¿Es posible que los satélites LEO detecten una señal utilizable de teléfonos móviles normales en tierra?

Fondo

Recientemente me encontré con una empresa llamada ASTS que afirma que podrá lanzar satélites LEO con la capacidad de hablar con teléfonos móviles normales. Inicialmente descarté sus afirmaciones, pensando que sus afirmaciones eran un poco absurdas. Después de todo, si fue posible, ¿por qué nadie lo ha hecho todavía?

Sin embargo, después de investigarlo un poco más, las afirmaciones ya no sonaban tan extravagantes. Encontré esta publicación: ¿Cómo calcular la tasa de datos de la Voyager 1? y al menos en términos de intensidad de la señal, ¡parece factible! Usando la ecuación de presupuesto de enlace en esa publicación:

PAG R X = PAG T X + GRAMO T X − L F S + GRAMO R X

  • PAG T X parece ser de unos 200 mW. De acuerdo con las clases de potencia 5G NR UE , la clase de potencia 3 parece ser para equipos de usuario portátiles, que tiene un TRP máximo de 23 dBm, que se convierte en aproximadamente 200 mW. He leído en línea que los teléfonos celulares aparentemente pueden alcanzar hasta 1 W, pero no pude verificar eso en ningún estándar, así que seamos pesimistas y solo usemos 200 mW. Convertido, eso es alrededor de -7 dBW.
  • GRAMO T X No estoy exactamente seguro de cómo calcular. Con optimismo, esto sería 0 o más alto, pero la lectura de antenas planas invertidas-F , que creo que se utilizan en la mayoría de los teléfonos modernos, parece tener poca ganancia. Estas también son antenas unidireccionales y siento que probablemente irradiarían en un patrón de dona . ¿Quizás -5dBi para estar seguro?
  • L F S dependería de la frecuencia utilizada, pero parece que 4G/LTE comúnmente usa la banda 1, que es 1920-1980MHz para el enlace ascendente. Los satélites parecen estar a unos 500 km en órbita LEO, lo que nos da una pérdida de trayectoria en el espacio libre de 152,1 dB para 1920 MHz.
  • GRAMO R X todavía está algo en el aire, pero el próximo satélite de la compañía, BlueWalker 3, supuestamente tiene una antena de matriz en fase de 330 m² con una ganancia máxima de hasta 36 dBi . Supuestamente, los satélites reales serán aún más grandes y tendrán ganancias de más de 40 dBi dependiendo de la frecuencia.

Sumando todo esto, obtenemos − 7  dBW − 5  dBi − 152.1  dB + 36  dBi = − 128.1  dBW , que se convierte en − 98.10  dBm .

-98,10 dBm no parece una buena señal para el satélite, pero parece utilizable. Wikipedia afirma que -100dB es la "potencia de señal recibida mínima de la red inalámbrica (802.11 variantes)" y otras fuentes califican cualquier cosa por encima de -110 dBm en redes LTE como regular o deficiente.

Pregunta

Y bien Eso es lo más lejos que llegué a los cálculos y me encontré con problemas con la siguiente parte de la respuesta de uhoh sobre el cálculo de la tasa de datos.

  1. Con respecto al ruido, la publicación dice:

Al recibir la señal, el límite de la velocidad de datos es la relación entre la potencia de la señal recibida y la potencia de ruido total (recibida más el sistema).

¿Qué significa la potencia de ruido total (recibida más el sistema)? ¿Significa esto que, dada la sensibilidad del satélite, puede captar dos señales de la misma frecuencia a cientos de kilómetros de la superficie terrestre? Teniendo en cuenta que esas señales normalmente no verían otras, ¿hace esto imposible que el satélite distinga entre una señal destinada al satélite y docenas de otras destinadas a llegar a una torre celular? ¿Es eso ruido recibido o ruido del sistema?

  1. Entonces el calculo

la potencia equivalente de ruido será de aproximadamente k B T × Δ F dónde k B es la constante de Boltzmann.

que diablos es Δ F ? De un comentario debajo de esa publicación parece que Δ F es el ancho de banda, pero ¿cómo decidió el OP un número arbitrario de 1kHz? ¿Puedo elegir cualquier número que quiera para el ancho de banda y seguir conectándolo en esta ecuación?

