технологического института и Университета Карлстада провела тестовую поездку через полярный круг длиной 970 км, по пути постоянно измеряя параметры спутниковой и сотовой связи. Был сделан анализ результатов с точки зрения характеристик пропускной способности Starlink, включая влияние 15-секундного интервала реконфигурации соединения между спутниками включая сравнение пропускной способности и стабильности соединения.
Выяснилось, что Starlink в целом обеспечивает пропускную способность, примерно в 10 раз превышающую медианные показатели сравнимой сотовой сети в северных регионах (где часто сотовая связь вообще очень слабая, как в Швеции, так и в РФ). Однако нижний«хвост» распределения менее впечатляет из-за более частых потерь соединения.
Результаты также показывают, что гибридная комбинация Starlink и сотовой связи потенциально может обеспечить значительный прирост в совокупной надежности соединения и минимальной пропускной способности. Кроме того, в документе обсуждаются последствия, связанные с государственными субсидиями, направленными на обеспечение широкополосным доступом всего населения Швеции (нас это касается только как пример применения спутниковой связи для интернет-доступа малого бизнеса и домохозяйств). А далее более подробно о тестировании и его результатах.
I. Введение и предыстория
Обширная территория Северной Скандинавии в основном состоит из нетронутой дикой природы. Простираясь через Норвегию, Швецию и Финляндию, эти отдаленные ландшафты характеризуются красивыми пейзажами и богатой дикой природой. Эти арктические и субарктические регионы в основном малонаселенные. Шведский регион «Норрланд», начинающийся на широте около 60° северной широты и простирающийся до примерно 69°, составляет около 60% территории Швеции (или около 260 000 кв. км), а его население составляет около 1,2 миллиона человек.
В 2016 году шведское правительство представило национальную стратегию развития широкополосного доступа [1]. Целью этой стратегии было обеспечение высокоскоростного широкополосного доступа со скоростью не менее 1 Гбит/с для не менее 98% всех домохозяйств и предприятий Швеции к 2025 году. Из оставшихся 2%, 1,9% должны иметь доступ к широкополосному соединению со скоростью не менее 100 Мбит/с, а последние 0,1% — не менее 30 Мбит/с.
Перспективной технологией для решения проблемы доступа к интернету в малонаселенных районах, а также для обеспечения интернетом пассажиров общественного транспорта в таких регионах, является использование спутниковой связи (LEO). Starlink в данном контексте имеет особое значение, поскольку на данный момент это крупнейшая спутниковая группировка такого рода.
Развертывание спутников Starlink проводится поэтапно, и по состоянию на октябрь 2023 года на орбиту было запущено 4236 спутников с четырьмя различными инклинационными плоскостями [2] (прим. перев. — на апрель 2025 число спутников для этого региона достигло 6 тыс.). Однако только спутники, запущенные на орбиту с углом наклона 97,6°, смогут обеспечить покрытие в «Норрланде».
Целью настоящего исследования был сбор и анализ данных о реальных способностях Starlink и получения информации о производительности и деталях системы, а также выяснение, может ли Starlink сегодня стать жизнеспособной альтернативой широкополосного подключения для поездов и общественного транспорта в северной Швеции.
Соответственно, рассматривались фактическое покрытие, пропускная способность и доступность сервиса Starlink. В этом исследовании члены команды сосредоточили внимание на измерениях в одной из самых северных частей Швеции, то есть между 63,8° и 67,1° северной широты. Также собирались аналогичные данные для сотовой сети, чтобы обеспечить ориентир для сравнения.
Количество исследований, посвященных сравнительному анализу производительности сотовой связи и Starlink, очень ограничено. Исследование конца 2023 года [3] изучает относительные преимущества сотовых сетей и Starlink посредством комплексного тестирования в движении и утверждает, что это первое подобное исследование. Настоящая работа имела более узкую область оценки, нацеленную на арктические регионы, а также рассматривала связанные экономические последствия для обеспечения широкополосного доступа в Интернет.
Недавнее создание услуг связи с помощью систем низкой околоземной орбиты (LEO), таких как Starlink, открыло новые возможности для обеспечения конечных пользователей интернет-соединением на больших территориях Земли, которые ранее не имели подключения [4]. В результате возник значительный исследовательский интерес к Starlink, направленный на измерение характеристик его производительности [5]–[8], а также на раскрытие деталей его системного дизайна [9], [10].
