Een technisch team van de Universiteit van Californië, San Diego, probeert de traditionele omvangrijke, mechanisch roterende paraboolantennes van satellietgrondstations te vervangen door gedistribueerde kleine vlakke antennes, wat naar verwachting de mogelijkheden voor satellietgegevensoverdracht aanzienlijk zal verbeteren en tegelijkertijd de kosten zal verlagen. Het onderzoekssysteem, genaamd "ArrayLink", werkt samen door meerdere phased array-antennes ter grootte van een laptop te distribueren op daken, communicatietorens en andere gebouwen om een ​​flexibelere en schaalbarere grondtoegangsmethode te bieden voor de steeds drukker wordende satellieten in een lage baan om de aarde.

Hoewel de satellieten zelf de afgelopen tien jaar een snelle ontwikkeling hebben doorgemaakt, waarbij ze in het verleden zijn getransformeerd van grote communicatiesatellieten van enkele tonnen naar sterk geïntegreerde, door software definieerbare kleine satellieten in een lage baan om de aarde, zit de grondinfrastructuur nog steeds grotendeels vast aan het oude model van vertrouwen op grote mechanische richtantennes. De huidige satellietcommunicatie bedient niet alleen het satellietinternet, maar ondersteunt ook belangrijke scenario's zoals mondiale positionering en navigatie, financiële transacties, weersvoorspellingen, militaire communicatie, noodhulp, luchtvaart- en scheepvaartoperaties, telegeneeskunde en aardobservatie. Het belang ervan gaat het algemene publieke bewustzijn ver te boven.

Op dit moment moet de overgrote meerderheid van de satellietgegevens nog steeds via grondstations worden 'geland' om toegang te krijgen tot het brede internet, en deze grondstations vertrouwen meestal op paraboolantennes met een diameter van ongeveer 1,8 meter of groter om 'feedlinks' met hoge versterking te bieden. Hoewel dit type antenne krachtig presteert, is hij uiterst inflexibel: elke antenne kan slechts één satelliet tegelijk volgen, en moet ook mechanisch worden gedraaid om satellieten in een lage baan om de aarde te volgen die met een snelheid van ongeveer 28.000 kilometer per uur door de lucht vliegen. Dit model is steeds meer een knelpunt geworden in de context van de proliferatie van constellaties in een lage baan.

Het onderzoeksteam vermeldde dat de mechanische rotatiesnelheid van sommige actieve satellietantennes op grondstations slechts 2 tot 5 graden per seconde bedraagt. Het overschakelen van de ene satelliet naar de andere duurt vaak enkele seconden of zelfs bijna een minuut. Gedurende deze periode bevindt het grondstation zich in de status "niet beschikbaar", waardoor de algehele doorvoercapaciteit verder wordt beperkt. Hoewel elektronisch gescande phased arrays theoretisch mechanische antennes kunnen vervangen, zijn de kosten en complexiteit van het stapelen van voldoende antenne-elementen op een enkele array om de versterking van een grote paraboolantenne te evenaren momenteel te hoog om op grote schaal te worden ingezet.

Het idee van ArrayLink is om af te zien van het "groter maken van één array" en in plaats daarvan meerdere kant-en-klare kleine phased array-panelen te gebruiken en deze als een gedistribueerd systeem te coördineren. Deze architectuur kan maximaal 16 phased array-panelen bevatten, met een distributiebereik van maximaal kilometers. Elk paneel heeft beperkte verbindingsmogelijkheden. Na uniforme coördinatie zijn de algehele prestaties echter als een "virtueel grote antenne", die qua versterking de traditionele paraboolantenne benadert.

Dinesh Bharadia, de corresponderende auteur van het artikel, wees erop dat het huidige fundamentele knelpunt bij het uitbreiden van de satellietcommunicatiecapaciteit niet langer in de ruimte ligt, maar op de grond. Dit is het kernprobleem dat ArrayLink probeert op te lossen. Hij zei dat deze oplossing de industrie kan helpen de schaal van grondstations uit te breiden tegen lagere kosten en met een hogere snelheid, en zelfs kan worden geïmplementeerd door middel van 'crowdsourcing'-implementatie: elke eigenaar of onderneming met middelen op het dak kan het systeem installeren en satellietgegevens terugsturen naar het internet.

Het is vermeldenswaard dat de innovatie van ArrayLink niet alleen ligt in het afvlakken en verspreiden van fysieke vormen, maar ook in het diepgaande gebruik van ruimtelijke kanaalkarakteristieken. Door de panelen over een groter fysiek bereik uit elkaar te spreiden, ontdekte het team dat ze konden profiteren van een effect dat 'near-field line-of-sight MIMO' wordt genoemd, om meerdere parallelle datastromen tussen dezelfde satelliet en grondstations te vormen, waardoor de doorvoer aanzienlijk wordt verbeterd.

