Seriál: Satelitní komunikace a vysílání III Vývoj satelitů a pohled do útrob Starlinku

První digitální vysílací standard DVB-S byl specifikován jako ETSI EN 300 421 a byl výsledkem spolupráce Společného Technického Výboru (JTC) EBU, CENELEC a ETSI pod hlavičkou DVB Projektu. Cílem bylo stanovit rámec služeb digitální televize na bázi digitálního transportního toku MPEG-2. Specifikuje QPSK modulaci, konvoluční a Reed-Solomonovo kanálové kódování. Byl následován DBVB-S2 (publikován jako ETSI EN 302 307 formálně v roce 2005) a zavedl nový modulační (PSK vyšších řádů) a kanálový systém, jehož výsledkem byl zisk kapacity řádově o 30 % při dané šíři transpondéru a vysílaném výkonu. Umožňuje variabilní kódování a modulaci (VCM) pro spojení bod-bod s použitím zpětného kanálu a adaptivních schémat kódování a modulace (ACM). Základní informace o DVB standardech nalezne čtenář zde.

Rodina satelitních standardů DVB-S/S2/S2X

Další vylepšení satelitního vysílacího systému byl DVB-S2X, který již není standardem, ale existuje pouze jako doporučení ETSI (TR 102 376-2 v1.2.1.) z roku 2021. Systém DVB-S2X není nutně dalším modelem tvořeným DVB-S2, ale spíše jeho rozšířením. DVB-S2X poskytuje sice další techniky a funkce pro základní aplikace DVB-S2, ale jeho původní verze z roku 2014 neumožňovala dynamické přidělování zdrojů, propustnost byla limitována zesilovači s elektronkami TWT a některé buňky vyžadovaly vyšší kapacitu než jiné.  S dalšími vylepšeními dnes pokrývá už rozšířený provozní rozsah se zaměřením na příjem širokopásmových kanálů (až 500 MHz), dodávky služeb pro mobilní zařízení a technologií 5G. Požadavky na vyšší kapacity vedly i ke změnám konstrukce satelitů, resp. jejich transpondérů tak, že dnes u satelitů VHTS (Velmi Velká Propustnost Transpondérů) je dosahováno kapacit v jednotkách terabitů za sekundu. Výsledkem je, že systém obsáhne požadavky jak pro pevnou družicovou službu FSS s využitím u digitálních satelitních přenosových vozů (DSNG), tak i vysílací družicovou službu BSS Direct to Home a širokopásmové služby internetu VSAT. Některé nové techniky si popíšeme v následujících odstavcích.

Požadavky různých oblastí v Evropě na satelitní kapacitu (Zdroj: Seminář DVB, březen 2020).

Vícesvazkové satelity s velkou propustností (HTS)

S ohledem na regulatorní omezení je v Ku-pásmo k dispozici jen 250 MHz spektra, rozděleného obvykle do 36 MHz transpondérů. Se vzrůstajícími požadavky na datovou propustnost/šíři kanálů satelitní pásmo Ku přestává vyhovovat, neboť v Ka-pásmu (18-30 GHz) je k dispozici šířka pásma až 1 GHz. Satelity, které využívají tuto kapacitu jsou typu HTS (High Throughput Satellites). Tyto systémy pracují se zónami pokrytí, kdy vysoký vysílaný výkon ze satelitu je směrován na malé území úzkým paprskem se šířkou 0,4 – 0,5 úhlového stupně. Zóny jsou uspořádány v tzv. čtyřbarevném módu kolem centra pokrytí: každé barvě odpovídá jiná frekvence a polarizace. Výrazného zvýšení kapacity je dosaženo technologií opětovného kmitočtového použití (frequency re-use) a úzce směrovaného paprsku, která umožňuje opakované použití frekvence napříč několika úzce zaměřenými bodovými paprsky (obvykle v řádu stovek kilometrů). Na této technologii je postaven i KaSat společnosti Eutelsat umístěný na geostacionární dráze 9°E a o němž byla zmínka v úvodu tohoto seriálu v souvislosti s hackerským, zjevně ruským, napadením jeho komerčních terminálů. Pro ilustraci uvádíme, že tento satelit obhospodařuje 82 zón se šířkou transpondéru 500 MHz a datovou kapacitou 80 Gbit/s.

