W niniejszym artykule przedstawiono najważniejsze trendy rynkowe w systemach satelitarnych operujących na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Omówimy podstawowe działanie systemów i przedstawimy postępy w technologii układów scalonych RF, które napędzają rozwój terminali oraz stacji naziemnych LEO pracujących w pasmach satelitarnych Ku i Ka.

Łączność LEO — droga do sukcesu

Łączność satelitarna jest rozpowszechnionym środkiem przesyłania danych, głosu i wideo. Wykorzystuje satelity krążące na okołoziemskich orbitach niskich (LEO), średnich (MEO) oraz geostacjonarnych (GEO). Komunikacja satelitarna jest używana m.in. w nawigacji GPS, monitorowaniu i przesyłaniu informacji o pogodzie, w telewizji, telefonii, przekazywaniu danych itd. Jest także stosowana w systemach obrazowania oraz w zastosowaniach naukowych i wojskowych. Nadchodzą jednak nowe technologie, które oferują szybką łączność internetową opartą o konstelacje satelitów LEO. Zapewnią one łączność szerokopasmową o niewielkich opóźnieniach i dużej przepustowości na potrzeby komunikacji internetowej nowej generacji.

Satelity LEO będą odgrywać ważną rolę w rozwoju łączności komórkowej. W 2017 r. w organie normalizacyjnym 3GPP rozpoczęto działania mające na celu ustalenie jakie są możliwości wdrożenia sieci satelitarnych w ramach łączności 5G. W wersjach 15, 16, 17 i 18 standardu 3GPP opracowano kilka działań wspierających integrację tych sieci. Satelity LEO mogą zapewniać pokrycie rozległego terytorium na obszarach o niedostatecznym zasięgu sieci naziemnych (np. obszarach wiejskich), zapewnić ciągłość usług dla osób w ruchu, a także łączyć się z urządzeniami M2M/IoT. Jest to więc godna uwagi i opłacalna ścieżka modernizacji 5G.

Zalety i wady łączności satelitarnej LEO

Satelity w systemach LEO będą krążyć na wysokości od 500 km do 2000 km nad powierzchnią Ziemi i zapewnią technicznie lepsze rozwiązanie niż sieci satelitarne stosowane w przeszłości. Tak mała odległość od Ziemi oznacza połączenia o mniejszych opóźnieniach, co jest ważne w zastosowaniach konsumenckich oraz biznesowych (na przykład w grach internetowych lub sterowaniu urządzeń przemysłowych/medycznych w czasie rzeczywistym). Satelity powinny zapewniać opóźnienie około 50 ms, które w przyszłości ma spaść nawet poniżej 20 ms. Jest to przepaść w porównaniu z np. systemami geostacjonarnymi, dla których opóźnienie sygnału wynosi 700 ms.

Kluczową zaletą satelit LEO jest znacznie mniejsza ekspozycja na promieniowanie ze względu na niższą orbitę. Oznacza to, że kosztowne i wymagające testy odporności na promieniowanie można nieco złagodzić. Przyniesie to korzyści na dużą skalę, ponieważ drastycznie obniży koszt budowy satelity. Mniejsze promieniowanie oznacza także szerszą dostępność procesów półprzewodnikowych, a co za tym idzie, możliwych do wykorzystania komponentów.

Na niższej orbicie oczekuje się znacznie większej liczby rozmieszczonych satelitów. Średnia żywotność takich urządzeń będzie jednak znacznie krótsza; prawdopodobnie będzie to między 5 a 8 lat, po czym te satelity wypadną z orbity i będą wymagały wymiany. Satelity LEO muszą być więc niedrogie, aby można było cały czas produkować i umieszczać na orbicie ich zamienniki.

Wszystkie te trendy sprawiają, że systemy łączności szerokopasmowej zaczynają mieć coraz większe uzasadnienie biznesowe. Jak pamiętamy już w latach 90-tych takie przedsięwzięcie było celem kilku firm, ale niestety zakończyło się niepowodzeniem ze względu na wysokie koszty wdrożenia i ograniczony popyt. Współcześnie widzimy jednak niezwykły postęp w technologii półprzewodnikowej, która zapewnia niespotykaną wydajność i integrację. W połączeniu z wykładniczo rosnącym zapotrzebowaniem na szybkie łącza internetowe, a także integracją łączności satelitarnej ze standardami 5G, konstelacje LEO mają znacznie lepsze warunki, by odnieść sukces.

W chwili pisania tego tekstu oczekuje się, że użytkownicy będą mogli osiągnąć maksymalną prędkość pobierania na poziomie 100 Mb/s, a w przyszłości nawet do 150 Mb/s, co pozwala na ciągłe strumieniowanie wideo przez wielu użytkowników jednocześnie.

