g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Küçük Uydu İletişimi ve Ağ Geliştirme Özeti

Geçtiğimiz 20 yılda, uydu sistemleri alanında dünyayı sarsan değişiklikler meydana geldi: uygun fiyatlı ve yenilikçi ticari kullanıma hazır teknik çözümler birbiri ardına ortaya çıktı ve mikroelektroniğin ve mikrosistem teknolojisinin sürekli ilerlemesi, uydu bileşenlerinin boyutunda sürekli azalmaya yol açarak insanların giderek daha fazla boyut tasarlamasına olanak sağladı. Küçük uydular (ağırlıkları 1.000 kg'dan küçük veya eşit), mikro uydular (ağırlık 10-100 kg), nanosatellitler (ağırlık 1-10 kg) ve piko-uydular (ağırlık 0.1-0.99 kg) gibi daha küçük uydular.

Şimdiye kadar, küçük uyduların gelişimi için ana itici güç, birçok dikey endüstrideki (örneğin, tarım, afet kontrolü, ormancılık ve vahşi yaşam) "veri kıtlığı" boşluğunu büyük ölçüde kapatan yer gözlem ve uzaktan algılama alanıdır. Bununla birlikte, küresel iletişim sağlayan dev Pi / Na uydu takımyıldızlarının geliştirilmesine yönelik yeni yatırımların artmasıyla birlikte, makineden makineye (M2M) iletişimde uyduların rolü giderek daha önemli hale geldi.Sektör, birbirine bağlı uydu dağıtımlı sistemler geliştirmek için küçük uyduların kullanılmasıyla ilgilendiğini ifade etti. Artan ilgi ile, araştırma odağı telekomünikasyon alanına kaymıştır. Bu makale, daha yüksek frekans bantlarının ve optik iletişimlerin, protokollerin ve mimarilerin kullanımı gibi telekomünikasyon alanına özel bir odaklanarak, küçük uydular alanındaki son ilerleme ve gelişme eğilimlerini özetlemektedir.

01. Küçük uyduların gelişim geçmişinin kısa açıklaması

Uzay çağının başlangıcından en son gelişimine kadar, uydu iletişimi her zaman teknolojik ve sosyal ilerlemenin en güvenilir göstergelerinden biri olmuştur: aslında, son birkaç on yılda, birçok alanda şaşırtıcı ve inanılmaz başarılar ve değişiklikler yaşanmıştır. Ticari, sivil ve askeri uygulamalar dahil olmak üzere yayıncılık, mobil iletişim, dünya gözlemi ve uzaktan algılama, yıldızlararası keşif, iletim ve uzaktan izleme vb. Bununla birlikte, II.Dünya Savaşı'nın sona ermesinden bu yana, uydu sisteminin köklü ve sistematik değişikliklere uğradığını ve performansının toplumun ve pazarın sürekli değişen ihtiyaçlarına mükemmel bir şekilde adapte olduğunu vurgulamakta fayda var; özellikle savaştan sonraki ilk on yılda, hükümet ve ulusal kurumlar. Uzay yarışının başlangıcında uydu görev tasarımı ve uydu sistemi geliştirmede önemli bir katılımcıdır, ancak son yıllarda özel şirketler de bu stratejik endüstride giderek daha önemli bir rol oynamıştır.

Geçen yüzyılın sonundaki büyük uluslararası uydu kuruluşlarının özelleştirme süreci de bu eğilimin gelişimini teşvik etti ve Şekil 1'de gösterildiği gibi çok fazla gelir yarattı. Çok küçük açıklıklı terminaller (VSAT) ve geniş bant uydu sistemleri söz konusu olduğunda, uydunun fırlatılmasından son başarılı tanıtımına kadar, Şekil 1'de gösterildiği gibi aynı pazar gücü teşviklerini ve deregülasyon eğilimlerini deneyimlemişlerdir.

Şekil 1 INTELSAT, EUTELSAT ve INMARSAT'ın yıllık geliri (solda) VSAT terminallerinin yıllık satışları (sağda)

Öte yandan, yirminci yüzyılın sonu, boyutları ve ağırlıkları dev jeostasyonel yörünge (GEO) veya büyük orta yörünge (MEO) ve alçak dünya yörüngesi (LEO) uydularından çok daha küçük olan sözde küçük uydulara dayanan yeni bir paradigmanın keşfinin de başlangıcıydı. Bu yeni sistemler boyutlarına göre mikro, nano ve piko uyduları olarak tanımlanıyor. İlk küçük uydu misyonları, belirli bir teknoloji gösterimi veya uygulama doğrulamasını gerçekleştirmeyi amaçlayan üniversite araştırma kuruluşları ve araştırma kurumları tarafından organize edildi ve yürütüldü.

Bu erken girişimler, son derece düşük maliyetli uyduların gerçekleştirilmesi ve kullanılması için temel oluşturdu. Araştırmalar, tek bir küçük uydunun tahmini üretim ve fırlatma maliyetinin 100.000 ila 200.000 ABD doları arasında olduğunu göstermiştir: Paylaşılan küçük bir uydu ise, kilogram başına birim fırlatma maliyeti birkaç bin Euro'ya düşürülebilir.

Bu nedenle, küçük uyduların bu benzeri görülmemiş özellikleri, piyasa güçleri tarafından büyük ölçüde memnuniyetle karşılandı.Bu piyasa güçleri, son otuz yılda hızla arttı ve yeni bir uzay araştırması dalgası açtı.İlk hedefler ve hedeflenen uygulamalar sivil, askeri ve ticari alanları içerir. Yeryüzü gözlemi ve iletişimi vb. Şekil 2, yeni uzay araştırma yarışmasının yoğunluğunu doğrulamak için bazı kaba verileri göstermektedir.

Şekil 2 Son 15 yıldaki küçük uyduların sayısı

2010 ve 2015 yılları arasında toplam 551 uydu fırlatıldı ( < 400 kg), önümüzdeki beş yıl için beklenen hedef 1.380 fırlatma daha yapmaktır. Şekil 2, fırlatılan küçük uyduların sayısının eğilimini göstermektedir.

Buna ek olarak, üç büyük uydu iletişimi ve yer gözlem takımyıldızı% 38'lik bir paya sahip ve bu oran, birkaç büyük projenin teşvikiyle önümüzdeki 5 yıl içinde% 68'e çıkacak. Bu makaledeki analiz, küçük uyduların büyük ölçekli gelişimi için ana itici gücü ortaya koymaktadır: takımyıldız yapımı nispeten kolaydır. Bu, uydular arası iletişime odaklanarak daha sonra tartışılacaktır.