10 × registro 10 ⁡ ( ( 1.38 × 10 − 23  J/K ) ×  Temperatura del satélite (K)  ×  Ancho de banda (Hz) )

hasta que obtenga algo que sea más grande que 10dB después de restarlo de −128.1dBW? ¿Cómo convierto el ancho de banda en bits por segundo? Además, ¿alguien sabe cuál es un buen valor que puedo usar para la temperatura de un satélite en el espacio?

Pero sí, creo que la primera parte de mi pregunta es si esta tecnología es escalable (ya que siento que habría mucho ruido de los teléfonos que no quieren hablar con los satélites), y la segunda es determinar cómo rápido la conexión de enlace ascendente va a ser.

Si alguien puede ayudar sería genial, gracias! Me encantaría ver que esta tecnología funcione. Sería increíble tener siempre una señal cuando conduces por la carretera o cuando realizas actividades más remotas, como caminatas.

Actualizar

¡Gracias por las respuestas actuales! Por lo que he recopilado hasta ahora:

Q1. ¿Podrá el satélite lidiar con el ruido y la interferencia de otros teléfonos o estaciones base mientras está en órbita?

Parece que sí. La formación de haces y los haces puntuales de la eliminación progresiva mantendrán las áreas de celdas individuales alejadas de las torres de telefonía terrestre.

Q2. ¿Cuál sería la velocidad de datos del enlace ascendente?

Siguiendo la respuesta de la publicación de @Ng Ph, asumiendo que no hay interferencia:

  • usando la banda LTE 3 / 1710 - 1785 MHz (cambiando de 1920 MHz anterior debido a que la banda 1 solo admite un ancho de banda mínimo de 5 MHz)
  • utilizando un ancho de banda de 1,4 MHz
  • asumiendo que la temperatura del satélite es de 70ºC / 343.15ºK (La temperatura de ruido promedio de la Tierra es de 300K, pero suponiendo circunstancias desfavorables, y que los paneles solares detrás de la antena generarán mucho calor)

Presupuesto de enlace: − 127.1  dBW

− 7  dBW − 5  dBi − 151.1  dB + 36  dBi

Señal a ruido (dB): 14.81  dB

− 127.1  dBW − 10 × registro 10 ⁡ ( ( 1.38 × 10 − 23  J/K ) × 343.15  k × 1080000  Hz )

Reste uno de SNR ya que las redes LTE modernas siguen el límite de Shannon dentro de 1dB

Señal a ruido (lineal): 19.95

SNR dB = 10 × yo o gramo 10 ( SNR lineal )

13.81  dB = 10 × yo o gramo 10 ( SNR lineal )

SNR lineal = 10 13.81 10 = 19.95

La ecuación de Shannon espera SNR en términos lineales, por lo que debemos convertir de dB

Capacidad del canal: 4739988  bits/segundo

1080000  Hz × yo o gramo 2 ( 1 + 19.95 )

Por lo tanto, parece que una posible velocidad de transferencia de enlace ascendente podría ser 4.7  MB/s , dadas las suposiciones anteriores.

**** Suponiendo que hice los cálculos correctamente: ¿es posible que los satélites LEO detecten una señal utilizable de teléfonos móviles normales en tierra?

Solo para mencionarlo: hay dos preocupaciones más que hacen que la transmisión sea problemática: corregir el cambio Doppler siempre cambiante y la latencia debido a la distancia: es más grande de lo que permite el protocolo habitual.
@asdfex ¡Sí! Los conozco, ¡gracias por mencionarlos! Creo que esos son desafíos técnicos adicionales, pero no pensé que fuera tan importante como si un teléfono móvil estándar podría emitir una señal lo suficientemente fuerte como para que la detecte un satélite.
Los satélites espía son capaces de resolver la señal del espectro visual probablemente considerablemente más débil que la que el teléfono celular puede proporcionar en el espectro de radio, por lo que estoy bastante seguro de que un satélite dada la ubicación precisa del teléfono y una antena direccional de calidad superior podría establecer un enlace bidireccional con ese teléfono específico. Cualquier cosa "más amplia" se volvería rápidamente insostenible.

Respuestas (3)

¿Qué diablos es Δ𝑓?

