Базовые понятия технологий беспроводной связи

Вояджер 1 и 2. Изображение Nasa

Конечно, “космический интернет” сейчас становится все больше и больше актуален, потому что все больше и больше аппаратов запускается и планируется запускать, планируется колонизировать Луну, дальше 4 планету Солнечной системы - Марс, и это требует соответствующих технических проработок, соответствующих решений и уже непосредственно сейчас очень даже востребовано. Например, если мы хотим общаться со спутником на Марсе, то сейчас вокруг Марса фактически только 2 спутника-ретранслятора движутся - европейский и американский - и конечно для того, чтобы передать данные наш марсоход должен дождаться, когда какой-либо из этих спутников появится над ним и тогда уже может быть какая-то передача данных. Но спутник проходит от горизонта до горизонта примерно 16-20 минут и за это время нужно успеть всю информацию с марсохода передать, всю его телеметрию, а марсоход в процессе проводит какие-то эксперименты, что-то получает, анализирует, снимки какие-то с камеры нужно передать, и т.д. - куча служебной информации. И за эти 16-20 минут нужно успеть на спутник ретранслятор это все передать. Не всегда это возможно, потому что данных настолько много, а каналы связи все-таки не такие быстрые, но в этом случае информация ранжируется по степени важности и дальше уже передается. То, что передать не успели - передается в следующий раз, либо стоит вообще отказаться от этой информации. Поэтому перспективным является увеличение количества спутников-ретрансляторов вокруг, допустим Марса, и как следствие у нас будет больше времени для того, чтобы передать данные. То есть не один спутник будет  у нас ходить 20 минут, а потом другой, а следующий и следующий и вот так вот данные могут быть переданы. Вот, например, таким интересным экспериментом была миссия InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport), который был проведен в 2018 году, когда садили посадочный модуль на Марс - буровую установку.

Устройство посадочной платформы миссии InSight ( NASA/JPL-Caltech)

Общий вид летного модуля миссии на этапе перелета на Марс ( NASA/JPL-Caltech)

И во время спуска данного модуля одновременно с этим спускаемым модулем вывели еще два небольших телекоммуникационных спутника Mars Cube One (миссия MarCo),  которые фиксировали процесс посадки этой самой буровой установки.

Общий вид спутников-кубсатов миссии MarCo (NASA/JPL-Caltech)

Данные с телекамер фактически в реальном времени передавали на установки - такие большие огромные антенны, которые как совокупность образуют сеть дальней связи на Землю. Так как эти два телекоммуникационных спутника выпущены одновременно с основным модулем, то они фактически летят по одной и той же траектории - по близкой орбите - и фиксируют его посадку и все эти данные отправляют уже на Землю. То есть фактически через 8 минут наблюдатели, операторы на Земле уже могли увидеть картинку как происходит посадка и оперативно отследить все процессы сопровождающие эту посадку - правильно или не правильно она садиться, ориентацию и т.д. - то есть много такой важной технической информации, которая просто необходима. И это удалось! То есть фактически весь процесс посадки этого модуля в прямом практически в реальном времени (с задержкой всего 8 минут) передать на Землю. Это конечно большой успех, потому что спутники были относительно небольшие - так называемый 6 U с точки зрения Кубсатов (англ. CubeSat) - это 36,6 x 24,3 x 11,8 см. Такие вот блоки, фактически как ваш системный блок. Вот такие два блока были выпущены и они успешно решили свою задачу. Причем если бы эта задача решалась с помощью стандартных ретрансляторов, которые вращаются вокруг Марса, то это была бы очень дорогая связь, нужно было сориентироваться, выбрать необходимый угол зрения, а потом данные начинать передавать, это сотни тысяч долларов в данном случае связь обошлась намного дешевле порядка дясятков тысяч долларов. Причем это первый такой экспериментальный образец, который показал свою эффективность и, таким образом, если дальше эта технология будет отрабатываться, то связь будет еще дешевле, что конечно очень хорошо, для того времени, когда и марсоходов будет больше и может какие-то процессы на Марсе пойдут связанные с колонизацией и, конечно, хотелось бы иметь очень устойчивую надежную связь и такой проект конечно существует вот на данной картинке можно увидеть как она примерно задумана.

Межпланетный интернет

Так что ждем с интересом и с нетерпением, каких-то новостей из лаборатории связанной как раз с разработкой данной технологии и ждем новых запусков. Надо сказать, что, конечно, эта посадка в 2018 году на много информативнее, чем случай, когда садился марсоход Curiosity.

Марсоход Curiosity   

Обмен данными с марсоходом Curiosity  

Вот таким вот образом, конечно, увеличивается количество участников, количество источников и приемников беспроводной передачи данных. Прямо сейчас на наших глазах активно развивается телекоммуникационное “облако”, целое даже можно сказать “поле” низкоорбитальных спутников, которые запускают целый ряд компаний. 

Например, OneWeb запустило несколько десятков объектов на высоту примерно 1000 км.

A model of a OneWeb satellite. Автор NASA/Kim Shiflett

Компания Starlink Илона Маска постоянно запускает объекты, сейчас их уже сотни и планируется более 10 000 объектов, которые будут образовывать очень плотную сеть вокруг земли и практически с каждой точки Земли в другую точку Земли можно будет очень быстро передать данные с относительно небольшими задержками.

