Estudio de la tecnología Starlink como principal alternativa de conexión a Internet en embarcaciones

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Estudio de la tecnología Starlink como p rincipal alternativa de conexión a Internet en embarcaciones Autor: Elena María Sánchez Aragón Tutor: Jose Antonio Pérez Carrasco Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Estudio de la tecnología Starlink como principal alternativa de conexión a Internet en embarcaciones Autor: Elena María Sánchez Aragón Tutor: Jose Antonio Pérez Carrasco Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Proyecto Fin de Carrera: Estudio de la tecnología Starlink como p rincipal alternativa de conexión a Internet en embarcaciones Autor: Elena María Sánchez Aragón Tutor: Jose Antonio Pérez Carrasco El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos A mi familia, les agradezco la oportunidad y confianza brindada para adentrarme en la aventura de estudiar este Grado. Nunca habéis dudado ni un segundo de mi valía, ni en las situaciones difíciles. Gracias de corazón. A mis amigos, a los de siempre, y a los que he conocido por el camino. Gracias por acompañarme en los días de estudio, y por evadirme cuando más lo necesitaba. A mis compañeros de clase y ahora, de profesión. Ahora nos embarcamos en nuevos capítulos de nuestras vidas pero siempre os llevaré en mi corazón como parte de esta experiencia inolvidable. Gracias por compartir este viaje conmigo. A Luis, tu aliento y motivación siempre llegan en el momento adecuado. Gracias por tu paciencia y comprensión. Elena Sánchez Sevilla, 2023 I Resumen Las telecomunicaciones en lugares remotos siempre han sido un reto para la ingeniería. Unos años atrás, un ordenador en el desierto, la montaña o el mar era prácticamente imposible de conectar a Internet. Es por eso que esta última década se ha hecho un gran esfuerzo tecnológico para conseguir comunicar esas zonas remotas a la red. La solución a este problema, pasa inevitablemente por las comunicaciones vía satélite. Existen diferentes orbitas satelitales, la más conocida es la órbita geoestacionaria (GEO) donde orbitan la mayoría de satélites de comunicación, aunque en los últimos años, y gracias al avance de la tecnología, se están desplegando cada vez más satélites de orbita baja (LEO). Siendo la constelación de satélites Starlink la más conocida y avanzada del sector. SpaceX, empresa desarrolladora de Starlink, pretende desplegar un total de 42.000 satélites para ofrecer cobertura mundial y acceso a internet de alta velocidad, aunque por el momento tiene desplegados poco más de 3000. El enlace de comunicación de Starlink empieza con un "dishy" en el lado del usuario con múltiples antenas milimétricas que mediante el uso del beamforming forman un haz apuntando a los satélites que orbitan la Tierra a 500 Km de altura. Los satélites transmiten los datos recibidos hacia las antenas que tienen en su gateway y de allí salen los datos a internet. En el ámbito marítimo, Starlink a supuesto un gran avance en la cobertura de altas y bajas latitudes, zonas que los satélites geoestacionarios cubren peor por definición. Aunque aun la cobertura en dichos lugares no es perfecta, han mejorado mucho el servicio y han abaratado el coste para el usuario de una manera drástica. El principal objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es, a parte de describir el funcionamiento general de Starlink, testear un equipo y someterlo a diferentes escenarios como posibles bloqueos e interferencias para medir la respuesta de estos terminales. III XÍndice Escenario 5 32 Escenario 6 34 Escenario 7 35 Escenario 8 35 Escenario 9 35 Escenario 10 39 4.3 Pruebas de bloqueo 40 4.3.1 Escenario 11 40 4.3.2 Escenario 12 40 5 Conclusiones y líneas futuras 43 Índice de Figuras 45 Índice de Tablas 47 Bibliografía 49 Índice alfabético 51 Glosario 51 Notación UAV Unmanned Aerial Vehicle USV Unmanned Surface Vehicle TV Televisión GPS Global Positioning System GEO Geostationary Earth Orbit MEO Medium Earth Orbit LEO Low Earth Orbit V LEO Very Low Earth Orbit ISS International Space Station C/NRelación señal-ruido RF Radiofrecuencia V LC Visible Light Communication LED Light-Emitting Diode 5GQuinta Generación 6GSexta Genarción V SAT Very Small Aperture Terminal SNR Signal-to-noise ratio CPU Central Processing Unit T X Transmisión RX Recepción PSU Power Supply Unit AC Corriente Alterna T FG Trabajo de Fin de Grado GSM Groupe Spécial Mobile UT Terminal Unit GW Gateway ISL Inter-Satellite Links RHCP Right-Hand Circular Polarization LHCP Left-Hand Circular Polarization XI 1 Introducción 1.1 Contexto y motivación 1.1.1 Comunicaciones satelitales Estamos acostumbrados a usar comunicaciones por cable cuando nos conectamos a Internet, en nuestras casas, en nuestros trabajos desde la oficina, etcétera, pero desafortunadamente, esta opción no es posible en el sector marítimo para barcos que navegan en mitad del mar, donde las comunicaciones satelitales son el único medio para brindar conexión a Internet a bordo. Una comunicación satelital tiene lugar gracias a un satélite de comunicaciones artificial que orbita alrededor del planeta Tierra. Este satélite recibe señales de comunicación emitidas por estaciones terrestres transmisoras, las amplifica y las procesa antes de retransmitirlas de regreso a la Tierra, dónde se reciben en una o más estaciones terrestres receptoras. Es importante destacar que la comunicación no tiene su origen ni destino en el propio satélite, sino que éste funciona como un intermediario activo en la retransmisión de las señales de comunicación. Las comunicaciones satelitales son comunicaciones de larga distancia entre localizaciones remotas, dan la posibilidad de acceder a servicios de comunicación de voz y datos en todo el mundo desde lugares sin cobertura celular terrestre. Las comunicaciones por satélite son utilizados todos los días en muchos sectores de nuestra sociedad, algunos ejemplos de sus aplicaciones son: •Telecomunicaciones •TV y radio broadcasting •Navegación y GPS Los avances realizados en los últimos años en las tecnologías satelitales están abriendo el camino hacia un mundo más interconectado con infinitas posibilidades. • Los UAV o vehículos aéreos no tripulados, utilizados para un sin fin de aplicaciones como el monitoreo de cultivos o instalaciones, estudios cartográficos o transporte y entrega de mercancías. • Los USV, o vehículos de superficie no tripulados) utilizados principalmente para estudios oceanográficos. • Exploración espacial donde las comunicaciones satelitales son utilizadas para monitorizar misiones espaciales tanto tripuladas como no tripuladas. 