Zóny pokrytí KaSatu na 9°E v Evropě (zdroj:Konference Radiokomunikace 2017, L. Císař: Prezentace Inflight Connectivityhttps://www.konferadio.cz/files/prezentace/2017/21_Cisar_Capacity-Discussion-1.pdf ).

Česká republika je pokryta čtyřmi zónami a je nabízena od roku 2012 jako služba TwoWay nebo Konnect společnosti INTV. Služby jsou nabízeny s rychlostí 30/5 až 100/5 Mbit/s. I v tomto případě došlo k nenávratnému poškození terminálů, které byly v době útoku 24.2. v provozu a které bylo nutno následně vyměnit.

Zpracování signálu na družici aktivním transpondérem („na palubě“) může systémům umožnit: efektivněji využívat výkon a šířku pásma, zlepšit výkon vícenásobného přístupu, potlačit rušení a poskytnout různorodé propojení. Obecně to umožňuje satelitní přístrojové vybavení a řízení systému na pozemních stanicích pro uživatelský provoz, stejně jako vývoj kritických hardwarových komponent, včetně palubních digitálních přepínačů, modulátorů s frekvenčním přeskakováním a vícekanálových demodulátorů přímo v tělese družice.

Klíčovou vlastností OBP systému (On-board processing) je, že užitečné zatížení satelitu je rekonfigurovatelné a poskytuje jedinečnou možnost připojení z „rozvaděče na obloze“. Nabízí plnou flexibilitu směrování mezi uplink a downlink kanály pomocí dynamického řízení kapacit prostřednictvím rekonfigurovatelného vzestupného kanálu. Pracuje s rodinou DVB-S/DVB-S2/DVB-S2X standardů se zpětným kanálem podle DVB-RCS (ETSI EN 301 790 v1.5.1). Výhodou je poskytování celé škály služeb jako interaktivní televize, VOD, běžné internetové spojení přes webová rozhraní. Na rozdíl od transparentní konfigurace (Uživatel-Uživatel, resp. Uživatel – uzlová stanice HUB), používající dvě pásma, regenerativní konfigurace pracuje jen s jedním a v případě multicastu i s jedním společným uplinkem na více pokrytých oblastí (Obrázek 1). Poslední technologií je používání směrovatelných, tvarovatelných a rozdělitelných družicových svazků, které lze dynamicky dálkově přesměrovávat podle aktuální potřeby zákazníků.

OBRÁZEK 1: Regenerativní konfigurace

Beam Hopping

Další technologií je poslední revize specifikace DVB-S2X, která přidává podporu pro tzv. Beam Hopping (BH) – přeskakování paprsků. Ve vícesvazkových satelitních systémech umožňuje BH efektivní a flexibilní využití satelitních zdrojů pro uživatelský broadband a aplikace, jako je VoIP, celulární páteřní síť, internet věcí, námořní a palubní konektivita lodí nebo vládní aplikace.

Disponibilní pásmo může být přiděleno každé buňce v zóně/klastru jako funkce času. Beam hopping funguje tak, že seskupí buňky pokrývajících dané území do klastrů; buňky každého shluku (např. žlutý shluk na Obrázku 2) jsou navštěvovány směrovaným satelitním paprskem (který může být složen z jediného nosného signálu nebo z více nosných signálů, dokonce s různými symbolovými rychlostmi) v postupných periodách ozáření. Časový plán Beam Hopping určuje doby setrvání buněk a BH cyklus v rámci jednoho klastru.

OBRÁZEK 2: Princip DVB-S2x-Beam hopping

Ozařovací periody mohou být cyklické a předem plánované nebo náhodné (tj. bezprostředně následující po požadavku na provoz). Zatímco tedy „normální“ provozní režim přijímače S2X je nepřetržitý, přijímač při přeskakování paprsků (BH) musí pracovat s „nárazovými“ signály, což vyžaduje potřebu dlouhé úvodní prodlevy (ochranné intervaly – preamble) před užitečnou datovou zátěží pro synchronizaci přijímače (frekvence, fáze, synchronizace) a následnou prodlevou (post-amble), aby se umožnilo přepnutí satelitního paprsku z jedné buňky do druhé. Tato technologie může být použita jak na vícesvazkových GEO satelitech, MEO i LEO konstelacích i pro širokopásmové obousměrné sítě. Další podrobnosti o této technice byly představeny na DVB semináři v roce 2020, a jsou popsány s dalšími technikami rozšířeného DVB-S2X v DVB Modré Knize A 171-2.