Lo has adivinado bien: es el ancho de banda que ocupa la señal. Está determinado por el sistema con el que está tratando. Tomemos LTE (el estándar utilizado por nuestros teléfonos inteligentes, también conocido como 4G) como ejemplo. El estándar estipula que su dispositivo debe soportar varios anchos de banda de CANAL: 1.4,3,5,10,15,20 MHz. Para derivar el ancho de banda ocupado respectivo (Δ𝑓 en el presupuesto de enlace de uhoh), debe restar la banda de protección (generalmente x% del ancho de banda del canal). 10% es un buen valor de regla general para las bandas de protección. Como ejemplo numérico, si tiene un canal de 5 MHz, entonces su señal ocupa un Δ𝑓 de 4,5 MHz.

Para un cálculo más detallado de LTE, puede leer este tutorial

¿Cómo convierto el ancho de banda en bits por segundo?

Necesita saber la "eficiencia del espectro" de su enlace de transmisión. Tiene como unidad bits/segundo/Hz. Entonces, tasa de bits = Δ𝑓 x (eficiencia del espectro). Si su sistema tiene una eficiencia, digamos 5 bits/segundo/Hz, entonces con un ancho de banda de 4,5 MHz obtendrá 4,5x5 = 22,5 Mbps.

Necesita conocer su relación señal-ruido (S/N), porque Shannon nos enseñó que existe un límite para la eficiencia del espectro, dada una S/N. Las transmisiones digitales de última generación (como LTE) siguen este límite de Shannon hasta aproximadamente 1 dB. Por lo tanto, suponga que su enlace-presupuesto da un S/N. Luego reste 1 dB de ese valor y aplique el límite de Shannon:

ingrese la descripción de la imagen aquí

para obtener la eficiencia de espectro alcanzable (C/B), como regla general.

Ah, gracias por aclarar Δ𝑓. || ¿El cálculo que hizo Tom Spilker en ese comentario dio la relación señal-ruido? La publicación de Voyager también lo llamó potencia efectiva de ruido, lo que también me confundió ... ¿era 3db la relación S / N allí? || 10 × log_10 ((1,38 × 10^-23) × 20 × 10^3) ​​= -185,6 dBW || -182.6dBW - -185.6dBW = 3db SNR? || ¿Puedo usar esas mismas ecuaciones para mi propósito aquí?
Sí, puede, siempre que su suposición de temperatura de ruido (T) sea correcta. Debería ser mayor para LEO, ya que básicamente es la temperatura de ruido promedio de la Tierra (para Voyager es la temperatura de ruido promedio del espacio). Recuerde también que el ruido térmico es gaussiano y plano ("ruido blanco"). Si tienes interferencia tienes que investigar cómo afecta a tu receptor. En general, si el ruido es dominante, puede agregar (linealmente) la potencia de interferencia a la potencia de ruido.
¡Gracias! Actualicé mi pregunta con esos cálculos. ¿Puedes comprobar si parece que hice todo correctamente?
Hmm, aunque estoy un poco confundido. Si uso esos cálculos en la pregunta de Voyager, 1000 Hz * log_2 ( 1 + 3 ) me da 2000 bits/s. Y solo se sabe que la transmisión de la Voyager es de 160 bits/s.
Tenga cuidado, la SNR en la ecuación de Shannon no está en dB. Como ejemplo numérico, con SNR=13 dB, el límite superior de la eficiencia del espectro es log_2(1+20)~4,39 bits/s/Hz. Idealmente, puede extraer más de 4 Mbps en 1 MHz. Con la misma potencia de señal, si tienes 2MHz, idealmente puedes extraer 6.9Mbps. Esto se debe a que su SNR (dB) cae 3 dB y su eficiencia de espectro ideal es log_2 (11). En pocas palabras: si tiene ancho de banda, ¡úselo!
Uhh. Estoy confundido. ¿Cómo pasaste de 13dB a 20 en la ecuación de S/N?
Si SNR(lineal)=20, SNR(dB)=10*log_10(20)=13 dB.
¡De acuerdo! Creo que lo tengo. ¿Puedes comprobar OP ahora? ¿Entonces es incorrecta la suposición de ancho de banda en la publicación de Voyager? Si uso 1000 Hz para el ancho de banda, termino con ~1600 bits/s. Pero si utilizo 100 Hz para el ancho de banda en el cálculo de Voyager, ¡obtengo 160 bits/s! || SNR dB: 3dB = SNR lineal: 1,995 || 100 * log_2(1 + 1.995) = 158 bits/s, que está muy cerca de los 160 bits/s reales. || Espera, nvm. Si cambio el ancho de banda tengo que cambiar el 10^3 in (1.38 x 10^-23 J/K) * (20 K) * (10^3 s^-1)...
No puede usar dicha regla empírica para la eficiencia del espectro de Voyager, ya que su codificación de modulación estaba limitada por la tecnología de los años 70. En lo más alto de mi cabeza, diría que son 4-5dB de Shannon (tengo que mirar el rendimiento del código Golay para ser preciso). Además, creo que uhoh dijo que la suposición de 1kHz no tenía antecedentes (solo un valor adivinado para conectarlo a la ecuación de potencia de ruido).

