Выложить эту статью решил после прочтения этой публикации от bigdhost, до этого сомневался, т.к. много параметров взято «с потолка», но решил, что цифры это всё-же не главное.
Здесь упор сделан на Starlink от SpaceX, но законы физики для всех одинаковы.
Для начала надо определиться, какие диапазоны будут использоваться в спутниковом интернете starlink. Насколько известно, для спутников с высокой орбитой это диапазон К-Ка (в этом диапазоне находится частота 22 ГГц, на которой происходит сильное поглощение волн атмосферной влагой, что делает ту часть диапазона непригодной для дальней связи), а для спутников с низкой орбитой это V диапазон от 60 ГГц.
К-Ка диапазон уже используется различными средствами связи, так что с получением частот здесь могут возникнуть трудности, ширину полосы больше 200 МГц врядли стоит ожидать, зато V пока почти свободен и тут дело может быть лучше.
Получение разрешений на использование частот проводится в каждой стране отдельно. Например весь диапазон wi-fi 2400-2480 МГц на 14 каналов разрешено использовать в Японии, в России 13, а во Франции только 9. Каналы эти занимают по 20 МГц и наезжают на соседние, также есть возможность сделать сдвоенный канал в 40 МГц, что позволяет удвоить пропускную способность, но не рекомендуется применять при множестве устройств или помехах. Ширина всего 4g тоже порядка 100 МГц, что намного больше 3g это расширение одна из главных причин увеличения скорости.
Также назначается максимальная мощность передачи сигнала. Для ненаправленного wi-fi разрешают 0,1 Вт, для телефонов определяется сан. нормами и составляет около 1 Вт, для спутникового интернета полагаю порядка 1 Вт тоже. Тут возникает вопрос на какую полосу эта мощность приходится.
Теперь надо разделить частоты между устройствами, если устройств слишком много, придется сужать полосу и как следствие скорость передачи. Тоже самое происходит при возникновении помех, приходится этим увеличивать соотношение мощность на частоту (Вт/Гц) пока не будет превышен уровень помех. Так что чуда не получить при множестве устройств или помехах придется жертвовать скоростью, здесь по логике через V диапазон можно будет пропустить больше данных.
Насколько эффективно получится это использовать? Возьмём эффективность 5g раз 2018 год на дворе) по вики удалось достичь пропускной способности 4,5 Гбит/с при полосе 200 МГц так что на заявленный 1 Гбит/с потребуется 40 МГц, что для К диапазона многовато, но для V при не очень загруженных районах реально. В отличии от 5g возникают сложности из-за эффекта Доплера, но решаемые на стороне «коробки пиццы».
Из соотношения 1 Гбит/с на 40 МГц видно, что для высокой скорости для множества абонентов диапазона не хватит, поэтому вполне можно установить на спутник несколько направленных антенн вместо одной широконаправленной, в итоге получаем несколько базовых станций на одном спутнике.
Теперь об антеннах. Со стороны абонентов требования более понятны — создавать максимальный коэффициент усиления в сторону спутника, все сигналы, что приходят с других направлений являются шумом. Для того, чтобы механически не двигать антенну, используется ФАР.
Чтобы создать более острый угол направленности, что обеспечивает более высокий коэффициент усиления, надо использовать больше диполей по строкам и столбцам антенны. Такие высокие частоты хороши тем, что диполи и шаг между ними получаются малыми и можно сделать сильно направленную антенну уже при небольших размерах. Можно получить коэффициент усиления свыше тысячи.
Кроме направленности у антенны есть ещё площадь, которую при необходимости можно увеличить также добавив диполей. Но при этом увеличивается уровень не только полезного сигнала, но и шумов, соотношение сигнал/шум при простом увеличении площади остается. Зачем это может понадобиться? Приемник может работать с очень слабым входным сигналом, но все, кроме идеального приемника, охлажденного до 0 градусов по Кельвину, создают внутренние шумы, но если входной сигнал будет сильнее, этот собственный шум не будет мешать почти ни при каких условиях.
Также кроме сильного усиления в нужную сторону прорядка 1000 раз, будет излучение и приеем в другие стороны с неравномерным коэффициентом 0,01-0,5 если конечно не прикрыть чем-нибудь с тех сторон:)
Со спутником ситуация посложнее. С него надо охватить огромную территорию. На вышках сотовой связи, как правило, установленно 4 антенны с направленностью 110° по азимуту и 4° по высоте (около линии горизонта, чтобы не направлять энергию бесполезно в небо и землю). Здесь в случае низкой орбиты заявлен угол 102°
Сделать одну такую такую антенну вполне просто, но… тогда прощайте высокие скорости при большом количестве абонентов, всем туда не влезть, да если туда постановщик помех вломится…
Но может не зря starlink позиционируют высокоскоростным? Может не зря эти спутники весят 380 кг, а не 120 как OneWeb?