Кроме того, спутники LEO могут также решать такие задачи, как обеспечение интернет-соединения для пассажиров поездов, судов и автобусов, помощь в автоматизации операционной работы поездов (ATO) [11], [12] или в создании опорной сети для 5G [13], [14]. Другие вспомогательные варианты использования включают использование сигналов Starlink для геопозиционирования [15]–[17] или в качестве пассивного радара [18].
Выводы, представленные в этой работе, основаны на результатах и анализе 970-километрового тестового маршрута в арктических и субарктических регионах, как показано на рисунке 1. Основные моменты в этой работе можно перечислить как:
Тестирование связи в движении, изучая производительность Starlink и сотовой связи,
Исследование частоты наблюдаемого уменьшения пропускной способности соединения из-за системного 15-секундного интервала реконфигурации спутников,
Исследование количества видимых спутников для различных типов антенн.
II. Сбор и обработка данных
A. Измерительная техника
Маршрут, использованный для этой измерительной кампании, начинался в прибрежном городе Умео, проходил через северный город Елливаре, а затем спускался к Вильгельмине, как показано на рисунке 1. Во время сбора измерений скорость транспортного средства (ТС) варьировалась от 80 до 100 км/ч, но данные также собирались во время стационарных периодов, таких как обеденные перерывы.
Температура воздуха колебалась от 5 до 15 градусов Цельсия с незначительными осадками, которые потенциально могут влиять на производительность Starlink [19], [20]. Для сбора данных использовались два различных коммерческих продукта в сочетании с терминалом Starlink и сотовым телефоном соответственно.
Плоский высокопроизводительный терминал Starlink был подключен к маршрутизатору Icomera X5 через Ethernet. Антенна Starlink была установлена на багажнике на крыше микроавтобуса Volkswagen, как показано на рисунках 2 и 3.
При такой настройке маршрутизатор Icomera регистрировал данные о пропускной способности каждую секунду. Для создания нагрузки использовался специальный скрипт, который создавал 80 параллельных TCP-соединений для массовой загрузки данных с сервера thinkbroadband.com. Скрипт был настроен на работу в течение 60 секунд с последующей 5-секундной паузой. Подписка Starlink была «Мобильный приоритет — 50 ГБ», и измерения проводились, когда 50 ГБ приоритетного трафика уже были израсходованы.
Сбор данных сотовой связи осуществлялся с помощью портативного программного обеспечения для измерения мобильной сети TEMS Pocket, предоставленного компанией Infovista. Программное обеспечение TEMS было установлено на телефон Samsung S23+ 5G. Для этой системы данные о пропускной способности собираются каждые две секунды.
Генерация нагрузки сотового трафика обрабатывалась внутренней системой TEMS, которая в этой кампании была настроена на загрузку одного большого файла размером 10 ГБ с сервера загрузки, размещенного оператором сотовой связи, используя одно TCP-соединение.
Пропускная способность измерялась примерно в течение 30 секунд, затем загрузка прерывалась, и трафик приостанавливался примерно на 30 секунд, после чего инициировалась новая загрузка. Для данного исследования использовались значения пропускной способности, экспортированные TEMS. Во время сбора измерений телефон был размещен в передней части верхней части приборной панели (на торпедо) со стороны водителя, очень близко к лобовому стеклу.
Напомним, нулевые значения у сотовой связи — это не пропадание связи, а перерывы 30 сек после каждых 30 сек загрузки канала.
Нулевые значения у спутниковой связи — это по 5 сек перерыва после 60 сек наблюдения.
B. Обзор набора данных
Измерения были собраны в течение двухдневной измерительной поездки, где было собрано 50894 отсчетов наблюдения Starlink и 23288 отсчетов наблюдения сотовой связи. Пример собранных данных показан на рисунке 4 (см. выше). Уже в этом первом графике видно несколько характеристик, относящихся как к сбору данных, так и к особенностям конкретных технологий беспроводного доступа.
Сравнивая доступ Starlink и сотовый доступ, отмечаем, что пропускная способность сотовой связи в этом примере намного ниже, чем у Starlink, что, как выяснилось, является общим случаем.
Для Starlink наблюдается высокая степень вариации в течение 60-секундных измерительных сессий, что будет подробно обсуждаться. С точки зрения сбора данных, различные шаблоны генерации нагрузки, используемые для измерения пропускной способности, явно различимы, причем более длительные паузы между генерацией трафика четко видны для данных сотовой связи.
В случае Starlink эти паузы без трафика составляют всего пять секунд, но все равно могут быть различимы. Кроме того, для Starlink также имеется односекундное наблюдение с нулевой пропускной способностью около отметки 12.25.30 на графике, которое не связано с паузой генерации нагрузки, а отражает фактическое падение соединения Starlink.