Son olarak, küçük uyduların sayısındaki büyük ölçekli artışa asıl katkıyı sağlayan "Küp Yıldızı" nın tanıtılması gerekiyor. CubeSat, 1999 yılında Stanford Üniversitesi tarafından hızla geliştirilebilen ve eğitim amaçlı kullanılabilen son derece düşük maliyetli / ağırlıkta uydular elde etmek için başlatılan bir projenin hedefidir. Stanford Üniversitesi, fırlatma ve yerleştirme işlemlerini basitleştirmek için standart bir şekle ve ağırlığa sahip özelleştirilebilir bir uydu elde etmek amacıyla kübik yıldız özelliğini geliştirmek için California Teknoloji Enstitüsü ile işbirliği yaptı. Hepimizin bildiği gibi bir kübik yıldız, her biri 1,33 kg kütleye sahip bir (1U) veya birden fazla (nU) 10cm´10cm´10cm birimden oluşur. CubeStar'ın özellikleri göz önüne alındığında, alt sistem standartlaştırılmış üretimi gerçekleştirebilir ve hatta çevrimiçi mağazadan ticari bir hazır ürün olarak satın alınabilir, böylece son derece düşük görev maliyetleri sağlar.

CubeSat çözümünün benzersiz özellikleri, küçük uydu görevlerinin hızlı büyümesi ve gelişmekte olan uzay pazarına odaklanan şirketler için önemlidir (örneğin, düşük yörüngeli küçük uzay aracının dev takımyıldızlarını geliştiren Terra Bella, Spire, Planet Labs ve OneWeb). Gelişim çok önemlidir.

02. Küçük uydu hizmetlerine, uygulamalarına ve geliştirme eğilimlerine genel bakış

2000 civarında, küçük uydular, etkili rekabet ve karlılık elde etmek için yenilikçi ticari kullanıma hazır (COTS) teknik çözümleri (donanım ve yazılım) uygun şekilde kullanabilmiştir. Modern küçük uydu hizmetlerinin başarılı bir şekilde büyümesi çok sayıda uygulama geçmişini kapsıyor, bu nedenle küçük uydu kuruluşlarının çevik yöntemleri benimsemeye başladıkları yeni bir yönetim yöntemine dayalı olarak analiz edilmesi gerekiyor. Bu paradigma, BT endüstrisinden kaynaklanmıştır ve açıkça tanımlanmış hedefleri, görevleri ve gereksinimleri olan, oldukça yinelemeli bir tasarım yöntemidir; sistem performansında sürekli iyileştirme sağlamak için tasarımda kademeli değişiklikler; kısa süre ve düşük maliyet. Çevik yöntemler ve en son hazır teknolojilerin kullanımı, yeni uzay çağının iki ana itici gücünü temsil ediyor.

Bu bölüm, küçük uyduların ana uygulamalarını ve hizmetlerini kısaca açıklamaktadır.

(1) Dünya gözlemi ve uzaktan algılama. Şimdiye kadar mikro / nano uyduların birincil kullanımı Dünya gözlemi ve uzaktan algılamadır. Pek çok dağıtılmış ölçüm veya gözlem (yer kaynağı izleme, hava durumu izleme ve afet izleme) büyük bir uydu takımyıldızı aracılığıyla eşzamanlı olarak gerçekleştirilebilir ve toplanan veriler daha yüksek bir zaman çözünürlüğüne (yani, daha kısa bir yeniden ziyaret süresi) sahiptir.

Küçük uydular, dünya gözlemi ve uzaktan algılamada daha yaygın olarak kullanılmaktadır ve daha yüksek veri aktarım hızlarına sahip bağlantılar gerektirir, böylece elde edilen bilgiler kısa sürede indirilebilir.

(2) Bilimsel ve teknolojik gösteri görevleri. Mikrosatellitler ve nanosatellitler uzaya daha geniş erişim sağlayabilir ve prototip sistemleri test etmenin ve gelecekteki uydu konseptlerini deneyimlemenin ekonomik bir yoludur. Bu hedefe ulaşmak için NASA, birden çok disiplindeki (bilim, teknoloji, mühendislik ve matematik) öğrenciler için NASA Nano Satellite Educational Launch (ELaNa) programını oluşturdu. Çok sayıda Avrupa Uzay Ajansı (ESA) CubeSat görevi, "Genel Destek Teknolojisi Programı" (GSTP) "Yörüngede Gösteri" bölümü tarafından finanse edildi, bunlardan bazıları: Nanosatellitlerin yeni yeteneklerini göstermek için GOMX-3 ve GOMX-4B; gösteri Yeniden giriş teknolojisi için QARMAN (atmosfere yeniden girerken kesilmiş havanın termodinamik araştırma ve ölçümü için QubeSat); PICASSO (stratosferik ozon dağılımının analizi, orta tabakaya kadar sıcaklık profilleri ve iyonosferdeki elektron plazma özellikleri) Atmosferik ve uzay bilimsel gözlemi için Picosat); kozmik radyasyonun ve uzay hava ortamının gerçek zamanlı izlenmesi için RadCube ve buzulların kalınlığını veya kutup buzunu ve okyanus dalgası hareketini ölçmek ve kaydetmek için Nanosatellit PRETTY (Pasif Yansıtma Tome TrY).

(3) Yıldızlararası keşif görevi. Küçük uydu platformları, özellikle gelişmekte olan kolaylaştırıcı teknolojilerin ve yüksek performanslı fırlatma araçlarının ortaya çıkışı gibi yeni bir uzay keşif alanı açtı ve gelecekteki ay ve gezegen keşifleri için birçok fırsat açtı. NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA), Mars ve Ay'ın göktaşlarına ve asteroit araştırmalarına gözlemleri de dahil olmak üzere bir dizi görev ve araştırmaya destek sağlamak için yıldızlararası küp yıldız modelini benimsedi. Bu çalışmalardan bazıları şunlardır: MarCO (Mars Cube Star 1), NEA Scout ("Near Earth Asteroid Sentinel"), LUCE (Lunar Exploration Cube Star), LUMIO (Lunar Asteroid Impact Observer), VMMO (Volatile Matters and Minerals) Etüt yörünge aracı), Ay Feneri ("Ay Feneri") ve Arkyd serisi küçük uydular.