В принципе, можно сделать десяток. По конструкции тут можно делать варианты, так как нет необходимости быстро их перенаправлять, если разве перераспределить нагрузку с соседними спутниками, а работать может и с неподвижными.
Вариант с ФАР позволяет более активно перераспределять зоны, но надо прорабатывать систему так, чтобы было между ними меньше взаимное влияние (примерно как поставить 10 человек в одной комнате и при этом они должны говорить по телефону).
Вариант с параболическим зеркалом или разделением с рупорами отгораживает от соседей, но перенаправлять надо механически, а это вес, энергия, снижение надежности. Так что для взаимного перераспределения зоны мало подходит.
Ну и немного фантастики) антенна противодействия постановщику помех. Можно определить где находится постановщик помех, снять чисто его сигнал очень узконаправленной антенной и подбирая уровень вычесть его из принятого сигнала при обработке. Ну что необходимо для этого специальная антенна, усложнение обработки сигналов, противодействие только одному постановщику (ну если добавить ещё одну антенну, можно двум) Такие вещи разве вояки могут сделать, но для такой системы не подходит.
Войска РЭБ, пожалуй, одни из самых секретных, поэтому будут только предположения об их возможностях.
(Красуха предназначена для «ослепления» самолетов, больше данных нет)
Первый вариант глушения это направленная помеха на спутник. При этом помеха должна занять весь отведенный спектр и иметь спектральную мощность выше абонентских передатчиков.
Но протокол связи будет иметь минимальную скорость передачи и отведенную для неё самую узкую полосу, уменьшение которой не поддерживается.
Для оценки пусть будет передатчик 1 Вт, скорость 2 Мбит/с, для чего требуется полоса 100 кГц (по аналогии 5g) что дает 10 Вт/Мгц.
Перемножаем на диапазон, получаем мощность помехи 2 кВт (Для V возможно больше). Это все примерно взято если ещё коэффициент усиления антенн абонентов и постановщика помех одинаковые, но не думаю, что будут сильно отличаться из-за сложности создания узкого луча и позиционирования его на движущийся спутник.
Могут ли средства РЭБ давать 2 кВт? Да пожалуй и 10 могут в постоянке. Теоретически, им и не нужно слать эту помеху постоянно, им достаточно коротких импульсов, чтобы испортить передающиеся пакеты до невозможности восстановления данных. Но в полной мере на спутник это придет только с одного направления. Если антенн на нем несколько и все хорошо развязано, на другие каналы это не повлияет.
Отступление по V-диапазону. В самом его начале (60 ГГц) располагается частота поглощения атмосферным кислородом, что дает большие затухания в воздухе. Так известно, что американские военные применяли его специально для связи на короткие расстояния, чтобы издалека было сложнее прослушать и/или заглушить, также в космосе где этого затухания нет. А выше по частоте применения не слышал. Так что глушилка в этом диапазоне скорее есть, но возможно чуть не та.
Ну а теперь про более простой способ если глушить тех, кто на земле.Спасает здесь только одно — направленность антенн. Спутник никак не может передавать во все антенны больше 200-300 Вт в сумме, он с батареей в среднем получит киловатт. Тут главная характеристика оказывается уровень боковых лепестков.
Если была возможность достать данные этого параметра, можно было получить вполне реальные оценки, а пока сам принцип.
Допустим УБЛ -20 дБ что значит по боковикам прием в 100 раз слабее чем в главном луче. Если бы постановщик имел такую же мощность, то ему надо находится не дальше чем корень из 100=10 раз ближе спутника, при УБЛ -40 соответственно 100 раз ближе. В решетке вибраторов распределение амплитуды сигнала неравномерно, амплитуда уменьшается к краям, при этом уменьшаются боковые лепестки. При этом несколько снижается коэффициент усиления, а если его необходимо сохранить возрастают габариты и цена, так что этот обычно вторичный параметр могут принести в жертву.
Поделить 340 и 1100 километров (можно прибавить влияние угла местонахождения) на эти значения можете сами, но при этом глушилка должна быть при этом в зоне прямой видимости, отраженная помеха будет сильно слабее, а «Кулибины» могут и в воронку свою антенну засунуть. Есть еще возможность использовать несколько недорогих маломощных глушилок по необходимой территории, что может подойти для ограничения доступа на закрытых предприятиях.
Ну а вывод в том, что заглушить конечно возможно, вопрос насколько далеко и какие средства потребуются, а при направленных антеннах очень большая территория блокируется только воздействием на спутники.
