5G w kosmosie

Aby przygotować swoją infrastrukturę na nieodległą przyszłość, dostawcy sieci mobilnych już teraz modernizują swój sprzęt naziemny, zapewniając mu możliwość odbierania sygnałów 5G przesyłanych z kosmosu.
Opublikowano: 2021-09-21

Przeczytaj wywiad z Mateuszem Kellerem z SatRevolution, konstruktorem odpowiedzialnym za satelity wrocławskiej firmy (link)

Przestrzeń kosmiczna zawsze była ostateczną granicą dle technologii komunikacji – w warunkach wzmożonej aktywności na orbicie, w tym ambitnych wysiłkach sektora prywatnego ze strony takich firm jak SpaceX, rośnie presja na rozmieszczenie infrastruktury 5G poza planetą. 

Satelity są oczywistym uzupełnieniem technologii 5G, która przyniesie korzyści konsumentom dzięki znacznie mniejszym opóźnieniom niż obecne sieci 4G. Do niedawna, komunikacja satelitarna stanowiła system niezależny od znacznie szerszego ekosystemu sieci mobilnych. Jednak, wraz z wprowadzeniem architektury 5G, najnowsze i najlepsze satelity stają się kluczowymi węzłami sieci, oferując szeroki wachlarz środków łączności, wspierających autonomiczną jazdę, floty oceaniczne, samoloty i miliardy małych urządzeń Internetu Rzeczy, zwłaszcza w przypadku odosobnionych obszarów wiejskich.

W ciągu ostatnich kilku lat odnotowano wzrost liczby pojazdów kosmicznych wchodzących na orbitę. To już nie tylko zaopatrzenie i podróże personelu na Międzynarodową Stację Kosmiczną - mówi się nawet o hotelu kosmicznym i można się założyć, że goście będą potrzebować niezawodnego Wi-Fi w swoich pozbawionych grawitacji pokojach.

Cała zaawansowana technologia ostatecznie dociera do przeciętnego konsumenta, więc nieuniknione jest, że innowacje 5G stworzone dla kosmosu, zejdą na Ziemię. Niezależnie od tego, komponenty sieciowe 5G muszą wytrzymać trudną rzeczywistość pozaziemskiego środowiska przez długi czas bez konserwacji. Te wymagania wywierają presję na projekty i potrzebują bardziej zaawansowanych możliwości półprzewodników.

© Arrow

Pozaziemska sieć 5G oferuje wiele korzyści na Ziemi

Satelity nowej generacji odgrywają kluczową rolę we wspieraniu infrastruktury 5G na całym świecie, oferując dodatkową przepustowość aplikacjom wymagających dużej ilości danych. W międzyczasie, aby przygotować swoją infrastrukturę na nieodległą przyszłość, dostawcy sieci mobilnych modernizują sprzęt naziemny, zapewniając mu możliwość odbierania sygnałów 5G przesyłanych z kosmosu. 

Klienci sieci 5G są bardzo zróżnicowani. Może to być mobilny gracz lub użytkownik smartfona, który przesyła strumieniowo wideo 4K w sieci komórkowej. Satelita 5G może również obsługiwać inteligentne urządzenia IoT w domu, w tym systemy bezpieczeństwa. Firmy mogą korzystać z pozaziemskiego wsparcia 5G dzięki możliwości śledzenia kontenerów transportowych, lekarze będą mogli przeprowadzać operacje telechirurgiczne, a firmy użyteczności publicznej i energetyczne będą mogły monitorować w czasie rzeczywistym stan generatorów prądu, linii gazowych i rurociągów naftowych. Również pojazdy autonomiczne i urządzenia IoT na całym świecie mogą wiele skorzystać na architekturze 5G w komunikacji satelitarnej.

Nawet jeśli sprzęt 5G jest wdrażany na głównie na Ziemi, takie firmy jak Omnispace i Lockheed Martin badają kosmiczne sieci 5G, aby zobaczyć, w jaki sposób mogą one uzupełnić infrastrukturę naziemną. Tymczasem NASA i Northrop Grumman współpracują nad weryfikacją koncepcji 5G w kosmosie, w tym zintegrowanej jednostki komunikacyjnej, która była testowana na statku kosmicznym Grumman Cygnus przez dwa tygodnie.

Sygnały 5G wymagają infrastruktury odpornej na warunki przestrzeni kosmicznej

Budowanie architektury 5G w kosmosie - niezależnie od tego, czy są to satelity, czy inne statki kosmiczne - wiąże się z kilkoma kluczowymi względami projektowymi.

Wysoka gęstość rozlicznych urządzeń korzystających z sygnału 5G wywiera dużą presję na pasmo widma, które jest z kolei zasobem ograniczonym. Może to prowadzić do zakłóceń częstotliwości radiowej, które z kolei wpływają na zdolność satelitów, samolotów i innych technologii lotniczych i kosmicznych do skutecznego działania. Ponieważ liczne, nowe satelity mają trafić w kosmos, budzi to obawy ze strony istniejących operatorów, takich jak operatorzy satelitów pogodowych, że nowsze sygnały 5G wkroczą na ich częstotliwości. A ponieważ większość komercyjnych sieci 4G wykorzystuje wszystkie dostępne pasma dupleksu z podziałem częstotliwości (FDD), większość sieci 5G będzie korzystać z pasm dupleksu z podziałem czasu (TDD), które mają swoje unikalne wymagania i są podatne na różnego rodzaju zakłócenia, które mogą mieć z kolei wpływ na opóźnienia i wydajność sieci.