1 2Capítulo 1. Introducción • Comunicaciones de emergencia, para el caso de desastres naturales o conflictos bélico dónde las comunicaciones satelitales proporcionan una vía para una coordinación temprana y eficiente. • Proporcionar acceso a Internet de alta velocidad a embarcaciones en alta mar. El objeto de estudio de este proyecto, será analizar esta aplicación de las tecnologías satelitales. 1.1.2 Órbitas satelitales Para el tema que incumbe este trabajo, hablaremos de tres órbitas satelitales: la órbita geoestacionaria (GEO), la órbita terrestre media (MEO) y la órbita terrestre baja (LEO). Aunque también es necesario saber que existe una órbita terrestre muy baja (VLEO), considerada una subcategoría de LEO. La altura de la órbita es un factor determinante, ya que establece la velocidad del satélite en relación con la Tierra. A medida que la altitud de los satélites es más baja y más cercana a la Tierra, la atracción de la gravedad se vuelve más fuerte, lo que resulta en una mayor velocidad del satélite. En la imagen de la figura1.4, se muestra una disposición de la altitud orbital y sus áreas de cobertura. Se puede observar cualitativamente que cuanto mayor sea la altitud a la que orbita un satélite, mayor será su área de cobertura. La llegada de los satélites LEO y MEO al mercado de internet de banda ancha por satélite ha supuesto un gran paso en las comunicaciones, pero ¿En qué consisten realmente? Para responder a esta pregunta, primero necesitaremos definir qué es un satélite GEO y por qué hemos estado usando este tipo de satélites para proporcionar conexión a internet vía satélite hasta ahora. Los satélites geoestacionarios se mueven siguiendo la rotación de la Tierra a una altitud de 35.786km viajando a la misma velocidad que nuestro planeta. Esto hace que los satélites en órbita GEO parezcan estacionarios sobre una posición fija en el horizonte. La órbita geoestacionaria ha sido utilizada tradicionalmente por satélites que necesitan permanecer constantemente sobre un lugar específico sobre la tierra, como los satélites de telecomunicaciones. De esta forma, una antena terrestre puede estar fija y siempre apuntando hacia el satélite sin moverse. Además, los satélites geoestacionarios cubren una gran área de la tierra, tan solo tres satélites igualmente espaciados pueden proporcionar cobertura casi global. Por otro lado, la órbita terrestre baja (LEO) es una órbita situada más cerca de la superficie terrestre. Usualmente se encuentra a una altitud inferior a 1000km. A diferencia de los satélites en órbita GEO, que siempre orbitan a lo largo de ecuador, los satélites LEO no siempre siguen un camino particular alrededor de la Tierra, de la misma forma que su plano puede ser inclinado. Esto significa que hay muchas más rutas disponibles para los satélites ubicados en LEO. La proximidad de la órbita LEO a la superficie terrestre tradicionalmente ha sido útil por diferentes razones: • Es la órbita más utilizada para tomar imágenes por satélite, ya que al estar más cerca de la superficie permite tomar imágenes de mayor resolución. • También es la órbita utilizada para la Estación Espacial Internacional (ISS), ya que es más fácil para los astronautas viajar hacia y desde ella a menor distancia. • Los satélites en esta órbita viajan a una velocidad de unos 7,8 km por segundo. A esta velocidad, un satélite tarda aproximadamente 90 minutos en dar la vuelta a la Tierra, lo que significa que pueden dar la vuelta a la Tierra unas 16 veces al día. • Es por la característica anterior, que los satélites LEO han sido menos útiles para fines de telecomunicación ya se mueven demasiado rápido por el cielo, lo que requiere un gran esfuerzo de seguimiento 1.1 Contexto y motivación 3 Figura 1.1 Órbita GEO [5]. Figura 1.2 Órbita LEO[5]. por parte de las estaciones terrestres. En su lugar, las comunicaciones satelitales en LEO suelen formar parte de una gran constelación de múltiples satélites para dar cobertura constante a la tierra. El trabajo de lanzar un gran número de satélites LEO para crear una constelación y ofrecer servicios de telecomunicaciones con menos latencia siempre ha sido un reto en el mercado de las telecomunicaciones. Aquí es donde SpaceX (el proveedor de servicios Starlink) ha marcado la diferencia. 4Capítulo 1. Introducción Figura 1.3 Órbita terrestre media (MEO) [5]. Dedicaré los siguientes secciones para explicar y probar en profundidad este servicio. Por último, la Órbita Terrestre Media (MEO), abarca una amplia gama de órbitas en cualquier punto entre LEO y GEO. En el pasado, esta orbita era la más utilizada para los satélites de navegación como el sistema europeo Galileo. De la misma forma que LEO: •Los satélites MEO no necesitan tomar trayectorias especificas alrededor de la tierra. • Al igual que LEO, esta orbita necesita una constelación de satélites para proporcionar una cobertura global a la Tierra. Debido a las características físicas de la órbita, las constelaciones de satélites LEO, como Starlink, tienen una serie de ventajas y desventajas que son clave para comprender los retos a los que se enfrentan los proveedores de satélites y para explorar los puntos fuertes intrínsecos de estos sistemas, en comparación con los GEO utilizados tradicionalmente. Algunas de sus ventajas son: • Al estar más cerca de la Tierra, los satélites LEO lanzados en órbita LEO proporcionan una mejor intensidad de señal. Gracias a esto, se necesita menos potencia para la transmisión. Lo que se traduce en equipos de transmisión más baratos. • Baja latencia, en torno a 30-50 milisegundos. Mientras que en GEO las latencias oscilan entre 500-600 milisegundos. 