На Рис. 5 приведены данные Starlink с выделением 5-секундных пауз между генерацией трафика (синие овалы) и снижениями пропускной способности из-за 15-секундных реконфигураций Starlink (красные овалы)
C. Обработка набора данных
Поскольку использовались две различные коммерческие системы с двумя разными характеристиками сбора данных, требовалась особая тщательность во время обработки и анализа данных.
При сравнении полученной пропускной способности между Starlink и сотовой связью учитывались только наблюдения, во время которых как Starlink, так и сотовый телефон имели активную генерацию трафика. Для сотового телефона система TEMS предоставляла явную индикацию, когда имеется активная генерация трафика.
В случае Starlink расположение пятисекундных пауз не указано явно в измерительной установке. Таким образом, местоположения наблюдений без нагрузки трафика необходимо было выводить из данных, чтобы они были исключены из оценок, связанных с пропускной способностью. Наблюдения до и после обнаруженной паузы без нагрузки также удалялись из-за переходных эффектов, влияющих на измерения в начале и конце события генерации нагрузки.
Во время фазы сбора измерений также возникли некоторые практические проблемы, поскольку измерительное оборудование должно было питаться от 12-вольтовых аккумуляторов и инверторов, которые в некоторых случаях не работали. Наблюдения за периодами времени с такими аппаратными проблемами питания были исключены из дальнейшего анализа в той степени, в которой инженеры могли их идентифицировать.
После обработки набор данных включал 49800 наблюдений Starlink с интервалом в одну секунду, из которых 43689 считаются наблюдениями с нагрузкой. Для данных сотовой связи имеется 23288 наблюдений с интервалом в две секунды, из которых 13212 являются наблюдениями с нагрузкой.
III. Характеристика пропускной способности STARLINK
Теперь рассмотрим некоторые особенности, связанные с производительностью доступа к Starlink. На Рисунке 5 выше показан увеличенный участок данных Starlink с Рисунка 4, с дополнительным выделением. На рисунке есть фиксации нулевой пропускной способностью, вызванные паузой в генерации измерительного трафика, выделены синими овалами.
Кроме того, присутствуют заметные снижения пропускной способности, которые отмечены красными овалами. В связи с этими снижениями, наблюдаемая пропускная способность имеет тенденцию изменяться таким образом, что характеристики пропускной способности до снижения отличаются от характеристик после снижения. Эти снижения, или изломы, и связанные с ними изменения пропускной способности с обеих сторон, интересны тем, что они подчеркивают специфическую особенность дизайна системы Starlink.
Каждые 15 секунд Starlink выполняет внутрисистемную реконфигурацию ресурсов, что приводит к снижению пропускной способности в каналах к потребителям. Наличие этих периодических 15-секундных снижений пропускной способности, насколько нам известно, впервые было описано в работе [5]. В этой работе использовались сетевые карты с возможностями аппаратной временной метки [21] для сбора данных о каждом пакете и проведения детального анализа характеристик Starlink, включая исследование периодических снижений/перегибов и их влияния на общую пропускную способность долгоживущего TCP-трафика с одним потоком.
А. Расположение 15-секундной реконфигурации во времени
Набор данных, содержащий большое количество значений пропускной способности с интервалом в одну секунду, позволяет изучить характеристику этих периодических снижений. В частности, можно изучить, когда по шкале времени наиболее заметно влияние 15-секундной периодической реконфигурации Starlink на пропускную способность, и есть ли какие-либо систематические различия в этом.
Можно отметить, что на рисунке 5 четко идентифицируются три отдельных односекундных снижения производительности. Однако Starlink выполняет реконфигурацию каждые 15 секунд, что очевидно по связанному изменению характеристик пропускной способности. Таким образом, хотя снижения наблюдаются на рисунке только в моменты, обведенные красным, также во всех других 15-секундных периодах выполняется реконфигурация.
Степень, в которой наблюдается снижение пропускной способности из-за реконфигурации Starlink, также связана с временным масштабом, в котором рассматривается пропускная способность, который для этих данных составляет одну секунду. В работе [5] пропускная способность рассматривается по временным интервалам в 100 мс вместо наших временных интервалов в одну секунду, и в этом более детальном временном масштабе эффект от снижения пропускной способности, связанного с реконфигурацией, визуально более очевиден.
Тем не менее, используя наши данные с интервалом в одну секунду, изучим временные рамки и шаблоны снижения пропускной способности. Чтобы различить закономерности, когда 15-секундная реконфигурация спутников приводит к снижению наблюдаемой производительности пропускной способности в канале к наземному терминалу, мы создали простой детектор снижения пропускной способности.