¿Qué significa la potencia de ruido total (recibida más el sistema)?

El ruido que recibe la antena (todo en la frecuencia que no es la señal deseada, desde otros transmisores hasta las tormentas eléctricas y el Sol), más el ruido generado dentro del propio receptor (todos los amplificadores son imperfectos y agregan algo de ruido; todas las resistencias generan ruido térmico; otros componentes electrónicos (especialmente los digitales) dentro del receptor pueden crear ruido; y cualquier tipo de no linealidad en la ruta de recepción puede provocar que señales de frecuencias completamente diferentes se mezclen con su señal).

¿Significa esto que, dada la sensibilidad del satélite, puede captar dos señales de la misma frecuencia a cientos de kilómetros de la superficie terrestre?

Tal vez, eso depende de la ganancia de la antena. Una mayor ganancia significa un ancho de haz más estrecho (las antenas no generan energía de la nada, simplemente concentran la energía de forma más o menos estricta).

Teniendo en cuenta que esas señales normalmente no verían otras, ¿hace esto imposible que el satélite distinga entre una señal destinada al satélite y docenas de otras destinadas a llegar a una torre celular?

Tal vez. Los teléfonos celulares tienen formas matemáticas inteligentes (CDMA) para minimizar la interferencia entre diferentes dispositivos que usan la misma frecuencia, pero en realidad no están diseñados para este escenario. Tal vez la respuesta esté en obtener una asignación de frecuencia en una de las bandas admitidas que no utilizan los operadores terrestres en un país determinado . Esto sería ridículamente caro, pero también lo es el espacio.

¿Es eso ruido recibido o ruido del sistema?

Eso sería ruido recibido.

Pero sí, creo que la primera parte de mi pregunta es si esta tecnología es escalable.

En la superficie, realmente no lo parece ... la alta ganancia requiere un ancho de haz estrecho, evitar el problema de interferencia que menciona requiere un ancho de haz estrecho, pero

A) LEO no es geoestacionario. Un satélite a 500 km se desplaza por el cielo en el transcurso de 10 o 20 minutos. ¿Cómo encuentra el sistema a los usuarios que lo desean, les apunta el rayo y lo mantiene ahí?

B) ¿Cuántos de estos haces puntuales puede generar un satélite? O dicho de otra manera, ¿cuántos de estos satélites necesita para garantizar una cobertura continua para todos los usuarios, dado (nuevamente) que los satélites se mueven rápidamente por el cielo, por lo que los visibles desde un punto dado están cambiando constantemente?

Me parece exagerado, aunque estoy seguro de que su objetivo es convencer a los inversores de que tienen buenas respuestas a esas preguntas.