Спутники Starlink

Группировка Starlink, фаза 1, первая орбитальная оболочка: 72 орбиты по 22 в каждой, 1584 спутника на высоте 550 км .

Так скажем, задержки планируются в 10 раз меньше, чем те, которые сейчас наблюдаются при использовании спутников расположенных на геостационарной орбите Земли. Конечно такая сеть требует дополнительной проработки - как в организации, удержание ее, так и в разработке соответствующих протоколов передачи данных. Это сейчас задачи решаемые и в общем-то на наших глазах сейчас эти технические решения реализуются. Но какой бы частотный диапазон мы не использовали, какие бы тонкости в протоколах передачи данных не были,  в любом случае канал связи состоит из следующих необходимых элементов. Во первых, это источник информации. Источник информации может быть самый разный, это может быть текст, видео, аудио, какие-то научные данные в каком-то своём формате передаваемые и т.д. Дальше у вас есть устройство, которое называется кодер, оно решает целый ряд достаточно сложных и интересных задач. Во-первых, та информация, которая поступает к кодеру она может быть избыточна. Например, если мы говорим про какой-то текст или какую-то картинку, то мы знаем, что ее, как правило, можно эффективно сжать иногда в десятки, в  сотни и тысячи раз. Это конечно нужно делать, для того чтобы быстрее ее передать. Дальше, когда мы ее сжали  - избавились от избыточности, кодер начинает решать противоположною задачу - начинает избыточность добавлять, но не любую, а по специальному алгоритму, добавляя в передаваемые данные соответствующие контрольные суммы, которые в свою очередь нужны для чего? Дальше же данные планируется отправить в эфир, радиоволны будут распространяться и на пути движения могут возникнуть какие-то помехи, какое-то поглощение сигнал может испытать, фокусировку, дефокусировку - много интересных различных процессов. И конечно в данные всегда попадает ошибка. Почему? Потому что совсем уж на большой мощности данные передавать вряд ли получится, потому что тогда абоненты начнут мешать друг другу, создавать друг другу помехи, поэтому конечно сигнал приходит в приемник уже не очень сильный и уже как-то сравним с шумом, и, конечно, шум может внести свой вклад  - изменить часть данных. Поэтому данные необходимо защитить, то есть добавить какие-то контрольные суммы, которые, в свою очередь, позволят нам какие-то возможные ошибки обнаружить и исправить. Поэтому кодер как раз и занимается такими двумя задачами, с одной стороны, он убирает избыточность, сжимая данные, с другой стороны, добавляет дополнительную информацию, но это информация нужна для того, чтобы можно было при возникновении каких-либо ошибок, искажений, их обнаружить и исправить. Дальше сигнал поступает в передатчик, который подготавливает биты для передачи. На этом этапе может использоваться модуляция различных параметров сигнала - амплитуды, фазы частоты, или сразу нескольких параметров сигнала. Дальше такой модулированный сигнал на несущей частоте, как раз вот эти 10G, мы сегодня с вами уже об этом говорили, это есть несущая частота - некоторая периодика (синусоида),  у которой модулируется либо амплитуда, либо фаза. То есть у нас синусоида шла, шла и разорвалась - это фазовая модуляция. Либо же частотная модуляция - когда у нас частота немножечко меняется, линейно растет линейно убывает - такое вот “дыхание частоты” оно как раз может использоваться, как информативный параметр. А можно сразу несколько взять - одновременно меняя фазу, амплитуду, частоту - используются различные варианты модуляции, это как раз позволяет вам создать, как можно большую плотность каналов связи. То есть частотная модуляция может быть не очень восприимчивая к фазовой, поэтому на этой частоте можно использовать и то, и другое - так называемые ортогональные сигналы, которые позволяют данный частотный диапазон использовать как можно плотнее. Дальше сигнал начинает излучаться, излучается какой-то антенной и антенна тоже может модулировать сигнал, то есть у вас сигнал может быть, если мы говорим про поляризацию, с левой круговой и с правой круговой поляризацией и эти сигналы излученные на этих двух поляризациях они тоже независимые. Таким образом, когда мы работаем с беспроводными технологиями связи, вы видите, что здесь решаются задачи и математические, то есть это разработка каких-то интересных кодов, которые позволяют вам грамотно, рационально сформировать эти контрольные суммы. Дальше мы переходим на физический уровень, то есть когда вы работаете с железом, когда вы работает с сигналами используете тот или иной уровень или тип модуляции. И дальше сигнал таким образом проходит через канал связи, поступает на приемную антенну детектируется убирается несущая частота и уже все процессы раскручиваются в обратную сторону. так что, когда вы разговариваете по сотовому телефону ваше устройство решает очень много математических и физических задач, казалось бы так незаметно и быстро и вы с комфортом общаетесь, смотрите фильмы и можете какие-то свои задачи решать. Конечно у данной технологии все еще впереди, почему, потому что оптимальный код еще не обнаружен, то есть код, который бы нам позволил минимальное количество информационных символов нам добавить, но при этом помехоустойчивость кода была бы на уровне, в общем будем следить наблюдать за данной технологией и на треке решать задачи связанные с теми жизненными ситуациями которые нам ставит как природа, так и технологии, в общем надеюсь, что вам будет интересно.