Детектор просто рассматривает значение пропускной способности и сравнивает его с предшествующими и последующими значениями пропускной способности. Если исследуемое значение по крайней мере на 10% ниже обоих из них, то исследуемое значение характеризуется как снижение пропускной способности.
Всего было зафиксировано 3204 таких наблюдения, из которых 1247 приходятся на четыре отметки времени с наибольшим числом подобных спадов (то есть на секунды с метками 12, 27, 42 и 57) — это обозначается как @4 count. Если учитывать восемь секунд с наибольшим числом таких случаев, то общее число наблюдений составляет 1686 — это @8 count.
Результат применения детектора к полному набору данных показан на рисунке 6. Поскольку 15-секундный интервал дает четыре полных интервала в минуту, секунды в пределах минуты, которые подвергаются реконфигурации, постоянны во времени. Как видно на рисунке, отметки секунд 12, 27, 42 и 57 являются наиболее частыми секундами, в которых происходят обнаруженные снижения пропускной способности.
По этим четырем показателям количество снижений примерно одинаково, поэтому наличие на рисунке 5 двух снижений на 42-й секунде и одного на 57-й секунде можно отнести к случайному результату выборки, а не к какому-либо систематическому эффекту. Также из рисунка 6 ясно, что секунды сразу после этих четырех значений секунд также имеют повышенную частоту обнаруженных снижений пропускной способности.
Можно выполнить приблизительный расчет доли реконфигураций, которые приводят к наблюдаемому снижению пропускной способности. Набор данных имеет 43689 наблюдений с нагрузкой трафика, и в среднем каждое 15-е наблюдение происходит во время реконфигурации Starlink.
Таким образом, есть 43689/15 = 2912 наблюдений, которые потенциально могли бы иметь наблюдаемое снижение пропускной способности. Количество наблюдений с обнаруженным снижением пропускной способности составляет 1686, если мы рассматриваем восемь значений секунд, которые имеют наибольшее количество наблюдаемых снижений (значение @8).
Однако также присутствует фактор шума в том, что детектор обнаруживает все снижения пропускной способности, также и те, которые не связаны с реконфигурацией Starlink. На рисунке 6 можем видеть эти шумовые наблюдения внизу, со средним значением 29 снижений по остальным 52 значениям секунд.
Предполагая, что такие вызванные шумом наблюдения одинаково распространены также в @8 секундах, уменьшаем их общее количество на 8 × 29 и приходим к доле событий реконфигурации, которые вызывают наблюдаемые снижения пропускной способности, равной (1812 - 8 × 29) / 2912 = 0,50. Отмечаем, что эта доля наблюдаемых снижений относится к измерению с разрешением в одну секунду. Доля была бы выше, если бы обнаружение выполнялось с измерениями пропускной способности более высокого разрешения, таких как интервалы в 100 мс.
Итак, каждые 15 секунд система Starlink выполняет реконфигурацию ресурсов, что приводит к кратковременному снижению пропускной способности. Анализ показал, что внутри каждой минуты эти снижения наиболее часто происходят на 12-й, 27-й, 42-й и 57-й секундах, что соответствует 15-секундным интервалам.
На основе всего набора данных (43689 наблюдений с трафиком) авторы рассчитали, что приблизительно 50% случаев реконфигурации приводят к заметному снижению пропускной способности при однoсекундном разрешении измерений. Авторы отмечают, что при использовании более высокого разрешения (например, 100 мс вместо 1 секунды) процент наблюдаемых снижений был бы выше.
B. Общие распределения пропускной способности и RTT
Теперь оставим специфические исследования системы Starlink и рассмотрим общее распределение пропускной способности в секунду в нашем наборе данных. Это распределение показано на Рисунке 7 как синее распределение. Распределение показывает пик немного выше 200 Мбит/с.
Также, по-видимому, есть некоторые незначительные пики слева от общего пика. Также видно, что существует ряд наблюдений, которые показывают пропускную способность, относящуюся к самому низкому диапазону пропускной способности от 0 до 10 Мбит/с. Кроме того, рисунок также включает распределение другого набора данных, обработанного для получения значений пропускной способности за одну секунду.
Этот второй набор данных был собран стационарным терминалом Starlink со стандартной антенной, расположенным на крыше здания факультета компьютерных наук Университета Карлстада. Этот набор данных ранее был проанализирован для определения различных характеристик дизайна системы Starlink в коротких временных масштабах, включая фундаментальные физические скорости передачи [10] и пакетное поведение [22], а также использовался в первоначальных наблюдениях на сетевом уровне 15-секундных периодических снижений пропускной способности [5].