¡Gracias por aclarar qué ruido es! Sin embargo, con respecto a su publicación, ¿cree que la antena en el espacio, siendo una matriz en fase gigante, ayudaría con los problemas que destacó en A y B? Una matriz en fase debería ser capaz de detectar de qué dirección proviene una señal que lo golpeó, y ser capaz de bloquear y transmitir de regreso a esa ubicación en el suelo en teoría, ¿verdad? No estoy seguro de cuántos haces puntuales podría generar un satélite/antena de este tipo, pero por ahora, ¡incluso poder conectarse a un teléfono en tierra sería un progreso increíble para ver en el futuro!
En cuanto a la asignación de frecuencias, ASTS planea trabajar con empresas de telecomunicaciones para usar bandas portadoras terrestres normales. Este es probablemente otro desafío técnico, pero me he encontrado con documentos que describen la integración de redes terrestres y móviles, es decir: itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/…
Para la pregunta (A), ASTS tiene que operar con un operador móvil en un país determinado (que tiene la licencia para la frecuencia). Este operador le diría a ASTS que apunte sus haces cuando sus satélites sobrevuelen dicho país. Obviamente, sería donde la cobertura del operador móvil es débil (probablemente baja densidad de población). Para (B), pueden agregar progresivamente satélites a la constelación.
@0xbad1d3a5, la idea es usar "celdas" satelitales para complementar una cobertura terrestre (de un socio comercial que tiene la licencia de frecuencia), la interferencia de cofrecuencia que está pensando no es posible (o del mismo orden que la terrestre interferencia entre torres). El sistema ASTS no opera de forma independiente y no pretende competir con el sistema terrestre en áreas pobladas (red BS densa).
@ 0xbad1d3a5, y esto a su vez significa una gran antena para lograr "pequeñas celdas". Este es uno de los inconvenientes de la propuesta ASTS: antenas grandes => riesgo de ruptura => desechos en órbita. Su satélite de demostración (BlueWalker3) pesa casi 1,5 toneladas , unas 10 veces un satélite 0neWeb. Otra dificultad técnica es la orientación precisa de la antena. Otro más es la matriz en fase que consume mucha energía.

¿Qué significa la potencia de ruido total (recibida más el sistema)?

Por lo general, significa todo lo que no es la señal que desea. El ruido puede provenir de la interferencia de otros transmisores de radio, otros dispositivos electrónicos y ruido térmico dentro del propio sistema receptor.

Un sistema basado en satélite tiene algunas ventajas potenciales en comparación con las torres terrestres:

Área de recepción

Una antena de alta ganancia limita el área desde la que se recibe la interferencia. Mirando hacia abajo desde arriba, hay una cantidad limitada de dispositivos dentro de esa área, especialmente en áreas rurales. La ganancia de antena de 40 dBi significa que el área de recepción es 10⁴ veces más pequeña que una esfera completa. Con una ganancia de 40 dBi y una órbita de 500 km, da un círculo con un radio de 10 km:

r = √(4π R² G / π) = √(4π (500km)² 10⁻⁴ / π) = 10 km

En comparación, las torres terrestres tienen un patrón de recepción y transmisión horizontal que a menudo se extiende hasta el horizonte. Para una torre de 50 metros de altura, sería un sector que se extiende 25 km en un ángulo típico de unos 45 grados.

Con estas estimaciones las áreas resultan aproximadamente iguales. Existe un beneficio adicional en el sentido de que las torres terrestres que transmiten horizontalmente se perturban entre sí mucho más de lo que perturban a un satélite.

Refrigeración del receptor

La potencia del ruido térmico crece linealmente con la temperatura absoluta. Los receptores refrigerados se utilizan a menudo en las comunicaciones espaciales para reducir la cantidad de ruido.

No pude encontrar información sobre si estos satélites en particular emplearán receptores refrigerados, pero al estar en el espacio podrían hacerlo. Con el aislamiento al vacío, la potencia de refrigeración necesaria es pequeña y, al principio, los radiadores dirigidos adecuadamente podrían enfriarse bastante. No es una tarea fácil, pero, por otro lado, la refrigeración de los satélites siempre es un problema que requiere un diseño cuidadoso.

El ruido del sistema no se puede sumar directamente al otro ruido de interferencia porque es estadísticamente independiente. En cambio, el mayor de los dos domina: si el nivel de ruido del sistema está 3 dB por debajo de la interferencia recibida, solo agrega 0,5 dB al ruido recibido.

Es probable que la interferencia recibida ya domine en las torres terrestres, pero la interferencia recibida potencialmente más baja en un satélite podría requerir un ruido del sistema similarmente más bajo para obtener el beneficio completo.