1.2 Declaración de objetivos 5 Figura 1.4 Esquema de altitudes orbitales y áreas de cobertura. Extraído de [7]. •Elimina la necesidad de voluminosos equipos receptores debido a la mayor relación C/N de la señal. •Equipos terrestres menos costosos. •Mayores elevaciones para regiones polares. Desventajas: • Debido a su posición tan cercana a la Tierra, un solo satélite puede cubrir áreas más pequeñas que un satélite GEO. Se necesitan una constelación de satélites para cubrir toda la tierra. • La instalación de estos sistemas satelitales LEO es mucho mas cara desde el punto de vista espacial, debido al gran número de satélites necesario. • Como los satélites LEO se mueven constantemente desde la perspectiva de la Tierra, se necesita una sucesión de satélites para cubrir cualquier región de la Tierra. Cada satélite es visible sólo durante minutos en una posición concreta de la Tierra. • Los efectos atmosféricos son más comunes y pueden causar una desorientación orbital gradual de los satélites. Esto requiere un mantenimiento regular de los sistemas para mantenerlos en la trayectoria de la órbita LEO. •Los satélites LEO tienen una vida más corta (entre 5 y 7 años) que los GEO (15-20 años). 1.2 Declaración de objetivos El objetivo de este proyecto es estudiar los beneficios y el potencial que ofrecen la órbita LEO en el campo de las telecomunicaciones y el acceso a Internet en el sector marítimo, basándose en el análisis de la tecnología Starlink desarrollada por la empresa SpaceX. El propósito principal de este trabajo de fin de grado es el de detallar el funcionamiento de la tecnología Starlink, y los servicios de internet de banda ancha que ofrece al sector marítimo de la sociedad. Se proporcionará un nivel de detalle suficiente para que cualquier ingeniero que lea este documento sea capaz de instalar el hardware necesario para poder utilizar el servicio y sea capaz de entender cómo y por dónde viaja la comunicación cuando sale de la antena terminal marítima. La empresa para la que trabajo, ha puesto a mi disposición una antena Starlink y una subscripción al servicio para poder realizar las pruebas detalladas en la penúltima sección de este trabajo. 6Capítulo 1. Introducción 1.3 Objetivos Las siguientes paginas de este documento tienen como objetivo: •Analizar competidores que ofrecen el servicio de internet de banda ancha en órbita LEO. •Analizar la tecnología Starlink. •Detallar la instalación de una antena terminal. •Realizar pruebas de interferencias y bloqueo sobre una antena terminal. • Analizar el comportamiento de una antena instalada en un barco durante una travesía alrededor del mundo. 1.4 Organización del proyecto Capítulo 1. Introducción: En este capítulo explicaré los tipos de órbita que existen, y las ventajas e inconvenientes del uso de la órbita LEO, utilizada por la constelación Starlink, frente a la GEO tradicional. Se resumirán los conceptos clave de las comunicaciones satelitales y sus posibles usos, y por último se detallarán los objetivos y la organización de este trabajo. Capítulo 2. Marco teórico: En este capítulo se explicarán los conceptos teóricos en los que se basa la tecnología Starlink. Se describirán los conceptos de espectros frecuenciales, con especial énfasis en las bandas Ku y Ka, ya que son las utilizadas por Starlink en su infraestructura. Por último se expondrán los conceptos de beamsteering y beamforming, ya que son necesarios para poder entender el hardware de las antenas terminales y satelitales de Starlink. Capítulo 3. Tecnología Starlink: Se detallará el camino de ida y vuelta por el que viajan las señales desde el terminal de usuario hasta el gateway terrestre. Se explicarán las características y funciones de los componentes que conforman los satélites de esta constelación. Capítulo 4. Pruebas y resultados: Se explicarán los resultados tomados en las pruebas de cable, pruebas de interferencias y pruebas de bloqueo. Capítulo 5. Conclusión: Se resumen las principales conclusiones obtenidas de este TFG y se proponen directrices para la continuación del proyecto. 2 Marco teórico 2.1 Análisis de competidores En esta sección se llevará a cabo un análisis de dos constelaciones que proveen servicios de Internet de banda ancha globalmente, como Starlink. 2.1.1 OneWeb OneWeb, una empresa fundada en 2012 con la misión de conectar a quienes no están conectados, ha diseñado y fabricado una constelación de 648 satélites [ 9 ], de los cuales, hasta Enero de 2023, había puesto en órbita 542 satélites[ 2 ] . Esta constelación proporcionará acceso a Internet de alta velocidad asequible en todo el mundo. La constelación final estará compuesta por un total de 648 satélites, ubicados en Órbita Terrestre Baja (LEO) a 1200 km de altitud, con una inclinación de 87.4 grados. Los satélites de la flota total se dividirán en 18 planos circulares, como se muestra en la figura 2.1 Las latencias rondan entre los 50 y los 100 ms, frente a los 560 ms en los satélites GEO y a los 40-50 ms que promete Starlink. El movimiento continuo de los satélites a una velocidad de 11,227 km/h implica que cada satélite completa su órbita completa en tan solo 92 minutos. Para poder utilizar el servicio marítimo que ofrece OneWeb, se debe instalar alguna de las siguientes antenas terminales: •Terminal Kymeta Peregrine u8 LEO. •Intellian OW70M OneWeb. 2.1.2 Iridium La constelación de satélites Iridium es una red global de satélites de comunicación posicionados en órbita terrestre baja (LEO). Originalmente fue desarrollada por la empresa Iridium Communications INC. La constelación consta de numerosos satélites en órbita que forman una malla, o constelación que cubre prácticamente toda la superficie terrestre. En las siguientes secciones de este apartado analizaré las características de su constelación, que recibe el nombre de IridiumNext, y las especificaciones de los servicios que ofrece y el hardware necesario para implementarlos en una embarcación marítima. 