(4) İletişim hizmetleri. Takımyıldızı oluşturan küçük mikro uydular ve nano uydular, veri dağıtımı (yayın uygulamaları) ve veri alışverişi (Nesnelerin İnterneti ve M2M paradigmaları) sağlamak ve dünyaya İnternet erişimini genişletmek için kullanılabilir. Space Works Market'in beklentilerine göre, önümüzdeki birkaç yıl içinde, şu anda teknoloji tanıtım aşamasında olan mikro uydu ve nano uydu iletişim takımyıldızları, hızla büyüyen Nesnelerin İnterneti ve M2M pazarlarına hizmet etmek ve bunları desteklemek için kullanılacak. IoT / M2M ve veri aktarma hizmetleri sağlayan başlıca iletişim operatörleri arasında SkySpace Global, Kepler Communications, Hiber, Helios Wire, Astrocast, Blink Astro, Fleet Space ve Myriota bulunmaktadır.

Şekil 3, mikro / nano uydu uygulamalarının son eğilimini göstermektedir. Analiz, mikro / nano uyduların birincil kullanımının hala Dünya gözlemi ve uzaktan algılama olduğunu vurgulasa da, iletişim takımyıldızlarının da büyümesi bekleniyor. Space Works'ün tahminine göre, önümüzdeki beş yıl içinde yaklaşık 700 iletişim mikro / nano uydusu fırlatılacak.

Şekil 3 Nano uydu pazarı tahmini (2018)

(5) Ticari, sivil ve askeri uygulamalar. Ulaşım, akıllı ortam (uzaktan izleme dahil), yaşam kalitesi ve güvenlik, küçük uyduların, mikro uyduların ve nano uyduların ana uygulama senaryolarıdır. Ticari nano uydu takımyıldızlarına örnek olarak, AerialMaritime ve SkySpace Global, GomSpacein iki ticari misyonudur: İlki, durumsal farkındalık için uçak ve gemi takibine yöneliktir ve ikincisi, uzayda küresel iletişim altyapısı sağlayacaktır. Ek olarak, Astrocast'in uzaktan izleme, konumlandırma, akıllı veri toplama ve kestirimci bakım için küresel M2M hizmetleri sağlama planı vardır.

Şekil 4, SpaceWorksün askeri operatörler (ulusal savunma faaliyetlerini desteklemek için), ticari operatörler (karlı faaliyetler yürütmek için) ve sivil operatörler (askeri olmayan veya askeri olmayan) dahil olmak üzere nano / mikro uydu operatörlerinin trend analizini göstermektedir. Karlı faaliyetler).

Şekil 4 Nano / mikro uydu pazarı tahmini (2018)

03. Küçük uydu iletişim yükünün geliştirilmesi

İlk günlerde, küçük uydular esas olarak üniversiteler ve teknoloji araştırma ve geliştirme projeleri için platformlar olarak kullanılıyordu.Yüklerinin, çok düşük bir veri hızında (1 ~ 9.6kbps) basit sensör toplamayı iletmek, depolamak veya iletmek gibi çok basit görevleri gerçekleştirmek için tasarlandı. Veri. UHF amatör radyo frekansı esas olarak standart AX.25 protokolü aracılığıyla kullanılır ve çalıştırılır. Bu kadar düşük bir frekansta, dalga boyu çok uzun olduğundan ve küçük hacimli bir cihazda iyi radyasyon verimi elde etmek zor olduğundan, genellikle tel antenler (çift kutuplu antenler, tek kutuplu antenler ve sarmal antenler) kullanılır. Şu anda, uzaydaki çok sayıda kübik yıldız, uygulamayı basitleştirmek için tel antenler kullanıyor. Ek olarak, çift kutuplu anten, çok yönlü olması nedeniyle uydular arası iletişim için uygun bir alternatiftir. Ortaya çıkan uygulamaların yükselişi, daha büyük bant genişliği ve daha yüksek frekans bantları gerektiren ve dijital uygulama ve yazılım kontrolü gerektiren küçük boyut ve hafifliği korurken, küçük uyduların daha yüksek veri hızlarında iletim yapmasını veya daha karmaşık görevleri yerine getirmesini gerektirir. Ayrıca yükseliyor.

3.1. Frekans bandı ve anten açısından küçük uydu haberleşme yükünün geliştirilmesi

Son yıllarda, ticari olarak temin edilebilen mikrodalga monolitik entegre devrelerin (MMIC'ler) ortaya çıkması nedeniyle, endüstri, normal VHF / UHF bantları yerine giderek daha yüksek frekanslar kullanmaktadır (örneğin, esas olarak telemetri için kullanılan S-bandı ve veri aktarımı için kullanılan X-bandı). Grup). Daha yüksek frekans bantlarına geçiş, uzay aracı tasarımında, özellikle güç sistemleri ve antenler açısından diğer gereksinimlerin üretildiği anlamına gelir. Örneğin, S-bandından daha yüksek frekanslarda, bir katı hal yüksek güçlü amplifikatörün verimliliği% 80'den (UHF bandında)% 30'a düşer. Bu frekansta, en yaygın kullanılan antenler hala telli antenler veya yama antenler ve yuvalı antenler gibi düzlemsel antenlerdir. Patch antenler, imalatı nispeten kolay olduğundan özellikle kübik yıldızlar için uygundur. Araştırmacılar birçok S-bant yama anten tasarımını inceledi. S-band downlink'in 100kbps ila 1Mbps veri hızlarına ulaşması bekleniyor. Daha yüksek veri hızları elde etmek için, Ku, K ve Ka bantları gibi daha yüksek frekans bantları kullanmanız gerekir.Bu bantlar zaten büyük uzay aracında olgunlaşmıştır, ancak küçük uydular alanında hala gelişmekte olan teknolojilerdir. CubeSat Ka-band vericisi 2015 yılında yörüngede çalışmaya başladı. Daha yüksek frekanslarda, küçük uyduların katı boyut ve ağırlık gereksinimlerini karşılayabilen yüksek kazançlı reflektör antenler de kullanılabilir. Yansıtıcı dizi anteni yüksek kazanç sağlayabilir ve kübik yıldız yapısıyla entegre edilmesi kolaydır, bu nedenle de çok uygundur. Yansıtıcı sıralı anten, katlanabilen ve küp yıldız üzerinde saklanabilen düz bir plakadan oluşur.