Здесь упор сделан на Starlink от SpaceX, но законы физики для всех одинаковы.
Частоты и мощности
Для начала надо определиться, какие диапазоны будут использоваться в спутниковом интернете starlink. Насколько известно, для спутников с высокой орбитой это диапазон К-Ка (в этом диапазоне находится частота 22 ГГц, на которой происходит сильное поглощение волн атмосферной влагой, что делает ту часть диапазона непригодной для дальней связи), а для спутников с низкой орбитой это V диапазон от 60 ГГц.
К-Ка диапазон уже используется различными средствами связи, так что с получением частот здесь могут возникнуть трудности, ширину полосы больше 200 МГц врядли стоит ожидать, зато V пока почти свободен и тут дело может быть лучше.
Получение разрешений на использование частот проводится в каждой стране отдельно. Например весь диапазон wi-fi 2400-2480 МГц на 14 каналов разрешено использовать в Японии, в России 13, а во Франции только 9. Каналы эти занимают по 20 МГц и наезжают на соседние, также есть возможность сделать сдвоенный канал в 40 МГц, что позволяет удвоить пропускную способность, но не рекомендуется применять при множестве устройств или помехах. Ширина всего 4g тоже порядка 100 МГц, что намного больше 3g это расширение одна из главных причин увеличения скорости.
Также назначается максимальная мощность передачи сигнала. Для ненаправленного wi-fi разрешают 0,1 Вт, для телефонов определяется сан. нормами и составляет около 1 Вт, для спутникового интернета полагаю порядка 1 Вт тоже. Тут возникает вопрос на какую полосу эта мощность приходится.
Теперь надо разделить частоты между устройствами, если устройств слишком много, придется сужать полосу и как следствие скорость передачи. Тоже самое происходит при возникновении помех, приходится этим увеличивать соотношение мощность на частоту (Вт/Гц) пока не будет превышен уровень помех. Так что чуда не получить при множестве устройств или помехах придется жертвовать скоростью, здесь по логике через V диапазон можно будет пропустить больше данных.
Насколько эффективно получится это использовать? Возьмём эффективность 5g раз 2018 год на дворе) по вики удалось достичь пропускной способности 4,5 Гбит/с при полосе 200 МГц так что на заявленный 1 Гбит/с потребуется 40 МГц, что для К диапазона многовато, но для V при не очень загруженных районах реально. В отличии от 5g возникают сложности из-за эффекта Доплера, но решаемые на стороне «коробки пиццы».
Из соотношения 1 Гбит/с на 40 МГц видно, что для высокой скорости для множества абонентов диапазона не хватит, поэтому вполне можно установить на спутник несколько направленных антенн вместо одной широконаправленной, в итоге получаем несколько базовых станций на одном спутнике.
Антенны
Теперь об антеннах. Со стороны абонентов требования более понятны — создавать максимальный коэффициент усиления в сторону спутника, все сигналы, что приходят с других направлений являются шумом. Для того, чтобы механически не двигать антенну, используется ФАР.
Чтобы создать более острый угол направленности, что обеспечивает более высокий коэффициент усиления, надо использовать больше диполей по строкам и столбцам антенны. Такие высокие частоты хороши тем, что диполи и шаг между ними получаются малыми и можно сделать сильно направленную антенну уже при небольших размерах. Можно получить коэффициент усиления свыше тысячи.
Кроме направленности у антенны есть ещё площадь, которую при необходимости можно увеличить также добавив диполей. Но при этом увеличивается уровень не только полезного сигнала, но и шумов, соотношение сигнал/шум при простом увеличении площади остается. Зачем это может понадобиться? Приемник может работать с очень слабым входным сигналом, но все, кроме идеального приемника, охлажденного до 0 градусов по Кельвину, создают внутренние шумы, но если входной сигнал будет сильнее, этот собственный шум не будет мешать почти ни при каких условиях.
Также кроме сильного усиления в нужную сторону прорядка 1000 раз, будет излучение и приеем в другие стороны с неравномерным коэффициентом 0,01-0,5 если конечно не прикрыть чем-нибудь с тех сторон:)
Со спутником ситуация посложнее. С него надо охватить огромную территорию. На вышках сотовой связи, как правило, установленно 4 антенны с направленностью 110° по азимуту и 4° по высоте (около линии горизонта, чтобы не направлять энергию бесполезно в небо и землю). Здесь в случае низкой орбиты заявлен угол 102°
Сделать одну такую такую антенну вполне просто, но… тогда прощайте высокие скорости при большом количестве абонентов, всем туда не влезть, да если туда постановщик помех вломится…
Но может не зря starlink позиционируют высокоскоростным? Может не зря эти спутники весят 380 кг, а не 120 как OneWeb?