7 14 Capítulo 2. Marco teórico Figura 2.13 Esquema de la Infraestructura de Starlink. La banda Ka, como se ve en la figura 2.12, es una banda que va desde los 26 GHz hasta los 40 GHz. En este rango de frecuencias es posible hallar amplias porciones de espectro frecuencial liberadas, ello permite transportar grandes cantidades de datos, ya que hay mucho ancho de banda disponible. Como tiene la longitud de onda menor que las frecuencias de banda Ku, es posible transmitir volúmenes de datos mayores, alcanzando mayores eficiencias espectrales, aunque para ello se necesitan transmisores más potentes, caros y complejos. Las ondas sufren mayores pérdidas por distancia, siendo complicado que lleguen a satélites Geoestacionarios situados a más de 36000 Km de distancia. Las frecuencias de banda Ka, al tener una longitud de onda muy pequeña, son mucho más sensibles a atenuaciones por lluvia, aunque es posible contar con antenas mucho más pequeñas, del orden de los centímetros e incluso milímetros (como es el caso de los dishys de Starlink). Otra gran diferencia es la polarización que se usa en ambas bandas, en Ku, se utiliza polarización lineal, cosa que ayuda en el aprovechamiento del espectro frecuencial, ya que se puede aprovechar una misma frecuencia 2 veces (transmitiendo la onda horizontalmente y verticalmente). Por otra parte, como en Ka no es necesario tal aprovechamiento del espectro frecuencial, se utilizan polarizaciones circulares que simplifican mucho el hardware necesario para transmitir y recibir dichas ondas. Para acabar esta sección, y centrándonos en el ejemplo real de la infraestructura de Starlink, vamos a comentar la figura 2.13 y el porqué del uso de la banda Ku en el enlace dishy-satélite (uplink) y satélite-gateway (downlink) y el uso de la banda Ka en el enlace satélite-satélite. Como hemos comentado previamente en esta sección, a menor longitud de onda, mayor es la atenuación por lluvias que sufren las ondas. En el enlace downlink: la lluvia disipa de 3 a 10 veces más energía en banda Ka que en banda Ku. Además, en el uplink, la lluvia disipa de 63 a 400 veces más energía en banda Ka que en banda Ku. [ 6 ] Por esa razón, los enlaces down y uplink son en banda Ku. Por otro lado, como en los enlaces intersatelitales no hay atenuaciones por lluvia, es posible utilizar bandas frecuenciales más altas como la Ka para así transmitir un mayor volumen de datos. 2.1.5 Beamforming Como se ha comentado en la sección anterior, la disminución de la longitud de onda permite el uso de antenas más pequeñas, y con ello, el uso de numerosas antenas unas al lado de otras formando arrays. Dichos arrays pueden proporcionar una ganancia extra gracias al beamforming, necesaria para superar las pérdidas de trayecto y establecer enlaces con una relación señal/ruido (SNR) razonable. 2.1 Análisis de competidores 15 [4] Figura 2.14 Directividad adaptativa debida al uso de antenas múltiples. No sería posible tener antenas directivas para apuntar a los satélites de Starlink, ya que estos están en constante movimiento (muy rápido), perdiendo así la conexión con estos. Como solución a este problema y con la intención de crear directividad adaptativa, se utilizan técnicas de formación de haces (beamforming). El beamforming se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada que utiliza múltiples antenas para formar un patrón de transmisión direccional. En la figura 2.14, cada una de las líneas de colores representa una señal que ha sido transmitida desde cada una de las antenas al mismo tiempo. En la figura 2.14 izquierda, las líneas se cruzan en puntos donde la distancia a los dos transmisores es la misma, por lo tanto, en esa dirección, las señales se reciben al mismo tiempo y en fase. Se crea una interferencia constructiva y la señal se recibe con mayor intensidad que con una sola antena. Para lograr el efecto deseado de directividad adaptativa en otra dirección, como se muestra en la 2.14 derecha, se agrega un retraso al transmitir las señales en uno de los dos transmisores, cambiando así la dirección en la que se reciben en fase dos señales iguales. Para lograr el efecto de formación de haces deseado, es necesario pasar de antenas pasivas con directividad constante a matrices de antenas activas con alta directividad adaptativa para poder enfocar la señal en diferentes direcciones cuando sea necesario, según el movimiento de los satélites. Con antenas omnidireccionales, no importa dónde se encuentre el receptor, la potencia se irradia de manera uniforme en todas las direcciones. Por otro lado, con múltiples antenas, es posible crear haces enfocados en un receptor específico (obviamente, se requerirá información sobre el estado del canal). Cuando se trata de altas frecuencias y, por lo tanto, longitudes de onda pequeñas, las antenas pueden ser tan pequeñas como unos pocos milímetros en las bandas de mmWave. Para contrarrestar la atenuación de estas longitudes de onda, existen dos soluciones: aumentar el tamaño de las antenas, lo cual no parece muy útil si deseamos tener dispositivos pequeños y móviles; o utilizar una matriz de antenas pequeñas para utilizar el beamforming y enfocar el haz en la dirección deseada. En resumen, el beamforming introduce en nuestra ecuación de transmisión una ganancia de formación de haces proporcional al número de antenas que tenemos en nuestra matriz. Es decir, si tenemos M antenas omnidireccionales, tendremos una señal M veces más potente en el receptor, o alternativamente, para ahorrar energía, podemos transmitir con una potencia de 1/M. La energía que verá el receptor será la misma que al transmitir con una antena, pero el transmisor está ahorrando la energía que se transmitió en las otras 16 Capítulo 2. Marco teórico direcciones. El beamforming es muy útil para Starlink, ya que permite tener una antena muy pequeña en comparación con las antenas tradicionales usadas en comunicaciones satelitales, permite focalizar el haz hacia el satélite más cercano, facilita el handover entre satélites, ya que permite la creación de múltiples haces simultáneos. Además, por las mismas razones, también es utilizada esta técnica en las antenas del satélite. 