Aslında, küçük uydular, uydu iletişimi (donanım bileşenleri ve yayılma kanalları dahil) için yeni frekans bantlarını (W-bandı gibi) test etmenin ekonomik ve uygulanabilir bir yoludur. Bu tür yüksek frekans bantlarını araştırmanın motivasyonu, esas olarak, yüksek verimli uyduların bant genişliği gereksinimlerini karşılamaktır. Öte yandan, bu frekans bantları küçük uydular arası bağlantılar için de kullanılabilir. Q / V ve W bantlarında, huni antenler, yüksek kazanç sağlayabilen küçük uydular için uygun bir seçenektir.

Daha yüksek veri hızları, düşük maliyet ve küçük boyuta olan talep, araştırmacıların özellikle uydular arası bağlantılar için boş alan optik (FSO) iletişimine dikkat etmelerine neden oldu.

3.2. Küçük uyduların ve küp yıldız lazer iletişim terminallerinin geliştirilmesi

Son yıllarda, boş alan optik iletişimi, geleneksel radyo frekansı iletişim sistemlerine olgun bir alternatif haline geldi. Avrupa Veri Aktarma Sistemi (EDRS) gibi sistemler, uydular arası bağlantılarında lazer iletişim terminallerini kullanmaya başladıkça, teknoloji araştırma aşamasından operasyonel uygulama aşamasına geçmiştir. Uydudan dünyaya inen bağlantı ile ilgili olarak, son yıllarda Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilgi ve İletişim Teknolojileri Enstitüsü'nün küçük optik transponder (SOTA) testi ve NASA Jet Tahrik Laboratuvarı (NASA-JPL) gibi birçok gösteri gerçekleştirildi. Uluslararası Uzay İstasyonunun optik aşağı bağlantısını doğrulayan Lazer İletişim Bilimi Optik Yük (OPALS) testi. Ek olarak, Aerospace 1.5U'luk bir kübik yıldız optik aşağı bağlantı gösterdi. Aydan dünyaya optik bağlantıyı gösteren çalışmalar bile var.

Son zamanlarda, NASAnın CubeSattan yere 100 Gbps bağlantısını göstermeyi amaçlayan Terabayt Kızılötesi İletim (TBIRD) görevi ve Alman Havacılık ve Uzay Merkezinin (DLR) optik uzay kızılötesi bağlantısı gibi bazı ek tanıtım görevleri planlanmaktadır. Downlink (OSIRIS) projesi, küçük uydulardan ve küp yıldızlardan dünyaya optik downlink'i göstermeyi amaçlamaktadır.

Şu anda küçük uydu uygulamaları için kullanılan gerçek optik iletişim sistemi, yaklaşık 5 kg ağırlığında bir terminal ve yaklaşık 50W güç tüketimi kullanır ve veri hızı yaklaşık 10 Gbps'ye ulaşabilir. Küp yıldız uygulaması söz konusu olduğunda, Şekil 5, örnek olarak OSIRIS4 küp yıldızının uygulanmasını göstermektedir. Terminal yaklaşık 300 gram ağırlığındadır, yaklaşık 8W tüketir ve CubeStar'ın içinde yalnızca 0,3U yer kaplar ve 100Mbps veri hızına ulaşabilir.

Şekil 5 OSIRIS4 CubeSat terminalinin CAD modeli (soldaki resim) ve 1U CubeSat terminal entegrasyon konsepti (sağdaki resim)

Uydu-karasal optik iletişimin önemli bir sorunu, bulut örtüsünün kullanılabilirliğini etkilemesidir. Bu eksikliğin üstesinden gelmek için küresel bir optik yer istasyonları ağı kullanılabilir. Uydu üzerinde yeterli tampon kullanmak, uydu-yer bağlantısının sınırlı kullanılabilirliğinin neden olduğu sorunların üstesinden gelebilir. Halihazırda mevcut olan optik yer istasyonlarının çoğu esas olarak araştırma amacıyla kurulmuş olsa da, hem yeni hem de mevcut yer bölümlerinin operatörleri gerekli altyapıyı inşa etme isteklerini ifade etmişlerdir. Bu nedenle, optik bağlantıların çalışması ve kullanımı (küçük uydulardaki uygulamalar bile) yalnızca bir zaman meselesidir.

3.3. Yazılım tanımlı radyo (SDR) yüküne yönelik geliştirme

Küçük uyduların ilk geliştirilmesinden bu yana, yük tasarımındaki bir eğilim, düşük maliyetli ticari kullanıma hazır ve genellikle donanım bileşenlerini lisanslamak ve dijital gerçekleştirmeye doğru geliştirmek olmuştur. Modern yüksek hızlı ve düşük güçlü dijital sinyal işlemcileri ve yüksek hızlı belleğin mevcudiyetinden yararlanarak, donanım / yazılım uygulaması arasındaki denge, yazılım uygulamasına ve SDR kavramlarına giderek daha fazla eğilimlidir. SDR, esnek ve yeniden yapılandırılabilir yükün bir evrimidir. Uzay uygulamalarında yeniden yapılandırılabilir teknolojinin kullanımının erken bir örneği, 2002'de piyasaya sürülen Avustralya FedSat mikro uydu iletişim yüküdür. FedSat mikro uydu iletişim yükü, temel bant dijital sinyal işleme için FPGA bileşenlerini kullanır ve yörüngede yeniden programlanabilen bir kod yükleme modu kullanır. Askeri ve kamu güvenliği operasyonlarını desteklemek için esnek ve yeniden yapılandırılabilir telsiz iletişimine olan talep, yeniden yapılandırılabilir ve yeniden programlanabilir cihazlardan SDR'ye geçişi teşvik etmiştir. Aynı zamanda, analogdan dijitale dönüştürücüler (ADC), genel amaçlı gibi ilgili uygulama teknolojilerindeki ilerlemeler İşlemciler (GPP), dijital sinyal işlemcileri (DSP) ve FPGA'lar da bu evrimi destekledi. Geleneksel uydu sistemlerinde, SDR yükü, uydunun daha uzun bir ömre sahip olmasını ve daha verimli kaynak kullanımına sahip olmasını sağlamak için gerekli bir teknik önlem olarak kabul edilir, ancak buna rağmen, birkaç büyük uydu SDR yüklerini benimsemiştir.