По сравнению с набором данных Карлстада, текущие данные для транспортного средства в движении показывают смещение влево, т.е. к более низким значениям пропускной способности, и заметно более высокую долю наблюдений с пропускной способностью ниже 50 Мбит/с. Отметим, что существует несколько потенциальных источников этой разницы в распределении, таких как разница между мобильным и стационарным расположением терминалов, плюс разница в аппаратном обеспечении терминала Starlink, разница в типе подписки Starlink, разное количество конкурирующих пользователей и разница в конфигурации спутников Starlink за два периода сбора измерений. Для лучшего разделения этих потенциальных основных причин потребовалась бы дополнительная целенаправленна серия экспериментов.
Задержка также является релевантной метрикой, хотя и не является основным фокусом в тестах. Предыдущие работы [2], [3] указывают, что Starlink обычно имеет задержку, сопоставимую с сотовыми сетями. Из-за низких орбитальных высот, используемых Starlink, дополнительная задержка для спутникового скачка может быть всего лишь менее 10 мс [3]. С нашей конфигурацией сбора данных, значения пинга не собирались для сотовых соединений, но собирались для Starlink, и полученное распределение RTT показано на Рисунке 8.
Что такое RTT (Round-Trip Time): когда выполняется команда ping, она отправляет ICMP (Internet Control Message Protocol) пакет-запрос "echo request" к удаленному серверу, а тот в ответ отправляет пакет "echo reply". RTT измеряет полное время этого процесса — от момента отправки запроса до получения ответа.
Пример: если делается ping до сервера и ответ 45 мс, это означает, что RTT = 45 мс. Это включает и время туда, и обратно — но без учета обработки на сервере.
Параметр RTT является важным показателем сетевой производительности, так как он учитывает:
Время распространения сигнала по физическим каналам связи
Задержки на маршрутизаторах и коммутаторах
Время обработки запроса на целевом устройстве
Обратный путь данных
В данной статье RTT используется как метрика для оценки задержки в сети Starlink, где авторы отмечают, что из-за низкой орбиты спутников дополнительная задержка невелика и может составлять менее 10 мс.
IV. Сравнение сотовой связи и Starlink
Теперь рассмотрим сравнение характеристик доступа по Starlink и сотовым сетям на основе собранного набора данных, сосредоточив внимание на таких аспектах, как пропускная способность, наличие подключения и видимость спутников.
Напомним, что методики измерения пропускной способности для Starlink и сотовой связи различаются, однако маловероятно, что эти различия существенно повлияли на общие выводы, представленные в данном разделе.
A. Сравнение пропускной способности
Как обсуждалось в разделе II и видно на рисунке 4, только часть наблюдений включает одновременную генерацию трафика как по каналу Starlink, так и по сотовому соединению. В нашем наборе данных таких наблюдений — 11595.
На рисунке 9 представлен диаграмма рассеяния всех этих наблюдений, и из нее ясно, что в большинстве случаев Starlink обеспечивает более высокую пропускную способность, чем сотовая связь. Распределение измерений по Starlink можно видеть вдоль оси X, и оно частично визуализировано также на рисунке 7 — это плотная черная зона значений в нижней части диаграммы. Ось Y отражает соответствующие значения пропускной способности сотовой связи, и видно, что основная масса этих значений лежит в диапазоне от 0 до 70 Мбит/с.
Имеются наблюдения, когда сотовая связь обеспечивала лучшую пропускную способность, чем Starlink. Из 11595 одновременных наблюдений в 1028 случаях (8.9%) у сотового соединения была выше пропускная способность, чем у Starlink.
B. Характеристика подключения
Теперь рассмотрим работу Starlink и сотовой связи с точки зрения наличия подключения. Подключение считалось установленным, если зафиксированная пропускная способность составляет не менее 0.2 Мбит/с.
На рисунке 10 (см. ниже) показаны географические координаты сбоев подключения по Starlink, а на рисунке 11 (также см. ниже) — аналогичная информация для сотовой связи. Синим цветом на рис. 11 показаны локации, где нет ни сотовой связи, ни спутниковой. Из этих изображений видно, что потери связи у Starlink происходят в гораздо более широком диапазоне географических областей, чем у сотовых сетей.
Сводная таблица относительной производительности Starlink и сотовой связи представлена ниже вместе с данными по пропускной способности:
Таблица I: Обзор пропускной способности и подключенности. Учитываются только наблюдения с активной нагрузкой.