¿Puede explicar qué quiere decir cuando dice "el área de recepción es un círculo con un radio de 7 km"? ¿Fue un error tipográfico? 153,94 km² suena como una cobertura terriblemente pequeña para un satélite de 500 km en el espacio. Especialmente si una torre puede cubrir 25 km en un ángulo de 45º, ¿no pondría eso efectivamente su cobertura en 1/4πr² = 490.875 km²? A menos que me equivoque a lo que te refieres con "área de recepción". Para la refrigeración, siento que les resultará difícil hacer algo elegante o en absoluto, considerando lanzar una antena de matriz en fase tan grande que necesita desplegarse en el espacio y tener paneles solares detrás, probablemente generando más calor.
@ 0xbad1d3a5 Agregué la fórmula... y en el proceso noté que había cometido un error de 2π contra 4π, ​​dando 10 km en lugar de 7 km. En cuanto al área de la torre, hay 8 sectores de 45 grados en un círculo, dando 1/8πr² = 245 km². Pero eso es solo una suposición aproximada de lo que podría cubrir una torre de área rural: las torres de área urbana son más cortas y tienen más sectores.
Ups. No sé cómo confundí 45º con 1/4 en lugar de 1/8. Sin embargo, todavía no estoy seguro de cómo llegó a esos números para la cobertura satelital. ¿Qué fórmula es √(4π R² G / π)? Un radio de 10 km todavía me parece muy pequeño, especialmente considerando que un satélite Iridium puede cubrir un área circular con un diámetro de 4700 km con una ganancia de antena de 28 dB: tinyurl.com/yybznbyv (página 2, [...] crea 48 haces puntuales [ ...] cubriendo un área circular con un diámetro de aproximadamente 4.700 kilómetros). Si hace alguna diferencia, las antenas serán antenas de matriz en fase y no antenas parabólicas.
@0xbad1d3a5 La fórmula se deriva de cómo dBi se define como la ganancia relativa a la antena isotrópica, consulte, por ejemplo, ahsystems.com/articles/… . En las antenas de matriz en fase modernas, los haces se crean en el software; incluso si cada uno tiene un radio de 10 km, el satélite puede tener tantos como potencia computacional tenga. El satélite cubre un área muy amplia, pero cada cadena de señal rechaza el ruido fuera de su área específica.
Si lo entiendo correctamente, la matriz en fase tiene un área grande, pero "escucha" señales en un radio de 10 km a la vez en un área de recepción / haz puntual más pequeño (o escucha todos los haces puntuales al mismo tiempo) ? ¿Significa esto que una señal de, por ejemplo, una frecuencia de 1800 MHz en la ubicación del haz puntual x no interferiría con otra señal que también sea de 1800 MHz en la ubicación del haz puntual y en el área de cobertura de la matriz en fase?
@ 0xbad1d3a5 Sí, eso es correcto. Se llama formación de haces: en.wikipedia.org/wiki/Beamforming . En los sistemas modernos, el receptor escucha todos los elementos en la red de matriz en fase, convierte las señales en digitales y luego aplica técnicas de procesamiento de señales que amplifican las señales con una diferencia de fase específica, mientras cancelan otras señales. Esto termina seleccionando señales que provienen de una dirección muy específica.
Tengo un problema con tu fórmula r = √(4π R² G / π). Si conecto G=1 (0dBi), obtengo r=2R (?). Además, no puedo seguir el razonamiento detrás de esa fórmula. ¿Puedes comprobar y elaborar?
@NgPh Bueno, para una antena isotrópica (ganancia de 0 dBi), el área en R es equivalente a un círculo con el doble de radio. Pero claro eso no tiene mucho sentido porque no es una antena direccional. El razonamiento es que el área cubierta por una antena direccional está en relación inversa a su ganancia. Pero es solo una aproximación aproximada, porque los bordes de un patrón de radiación nunca son nítidos y, a menudo, también hay haces laterales.
Ah, cierto: esta es una aproximación para antenas suficientemente directivas. Estoy contigo, siempre que esta advertencia se haga explícita. Estás aproximando la sección transversal del haz con una esfera centrada en el transmisor con la sección transversal del mismo haz en la superficie de la Tierra, que consideras plana (porque r es suficientemente pequeño).
¿Es posible que los satélites LEO detecten una señal utilizable de teléfonos móviles normales en tierra?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v