Satelitní komunikace je motivována výbušným rozmachem aplikací a služeb založených na internetu, a dá se očekávat, že další nové techniky v satelitní komunikaci podpoří vytváření vysokorychlostních sítí i v kosmickém prostoru až po meziplanetární internet. Ve světle nejnovějšího vývoje se však zdá, že mezinárodní legislativa bude opět nejméně jeden krok za technologickým vývojem.
V předchozích dílech jsme popsali vývoj satelitní techniky komunikačních satelitů s pohledem na geostacionární dráhu, systémy nízkooběžných drah LEO, MEO a jejich srovnání výhody a nevýhody, používané nové technologie a možnosti standardů rozšířeného DVB-S2X, problematiku koordinace kmitočtů a oběžných drah. Budoucí vývoj ale rychle kráčí vpřed. Proto doplňujeme poslední trendy a vize na poli satelitních technologií.
5G i přes satelitní platformy
Požadavky nízké latence pro satelitní systémy v reálném čase a poptávka po širokopásmovém připojení vedou ke stále většímu nasazování satelitů do nízko, případně středně oběžných drah LEO a MEO, jejichž výhoda spočívá ve srovnání s GEO satelity právě v nižším zpoždění. Skupina 3GPP, která vytváří standardy 5G, v současné době pracuje na začlenění satelitní komunikace do nepozemních sítí NTN (Non Terrestrial Networks) pro budoucí verzi Release 18. Napovídají tomu minimálně dvě studijní témata o satelitním přístupu k podpoře a kontrole video dohledu nebo o 5G systému spojeném se satelitní páteřní sítí.
O tom, že satelitní technologie bude hrát roli i v užití 5G standardů v oblasti medií svědčí i v červnu podepsaná dohoda mezi EBU – Evropskou vysílací unií – a ESA (Evropskou kosmickou agenturou) – nazvaná 5G Emerge. Je partnerstvím mezi ESA a European Broadcast Union plus 20 společností z Itálie, Lucemburska, Nizozemska, Norska, Švédska a Švýcarska. V rámci dohody partneři definují, vyvíjejí a ověřují integrovaný satelitní a pozemní systém založený na otevřených standardech pro efektivní poskytování vysoce kvalitních služeb distribuce obsahu. Systém bude využívat strukturální výhody infrastruktury satelitní základny v kombinaci s flexibilitou technologií 5G a nad rámec 5G, aby dosáhl kohokoli a kdekoli. Základní techniky používané v satelitní komunikaci jsme popsali ve třetí části našeho seriálu:
Seriál: Satelitní komunikace a vysílání III Vývoj satelitů a pohled do útrob Starlinku
Další vize a techniky v satelitní komunikaci
Dále se bychom se rádi zmínili o některých nejnovějších úvahách a technikách, které by měly sloužit pro vytvoření globální internetové komunikace. Zde je nutno zmínit projekty na využití dalších platforem HAP a LAP (High Altitude Platform a Low Altitude Platform), které by tvořily komunikační uzly nad a pod obvyklou drahou letadel, přičemž pro posledně jmenované se prakticky jedná o použití UAV neboli dronů. Výšky pro tyto platformy by byly, včetně znázorněné VLEO (Velmi nízkooběžná dráha) od 100 km do 350 km, HAP v rozmezí 15–25 km a LAP do 4 km.
Možnosti mnohovrstvé komunikační architektury (zdroj: www.researchgate.net/figure/Multi-layer-communications-architecture_fig2_346016205, pod licencí CC BY 4.0)
S tím souvisí, že když počet použitelných negeostacionárních (NGEO) satelitů, tj. LEO/MEO ve vesmíru vzrůstá, potřeba frekvenční koexistence mezi satelitními systémy NGEO s již existujícími geostacionárními (GEO) satelitními sítěmi rychle přibývá. Kdykoli dojde ke vstupu NGEO družice do přímé viditelnosti spoje na GEO satelit, dojde k rušení. Mimo administrativní řešení (dle doporučení ITU-R S.1431 a S.1325) mohou dva satelitní systémy fungující na stejné nebo různé oběžné dráze operovat na stejné sadě rádiových kmitočtů, přičemž jeden satelitní systém je primární (GEO) a další jako sekundární, při použití různých technik, jako je např kognitivní interference zarovnání a kognitivní Beam hopping. Řešení spočívá v tom, že se například zřídí přímé datové spojení mezi pozemskými stanicemi obou systémů s cílem přizpůsobit (snížit) vysílací výkon NGEO satelitu/terminálu tak aby nebyla narušena kvalita spojení s geostacionárním satelitem.