Технология доступа | 1-й перцентиль | 5-й перцентиль | Медиана | Кол-во наблюдений | Доля без подключения (< 0.2 Мбит/с) |
Starlink | 0 | 12.9 | 184 | 43689 | 2.88% |
Сотовая связь | 0.54 | 2.43 | 19.2 | 13212 | 0.704% |
Starlink + Cellular | 8.42 | 36.74 | 188.5 | 11595 | 0.207% |
Как видно из таблицы, медианная пропускная способность у Starlink почти в 10 раз выше, чем у сотовой связи. Однако если смотреть на нижние перцентили, относительные результаты сотовой связи выглядят лучше — например, в 1-м перцентиле у Starlink пропускная способность равна нулю.
С точки зрения стабильности подключения, доля наблюдений без связи у Starlink многократно выше, чем у сотовой связи.
С инженерной точки зрения, можно предложить систему с агрегированным доступом к разным технологиям, как, например, на поездах, где используются SIM-карты от нескольких операторов для улучшения интернет-доступа пассажирам. Если для каждого одновременного наблюдения в нашем наборе данных выбирать наилучший показатель между Starlink и сотовой связью, то можно получить сценарий гибридного доступа.
Такой подход отражен в последней строке таблицы — и он показывает заметное улучшение по сравнению с использованием только одной из технологий. Это иллюстрирует большой потенциал решений с гибридным доступом.
С точки зрения надежности, можно дополнительно построить модель, учитывающую корреляцию сбоев подключения между Starlink и сотовыми сетями — как обсуждается, например, в [23].
C. Видимость спутников Starlink
Отметим, что результаты, представленные в этом исследовании, относятся к измерениям, собранным с использованием высокопроизводительной плоской антенны Starlink (Flat High Performance). Эта антенна способна отслеживать спутники в пределах угла обзора (Field-of-View, FOV) в 140 градусов, что означает: чтобы спутник был видим для антенны, он должен находиться на высоте не менее 20 градусов над горизонтом в точке расположения антенны.
Однако стандартная антенна Starlink (Standard) имеет FOV всего 100 градусов, а ее новая обновленная версия — 110 градусов, что соответствует минимальной высоте 40 и 35 градусов соответственно.
Чтобы оценить влияние различных конфигураций антенн в условиях северных географических широт, мы рассчитали количество видимых спутников на разных высотах в момент и в месте каждого измерения, проведенного в рамках данного исследования. Эти расчеты выполнены на основе орбитальных данных формата TLE (Two-Line Element), полученных с сайта Celestrak, которые описывают орбиты всех спутников Starlink на момент времени, близкий к периоду наших измерений. Обработка TLE данных проводилась с помощью библиотеки Skyfield [24].
В рамках почти 50 000 наблюдений были рассчитаны данные по более чем 500 000 случаям видимости спутников, с минимальной высотой 20 градусов. Известно, что Starlink сначала запускает новые спутники на более низкие орбиты для тестирования, а затем поднимает их на постоянную высоту и включает в активную группировку. Поэтому при расчетах учитывались только спутники с орбитальной высотой 550+ км.
Количество видимых спутников в каждый момент измерения представляет собой интересную метрику, так как служит косвенным показателем верхней границы пропускной способности системы, а также в некоторой степени — надежности подключения. Хотя стоит отметить, что Starlink, по-видимому, не осуществляет динамическое переключение между спутниками при внезапных изменениях условий окружающей среды.
Рис.12. Спутники (графики a, b, c) в поле зрения антенны в месте расположения автомобиля для каждого наблюдения, к значениям по оси Y добавлено случайное отклонение ±0.2 для наглядности.
Число видимых спутников показано для трех разных значений минимальной высоты видимости над горизонтом. Обратите внимание на долю наблюдений (obs) с нулевым количеством видимых спутников при повышении минимальной высоты с 20 до 35, и до 40 градусов.
V. Связанные работы и обсуждение
Ранее выполненные исследования производительности Starlink в малонаселенных районах включают [20], где также упоминается краткий 30-минутный тест в условиях мобильности. Их данные были собраны в 2022 году и стабильно показывали худшие результаты по сравнению с приведенными в этом исследовании — вероятно, из-за различий в развернутой спутниковой группировке и антеннах пользовательских терминалов. Мультирежимное подключение, сочетающее Starlink и сотовые каналы связи, ранее изучалось в [25], но для стационарного случая.