3 Starlink: Tecnología La empresa de vuelos espaciales privados SpaceX, fundada por Elon Musk, tiene como objetivo desarrollar una constelación de satélites llamada Starlink, con el propósito de proporcionar Internet de banda ancha de alta velocidad en todo el mundo, incluso en lugares donde actualmente no se dispone de acceso completo. Starlink es actualmente la constelación de satélites más reconocida a nivel mundial. SpaceX es considerada la principal competidora de OneWeb debido al número de satélites ya lanzados, casi 2000 satélites a principios de enero de 2022 [ 10 ], y la previsión de tener la mega constelación más grande en un futuro cercano, compuesta por un total de 42.000 satélites 3.1 Descripción de la tecnología Starlink Starlink es una constelación de satélites operada por la empresa "SpaceX" que proporciona acceso a internet de banda ancha a través de la órbita satelital terrestre baja (LEO), a unos 550 km de la superficie terrestre, que promete unas velocidades que pueden alcanzar los 350/40 Mbps. Aunque Starlink ya cubre gran parte de la superficie del planeta, su cobertura aún no es global y el proyecto del lanzamiento de nuevos satélites está aún en desarrollo. Desde Noviembre de 2022, la malla de Starlink consta de unos 3000 satélites en órbita LEO que proporcionan servicio a más de 40 países de todo el mundo para un total de 500.000 suscriptores, y SpaceX planea poner el órbita 12.000 satélites más a corto plazo y 42.000 a largo plazo. Figura 3.1 Mapa de cobertura terrestre Starlink. 17 18 Capítulo 3. Starlink: Tecnología Además de las ventajas ya mencionadas en la sección anterior, las bajas latencias y el alto rendimiento son los puntos fuertes de esta nueva tecnología, y la convierten en un serio competidor de los proveedores de GEO y LEO tradicionales. Sin embargo, el hecho de que aún no haya cobertura mundial y que sea una tecnología "best-effort", es decir, que no se garanticen las velocidades, deja espacio para que la tecnología mejore y cambie a lo largo de los próximos años. Pero, ¿por qué Starlink no llegó antes? Como se ha mencionado en la sección anterior, la constelación de satélites LEO ha supuesto un desafío en el pasado. Starlink, ha introducido varios cambios y nuevas tecnologías para superar los principales obstáculos. He aquí algunos de ellos: 1. Cobertura mundial: Al planificar el lanzamiento de la fase inicial de unos 12.000 satélites y su posterior posible ampliación a 42.000, Starlink planea proporcionar cobertura global a todo el planeta utilizando la orbita LEO. SpaceX desarrolla cada año nuevos cohetes, reutilizables y de gran capacidad, para poder lanzar el enorme número de satélites previsto. 2. Antenas terminales pequeñas y planas de phase-array 1 : La tecnología Starlink utiliza antenas terminales propiedad de SpaceX, que son dirigidas electrónicamente. Estas antenas utilizan la tecnología "phased array" para formar un haz de transmisión y recepción. 3. Beamsteering: dada la naturaleza de los satélites LEO, ser visibles durante minutos en las estaciones terrestres finales es primordial para traquear los satélites y hacer el cambio a otro. Este es el punto en el que los antiguos sistemas mecánicos utilizados en entornos marítimos se vuelven obsoletos, y los nuevos sistemas de phased array beam steering marcan la diferencia, creando un sistema de traspaso de satélites fiable y sin movimientos mecánicos. 4. Enlace ópticos entre satélites: Una reciente innovación en el sistema de satélites de Starlink, a partir de la versión 1.5, han sido los enlaces ópticos entre satélites. Esta tecnología, que aún está en desarrollo. Se utilizará para comunicar los satélites en el mismo plano y en plano transversal para facilitar la conectividad a las pasarelas desde satélites sin visibilidad. Otras empresas han seguido a SpaceX en proyectos similares, como OneWeb, O3b mPOWER, o Telesat Lightspeed. 3.2 Infraestructura de Starlink Los enlaces de radiofrecuencia de Starlink funcionan de forma muy similar a como lo hacen en los sistemas GEO tradicionales, consistentes en terminales de antena de usuario final, un satélite ( o, en este caso, muchos satélites) y estaciones pasarela terrestres. 1 Una "Phased Array Antenna" (antena de matriz de fase) es un tipo especial de antena que se utiliza en aplicaciones de radiocomunicaciones, radares y otros sistemas de transmisión y recepción de señales electromagnéticas. Lo que distingue a una antena de matriz de fase de una antena convencional es su capacidad para ajustar la dirección de la radiación de la señal de forma electrónica, sin tener que mover físicamente la antena. Las antenas de matriz de fase están compuestas por una matriz de elementos radiantes individuales, como antenas de parche o elementos dipolos, que están dispuestos en una estructura plana o tridimensional. Cada uno de estos elementos radiantes puede ser controlado individualmente mediante la variación de la fase y la amplitud de la señal que se aplica a él. Esta capacidad de control individual permite que la antena de matriz de fase genere haces de radiación que se pueden dirigir y focalizar en diferentes direcciones sin necesidad de mover toda la antena físicamente. Al ajustar la fase y la amplitud de las señales en los diferentes elementos radiantes de la matriz, la antena de matriz de fase puede formar haces de radiación que se pueden orientar de manera electrónica hacia el objetivo deseado. Esto hace que las antenas de matriz de fase sean muy útiles en aplicaciones donde es necesario rastrear objetivos en