Yalnızca birkaç yıllık tasarım ömrüne sahip küçük uydular için, SDR yüklerini geliştirmelerinin ana nedeni, SDR yüklerinin sağladığı esnekliğin yeni bilimsel fırsatlara uyum sağlamaya yardımcı olması ve belirli gereksinimleri karşılamak için genel uzay platformlarını yeniden kullanmanın mümkün olmasıdır. Görev gereksinimleri, dolayısıyla Ar-Ge maliyetlerini ve risklerini azaltır. SDR, birden fazla sinyali desteklemek, güvenilir uydular arası ve yer bağlantılarının veri aktarım hızını iyileştirmek ve ayrıca daha kalabalık frekans bantlarında yetersiz iletişim frekansları sorununu çözmeye yardımcı olmak için kullanılabilir. Aslında, spektrumun daha verimli kullanılması için SDR kullanılırken dinamik spektrum erişimi (DSA) teknolojisi de kullanılabilir. Şimdiye kadar, Tethers Unlimited (ABD) gibi şirketler, SDR platformunu NASA finansmanı ile yükseltmek için gelişmiş bilişsel radyo kullanımı üzerinde çalışsalar da, kullanımda olan DSA uydu uygulaması yoktur.

Bu daha dijital yaklaşımın karşılaştığı zorluk, küçük uyduların büyük bir sınırlaması, yani güç tüketimi ile ilgilidir. Bunun ışığında, FPGA'lar, özellikle X ve Ka bantlarındaki daha yüksek veri hızları için şimdiye kadar ilk tercih olmuştur, çünkü FPGA'lar hesaplama açısından yoğun görevlerin paralel olarak yürütülmesine izin verir ve her saat döngüsünün kullanımı daha verimlidir. Ek olarak, modern FPGA'larda ARM çekirdekleri gibi dahili entegre gömülü işleme sistemleri bulunur. Şu anda, SDR kullanan küçük uydular yoktur ve AstroSDR, NanoDockSDR, GAMALINK ve STI-PRX-01 gibi bazı SDR teknolojileri geliştirme aşamasındadır. Bu teknoloji açıkça bir araştırma ve geliştirme noktasıdır ve giderek daha fazla sayıda araştırmacı yeni çözümler geliştirmekte ve test etmektedir. Bazı çalışmalar, küçük bir uydu sisteminde uydular arası bir iletişim modeli tasarlamak için SDR kullanır.Bu modelin yeniden yapılandırılması kolaydır ve keyfi kodlama / kod çözme, modülasyon ve diğer sinyal işleme modlarını destekler. Başka bir çalışmada, araştırmacılar yeni bir gömülü sistem SDR mimarisi önerdiler.Bu mimarinin potansiyel uygulamaları, çoklu uydu haberleşmeli yer istasyonları, konuşlandırılabilir mobil yer istasyonu ağları ve dağıtılmış uydu sistemlerine daha da genişletilebilir. .

SCAN Test Yatağı, Uluslararası Uzay İstasyonunda kurulu gelişmiş bir entegre iletişim sistemi ve laboratuvar tesisidir. Uzay ortamında iletişim, ağ oluşturma ve navigasyonda yeni yetenekler geliştirmek, test etmek ve göstermek için, SCAN test yatağına yeni nesil bir SDR teknolojisi entegre edilmiştir. SCAN test yatağı, iletişim için gerekli olan RF / anten sisteminin yanı sıra S-bandı, Ka-bandı ve L-bandında çalışan yeniden yapılandırılabilir ve yeniden programlanabilir bir SDR alıcı-verici / transponder içerir.

04. Yeni Telekom Mimarisi

Küçük uydular, telekomünikasyon mimarisinde giderek daha önemli bir rol oynamaktadır ve bu temelde iki açıdan yansıtılmaktadır: (1) Küçük uydular, mevcut iletişim mimarilerini (özellikle İnternet) destekleyen bir altyapı oluşturmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. . (2) Küçük uydular ayrıca yeni ve farklı iletişim mimarilerini oluşturur ve / veya kullanır.

4.1. Destekleyici bir altyapı olarak

İnternet hizmetlerini gerçekleştirmek için dünya yörüngesindeki uyduların kullanımı yeni değildir. 1962'de TELSTAR'dan Iridium, Globalstar, Viasat ve EchoStar'a kadar, uydu kablosuz bağlantılarını kullanan veri rölesi pazarı hızla büyüdü. Bununla birlikte, tarihsel olarak, ister LEO ister GEO uyduları olsun, bu uydular hantal ve pahalıydı. Bu alanda çok sayıda küçük uydunun uygulanması yeni bir trend. Yeni kavramların tanıtılmasıyla, alan son yıllarda hızla gelişti ve bu planların çoğu, aşağıdakiler de dahil olmak üzere iddialı:

(1) OneWeb takımyıldızının başlangıçta LEO yörüngesinde bulunan 882 küçük İnternet hizmeti uydusundan oluşması bekleniyor ve daha sonra 2.620 uyduya çıkması muhtemel.

(2) Samsung, 4600 uydulu bir takımyıldız oluşturmayı öneriyor ve her ay 1 milyar terabayt İnternet verisi iletmeyi planlıyor.

(3) SpaceX'in "Starlink" takımyıldızının 12.000 kadar LEO küçük uydusundan oluşması öngörülmektedir ve kapasitesi, yoğun nüfuslu bölgelerde yerel İnternet hizmetlerinin% 10'una kadar taşıyabilir.

4.2. Yeni bir mimari benimseyin

Bununla birlikte, İnternet içinde hizmet aktarımını desteklemenin yanı sıra, küçük uydular da kendi işlemlerini sürdürmek için yeni ve daha yetenekli telekomünikasyon mimarilerine ihtiyaç duyar. LEO yörüngesindeki uydular arasındaki koordinasyon, uydular arası çapraz bağlanmaya, yer istasyonu tarafından sağlanan aktarma hizmetine (genellikle yer interneti aracılığıyla) veya ikisinin bir kombinasyonuna bağlıdır. Bu yetenek, GRACE (Yerçekimi Alma ve İklim Deneyi) görevleri ve QB-50 programı gibi takımyıldızlar için gereklidir.