В принципе, можно сделать десяток. По конструкции тут можно делать варианты, так как нет необходимости быстро их перенаправлять, если разве перераспределить нагрузку с соседними спутниками, а работать может и с неподвижными.
Вариант с ФАР позволяет более активно перераспределять зоны, но надо прорабатывать систему так, чтобы было между ними меньше взаимное влияние (примерно как поставить 10 человек в одной комнате и при этом они должны говорить по телефону).
Вариант с параболическим зеркалом или разделением с рупорами отгораживает от соседей, но перенаправлять надо механически, а это вес, энергия, снижение надежности. Так что для взаимного перераспределения зоны мало подходит.
Ну и немного фантастики) антенна противодействия постановщику помех. Можно определить где находится постановщик помех, снять чисто его сигнал очень узконаправленной антенной и подбирая уровень вычесть его из принятого сигнала при обработке. Ну что необходимо для этого специальная антенна, усложнение обработки сигналов, противодействие только одному постановщику (ну если добавить ещё одну антенну, можно двум) Такие вещи разве вояки могут сделать, но для такой системы не подходит.
Самое таинственное
Войска РЭБ, пожалуй, одни из самых секретных, поэтому будут только предположения об их возможностях.
(Красуха предназначена для «ослепления» самолетов, больше данных нет)
Первый вариант глушения это направленная помеха на спутник. При этом помеха должна занять весь отведенный спектр и иметь спектральную мощность выше абонентских передатчиков.
Но протокол связи будет иметь минимальную скорость передачи и отведенную для неё самую узкую полосу, уменьшение которой не поддерживается.
Для оценки пусть будет передатчик 1 Вт, скорость 2 Мбит/с, для чего требуется полоса 100 кГц (по аналогии 5g) что дает 10 Вт/Мгц.
Перемножаем на диапазон, получаем мощность помехи 2 кВт (Для V возможно больше). Это все примерно взято если ещё коэффициент усиления антенн абонентов и постановщика помех одинаковые, но не думаю, что будут сильно отличаться из-за сложности создания узкого луча и позиционирования его на движущийся спутник.
Могут ли средства РЭБ давать 2 кВт? Да пожалуй и 10 могут в постоянке. Теоретически, им и не нужно слать эту помеху постоянно, им достаточно коротких импульсов, чтобы испортить передающиеся пакеты до невозможности восстановления данных. Но в полной мере на спутник это придет только с одного направления. Если антенн на нем несколько и все хорошо развязано, на другие каналы это не повлияет.
Отступление по V-диапазону. В самом его начале (60 ГГц) располагается частота поглощения атмосферным кислородом, что дает большие затухания в воздухе. Так известно, что американские военные применяли его специально для связи на короткие расстояния, чтобы издалека было сложнее прослушать и/или заглушить, также в космосе где этого затухания нет. А выше по частоте применения не слышал. Так что глушилка в этом диапазоне скорее есть, но возможно чуть не та.
Ну а теперь про более простой способ если глушить тех, кто на земле.Спасает здесь только одно — направленность антенн. Спутник никак не может передавать во все антенны больше 200-300 Вт в сумме, он с батареей в среднем получит киловатт. Тут главная характеристика оказывается уровень боковых лепестков.
Если была возможность достать данные этого параметра, можно было получить вполне реальные оценки, а пока сам принцип.
Допустим УБЛ -20 дБ что значит по боковикам прием в 100 раз слабее чем в главном луче. Если бы постановщик имел такую же мощность, то ему надо находится не дальше чем корень из 100=10 раз ближе спутника, при УБЛ -40 соответственно 100 раз ближе. В решетке вибраторов распределение амплитуды сигнала неравномерно, амплитуда уменьшается к краям, при этом уменьшаются боковые лепестки. При этом несколько снижается коэффициент усиления, а если его необходимо сохранить возрастают габариты и цена, так что этот обычно вторичный параметр могут принести в жертву.
Поделить 340 и 1100 километров (можно прибавить влияние угла местонахождения) на эти значения можете сами, но при этом глушилка должна быть при этом в зоне прямой видимости, отраженная помеха будет сильно слабее, а «Кулибины» могут и в воронку свою антенну засунуть. Есть еще возможность использовать несколько недорогих маломощных глушилок по необходимой территории, что может подойти для ограничения доступа на закрытых предприятиях.
Ну а вывод в том, что заглушить конечно возможно, вопрос насколько далеко и какие средства потребуются, а при направленных антеннах очень большая территория блокируется только воздействием на спутники.