Эти результаты подчеркивают как повышение надежности, так и снижение задержек в «хвосте» распределения благодаря агрегации разных технологий. Последующее исследование [26] рассматривало «мультирежимность» при движении по сельским районам со скоростью 15 км/ч и использовало антенну Starlink первого поколения. Оценка сосредоточена на задержках и снова показывает, что “мультирежимность” соединения значительно снижает «хвостовые» задержки, обеспечивая задержку менее 100 мс при 99,99% надежности.
Недавняя работа [3] сообщает о совместных тестах Starlink и сотовых сетей в движении, проведенных в США. Их результаты подчеркивают повышенную эффективность плоской антенны высокой производительности в условиях мобильности, а также прирост пропускной способности при использовании гибридного типа подключения. Хотя предыдущие работы исследовали отдельные аспекты, которые мы рассматриваем, настоящее исследование уникально в сочетании экстремального географического положения, условий мобильности и анализа видимости спутников.
Согласно отчету [27] Шведского телеком-регулятора (PTS), общий объем инвестиций в мобильную и фиксированную телеком-инфраструктуру в Швеции в 2022 году составил около 12,3 млрд шведских крон (из них 9,1 млрд — в фиксированные сети и 3,2 млрд — в сотовые). Однако для достижения целей стратегии широкополосного доступа правительство Швеции в 2020–2022 гг. выделило субсидии на прокладку волоконной оптики до домов (FTTH) в размере около 4,6 млрд крон.
Согласно оценке охвата сети [28], проведенной PTS, в 2022 году были достигнуты следующие результаты:
83,9% домохозяйств были подключены к волоконной сети;
97% всех шведских домохозяйств и предприятий имели доступ к скорости 1 Гбит/с (цель — 98%);
97,4% имели доступ к 100 Мбит/с или волокну в непосредственной близости (цель — 99,9%).
По прогнозам PTS [29] на 2025 год, 97,8–98,3% домохозяйств получат доступ к 1 Гбит/с, а 98,1–98,6% — к минимум 100 Мбит/с, то есть вторая и наиболее сложная цель стратегии — обеспечение доступа для оставшегося 1% населения (~100 тыс. человек), проживающего в удаленных северных регионах Швеции, — скорее всего, не будет достигнута. Для достижения этих целей правительство Швеции выделило еще 5,1 млрд шведских крон [29]. Однако теперь достижение целей ожидается не раньше 2030 года.
Если исходить из предположения, что каждый спутник Starlink имеет потенциальную пропускную способность около 20 Гбит/с, в работе [30] было подсчитано, что потребуется 211 спутников для обслуживания 500 000 пользовательских терминалов первого поколения в континентальной части США, при среднем потреблении около 5 ГБ в часы пик (с 6 утра до 11 вечера). Предположив, что в северных сельских районах Швеции в среднем 2,7 человека на домохозяйство, около 37 000 терминалов Starlink смогли бы обеспечить подключение для 100 000 человек. При тех же допущениях, как в [30], потребуется примерно:
211 × (37 000 / 500 000) = 16 спутников в зоне видимости.
Если использовать терминалы с поддержкой двойной поляризации, число необходимых спутников сокращается до 8. Поскольку рассматриваемый регион охватывает большую территорию, число видимых спутников будет выше, чем в случае единичной локации, как показано на рисунке 12. Учитывая, что количество развернутых спутников постоянно растет, в будущем емкость системы, скорее всего, будет достаточной для обеспечения базовой потребности в Интернете для последнего, самого труднодоступного процента населения, которому предоставление фиксированного подключения обходится особенно дорого.
Терминал Starlink в Швеции можно приобрести примерно за 5000 шведских крон (около 520 USD). При таком уровне цен суммарная стоимость 37 000 терминалов составит около 185 млн шведских крон. Это составляет примерно 3,6% от тех самых 5,1 млрд крон, которые правительство Швеции выделило на субсидии телеком-инфраструктуры.
VI. Выводы
Выводы по рис. 13 со сборным графиком из пресс-релиза: Starlink превосходил по общей производительности, но заметно чаще терял связь, чем сотовая связь, из-за малого количества спутников над регионом тестирования.
В целом, Starlink обеспечивает значительно более высокую медианную пропускную способность по сравнению с традиционными сотовыми сетями. Однако в нижних процентах распределения производительность значительно хуже — с более частыми потерями подключения. Сочетание Starlink и сотовой связи демонстрирует существенное улучшение пропускной способности и надежности в нижних процентах.
Также представлен подробный анализ 15-секундного интервала перенастройки Starlink и влияние различных типов антенн на видимость спутников.