Jednym z wyzwań związanych z LEO jest fakt, że satelity nieustannie poruszają się względem powierzchni ziemi. Konstelacja musi więc zostać wdrożona w całości, aby w ogóle system mógł funkcjonować i przynosić zyski. Oznacza to, że początkowe nakłady są wysokie, ponieważ liczba satelitów LEO musi być stosunkowo duża. Nie wydaje się to jednak obecnie przeszkodą w osiągnięciu sukcesu, a zwiększanie pokrycia sieci satelitarnych będzie się opłacać.

Jak działa system satelitarny LEO?

System satelitarny LEO składa się z trzech głównych komponentów, jak ilustruje rysunek 1.

Rysunek 1. Przykładowy scenariusz przesyłania danych między ziemią a systemem satelitarnym LEO

Terminale użytkowników (UE – User Terminals/User Equipment )

Są to bezpośrednie łącza między użytkownikiem a satelitą. Zazwyczaj to niedrogie, łatwe w konfiguracji terminale znajdujące się w domach, choć mogą to być również terminale mobilne (morskie, taktyczne radia w plecakach itp.). Terminale użytkownika wykorzystują wysoki poziom integracji układów scalonych, co pozwala znacznie skrócić listę elementów (BOM), obniżyć koszty i zachować niewielkie wymiary.

Stacje naziemne/bramy sieciowe

Są to połączenia centrów serwerów naziemnych z satelitami LEO. Są rozmieszczone w stałych miejscach na całej Ziemi.

Satelity

Grupy satelitów nazywane są konstelacjami i krążą wokół Ziemi, zapewniając połączenia zarówno z terminalami, jak i bramami sieciowymi.

Pojedynczy satelita LEO okrąża Ziemię w czasie tzw. okresu orbitalnego trwającego średnio od 90 do 110 minut. Z tego powodu użytkownik łączący się z satelitą będzie w zasięgu pojedynczego przekaźnika przez stosunkowo krótki czas (do 20 minut). Tak więc przeciętny terminal podczas normalnej pracy łączy się z wieloma satelitami. Dlatego użytkownicy systemu muszą być kierowani do różnych satelitów, które znajdą się aktualnie w zasięgu, podobnie jak osoba korzystająca z telefonu komórkowego w jadącym samochodzie przełącza się z jednej stacji bazowej do drugiej. Stawia to wysokie wymagania dotyczące sposobu kierowania wiązkami w celu utrzymania połączenia z najbardziej odpowiednim satelitą.

Innym interesującym obszarem rozwoju jest sposób, w jaki system satelitarny utrzymuje działanie, gdy znajduje się poza zasięgiem stacji naziemnej. Na rysunku 1 pokazujemy niekorzystne warunki pogodowe, które mogą wpływać na prędkość łącza ze stacją naziemną. Tradycyjne satelity wykorzystują przekaźniki bierne (z ang. bent pipe), co oznacza, że satelita musi praktycznie zawsze znaleźć ścieżkę łączącą z Ziemią. Nowoczesne konstelacje mają z kolei łącza międzysatelitarne (ISL) w paśmie optycznym lub w pasmach V oraz E.

Postęp w konwerterach w górę/dół w terminalach użytkowników

Terminale użytkownika wymagają wysokiej integracji układów scalonych. Firma Analog Devices odpowiada na to zapotrzebowanie, wykorzystując możliwości nowoczesnych technologii półprzewodnikowych. Rozwiązania pozwalają zapewnić jak najmniejsze wymiary terminala, przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii i optymalizacji kosztu produkcji urządzenia.

Konwertery w górę i dół (z ang. up/downconverters – UDCs) są podstawowymi elementami terminali. Stanowią interfejs pomiędzy sygnałem częstotliwości podstawowej lub pośredniej, a pasmem satelitarnym Ku lub Ka.

Konwertery powinny obsługiwać następujące częstotliwości:

• W paśmie Ku: ~10,7 GHz do ~14,5 GHz
  • Pobieranie (z satelity na ziemię): 10,7 GHz do 12,7 GHz,
  • Wysyłanie (z ziemi do satelity): 14 GHz do 14,5 GHz
• W paśmie Ka: ~18 GHz do ~31 GHz
  • Pobieranie (z satelity na ziemię): 17,7 GHz do 21 GHz,
  • Wysyłanie (z ziemi do satelity): 27 GHz do 31 GHz.

Pasma pobierania i wysyłania są od siebie oddzielone. Komunikacja odbywa się więc de facto przy użyciu dwóch oddzielnych pasm częstotliwości. Dlatego firmy wytwarzające układy radiowe muszą projektować konwertery w górę i w dół dla oddzielnych pasm.