Daha yakından bakıldığında, Mars görevlerinde InSight uzay aracına eşlik eden MARCO uzay aracı çifti (her biri 6U'luk bir kübik yıldız), InSight uzay aracı Mars atmosferine girdiğinde, Mars yüzeyine indiğinde ve karaya çıktığında esas olarak uzay aracından gelmek için kullanılacak. Bilgi, yeryüzünde bulunan görev operasyon merkezine iletildi. Şekil 6'da gösterildiği gibi, InSight ve her MARCO yörünge aracı arasındaki bağlantılar UHF frekans bandındadır ve MARCO uzay aracı ile dünya arasındaki iletişim X-bandını kullanır. Her MARCO, bir seferde bağlantılardan yalnızca birini kullanabilir, bu nedenle iletişim mimarisi, sürekli uçtan uca bağlantı ile karakterize edilen İnternet hizmetlerinden çok farklıdır.

Şekil 6 MARCO iletişim mimarisi

Araştırmacılar, İnternet iş modelinden yüksek kapasiteli karasal iletişimlere olan sapmayı yeniden projelendirerek, uçtan uca iletişimdeki ilgili gecikmeleri büyük ölçekte tolere etmeyi amaçlayan bir uydu iletişim mimarisi önerdiler. "Çevre Yolu" mimarisi, Gecikme Toleranslı Ağ Oluşturma (DTN) protokolüne dayanmaktadır. "Çevre Yolu" nun temel prensibi, LEO yörüngesinde DTN ışın protokolü (BP) yönlendirici takımyıldızını kademeli olarak dağıtan bir seferde bir uydudur. Şekil 7'de gösterildiği gibi, ağ üç tür DTN düğümü içerir:

(1) "Haberci" düğümleri olarak adlandırılan yönlendirici uydular, kutup yörüngelerinde bulunur;

(2) İnternete bağlı bilgisayarların içinde bulunan düğümler "etkin noktalar" olarak adlandırılır;

(3) Herhangi bir elektrik bağlantısı olmaksızın yüksek düzeyde izole edilmiş bilgisayarların içinde bulunan düğümlere "soğuk noktalar" denir.

Şekil 7 "Çevre Yolu" ağ mimarisi

Takımyıldız şu şekilde çalışır:

(1) Soğuk nokta düğümlerinde bulunan kullanıcılar verileri paketler halinde yayınlar (e-posta veya HTTP proxy iletişim sorguları gibi). Düğüm, demeti bir sonraki tepe "haberciye" iletilmek üzere düzenler.

(2) Sonunda, "haberci" soğuk düğümün üzerinden uçacaktır. "Haberci" nin izi bilindiğinden, "haberci" ile soğuk düğüm arasındaki temas uzun süre önceden düzenlenebilir. "Messenger" ve Soğuk Nokta, mevcut herhangi bir radyo frekansında LTP (Licklider Aktarım Protokolü) tabanlı ışın protokolünü kullanarak iletişim kurabilir. Diğer yerlerden gelen ve hedef olan paket, bu soğuk nokta "ileri iş" olarak adlandırılır ve LAN'ın dahili iletimini gerçekleştirmek için "haberci" den soğuk nokta düğümüne iletilir. Soğuk noktadan gelen ışın, "dönüş hizmeti" olarak adlandırılır ve "haberci" düğümüne iletilir ve sonraki iletim için kuyruğa alınır.

(3) "Haberci", soğuk noktadan alınan her paket için bir rota hesaplar. "Haberci" kendi gelecekteki temas planını bilir, bu nedenle herhangi bir ışın, "haberci" nin ışın yaşama süresinin (TTL) bitiminden önce ulaşacağı başka bir soğuk noktaya gelirse, ışın sonraki iletim için kuyruğa alınır. Soğuk nokta. . Diğer tüm paketler, "haberci" nin uçacağı bir sonraki sıcak noktaya teslim edilmek üzere sıraya alınmalıdır.

(4) "Haberci" belirli bir sıcak noktanın üzerinden uçtuğunda, sıradaki ışın sıcak noktaya aktarılır ve aynı zamanda "haberci", sıcak nokta düğümü tarafından "haberciye" gönderilen paketi de alır.

(5) Bir sıcak nokta düğümü belirli bir "haberci" den bir paket aldığında, düğüm her paket için bir yol hesaplayacaktır. Paketin hedef uç noktasına İnternet üzerinden doğrudan erişilebiliyorsa (örneğin, Montreal'de bulunan bir veritabanı sunucusu), sıcak nokta, paketi hemen o uç noktaya aktarmak için TCP / IP üzerinden BP kullanır. Aksi takdirde, etkin nokta hangi "haberci" nin hedefin soğuk noktasıyla en erken planlanan temas süresine sahip olduğunu belirlemek için iletişim zaman çizelgesini sorar ve ardından iletişim planından hangi sıcak noktanın "haberci" ile en erken planlanan temas süresine sahip olduğunu belirlemeyi tekrar ister. "Messenger" ı gören ilk sıcak nokta yerel etkin noktanın kendisiyse, sıcak nokta yalnızca ışını "messenger" a iletmek için yerel olarak sıraya koyar; aksi takdirde, sıcak nokta TCP üzerinden BP / IP, paketi hemen hesaplanan optimum yönlendirme yolu etkin noktasına gönderecektir.

(6) Bir sıcak nokta İnternet'teki belirli bir düğümden (belki başka bir etkin nokta) bir paket aldığında, sıcak nokta önceki adımda olduğu gibi her paket için bir yol hesaplayacaktır. Bir "haberci" zirveye çıktığında, sıcak nokta "haberci" ile ışın alışverişinde bulunur. "Haberci" daha sonra soğuk bir nokta üzerinden uçtuğunda, aynı şekilde ışınları soğuk nokta ile değiştirir ve bu böyle devam eder.