Elektronicky řiditelné fázované antény

Antény s fázovým polem obsahují více zářičů a používají se pro tvarování paprsků ve vysokofrekvenčních RF aplikacích a pro vojenské aplikace již léta. Ve skutečnosti byly vytvořeny pro použití v radarových systémech, ale jejich aplikace v průběhu let rostly. Nyní se používají jak ve vysílání, komunikaci s kosmickými sondami nebo ve výzkumu počasí, či na rozhraní člověk-stroj. Tento typ antén (Phased Array) se používá také pro nové komerční bezdrátové technologie, jako je 5G a nová Wi-Fi 6, zejména v oblasti centimetrových a milimetrových vln, a má široké uplatnění jako přijímací a vysílací antény v systémech Starlinku, případně jiných družicových nestacionárních konstelací.

Základním principem fázované antény je fázově závislá superpozice dvou nebo více vyzařovaných signálů. Když jsou signály ve fázi, spojí se dohromady a vytvoří signál o větší amplitudě. Když jsou signály v protifázi, navzájem se vyruší. Základní princip je na obrázku 3.

OBRÁZEK 3: Základní princip antény s fázovým polem.

Aktivní elektronicky řízené pole je druhou generací fázovaných antén. Tyto antény využívají typ anténního pole, které přichází s funkcí elektronického řízení pro změnu směru a tvaru vyzařovaných signálů bez fyzického pohybu antény. Za toto elektronické řízení je zodpovědný fázový rozdíl mezi vyzařovanými signály z každého anténního prvku v poli, které představují samostatné softwarově řízené vysílače. Směr je řízen nastavením fázového posunu mezi signály odeslanými různým zářičům. Fázový posun je řízen umístěním mírného časového zpoždění mezi signály posílané po sobě následujícím prvkům v poli. Takové nastavení může vysílat několik rádiových vln o různých kmitočtech současně v různých směrech. Počet vysílačů, resp. anténních prvků, ve fázované anténě se může pohybovat od několika do tisíců. Prakticky dnes používané antény v pozemních terminálech jsou však energeticky náročné s příkonem okolo 100 W.

Příklad použití elektronicky řízených antén u systému Starlink

Praktické a velmi sofistikované využití elektronicky řízených fázovaných antén je v anténách satelitního sytému Starlink pracujících na nízkooběžných LEO drahách. První antény Starlink, zhruba před rokem, při zahájení beta provozu, byly dodávány nejdříve na americký kontinent jako kruhové s prodejní cenou 500 USD. V České republice začala společnost Starlink internet service Ltd. poskytovat veřejně dostupnou službu elektronických komunikací od 1. září loňského roku, kdy byla uvolněna buňka pro pokrytí zhruba 2/3 našeho území sousedící s Německem. V letošním roce je k dispozici již další čtvercová verze antény, váhově výrazně lehčí.

Sfázované anténní soustavy obsahují množství anténních prvků jako simulaci velké směrové antény. Výhodou sfázované anténní soustavy je její schopnost vysílat a/nebo přijímat signály v preferovaném směru (tj. schopnost antény tvořit paprsek) bez fyzického přemisťování nebo přeorientování systému. Sfázovaná anténa je schopna elektronického řízení ve dvou směrech. Může obsahovat mřížku množiny anténních prvků rozmístěných v M sloupcích orientovaných v prvním směru a N řadách probíhajících ve druhém směru pod úhlem vzhledem k prvnímu směru a konfigurované pro vysílání a/nebo příjem signálů v určeném směru.