Vznik in-line interference mezi satelity na různých oběžných drahách (zdroj: INTERNATIONAL JOURNAL OF SATELLITE COMMUNICATIONS AND NETWORKING, publikováno 2014 ve Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com))
U satelitů s velmi vysokou (VHTS) případně ultra vysokou (UHTS) propustností technika Beam hopping (přeskakování paprsků-popsané ve III. díle) odkrývá nové problémy dosud v satelitní komunikaci neuvažované. Jedná se o navržení vzorků ozáření pokrytého území tak, aby se perfektně kryly s požadavky při získávání a synchronizaci hromadně přenášených dat s využitím dalších stupňů volnosti za předpokladu, že některé oblasti pokrytí zůstávají v danou chvíli neaktivní. K tomu přistupuje, že při této technice dochází k vlastním interferencím způsobených tímto systémem, zejména, když sousední kanálový svazek je aktivován ve stejný moment. Proto se používají další techniky rozšiřující systém DVB-S2x jako spojování kanálů (Channel bonding) pro zvýšení šířky pásma nebo agregace nosných, která umožňuje efektivnější rozdělení kapacit na satelitní pokrytí a tím umístění více uživatelů.
Satelity MEO a LEO zažívají kosmickou evoluci v provozu na oběžné dráze satelitu. Nové trendy v anténách jak pro konstelace LEO/MEO, tak i v pozemním segmentu se stále více prosazují. Proto, je potřeba elektronicky řiditelné sfázované antény (popsané podrobně ve třetí části), aby bylo zajištěno odpovídající pokrytí satelitního svazku dle potřeb provozu. LEO konstelace Starlink a Telesat, jsou vybaveny tímto přístupem. Konstelace MEO od O3B také přijala princip řiditelného paprsku nejenom na přijímacích terminálech, ale i na satelitech.
V oblasti satelitní komunikace se objevují specifické implementace softwarově definovaného rádia (SDR), které jsou zaměřeny zejména na aspekty kódování kanálů. Jedná se o kódy Low-Density Parity-Check (LDPC), které jsou jádrem funkcí FEC v DBV-S2 a DVB-S2X standardech kvůli jejich vynikajícímu výkonu chybovosti BER. Platforma SDR se skládá z hardwarové vf vstupní jednotky (front-endu) a jednotky digitálního zpracování signálu (DSP) implementovanou v signálové procesory. Tyto platformy jsou navrženy tak, aby byly vysoce flexibilní, a všechny funkce přijímače a vysílače byly aktualizovány jednoduchou změnou softwarového kódu v DSP zařízení.
Mezisatelitní laserové spoje (ISLLs)
Nezanedbatelnou součástí budoucích spojů jsou projekty optického propojení jak mezi satelity jednoho systému, tak i mezi satelity na různých oběžných drahách mezi sebou pomocí laseru. SpaceX přímé spojení mezi satelity prozatím testuje, úvodní snímek ukazuje možnou budoucí laserovou síť, kde každá z družic je vybavena 4 laserovými komunikačními terminály. Evropská kosmická agentura (ESA) vytvořila v rámci partnerství veřejného a soukromého sektoru se společností Airbus Defence and Space první dva vesmírné uzly EDRS (European Data Relay Systém), které tvoří první fázi budoucí satelitní přenosové sítě. K přenosu informací využívá pokročilou laserovou technologii prostřednictvím geostacionárních satelitních uzlů. První dva geostacionární uzly přenášejí data ze satelitů na nízké oběžné dráze a bezpilotními letadly do Evropy, Afriky a Atlantiku téměř v reálném čase. Součástí systému jsou vylepšené optické možnosti a vyšší datové rychlosti a lehčí a kompaktní terminály pro menší satelity a dálkově řízená letadla. V budoucnosti projekt EDRS Global rozšíří EDRS na celosvětové pokrytí umístěním satelitů nad jiné kontinenty a oceány, jako je Asie, Pacifik a Atlantik.