Yeni iletişim mimarisinin avantajları:

(1) Çapraz bağlantılara dayalı yönlendirme yapısı kümesinin aksine, verilerin akışına izin vermek için tüm takımyıldızın aynı anda yörüngede olmasına gerek yoktur. Ağ, bir sıcak nokta, bir soğuk nokta ve bir "haberci" ile başlayabilir. Şu anda, soğuk noktanın gidiş-dönüş süresi çok uzun olacaktır, çünkü her N uydu yörüngesinin yalnızca bir teması vardır ve N, soğuk noktayı uydu yer izine geri koymak için gereken yörünge sayısını ifade eder. Bununla birlikte, soğuk nokta ile İnternet üzerindeki herhangi bir nokta arasındaki iki yönlü veri akışı, etkili veri hızı son derece düşük olmasına rağmen güvenilir bir şekilde desteklenecektir. Uyduların sayısı arttıkça, herhangi bir soğuk noktanın kapsama frekansı artacak ve yörüngelerin sayısı N azalacak, böylece genel ağ taşıma kapasitesi (tüm "habercilerin" toplam depolama kapasitesi) artacak, böylece desteklenen soğuk nokta sayısı Artacak. Yerde daha fazla etkin nokta eklemek, ağ taşıma kapasitesini de aşamalı olarak artıracaktır. Sıcak noktalar eklemek, iade hizmeti paketlerini "messenger" yerleşik depolamadan daha erken boşaltabilir, böylece daha fazla paket için yer açar ve böylece desteklenebilirliği daha da artırır. Soğuk nokta sayısı.

(2) Yönlendirme problemi biraz karmaşıktır Yönlendirme, "haberci" uydularda değil, potansiyel olarak güçlü yer tabanlı bilgisayarlarda sıcak noktalarda gerçekleşir. Bu, seri üretilen küçük uyduların "haberci" uydular için uygun olduğu anlamına gelir.

(3) Bu nedenle, bu mimarideki tüm unsurlar nispeten ucuzdur.

Özetle, bu küçük uydu tabanlı mimarinin küçük bir başlangıç yatırımı vardır ve çok yaygın olarak bulunan ağ veri hizmetlerini düşük maliyetle gerçekleştirebilir.

4.3. Zemin mimarisi ile entegrasyon

Farklı paydaşların veri kullanılabilirliğini değerlendirmek için, küçük uydular ve kübik yıldızların getirdiği hizmet potansiyelini daha geniş bir perspektiften analiz etmek gerekir. İşlem merkezi kontrol merkezinin yakınına yerleştirildiğinde veya herhangi bir durumda bunlara özel bir zemin altyapısı yoluyla doğrudan bağlanabildiğinde, mimari tasarım temelde yukarıda açıklanan örnek mimarinin bir uzantısı olabilir. İşlem merkezinde önerilen DTN mimarisinin doğrudan sonlandırılmasıyla veya yerel DTN mimarisi ile DTN olmayan mimari arasında arabirim kurabilen özel bir ağ geçidi kullanılarak, yani saf bir TCP / IP protokol mimarisine dayalı geleneksel bir ağ kullanıldığında elde edilebilir.

Öte yandan, küçük uydu takımyıldızları tarafından sağlanan hizmetler giderek daha fazla ilgi çekmiştir, bu nedenle veriler işletmelerin, üniversitelerin, okulların, kamu kurumlarının ve bireysel kullanıcıların farklı uygulamalarına (örneğin, mekansal veri madenciliği, eğitim amaçlı, İzleme ve izleme, vb.). Bu bağlamda, veri erişiminin İnternet zemin altyapısı üzerinde gerçekleştirilmesi muhtemeldir, bu nedenle küçük uydu sisteminin yer kesimi ile çekirdek yer ağı arasında uygun entegrasyon stratejilerinin uygulanması gerekir. Bu entegrasyon görevi, yakın gelecekte uydu endüstrisinde de sıcak konular olan uyduları ve 5G ağlarını bir araya getirmek için daha geniş bir plana dahil edilmiştir. Esnek bir entegre mimari sağlamak önemlidir ve bu amaca ulaşmak için dikkatlice derlenen mimari önerilerinin detayları burada tartışılmamaktadır. Mevcut İnternet bilgi akışının ve küçük uydu verisi alımının uygun bir şekilde bir arada varolmasını sağlamak için (bunlar farklı QoS / QoE özelliklerine sahip farklı ağ dilimleri olarak kabul edilebilirler), ağ esnekliği şüphesiz dikkate değerdir. Bunun ışığında, uydu ağlarının "yazılımlaşmasını" gerçekleştirmek için uygun yazılım tanımlı ağ oluşturma (SDN) ve ağ işlevi sanallaştırma (NFV) çözümlerinin uygulanması gereklidir. Bununla birlikte, insanların uydu ağlarının yazılımlaşması konusundaki anlayışları mükemmel değildir ve küçük uydu takımyıldızları hakkında daha fazla araştırmaya hala ihtiyaç vardır.

Ağ mimarisi için içerik yönelimli işlevlerin sağlanması, aynı zamanda, küçük uydu sisteminin veri nesnelerine uygulanan QoS yönetimi ve yönlendirme işlevlerini ayırt etmek için İnternette küçük uydu verilerini dağıtma amacı ile de ilgilidir. Bu, mevcut bilgi merkezi ağı (ICN) mimarisini uygulamak anlamına gelebilir, ancak uydu sisteminden alınan veri nesnelerinin içerik özelliklerini karşılamak ve uydu ağı için önerilen ağ mimarisiyle tutarlı olmak için (önceki bölümde açıklandığı gibi) (örneğin , DTN) arayüzüne dayalı olarak, temel konsepti de değiştirilmelidir.

Özellikle, ICN tabanlı mimari, kullanıcıların içerik dağıtım hizmetlerine abone olabileceği ve buna göre içeriğin kabul edilen isteklere göre dağıtıldığı bir yayınlama-abone olma paradigması üzerine inşa edilmiştir. ICN ağının ana özelliklerinden biri, içerik ve nesne adları arasındaki açık eşlemedir, bu da daha gelişmiş içeriğe duyarlı yönlendirme ve güvenlik çözümlerine olanak tanır. Ek olarak, bu yöntem, tipik ana bilgisayar merkezli yöntemin (yani, IP sisteminde uygulanan yöntemin) yerini alan içerik merkezli bir ağ oluşturma yönteminin elde edilmesine de yardımcı olur. Ana bilgisayar merkezli yaklaşımda, konum ve içerik açıklaması benzersiz bir tanımlayıcıyla (örneğin, IP adresi) eşlenir ve bu, içerik tabanlı ağ işlevlerinin gerçekleştirilmesini belirli bir ölçüde sınırlar. ICN ağının bir başka temel avantajı, modern iletişim ağlarında önemli bileşenler olan MEC (Çoklu Erişim Uç Hesaplama) ve bulut bilişim işlevlerinin entegrasyonunu basitleştiren ağ boyunca dağıtılmış bir önbellek işlevinin gerçekleştirilmesidir.