movimiento o cambiar rápidamente la dirección de la radiación, como en radares de seguimiento, comunicaciones satelitales, sistemas de radar meteorológico y más. 3.2 Infraestructura de Starlink 19 Figura 3.2 Esquema de la Infraestructura de Starlink [10]. Tabla 3.1 Tabla comparativa según versión del satélite. V0.9 V1.0 V1.5 V2.0 Operación Test Operacinal Operacional Planeada Fecha de lanzamiento 05/2019 11/2019 01/2021 Planea Peso 227Kg 260Kg 295Kg 1250Kg Banda Ku Ku-Ka Ku-Ka Ku-Ka Altitud sobre la Tierra 550Km 550Km 550Km 550Km Enlaces Ópticos intersatelitales Ninguno Ninguno Sistema Láser Sistema Láser Pero, ¿hay alguna diferencia? • En el lado del cliente, Starlink proporciona antenas terminales de usuario propiedad suya (UT), llamadas también "dishy", que se apuntan electrónicamente. Las UT usan la tecnología phased array para formar el haz de transmisión y recepción en banda Ku (12-14 GHz) apuntando al satélite que provee servicio a la célula donde el terminal está localizado. • Los satélites en órbita también utilizan antenas dirigidas electrónicamente para proyectar un beam dentro de una célula y transmitir el tráfico hacia una pasarela (GW) mediante dos antenas parabólicas de banda Ka (27-40 GHz). • No todos los satélites tendrán visibilidad hacia las antenas de pasarela, por lo que existe un sistema óptico (ISL) dentro del sistema de comunicación entre satélites que permite descargar en un satélite con línea directa a la tierra, el tráfico de otro sin visibilidad hacia la pasarela. Durante las próximas secciones, recorreré los diferentes sistemas que conforman la infraestructura de Starlink para entender un poco mejor el papel que desempeñan dentro de esta tecnología novedosa. Satélites de Starlink Las especificaciones de los satélites de Starlink han cambiado desde el inicio del proyecto, pasando desde los primeros satélites de prueba Microsat-1A y Microsat-1B en 2016 hasta los últimos satélites V2.0. Centrándonos en la versión actual del satélite V1.5, podemos diferenciar algunos de los componentes más importantes mencionados en la tabla anterior. En las figuras 3.3 y 3.4 se muestra la vista por satélite: 20 Capítulo 3. Starlink: Tecnología Figura 3.3 Vista satelital de un satélite de Starlink I. Figura 3.4 Vista satelital de un satélite de Starlink II. 3.2 Infraestructura de Starlink 21 Figura 3.5 Esquema conexión entre satélites Starlink. 1. Phased-array antena, para el enlace desde el satélite al terminal de usuario. Cada satélite dispone de cuatro antenas orientadas electrónicamente (ESA) que utilizan la banda Ku, una para el enlace ascendente y tres para el enlace descendente, pudiendo proyectar cada una ocho beams 2 en dos polarizaciones (RHCP/LHCP) 3 , formando un total de cuarenta y ocho beams en enlace descendente y dieciséis en enlace ascendente en caso de que los terminales fueran capaces de transmitir en ambas polaridades. El ancho de banda máximo disponible para un enlace en banda Ku, satélite-terminal de usuario, es de 8x250Mhz canales en enlace descendente (total de 2GHz) y 8x62.5Mhz canales en enlace ascendente (total de 500MHz). 2. Antena parabólica para el enlace entre el satélite y la pasarela. Como ejemplo de la capacidad potencial del satélite que fluye a través del enlace Ka, la Comisión Federal de Comunicaciones, FCC, por sus siglas en inglés, habla de la posibilidad de trabajar con modulaciones desde BPSK a 64QAM para el enlace descendente. A 2000 MHz y 64 QAM FEC = 8/9, obtendríamos un caudal total de un satélite Starlink, 2000x2x5.11 = 20.22 Gbit/s en enlace descendente. 3. Rastreador de estrellas: Starlink ha creado un sistema de navegación personalizado que localiza las estrellas para determinar la ubicación, altitud y orientación de cada satélite. 4. Láser óptico espacial: Este sistema se está probando en estos momentos y proporciona enlaces ópticos entre satélites (ISL); que permiten la transmisión de datos entre ellos sin necesidad de estaciones terrestres, lo que reduce el número de pasarelas necesarias, y con ello, las latencias en la comunicación. 2 Un "beam" se refiere a un haz direccional de radiación electromagnética emitida o recibida por una antena. Un "beam" es un patrón de radiación que se forma cuando una antena concentra su energía en una dirección específica en lugar de radiar de manera uniforme en todas las direcciones. 3RHCP y LHCP son siglas que se utilizan para describir dos tipos de polarización circular de una señal electromagnética: a) RHCP (Right-Hand Circular Polarization): Polarización Circular a la Derecha. En una señal con polarización circular a la derecha, la componente eléctrica del campo electromagnético gira en sentido horario cuando se observa en la dirección de propagación de la onda. Esto significa que, si miras en la dirección de la señal, la componente eléctrica parece girar en un movimiento de "tornillo" en sentido horario. b) LHCP (Left-Hand Circular Polarization): Polarización Circular a la Izquierda. En una señal con polarización circular a la izquierda, la componente eléctrica del campo electromagnético gira en sentido antihorario cuando se observa en la dirección de propagación de la onda. En este caso, la componente eléctrica parece girar en un movimiento de "tornillo" en sentido antihorario cuando se mira en la dirección de la señal. 22 Capítulo 3. Starlink: Tecnología Figura 3.6 Gateway Starlink - Alicante. Figura 3.7 Satélites Starlink en Europa. 5. Sistema de propulsión iónica: Los satélites de Starlink utilizan propulsores iónicos de criptón, que permiten a los satélites elevarse en órbita, maniobrar y desorbitar al final de su vida útil. 6. Paneles solares: utilizados para alimentar el satélite mediante células solares estándar. 