W zależności od stopnia wykorzystania łączy, terminale zazwyczaj obejmują kanały o szerokości pasma (BW) od 125 MHz do 250 MHz, a bramki sieciowe – od 250 MHz do 500 MHz. Jednak niektóre implementacje mają możliwość współdzielenia przepustowości między łączami użytkownika i bramy, więc przepustowość kanału można rekonfigurować w obsługiwanych przez nie częstotliwościach.

Satelity LEO są w ciągłym ruchu. Każdy przekaźnik komunikuje się na trochę innej częstotliwości (w innym kanale), w ramach pasma Ku lub Ka. Konieczna jest więc nieustanna zmiana kanałów. W związku z tym syntezatory częstotliwości konwerterów w terminalu muszą szybko się synchronizować, aby uniknąć przerw w połączeniu. Układy te służą do wspomagania konwersji częstotliwości w górę i w dół i dają możliwość nieustannego i szybkiego przełączania się pomiędzy przekaźnikami.

Konwertery UDC w paśmie Ku

Firma Analog Devices opracowała rodzinę konwerterów w górę i w dół dla pasm Ku i Ka przeznaczonych do terminali użytkowników. Rozwiązania pozwalają ograniczyć wielkość, wagę, powierzchnię, moc i koszty systemów (SwaP-C od ang. size, weight, area, power, and cost). Konwertery zawierają rozbudowane układy regulacji sygnałów RF i IF, takie jak filtry, wzmacniacze, tłumiki, generatory PLL VCO i mierniki mocy. Wszystkie układy zaprojektowano z myślą o jakości toru sygnałowego terminala. Układy ADMV4630/ADMV4640 to właśnie konwertery pracujące w paśmie Ku, które obsługują interfejs częstotliwości pośrednich (IF) do modemu satelitarnego. Zaprezentowano je na rysunkach 2 i 3 wraz z najważniejszymi właściwościami układów pokazanymi w tabelach.

Rysunek 2. Zintegrowany konwerter w górę ADMV4630 w paśmie Ku z interfejsem częstotliwości pośredniej dla modemu satelitarnego

Rysunek 3. Zintegrowany konwerter w dół ADMV4640 w paśmie Ku z interfejsem IF dla modemu satelitarnego

Konwertery dla pasma Ka

Dla pasma Ka o wyższej częstotliwości Analog Devices opracowało konwertery ADMV4530/ADMV4540 (rysunek 4 i rysunek 5). Obsługują one modemy satelitarne wymagające interfejsu pasma podstawowego I/Q. Należy pamiętać, że konwerter ADMV4530 pracuje w dwóch trybach i może również obsługiwać interfejs IF (w paśmie pośrednim). Rozwiązania zapewniają najwyższy poziom integracji, co pozwala poradzić sobie z presją ograniczania rozmiarów występującą w produkcji terminali na dużą skalę.

Rysunek 4. Zintegrowany konwerter w górę ADMV4530 dla pasma Ka z interfejsem I/Q i IF z modemem satelitarnym

Rysunek 5. Zintegrowany konwerter w dół ADMV4540 dla pasma Ka z interfejsem I/Q bezpośrednio do modemu satelitarnego

Konwertery dla terminali użytkownika wysokiej klasy

Niektóre aplikacje terminali są zorientowane pod kątem wysokiej jakości urządzenia i mają mniejsze ograniczenia co do rozmiaru i kosztów projektowych. To daje pewną swobodę projektowania i pozwala użyć osobnych układów radiowych dla różnych funkcji. Umieszczenie komponentów w oddzielnych obudowach pozwala na połączenie różnych technologii produkcji, w tym układów scalonych MESFET, pHEMT, BiCMOS i CMOS. Pozwala to zoptymalizować układ pod względem wszelkich wymagań projektowych. Oparcie projektu o osobne układy pozwala na wiele kompromisów między wydajnością a rozmiarem, zapewniając maksymalną elastyczność procesu projektowania. Projektanci mogą tworzyć terminale o wyższej jakości, zapewniające większą moc wyjściową i obsługujące szersze pasmo. Ponadto można osiągnąć wyższą czułość odbiornika w celu poprawy zakresu dynamicznego i lepszej obsługi zakłóceń. Należy zauważyć, że stacje/bramy naziemne również należą do tej kategorii rozwiązań, chociaż są większe i mają całkiem inne wymagania dotyczące integracji na poziomie terminala.

Analog Devices stale poszerza portfolio radiowych układów specjalizowanych, aby sprostać różnych przypadkom ich zastosowania. Rysunek 6 przedstawia przykład rozwiązania wysokiej klasy oparty o osobne układy radiowe.