Evropský datový přenosový systém EDRS (zdroj: ESA)
Komunikace v meziplanetárním prostoru
Podle definice ITU se o komunikaci v mezihvězdném prostoru bavíme tehdy, pokud vzdálenost mezi kosmickým objektem a zemí je více než 2 milióny km. To však přináší několik specifických problémů, prvním z nich je poměr signál/šum (SNR), zejména ve směru k Zemi, neboť pro vzestupný směr je v principu na pozemní stanici dostatek výkonu. Rovněž s ohledem na otáčení Země musí být vytvořena síť spolupracujících pozemních stanic vzájemně oddělených po 120°, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz. Dalším omezujícím faktorem je zpoždění, které například na poslední planetě naší sluneční soustavy Plutu dosahuje přes 4,5 hodin. Je evidentní, že objekty pohybující se v těchto vzdálenostech nemohou být řízeny v reálném čase.
Základem komunikace by měl být meziplanetární internet (IPN) někdy také nazývaný Space wide web. Existují již testovací a simulační instalace v laboratořích, které vyvíjejí specifické protokoly. Celá záležitost je koordinována Konzultativním výborem pro kosmické datové systémy (CCSDS) a americká NASA již učinila první kroky k vysokorychlostnímu kosmickému internetu.
Koncept meziplanetárního internetu podle NASA (zdroj: https://www.researchgate.net/ )
Pokud se oprostíme od daleké budoucnosti tak v rámci mise Artemis bude na naší přirozené družici umístěn optický komunikační systém O2O, který bude schopen přenášet data rychlostí 260 Mbits/sek a vysílat obrázky a videa s vysokým rozlišením při návratu astronautů po 50 letech na lunární povrch.
Optická kryptografie
Potřeba utajení přenášených zpráv vzrůstá v momentě konfliktů jak komerčních, tak i vojenských. Klasická kryptografie skrývala zprávy s šifrovacími kódy a šifrovacími klíči generovanými ručně nebo mechanickými stroji. Zprávy byly dekódovány příjemcem pomocí odpovídajícího klíče, číselníku nebo zařízení. Dnes existuje stejný princip, ale šifrovací kódy se vyvinuly v moderní matematické algoritmy a „kryptografické klíče“ lze vytvořit kombinací algoritmů s generátory náhodných čísel. Veřejné a privátní klíče, založené na RSA protokolu, se dnes používají všude: od webových prohlížečů, IT sítí až i k ochraně důležitých satelitních systémů. Špičkový vývoj, jako jsou kvantové počítače a nové techniky prolomení kódu, by však mohly způsobit, že některé dnešní systémy, budou vůči útokům zranitelné.
V tomto kontextu byla navržena již v roce 1984 distribuce kvantového klíče (QKD – Quantum Key Distribution). QKD je neodmyslitelně optická technologie, a má schopnost doručit šifrovací klíče mezi libovolnými dvěma body, které automaticky sdílejí optické spojení. Zahrnuje posílání náhodných čísel mezi dvěma body prostřednictvím fotonů, které se pak použijí ke generování klíče. Odposlech tohoto druhu komunikace vyžaduje měření fotonů, což trvale mění jejich kvantové vlastnosti a upozorňuje majitele, že paprsek byl zachycen. Nicméně, použití QKD přes vyspělé sítě optických vláken na dlouhé vzdálenosti, je omezen ztrátami přenosem, které exponenciálně narůstají se vzdáleností. V tomto kontextu, se s tímto šifrováním počítá právě přes satelity s optickým (laserovým) spojem.