Bij traditionele satellietverbindingen met zichtlijn "ziet" elke ontvangende antenne vaak bijna hetzelfde signaal, waardoor het moeilijk wordt om ruimtelijke multiplexing te realiseren. Wanneer de paneelafstand groot genoeg is, zullen de invallende elektromagnetische golven die door elk paneel worden waargenomen, verschillen in parameters zoals fase, waardoor het systeem meerdere onafhankelijke datastromen kan scheiden van signalen van dezelfde satelliet. Dit is in principe vergelijkbaar met de MIMO-technologie die gewoonlijk wordt gebruikt in Wi-Fi-routers en mobiele communicatienetwerken, maar wordt versterkt tot op satellietschaal.

Volgens de simulatieresultaten van het team kan ArrayLink maximaal vier ruimtelijk parallelle datastromen ondersteunen op een transmissieafstand van honderden kilometers, en nog steeds twee datastromen op een afstand van meer dan 2.000 kilometer. Onderzoekers zeggen dat, vergeleken met traditionele paraboolantennesystemen met één stroom, de totale doorvoer van deze architectuur naar verwachting zal worden verhoogd tot ongeveer drie keer.

ArrayLink demonstreert ook een onconventioneel vermogen: het kan niet alleen energie concentreren in de hoekdimensie, maar ook een "vaste puntlevering" van energie in de afstandsdimensie bereiken. Traditionele antennes regelen voornamelijk de richting van de bundel door de richthoek te veranderen, terwijl ArrayLink de geconcentreerde locatie van energie in zowel hoek- als radiale dimensies nauwkeurig kan regelen, wat naar verwachting de interferentie met andere satellietsystemen in complexe orbitale omgevingen zal verminderen.

Dit systeem blijft niet op papier staan. Het onderzoeksteam heeft hardware-experimenten buitenshuis uitgevoerd onder zichtomstandigheden met behulp van phased array-antennes en softwareradioplatforms in de 27GHz-frequentieband. De gemeten gegevens komen in hoge mate overeen met de theoretische analyse- en simulatieresultaten, die tot op zekere hoogte het belangrijkste fysieke mechanisme achter het schema verifiëren.

Vanuit een technisch implementatieperspectief legt ArrayLink ook de nadruk op bruikbaarheid en implementeerbaarheid. Het ontwerp is gebaseerd op in de handel verkrijgbare phased array-hardware. Deze apparaten zijn vergelijkbaar met de huidige in massa geproduceerde antennes voor satelliet-internetterminals, waardoor de noodzaak om te vertrouwen op dure en sterk op maat gemaakte "laboratoriumspecifieke" apparatuur wordt vermeden, waardoor er een haalbaar pad overblijft voor toekomstige grootschalige inzet.

Het team stelde ook een heel praktisch idee voor: om dit type array rechtstreeks op de bestaande 5G-basisstationtoren te installeren, zodat deze "parttime" kan fungeren als satellietgrondstation met behoud van de oorspronkelijke cellulaire communicatiefunctie. Omdat deze torenstations zelf basisvoorwaarden hebben zoals stroomvoorziening, glasvezel-backhaul en locatie-leasing, zullen de marginale kosten van de gesuperponeerde inzet van ArrayLink veel lager zijn dan die van nieuwe speciale grondstations, wat naar verwachting de uitbreiding van de mondiale satelliettoegangsinfrastructuur zal versnellen.

Momenteel bevindt ArrayLink zich nog in de experimentele onderzoeksfase en heeft de end-to-end verificatie op echte satellieten in een baan om de aarde nog niet afgerond. Het onderzoeksteam blijft het systeemontwerp optimaliseren en onderzoeken hoe technische uitdagingen kunnen worden opgelost, zoals gecoördineerde controle, bediening en onderhoudsbeheer, en compatibiliteit met bestaande satellietnetwerkarchitecturen bij grootschalige implementaties.

Vanuit het perspectief van de industrie is het, nu het aantal constellaties in een lage baan blijft stijgen en de mogelijkheden van satellieten blijven toenemen, vrijwel onvermijdelijk dat de architectuur van de grondstations gedwongen zal worden om te verschuiven van ‘weinig maar verfijnde’ grote locaties naar een nieuw paradigma van ‘multi-point distributie en flexibele expansie’. Als een gedistribueerde, op phased array gebaseerde oplossing zoals ArrayLink doorbraken kan bewerkstelligen op het gebied van kosten, betrouwbaarheid en standaardisatie, wordt verwacht dat deze een haalbare nieuwe infrastructuurvorm zal bieden voor toekomstige mondiale satellietcommunicatienetwerken.