Architektura TDD wykorzystuje do nadawania i odbioru jedno pasmo częstotliwości, co stanowi przewagę nad FDD. Jednak ponieważ 5G jest wdrażane w naziemnych stacjach bazowych, projektanci muszą mieć na uwadze problem zakłóceń sieci. Zakłócenia występują, gdy jedna stacja nadaje, a druga odbiera w tym samym paśmie częstotliwości w tym samym czasie. Można tego uniknąć konfigurując wszystkie stacje bazowe w taki sposób, iż albo nadają, albo odbierają jednocześnie.

Niezwykle istotnym czynnikiem jest wyższa moc zewnętrznych stacji bazowych. Z jednej strony większa moc tworzy między stacjami lepsze warunki propagacji, jednak zakłócenia w łączu krzyżowym mogą być znaczące, zwłaszcza gdy stacja bazowa w nadająca sygnał w stronę satelity jest zakłócana przez sygnał płynący z satelity w dół. Dodanie większej liczby stacji 5G, nawet jeśli znajdują się one w kosmosie, sprawi, że zarządzanie zakłóceniami sieciowymi będzie coraz bardziej złożone.

Wraz z przenoszeniem stacji na orbitę, pojawi się coraz pilniejsza potrzeba zajęcia się ekstremalnymi warunkami, z jakimi będą się zmagać rozwiązania 5G na orbicie. Nawet sprzęt naziemnej stacji bazowej musi być niezwykle odporny, jednak przestrzeń kosmiczna ma swoje własne, wyśrubowane wymagania środowiskowe, w tym intensywne ciepło i zimno, ekstremalne wibracje, wysokie ciśnienie i wiele innych, z których wszystkie różnią się w zależności od tego, czy element sprzętu jest w fazie transportu, czy operuje już nad Ziemią. Mimo że lotnictwo cywilne i wojskowe wprowadziło już pewne innowacje w tym zakresie, budowanie kosmicznej architektury 5G będzie napędzać potrzebę dalszych ulepszeń.

Nie chodzi jedynie o to, że same systemy 5G umieszczane w kosmosie różnią się od tych naziemnych, ale również o to, że muszą być inaczej umieszczone w obudowie i inaczej połączone. Po pierwsze, muszą być w stanie przyjąć ciepło, które towarzyszy wystrzeleniu w kosmos, aby nie spłonęły w atmosferze. Oznacza to, że architektura 5G wymaga osłony termicznej, która chroni ją bez zakłócania operacji. Zabezpieczenie systemu przed stopieniem wymaga skutecznych, ale jednocześnie kompaktowych systemów chłodzenia i zarządzania temperaturą, które przewidują wejście i wyjście z atmosfery, a także działają na orbicie przez dłuższy czas.

Co jeszcze należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu 5G dla przestrzeni kosmicznej

Bez względu na to, jakie systemy elektroniczne projektuje się do użytku pozaziemskiego, należy wziąć pod uwagę wszystkie złącza i kable odpowiedzialne za połączenia, w tym komponenty sieciowe 5G. Obudowa złączy i kabli, a także metale z których wykonane są styki będą miały kluczowe znaczenie dla zabezpieczenia dowolnej elektroniki przed warunkami przestrzeni kosmicznej, dzięki czemu mogą one w stanie wytrzymać wysoki prąd elektryczny i intensywność tętnień oraz ekstremalnie niską temperaturę na orbicie, a jednocześnie nadal dostarczać sygnał zgodny z wymaganiami dotyczącymi szybkości, opóźnień i wydajności. Złącza ery kosmicznej i ich obudowy będą musiały wyjść poza klasę wojskową.

Monitorowanie stanu wszystkich elementów sieci 5G w kosmosie jest jeszcze ważniejsze niż na Ziemi. Zintegrowane układy elektroniczne zmierzają w kierunku coraz bardziej zaawansowanych systemów monitorowania stanu samolotu po to, aby piloci mogli wykryć wszelkie awarie i reagować na nie. Realizacja takiego zadania w kosmosie jest równie ważna, jednak znacznie bardziej złożona, ponieważ wymaga wielu współpracujących ze sobą czujników, które muszą być w stanie funkcjonować w kosmosie, co czyni je nieco kosztownymi. Dodatkowym wyzwaniem jest konieczność zwiększenia nadmiarowości w systemach 5G, ponieważ nawet jeśli problem można zdiagnozować, trudno jest go naprawić, gdy układy znajdują się na orbicie.

Artykułopublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow

https://www.rocelec.pl/featured-product-page?utm_medium=webbanner&utm_source=tekinfo&utm_campaign=Jan21tekinfowebbanner&utm_content=Supplychain_400x800
https://www.rocelec.pl/featured-product-page?utm_medium=webbanner&utm_source=tekinfo&utm_campaign=Jan21tekinfowebbanner&utm_content=Supplychain_400x800