Anténa je chráněna US patenty či podáními společnosti Space Exploration Technologies (příklad No:10486389, AP 20200381814). Podívejte v krátké animaci na některé nákresy uvedeného patentu a na rozebranou kruhovou anténu (bez zvuku):

Celý anténní disk se pro prvotní nastavení motoricky naklápí a otáčí. Základem kruhové anténní sestavy je kovová voštinová struktura s vyvrtanými otvory pro průchod kabelů k vnitřní jednotce a dalšími vyvrtanými otvory, pro odvod tepla a ventilace. Tato mechanická část je dokonale utěsněna, aby se zabránilo průniku vlhkosti do útrob vlastní elektroniky a anténních elementů sfázované antény.

Vlastní anténní vrstva plátované konstrukce je velmi tenká a měří v průměru cca 50-55 cm. Jak je znázorněno na obr. 9A z patentu ve videu, sestava anténního svazku (390) obsahuje množství rovinných vrstev včetně radomu-dielektrického krytu (305), anténních vrstev a střídajících se vrstev distančních vložek, vyrobených z různých materiálů: polopropustné hexagonální pletivo, sklolaminátový substrát, černé hexagonální pletivo, další sklolaminátový substrát a materiál vnější plochy. V patentu jsou popsány vhodné procesy jako jsou lepidla na epoxidové bázi, stejně jako vzorování šablony a lisování za tepla k vytvoření sestavy, která usnadňuje kombinaci odvodu tepla, přenosu signálu, rezonanci antény, snadnou montáž a trvanlivost. Použité materiály umožňují odvětrávání vzduchu a vlhkosti pro další zlepšení funkčnosti a strukturální integrity celé anténní sestavy. Množství drobných anténních elementů šestiúhelníkového tvaru tvoří vysílací (a přijímací) vlnu fázované antény.

V zobrazeném provedení je sestava plátované antény (334) mechanicky a elektricky podporována sestavou desky s plošnými spoji (380). Deska plošných spojů PCB je obecně konfigurována pro připojení elektronických součástek. Je vyplněna radiofrekvenčními prvky aktivní fázované antény, menšími bloky, které musí zajišťovat posun fáze a vytvářet paprsek pro vysílání, včetně RF spínačů. Každý ze 632 bloků může být individuálně řízen.  Na horním okraji PCB je napájení, a jeho rozvod k jednotlivým funkčním celkům. Dále následuje aplikační procesor, který je mozkem celého kompletu. Obsahuje také GPS přijímač. V levém horním rohu jsou umístěny drivery motoru, v centru je zesilovač časového řízení, na bázi krystalového 6 MHz oscilátoru.

Zájemci o další podrobnosti mohou zhlédnou celé zdrojové video o rozebírání jedné z prvních „Dishy“ Starlinku na  https://youtu.be/iOmdQnIlnRo. Další popis mechanické konstrukce je možno dohledat na stránkách Patentové kanceláře Spojených států www.uspto.gov.

Televizní vysílání přes LEO satelity?

Systém Starlink je navrhován jako systém pro přístup k celosvětovému webu – internetu. Tuto úlohu zjevně plní a s mnohem menším zpožděním než geostacionární družice nad rovníkem. Vzhledem k tomu, že při příjmu ale dochází k přepínání jednotlivých satelitů mezi sebou ukazují první zkušenosti, že z tohoto důvodu se ztrácí synchronizace videa a trvá nějakou dobu než se sekvence jednotlivých snímků videa znova zasynchronizuje. To může být obzvláště rušivé při programech s vyšší snímkovou rychlostí HFR, které se v současné době plánují. Dá se však očekávat, že tento problém bude vyřešen použitím již známých technologií, jako je beam hoping s definovanými prodlevami, nebo rozšířenými možnostmi adaptivní bitové rychlosti ADR.

V příštím pokračování se ze Země vrátíme do prostoru nad námi a podíváme se na úskalí kmitočtového plánování v době rovněž zaplněného spektra v obvyklých satelitních Ku-pásmech, které jde ruku v ruce se zaplněnou geostacionární drahou. Podívejte se na naše předchozí články o komunikačních satelitech:

Seriál: Satelitní komunikace a vysílání II

Seriál: Satelitní komunikace a vysílání I

Úvodní foto autora: Část pozemské stanice Media Broadcast v Usingen (Německo)