Rysunek 6. Schemat funkcjonalny dyskretnego terminala użytkownika pasma Ka HMC798A

Obniżenie kosztów terminala użytkownika dzięki zastosowaniu anteny sterowanej elektronicznie

Firmy starają się obniżyć koszt wdrożenia terminali satelitarnych poprzez wyeliminowanie wysokich kosztów instalacji. Można to osiągnąć dzięki integracji anteny wraz z całą elektroniką wymaganą do obsługi łącza w pojedynczej jednostce zewnętrznej (ODU – ang. outdoor unit). ODU to zestaw antenowy, który znajduje się na zewnątrz domu i jest skierowany w niebo. Jednostka wewnętrzna (IDU – ang. indoor unit) jest podłączona do ODU i działa jak tradycyjny router (przewodowy lub bezprzewodowy) w celu zapewnienia łączności internetowej urządzeniom takim, jak komputer czy smartfon.

Jak wspomniano wcześniej, konstelacje LEO składają się z wielu satelitów, które wchodzą i wychodzą z pola widzenia anteny. Znacznie bardziej efektywne jest w takim wypadku użycie anteny sterowanej elektronicznie (ESA – ang. electronic steerable antenna), ponieważ może ona zapewnić wysoką kierunkowość poprzez elektroniczne sterowanie nadawczą i odbiorczą wiązką energii. W ten sposób utrzymywane jest łącze z najlepszym aktualnie przekaźnikiem, z niemal natychmiastowym przełączaniem między satelitami. W praktyce ze względu na okres orbitalny i bardzo dużą liczbę satelitów, z którymi się łączymy, anteny sterowane elektronicznie są nieuniknione.

Aby sprostać temu wyzwaniu, Analog Devices opracowało układy scalone formujące wiązkę (BFIC – beam forming integrated circuit) pracujące w paśmie Ku. ADMV4680 to rozwiązanie przeznaczone dla terminali użytkownika, umożliwiające kanałom półdupleksowym niezależną kontrolę wzmocnienia i fazy sygnału. Godne uwagi jest to, że rozmiar tego układu wynosi zaledwie 8,2 mm2, jak pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7. Zintegrowany, półdupleksowy, 4-kanałowy układ scalony kształtujący wiązkę w paśmie Ku

Przystosowanie anteny sterowanej zarówno do śledzenia satelitów LEO, jak i optymalizacji szybkości łącza, pozwala uzyskać niedrogi system, który w dodatku automatycznie się konfiguruje (plug & play). Anteny sterowane i migracja do bardziej zintegrowanych jednostek ODU radykalnie upraszczają wdrażanie i obniżają całkowity koszt systemu. Elektroniczne sterowanie umożliwia również zastosowanie bardziej płaskiego panelu anteny, co ma pozytywny wpływ na estetykę urządzenia.

Warto zauważyć, że w przypadku terminali o najwyższych parametrach stosowana jest podwójna paraboliczna antena sterowana. W takich przypadkach czynnikiem decydującym jest wysoka jakość, nie koszt i estetyka. Jeśli chodzi o konsumenckie i niskokosztowe rozwiązania dla małych przedsiębiorstw, antena sterowana jest zdecydowanie najlepszym sposobem na osiągnięcie najniższych kosztów przy jednoczesnym spełnieniu celów projektowych systemu.

Wnioski

Łączność internetowa za pomocą satelit LEO to nowa i ekscytująca perspektywa. Wyścig o kosmos zaprząta obecnie głowy większości rządów i dostawców Internetu. Satelity LEO będą odgrywać ważną rolę w technologii 5G zwłaszcza w scenariuszu łączenia lokalizacji wiejskich i mniej dostępnych poprzez konstelację w przestrzeni kosmicznej. Integracja radiowych układów scalonych w terminalach użytkowników staje się coraz bardziej wymagająca, ale Analog Devices pomaga w tym projektantom opracowując nowe rozwiązania i układy scalone w tej dziedzinie.

Źródła

• Cajaj, Shkelzen. “The Parameters Comparison of the ‘Starlink’ LEO Satellites Constellation for Different Orbital Shells.” Frontiers in Communications and Networks, Vol. 2, May 2021.
• Darwish, Tasneem, Gunes Karabulut Kurt, Halim Yanikomeroglu, Michel Bellemare, and Guillaume Lamontagne. “LEO Satellites in 5G and Beyond Networks: A Review from a Standardization Perspective.” IEEE Access, Vol. 10, March 2022.
• Hall, Brad. “Need More Bandwidth for the Ka Band? Here Are Three Options.” Analog Devices, Inc., November 2017.
• King, Yasmine. “New Age of the Commercial Space Satellite.” Analog Devices, Inc.