3.2.1 Pasarelas terrestres. Como se ha mencionado anteriormente, los satélites se comunican con un hub o pasarela terrestre, a través de unas antenas parabólicas en banda Ka. Cada pasarela terrestre suele contar con nueve antenas, situadas en base a las siguientes matrices, 3x3, 4-5 y 1x9. En estas pasarelas terrestres, típicamente hay ocho antenas activas y una se deja en espera o de repuesto. Una sola pasarela puede dar servicio a cuatro satélites. A su vez, las pasarelas se conectan a los Puntos de Presencia (POP) a través de fibras de alta capacidad, donde el tráfico se transmite a Internet. En la imagen 3.7, se puede ver señalado en rojo, dónde hay puntos de presencia terrestre o pasarelas terrestres de Starlink en el continente Europeo. 3.3 Servicio Marítimo de Starlink 23 Figura 3.8 Modelos dishy Starlink. Figura 3.9 Starlink dishy modelo Flat High Performance. 4.2.3. Antenas terminales En este momento, Starlink ofrece tres modelos de antenas con diferentes características técnicas y arquitectura: Estándar, Alto rendimiento y planas de alto rendimiento (antenas marítimas). Todos los modelos actuales, con o sin mástil, son cuadrados pese a que en el modelo inicial de Starlink, el dishy era circular. Durante este trabajo, me centraré en el modelo "Flat High Performance" o antena marítima de Starlink. La diferencia principal respecto a los demás modelos, además de la resistencia a las condiciones meteorológicas, es su orientación no motorizada, que la hace totalmente orientada electrónicamente sin motores. Dentro del dishy, además de un enorme número de componentes electrónicos utilizados para las operaciones de la antena parabólica que podemos ver en la imagen 3.10, hay algunas otras capas que no aparecen en la imagen, como la CPU principal o los módulos GPS. Se puede apreciar la gran matriz de aproximadamente 1.280 antenas hexagonales acopladas. Todas estas antenas, conforman los beams de TX y RX que se usan para transmitir y recibir datos desde y hacia el satélite, usando los fundamentos de beamforming explicado en la sección de marco teórico. Dada la naturaleza de este tipo de antenas, las características del dishy de Starlink y las implicaciones de la visibilidad de un satélite en órbita LEO, el conjunto de antenas localizadas dentro del dishy usarán beamsteering, concepto también explicado, para traquear y seguir los satélites. 3.3 Servicio Marítimo de Starlink SpaceX provee un servicio de conexión marítima a través de Starlink de baja latencia y altas velocidades. Su paquete marítimo incluye dos antenas Flat High Performance cuyas características se han descrito en la 30 Capítulo 3. Starlink: Tecnología Figura 3.21 Apartado Visibilidad App Starlink. 4 Pruebas y resultados Para el análisis de los resultados de las pruebas detalladas en esta sección, se ha hecho uso de un firewall del fabricante Fortinet con el objetivo de realizar mediciones con un equipo de enrutamiento de tráfico real, y poder comparar los resultados con las gráficas reportadas en la interfaz oficial de Starlink. La instalación de las antenas en los diferentes escenarios utilizados durante las pruebas, no cumplen con las especificaciones de Starlink con respecto a la distancia mínima desde la antena marítima a otros objetos radiantes, 4 metros. Para poder simular un escenario lo más semejante posible a una instalación en una embarcación marítima, que cuenta con un espacio más reducido para la instalación de las antenas Starlink. Para todas las pruebas se han seguido las pautas de instalación descritas en la sección "Instalación del Dishy, Router y la PSU " El modelo de la antena es Flat High Performance. El software instalado en el dishy corre la versión 42b5ab75-81b6-4908-a445-e209eb070ed3.uterm.release. La aplicación de Starlink, Software version 2.0.31 4.1 Pruebas de cable En este test se probó cambiando el cable entre la antena y la fuente de alimentación, o PSU. Este cable transporta tanto la energía para alimentar la antena como el tráfico de datos. Se plantearon los cuatro escenarios detallados a continuación con el objetivo de determinar si la medidas y características de estos cables influían en el rendimiento del servicio de Starlink. •Escenario 1: Cable CAT6A de 50 metros. •Escenario 1: Cable CAT6A de 25 metros. •Escenario 2: Cable CAT6 de 10 metros. •Escenario 4: Cable original propiedad de Starlink con una longitud de 8 metros. Para comprobar el rendimiento de la interfaz de Starlink en el firewall Fortigate, se realizaron diferentes pruebas de velocidad contra el servidor de iperf "nl.iperf.014.fr" tanto en subida como en bajada. Los resultados fueron los mostrados en la gráfica 4.1 Con un cable de 50 metros (Escenario 1), la potencia no llegaba a la antena, con lo cuál, no se pudo realizar el test de velocidad como en los demás escenarios. Además, en la interfaz oficial de la página web de Starlink, el KIT, aparecía offline y no se reportaba ninguna gráfica, tal y como muestra la figura 4.2. Conclusión: Siempre que la antena pueda recibir alimentación (con cables de hasta 25 metros de largo), no hay diferencias notables en el rendimiento. 31 32 Capítulo 4. Pruebas y resultados Figura 4.1 Gráficas resultados - Escenarios pruebas de cable. Figura 4.2 Gráfica resultados - Escenario 1. 4.2 Pruebas de Interferencias Se han realizado pruebas de interferencias con el objetivo de ver cómo afectan otras señales en diferentes bandas de frecuencia al funcionamiento del servicio de Stralink, ya que en la gran mayoría de ocasiones, las antenas Starlink son instaladas en embarcaciones que cuentan con otras antenas transmitiendo en banda Ku, Ka, o banda L, como por ejemplo, los radares de navegación. Se observaron las gráficas de los siguientes parámetros mientras se realizaban pruebas de velocidad durante varios minutos al servidor iperf.astra.in.ua via iper3; •Rendimiento del enlace descendente y ascendente •Latencia •Tasa de caída de ping •Calidad de la señal •Obstrucción. Escenario 5 Se colocaron dos antenas marítimas Starlink High-Performance una al lado de la otra con una separación de 5 centímetros y transmitiendo con potencia total. •El primer test se realizó con ambas antenas activas y transmitiendo. • El segundo test se realizó solo con la antena 1 (situada a la izquierda) encendida y la 2 (situada a la derecha) apagada para comprar si existían diferencias en el rendimiento. 