ICN işlevi, özel ağ öğeleri tarafından desteklenir.Örneğin, yalnızca karasal ağlarda değil, uydular gerekli depolama ve hesaplama yeteneklerini sağlayabilirse uzay ağlarında da konuşlandırılabilir. Aslında, kesinti esnekliği ve önbelleğe almadaki iki ana avantajdan yararlanmak için, DTN ve ICN protokollerine dayalı mimariler aynı ağ dağıtımında bir arada bulunabilir, ancak protokol arabirimlerinde belirli değişiklikler gereklidir.

Şekil 8 İçerik aktarımı için ICN / DTN konseptine dayalı entegre uydu-5G ağı

Genel olarak, Şekil 8, uydu takımyıldızının 5G erişim ağına ek olarak hizmet ettiği ve içerik iletimini desteklediği senaryoyu tasvir eden 5G ve uydu bölümlerini içeren genel ağ mimarisini göstermektedir. Mimari, ICN / DTN mimarisine dayanır ve MEC ve bulut bilişim ağı öğeleriyle etkileşim halindedir.

05. İletişim ve ağ protokollerindeki gelişmeler

Geçtiğimiz on yılda, küçük uydularla ve küçük uydular arasındaki iletişim için yeni protokoller hızla ortaya çıktı. Yeni yetenekler, protokol yığınının çoklu katmanlarında yansıtılır.

5.1, fiziksel katman

Başlangıçta, CubeSat uydularını destekleyen tek iletişim bağlantısı, AX.25 protokolünü çalıştıran UHF bağlantısıydı. Başlangıçta öncelikle bilimsel bir görev olduğu için, veri hızı gereksinimlerinin çoğu çok düşüktü, bu nedenle ikili FSK (BPSK) gibi basit bir modülasyon şeması kullanıldı. AX.25 protokolünün hataları algılayabildiğini ancak düzeltemediğini belirtmek gerekir. Düşük kaliteyi ve ağırlığı korurken daha yüksek veri hızları için ortaya çıkan iletim gereksinimleri, daha büyük bant genişliklerinin ve daha yüksek frekans bantlarının (Bölüm 4'te açıklandığı gibi) kullanılmasının yanı sıra daha gelişmiş modülasyon şemaları aracılığıyla mevcut bant genişliğinin daha verimli kullanılmasına neden oluyor. . Ek olarak, dijital elektronik teknolojinin hızlı gelişimi, SDR yüklerine ve yer istasyonlarına dönüştürülmeyi mümkün kılarak, hata düzeltme yetenekleri ve mevcut bağlantı koşullarına dayalı dinamik otomatik modülasyon parametreleri dahil olmak üzere daha gelişmiş iletişim protokollerinin ve modülasyon şemalarının uygulanması için fırsatlar sağlar. adapte olmak. Bununla birlikte, CubeSat ve küçük uydular için tasarlanmış bazı yenilikçi alıcı-vericiler vardır.Değişken ve uyarlanabilir kod modülasyonu (VCM, ACM) elde etmek için daha yüksek frekans bantları (örneğin, X-bandından Ka-bandına kadar) kullanırlar. kabiliyet. Örneğin, RADIOSAT, ESA tarafından geliştirilmiş yenilikçi bir alıcı-vericidir.Ka bandında çalışır ve bir DVB-S2 modem ile entegredir Genel özellik, düşük güç tüketimidir. Uydular arası bağlantıların tasarımı ile ilgili olarak, son zamanlarda görünür ışık iletişimi üzerinde çalışılmaktadır Görünür ışık iletişimi, RF iletişimlerinde yaygın parazit sorunlarından ve 6GHz'in altındaki radyo spektrumunun bariz kıtlığından kaçınırken, daha küçük ve daha hafif düğümlerle daha yüksek veri hızları sağlayabilir. Ek olarak, lazer iletişim sisteminin hassas hedefleme doğruluğunu elde etmek için gerekli olan elektronik ekipman sorunu önlenebilir. Görünür ışık iletişimi, yaklaşık 300THz'lik ücretsiz bir kullanılabilir bant genişliğine sahiptir ve kısa menzilli yüksek kapasiteli veri aktarım hızları sağlamak için LED dizilerini kullanabilir.

5.2, bağlantı katmanı

Dünya yörüngesindeki Cubestar operatörlerinin ilk başta AX.25 dışında çok az seçeneği olmasına rağmen, Dünya yörüngesindeki ve Dünya yörüngesinin ötesinde uzay operasyonları için daha güçlü yeteneklere sahip yeni ortaya çıkan protokoller yavaş yavaş kullanılabilir hale geliyor. Ortaya çıkan CCSDS Birleşik Uzay Bağlantısı Protokolü (USLP), çeşitli uzamsal veri aktarım koşullarına uyum sağlamak için tasarlanmıştır. Birden fazla üst düzey veri akışının şeffaf bir şekilde fiziksel bir bağlantıyı paylaşmasına olanak tanıyan bir "sanal kanal" konsepti içerir ve aynı zamanda Birden çok veri hizmetinin aynı sanal kanalı paylaşmasına izin vermek için birden çok çoklayıcı erişim noktası daha da çoğullanır. Protokol ayrıca, çeşitli uzunluklardaki protokol veri birimlerinin kapsamlı kontrolü için küçük hizmet veri birimi toplama ve toplama bölümleme mekanizmaları sağlar. CCSDS ayrıca, Uzay Veri Bağlantısı Güvenliği (SDLS) adı verilen bağlantı katmanında bir güvenlik hizmeti tanımlar. İnternet üzerinden hizmet veren yer istasyonlarının ve görev operasyon merkezlerinin güvenlik sorunları giderek daha ciddi hale geldikçe, güvenlik, uzay görev tasarımcıları için hızla acil bir sorun haline geldi. SDLS, tek bir uzay aracının kontrol merkezi ile bir yer istasyonu aracılığıyla iletişim kurduğu basit uzay görevleri için bir güvenlik standardı sağlar. SDLS, veri kaynağı kimlik doğrulaması, bağlantı ve bağlantısız gizlilik, kurtarma özellikleri olan ve olmayan bağlantı bütünlüğü ve bağlantısız bütünlük içerir.