Klíčem k úspěchu QKD přes satelity je schopnost nastavit stabilní optické spojení, které by mělo zajistit určitou minimální kvantovou bitovou chybovost (QBER), což je QKD protějšek odstupu signálu od šumu. To vyžaduje vhodný výběr optických vlnových délek, komponent a mechanismů pro směrování, získávání a sledování. Důležité je zpracování vysílání a příjmu, zajištění vysoce věrného spojení a zároveň vyhovět omezeným rozměrům (např. palubní přijímací čočka nemůže být velká), výkonů (např. taková omezení, aby nepoškodila stávající spojení/zařízení atd.) a případně výpočetní výkon. Optické spoje navíc přispívají na řešení spektrální krize v důsledku omezeného počtu kmitočtů. Navíc optické satelitní komunikace v nadcházejících letech umožní QKD šifrování.
Poslední použití nových technologií na orbitě
Eutelsat Quantum je první komerční plně flexibilní softwarově definovaný satelit na světě, který využívá technologii Beam Hopping společně s rekonfigurovatelnými svazky. Eutelsat Quantum, který byl vypuštěn před rokem, je v současné době umístěn na 47,7 °East a má zaplněno 6 z 8 prodaných směrových svazků nebo paprsků (Beamů).
Sestřih technologických a technických vlastností satelitu Quantum (zdroj ESA)
Quantum je plně rekonfigurovatelný softwarově definovaný satelit s extrémně sofistikovanými vlastnostmi. Pracuje v pásmu pevné družicové služby (FSS) s vzestupnou vlnou (uplink) od 13 – 14,8 GHz a sestupnou vlnou (downlink) 10,7 – 12,75 GHz a proměnnou šířkou pásma mezi 54 – 250 MHz. Nabízí také flexibilní kanelování a překlad kmitočtů, jednotlivé kanály v krocích po 1 MHz se středy po 0,5 MHz. Další podrobnosti si čtenář může dohledat v brožuře Revoluční Satelit Eutelsat Qunatum.
Obsluhuje především regiony Středního východu a severní Afriky. ESA ve zprávě uvádí, že satelit nabízí bezprecedentní kapacitu rekonfigurace. Jeho svazky lze přetvářet a přesměrovávat tak, aby poskytovaly informace lidem pohybujících se na palubě lodí a letadel, v kamionech a autech téměř v reálném čase. Protože jej lze přeprogramovat na oběžné dráze, může během své 15leté životnosti reagovat na měnící se požadavky na přenos dat a zabezpečenou komunikaci. Svazky lze také snadno upravit tak, aby poskytovaly více dat, když poptávka naroste. Je vybaven také kryptovaným geolokačním zařízením, které umožňuje v případě jak záměrného, tak i náhodného rušení způsobeného neautorizovaným vysíláním na satelit, zaměřit polohu, ze které rušící signál byl vysílán.
Zákazník má k dispozici provozní software „Cockpit“, kterým si sám může řídit své zdroje a provádět optimální rekonfiguraci na základě zpracování „na palubě“, resp. na oběžné dráze. Základní výhodou je rekonfigurace pokrytí. Může být větší či menší, měnit se jak co do tvaru, tak i do intenzity pole. Jeden vyzářený svazek se může dokonce měnit i v čase. Pro vládní a armádní komunikaci představuje možnost „virtuálního satelitního operátora“ zajistit bezpečnou a autonomní kontrolu.
O čem bude příští článek?
I když jsme se v minulých dílech našeho seriálu věnovali více satelitům na nízkých oběžných drahách, je zřejmé, že vývoj na Clarkem v minulém století definované geostacionární dráze rozhodně není ukončen.
V příštím pokračování za týden se budeme věnovat spolehlivosti satelitních systémů, jejich výpadky způsobenými jak mechanickou interakcí, tak poruchami v důsledku sluneční aktivity nebo cílenými útoky na celou infrastrukturu.
Úvodní snímek je simulací plánované mezisatelitní laserové sítě první fáze Starlinku (zdroj: https://circleid.com/images/uploads/12107a.jpg )