4.2 Pruebas de Interferencias 33 Figura 4.3 Configuración física - Escenario 5. Figura 4.4 Gráficas Antena 1 - Escenario 5 - Test 1. Figura 4.5 Gráficas Antena 2 - Escenario 5 - Test 1. Los resultados fueron los mostrados en las gráficas 4.2 y 4.7 El rendimiento tanto del enlace descendente como del enlace ascendente es ligeramente mejor cuando se utiliza solo una antena, desconectando la antena colindante. La calidad de la señal, tasa de caída de ping y latencia permanecen igual en ambos tests. 34 Capítulo 4. Pruebas y resultados Figura 4.6 Gráficas Antena 1 - Escenario 5 - Test 2. Figura 4.7 Gráficas Fortigate - Escenario 5 - Test 1 (08:00AM) y Test 2 (08:15 AM). Se llegaron a las mismas conclusiones comprobando el rendimiento desde la interfaz del firewall Fortigate, como muestra las gráficas 4.7. Escenario 6 La configuración física de este escenario, es ligeramente diferente en los dos tests realizados anteriormente: • Test 1: Dos antenas marítimas Starlink flat High-Performance situadas sobre un pallet, con la antena 2 desconectada y ambas antenas cubiertas con un domo de una antena VSAT de banda Ku. • Test 2: Dos antenas marítimas Starlink flat High-Performance situadas sobre un pallet, con la antena 1 desconectada y antena 2 cubierta con un domo de una antena en banda Ku y dentro de él, un dispositivo 4G transmitiendo en banda UTF (1800 MHz) 4.2 Pruebas de Interferencias 35 Figura 4.8 Escenario 6 - Test 1. Figura 4.9 Escenario 6 - Test 2. Los resultados se muestran en las gráficas de la Imagen X. Con estos resultados se concluye que: • No hay una diferencia notable en el rendimiento entre ambos escenarios probados. El rendimiento, la latencia, la tasa de caída de pin, la calidad de la señal y la obstrucción permanecen con los mismos valores. • Ni el uso de domos de antenas de banda Ku ni las transmisiones en banda UHF causan ningún efecto aparente en la operación de ambas antenas. Escenario 7 En este escenario, se instaló una antena de banda Ku modelo Intellian v85NX transmitiendo a 16 W y apuntando directamente a la antena marítima Starlink Flat High-Performance, y se realizaron tests modificando la distancia entre ambas antenas, probando a separarlas 1 metro y 2 metros. Se comprobaron los resultados de ambos tests desde el lado de la interfaz del Fortigate, se muestran imagen 4.15. Escenario 8 Antena Intellian v85NX transmitiendo a 16W en banda Ku justo en el centro del del dishy de la antena Starlink Flat High-Peformance, ambas separadas por 2 metros. Escenario 9 Antena Intellian v85NX transmitiendo a 16W en banda Ku justo en el centro del dishy de la antena Starlink Flat High-Performance, separadas por dos metros, pero esta vez variando el ángulo de inclinación de la fuente de potencia en banda Ku. 36 Capítulo 4. Pruebas y resultados Figura 4.10 Gráfica resultados - Escenario 6. Figura 4.11 Configuración Escenario 7 - Antenas situadas a 1 metro una de otra. Tabla 4.1 Tabla variaciones de águlo de elevación - Escenario 9. Ángulo de Inclinación a 2 metros Calidad de la Señal (Sobre 100) Rendimiento (Mbps) -14.3 grados 0 0 -12.3 grados 0 0 -10.3 grados 0 0 -8.3 grados 25 150 -6 grados 47 250 -4 grados 76 260 -2 grados 88 275 0 grados 100 330 Con las pruebas realizados en los escenarios 7, 8 y 9 se concluyó que cuanto cuanto mayor es la incidencia de la fuente de energía en banda Ku, mayor es el impacto en el rendimiento de la antena Starlink. 4.2 Pruebas de Interferencias 37 Figura 4.12 Configuración Escenario 7 - Antenas situadas a 2 metros una de otra. Figura 4.13 Gráficas Antena - Escenario 7 - Test 1. Figura 4.14 Gráficas Antena - Escenario 7 - Test 2. 38 Capítulo 4. Pruebas y resultados Figura 4.15 Gráficas Fortigate - Escenario 7 - Tests 1 y 2. Figura 4.16 Configuración física - Escenario 8. Figura 4.17 Gráficas resultados - Escenario 8. 4.2 Pruebas de Interferencias 39 Figura 4.18 Escenario 9 . Figura 4.19 Configuración física - Escenario 10. • El rendimiento de la antena Starlink disminuye aproximadamente a la mitad, tanto en el enlace ascendente, como en el enlace descendente. Incluso llegando a pérdidas totales de tráfico. •La tasa de caída de ping y la calidad de la señal se disparó siguiendo un patrón irregular. •No se observaron picos de latencia, ni obstrucción. Escenario 10 Antena Intellian V60 en banda Ka transmitiendo justo en el centro del dishy de la antena Starlink Flat High-Performance, separadas por 2 metros. 46 Índice de Figuras 4.1 Gráficas resultados - Escenarios pruebas de cable 32 4.2 Gráfica resultados - Escenario 1 32 4.3 Configuración física - Escenario 5 33 4.4 Gráficas Antena 1 - Escenario 5 - Test 1 33 4.5 Gráficas Antena 2 - Escenario 5 - Test 1 33 4.6 Gráficas Antena 1 - Escenario 5 - Test 2 34 4.7 Gráficas Fortigate - Escenario 5 - Test 1 (08:00AM) y Test 2 (08:15 AM) 34 4.8 Escenario 6 - Test 1 35 4.9 Escenario 6 - Test 2 35 4.10 Gráfica resultados - Escenario 6 36 4.11 Configuración Escenario 7 - Antenas situadas a 1 metro una de otra 36 4.12 Configuración Escenario 7 - Antenas situadas a 2 metros una de otra 37 4.13 Gráficas Antena - Escenario 7 - Test 1 37 4.14 Gráficas Antena - Escenario 7 - Test 2 37 4.15 Gráficas Fortigate - Escenario 7 - Tests 1 y 2 38 4.16 Configuración física - Escenario 8 38 4.17 Gráficas resultados - Escenario 8 38 4.18 Escenario 9 39 4.19 Configuración física - Escenario 10 39 4.20 Gráfica resultados - Escenario 10 40 4.21 Configuración física - Escenario 11 40 4.22 Gráfica resultados - Escenario 11 41 4.23 Configuración física - Escenario 12 41 4.24 Gráfica resultados - Escenario 12 41 Índice de Tablas 3.1 Tabla comparativa según versión del satélite 19 4.1 Tabla variaciones de águlo de elevación - Escenario 9 36 47 Bibliografía [1] Iridium certus: el primer servicio de banda ancha global del mundo, https://www.verasatglobal.com/iridium-certus/, Último acceso: 07/09/2023. 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