Литература
Список литературы, цитируемой в данном отчете, насчитывает 30 позиций и доступен в первоисточнике:
https://www.researchgate.net/profile/Claes-Beckman/publication/380863311_Starlink_and_Cellular_Connectivity_under_Mobility_Drive_Testing_Across_the_Arctic_Circle/links/6744e0e327661f7ae66b667c/Starlink-and-Cellular-Connectivity-under-Mobility-Drive-Testing-Across-the-Arctic-Circle.pdf
Оценка пропускной способности Starlink для требований связи T2G на современных скоростных поездах (в сравнении с российским оборудованием)
Оценивая показатели пропускной способности канала«Поезд‑Земля» (Train-to-Ground, T2G), продемонстрированные Starlink в ходе тестов — в отдельных измерениях (но не постоянно, см. рис.10, с картой отсутствия спутниковой связи вдоль тестовой трассы) скорость передачи данных в медиане была 184 Мбит/с, временами достигая 300 Мбит/с — но этого явно недостаточно для полноценного обслуживания доступом к Интернету современных поездов. Даже при базовом расчете минимального сетевого трафика на одного пассажира становится очевидным, что таких скоростей не хватит.
Так, по оценкам журнала PC Mag, среднее минимальное потребление трафика на одного пассажира в американских поездах Amtrak составляет около 3 Мбит/с. Это при условии обычного использования: мессенджеры, легкий серфинг, просмотр новостей и почты. Если же предполагается, что пассажиры полноценно работают в дороге — участвуют в видеозвонках, обрабатывают документы в облаке, пользуются VPN и корпоративными приложениями, — то нагрузка возрастает до 10 Мбит/с и выше на пассажира.
Таким образом, даже при 300 Мбит/с, максимальное количество одновременно комфортно обслуживаемых пользователей не превышает 100 человек. Для поезда, в котором может находиться несколько сотен пассажиров, этого категорически недостаточно.
Также 300 Мбит/с на поезд не позволяют использовать удаленное REAL-TIME видеонаблюдение из кабины машиниста и видеонаблюдение в вагонах для повышения безопасности движения и пассажиров (пожар, задымление, криминал).
Для сравнения, на испытаниях отечественного оборудования придорожной сети T2G на электропоезде «Ласточка», проведенных компанией ДОК на кольцевой трассе ВНИИЖТ, было подтверждено, что каждый из двух комплектов приемо-передающего оборудования (установленных в головной и хвостовой частях состава) способен СТАБИЛЬНО обеспечивать скорость передачи данных до 5,6 Гбит/с. Таким образом, общая пропускная способность связи «на поезд» составляет 11,3 Гбит/с.
Статья об этом тестировании размещена на Хабр.
На рис. 16 показан рафик уровня сигнала RSL и скорости соединения (стабильно 5.6 Гбит/c) на испытаниях российской системы T2G. Показан график для передней пары приемопередатчиков, общая пропускная способность 11.2 Гбит/c. В оранжевом овале — уровень скорости передачи Starlink.
На Рис. 17 - крупным планом сравнительный уровень пропускной способности соединения Starlink на графике соединения 5.6 Гбит/c российского оборудования T2G (сравнение Рис.16 и Рис. 13 в одинаковом масштабе времени и скорости передачи)
Следует подчеркнуть, что уровень связи выше 3-5 Гбит/c открывает возможности не только для комфортной работы абсолютно всех пассажиров в пути — включая работу с документами в облаке, многопользовательские видеоконференции, просмотр стриминговых платформ (VK Видео, YouTube, RuTube и др.) — но и для интеграции бортовых видеокамер наблюдения в централизованную ИИ-систему безопасности.
Передача в реальном времени видеопотока с камер, установленных как в салоне, так и в кабине машиниста, позволяет:
повысить уровень контроля за происходящим на борту;
в перспективе — подключать к работе машиниста удаленного ИИ-помощника (AI copilot), размещенного на сервере РЖД или другого оператора;
реализовать проактивную реакцию на нештатные ситуации, что критически важно для безопасности жд движения и пассажиров.
Все это подчеркивает: хотя решения на базе Starlink перспективны для покрытия труднодоступных регионов и как резервного канала связи, но для поездов, особенно в условиях массовых пассажироперевозок на популярных маршрутах (МСК-СПб и др.), необходима связь с пропускной способностью в десятки раз выше, чем может дать современная спутниковая система в текущем ее состоянии.
При этом идея агрегации (рис. 14) различных технологий (сотовая связь, придорожная сеть, спутники) для связи T2G с высоким уровнем доступности соединения — заслуживает безусловного внимания.
