Category: Harrastukset

Ukrainan sodan Starlinkille tuoman julkisuuden ja Starlinkin yleisen keskustelun lisäännyttyä sekä saatavuuden parantuminen suomessa on lisännyt suuresti kiinnostusta Starlinkkiä kohtaan, mutta miten Starlink oikeasti toimii?

Yleistä Starlinkistä

Starlink on amerikkalaisen SpaceX yhtiön kehittämä satelliitti-internetjärjestelmä. Ensimmäiset 60 Starlink sateliittia laukaistiin toukokuussa 2019 jonka jälkeen tämän artikkelin kirjoitukseen mennessä niitä on laukaistu yli 3000 kappaletta. Satelliitit kiertävät LEO (Low Earth Orbit) eli matalalla kiertoradalla joka kattaa avaruuden n. 160km:stä aina 2000km asti. Starlink satelliitit kiertävät n.550km korkeudella maan pinnalta. Starlink yhtiö myy päätelaitetta tällähetkellä suomessa hieman vajaan 600e hintaan kuukausimaksun ollessa 85€. Tällä päästään tällähetkellä suomessa Speedtestillä mitattuna n. 150Mbit/s lataus ja 15Mbit/s lähetys nopeuteen n. 70ms latenssilla. Katkoja on kuitenkin vielä ajoittain.

Miten Starlink toimii

Starlink kätkee taakseen valtavan määrän tekniikka. Seuraavassa esittelen kattavan paketin tietoa linkkeineen tähän insinööripornon taivaaseen.

Aiheesta löytyy paljon englanninkielistä materiaalia, en ole tehnyt tähän systemaattista tietellistä referenssilinkitystä, mutta pyrin tuomaan kuitenkin esille jollakin tavalla miten päätelmiini olen päätynyt. Yksi parhaista ja ehdottomasti suositeltava on n. 30min Branch Educationin video “How does Starlink Satellite Internet Work?”.

Koitan lyhyesti jäsennellä suomeksi tärkeimpiä asioita.

Starlink paketin sisältö

Paketin mukana tulee lautanen joka ei ole ollenkaan verrattavissa esim. satelliitti TV lähetysten vastaanotossa käytettäviin lautasiin. Tukiasema sekä 2 johtoa. Järjestelmä saa virtansa tukiaseman kautta ja lautanen kytketään paksulla pitkällä johdolla tukiasemaan. Järjestelmästä on saatavilla myös huomattavasti kalliimpi ns. pro versio.

Miksi starlink tekniikka on hyvin monimutkainen

Satelliitit liikkuvat LEO kiertoradalla hyvin nopeasti, 27000km/h. Tämä tarkoittaa että poiketen esim. GEO radalla oleviin TV satelliitteihin jotka käytännössä kelluvat avaruudessa paikallaan maasta katsottuna, Starlink satelliitit vilistävät vauhdilla maasta katsottuna. Oheisesta satelliittikartasta voi tarkastella Starlink satelliittien paikkoja. Toinen kartta josta voi yleisesti ottaen tarkastella avaruudessa olevia ihmisen lähettämiä kohteita (satelliitteja) on LEO Visualization kartta. Kun yhden maantieteellisen kohteen päällä on 0-monta Starlink satelliittia jotka ovat lautasen nähtävissä vain lyhyen aikaa (noin 4 minuuttia / sateliitti), on tekiikan tuettava tätä mahdollistaakseen yhteyden satelliittien ja päätelaitteen välillä. On myös huomoitavaa että Satelliitti TV vastaanotossa vain vastaanotetaan signaalia, kun taas Starlink yhteyden on oltava kaksisuuntainen ja pystyttävä lähettämään signaali tarkasti 550km päähän. Lisäksi tiedonsiirtonopeuden on oltava riittävän suuri ja tekniikan mahdollistettava järjestelmän laajentuminen ja nopeat yhteydet useille käyttäjille samalla geologisella alueella yhtäaikaa, luo tämä tekniikalle valtavat haasteet.

Starlink yhteyden perustekniikka

Kun starlink otetaan käyttöön, lautanen kääntää itseään jalustalla moottorien avulla oikeaan asentoon. Tämä on kuitenkin vain aloitustoimenpide joka tehdään kerran jonka jälkeen lautanen pysyy aina samassa fyysisessä asennossa. Lautanen koostuu monesta eri kerroksesta. Lautasen sisällä on itseasiassa valtava määrä elektroniikkaa mm. 1280kpl itsenäisiä antenniyksikköä. Tämä on kuvattu BE:n videossa 3m45s kohdalla. Antenni on ns. Aperture Coupled Patch Antenna (en yritä kääntää suomeksi) ja käytössä on ympyräpolarisaatio. Yksi antenniyksikkö koostuu mikroprosessoriohjatusta antennista jota ohjataan amplitudi sekä vaihemodulaatiolla QAM64 mahdollistaen 6 bitin lähetyksen kerralla. Samalla antennilla voidaan hoitaa sekä lähetys että vastaanotto ohjaamalla mikroprosessorilla tämä tapahtumaan vuorotellen. Vastaanottotaajuus on 11.7GHz ja vastaanottotaajuus 13GHz. Antennin fyysisillä mitoilla on normaaliin tapaan suodatettu vain nämä taajuudet käsiteltäviksi.

Vahvistus sekä suuntaavuus

Miten paikallaan olevaan antenniin tehdään riittävä suuntaavuus seuraamaan satelliittia sekä riittävä vahvistus jotta vastaanotettava signaali ja lähetettävä signaali saadaan kantamaan 550km päähän. Vahvistus tehdään beamforming tekniikalla. 1280 antennia on pakattu n. puolen metrin alueelle vieriviereen. Yksittäinen patch antenni on eteenpäin ympärisäteilevä, ei ehkä 180astetta mutta lähes. Tarkasti vaiheistamalla jokainen yksittäinen antenniyksikkö saadaan näillä kuitenkin muodostettua kantotaajuuden huippujen osalta keila siten että kaikkien kantoaaltojen huippu on samassa kohtaan. Tätä on hieman kuvattu ao. kuvassa vaikka se ei täysin kuvaakkaan tilannetta. Oheisessa kuvassa on 8 antennia vierekkäin ja näistä on piirretty ympyrän muotoisia lähteviä säteitä. Jos nämä ohjataan antennin edessä olevalla vaihesiirrolla tarkasti ja lähetetään sama signaali kaikilla antenneilla, näiden kaikkien vahvistettu ja yhtenevä signaali on sinisen nuolen osoittamassa kohdassa. Kuitenkin kun tämä tehdään Starlinkin 1280 antennilla, on voimakkuus itseasiassa n. 3 kertainen antennien lukumäärään nähden.

Suuntaavuus toteutetaan vastaavalla tavalla kun oheisessa kuvassa on toteutettu 1D (ylä ala) suuntaus. Kun starlinkin antennit ovat 2D eli tasossa, voidaan sekä X että Y suuntaa ja jokaista 1280 antennia vaiheistaa erikseen. Toteuttamalla tarkka vaiheistus, saadaan signaali suunnattua joka suuntaan.

Loppukommentit

Jos tämän lukeminen herätti mielenkiinnon, suosittelen tutustumaan ainakin tuohon BE:n videoon jonka voi tarvittaessa katsoa vaikka 1.5x nopeudella ajan säästämiseksi. Kyseisellä videolla on selitetty yksinkertaisesti monta tekniikkaa kuten 64QAM ym. ja video on vielä visuaalisesti valtavan hieno.