NASA збирається побудувати на Місяці першу мережу стільникової телефонії. Це одразу буде LTE, яку планують добудувати до 5G. Аби розібратися, чому аерокосмічна адміністрація обрала саме такий формат, згадаймо, як узагалі розвивався мобільний зв’язок.
Як «розмовляли» екіпажі Apollo
У 60–70 роках XX століття на Місяць літали американські екіпажі. Вони підтримували зв’язок із Землею, використовуючи радіостанції. Але це зовсім не те саме, що мобільний телефон. Недарма перша портативна рація «уокі-токі» з’явилася ще 1940 року, а перші мобільні телефони стали доступними на ринку аж на початку 1970-х — приблизно тоді, коли польоти на Місяць за програмою Apollo припинилися.
Для того, щоб зрозуміти суть проблеми, варто звернутися до нащадків «уокі-токі», якими досі користуються, наприклад, охоронці в супермаркетах. Теоретично для зв’язку достатньо лише двох рацій, бо у кожній із них є приймач і передавач сигналу. Але на відстані у кілька сотень метрів зв’язок починає дуже швидко зникати. І антена, і джерело живлення на ручній рації слабкуваті.
Проте це завдання легко вирішується встановленням базової станції, яка матиме більш потужні приймач і передавач, і розташовуватиметься десь посеред зони, яку треба забезпечити радіозв’язком. При передачі повідомлення сигнал спочатку надходить від рації до базової станції, а потім передається базовою станцією на інші рації. Астронавти на Місяці саме так і спілкувалися між собою, адже базова станція була розташована в місячному модулі.
Перше покоління мобільних телефонів
Якщо кілька базових станцій установити на необхідній для обміну сигналом відстані, то теоретично можна було б на базі «уокі-токі» побудувати мережу мобільного зв’язку. Але насправді цей фокус не вдасться. І річ навіть не в тім, що треба говорити «прийом» і перемикати туди-сюди приймач і передавач (це необхідно тільки для економії заряду). Для забезпечення струмом базових станцій хіба що знадобиться потужна батарея.
Саме батарея займала більшу частину тієї «цеглини», з якої було здійснено перший дзвінок у мобільній мережі 1973 року.
Значно складнішою є проблема, що рація працює у чітко визначеному діапазоні частот і всі сигнали, які у цьому діапазоні передаються, приймаються абсолютно всіма абонентами. Якщо десять абонентів одночасно говорять на одній довжині хвилі, то всі вони чують те, що не мали б чути й не чують те, що хотіли б. Частково цю проблему вирішили ще у добу радіостанцій, забезпечивши їх можливістю працювати на різних частотах. Достатньо двом абонентам просто перемкнутися на інший діапазон — і вони вже отримали приватну розмову.
Саме за таким принципом і працювала перша мобільна мережа. Для неї просто виділили достатньо широку смугу радіопередач на частоті 800 МГц і приєднали до базової станції пристрій, який називався її ядром і під час виклику одним абонентом іншого виділяв на час цього дзвінка й тільки для цих двох абонентів вузьку смугу в цьому діапазоні частот. Такий аналоговий зв’язок, який, по суті, є модифікованим за допомогою рацій, зараз має назву мобільного зв’язку першого покоління, або 1G. Важко повірити, але використовувалося це покоління усі 70-ті та 80-ті роки, а останні його мережі взагалі були демонтовані лише наприкінці 2000-х.
Цифровий мобільний зв’язок
Перше покоління апаратури мобільного зв’язку було аналоговим. Це означало, що за його допомогою можна передавати тільки звук. Звук — коливання повітря, які перетворюються на електромагнітні хвилі. Таке передавання несе мало інформації за одиницю часу, але при цьому потребує великої потужності та широкої смуги радіохвиль. У 1980-х роках люди навчилися передавати за допомогою радіосигналів двійковий код і виявили, що робити це набагато легше, ніж передавати звукові коливання. Постало питання розробки цифрового мобільного зв’язку, побудованого на перетворенні звукових коливань у двійковий сигнал і передачі їх вже у цифровому вигляді. Але перед тим, як розповісти про цифровий зв’язок, варто внести деякі уточнення. Слід розрізняти покоління мобільного зв’язку та його стандарти. Покоління — це умовна сукупність різних стандартів зв’язку, яка відображає певний рівень розвитку технологій і технічних підходів до вирішення проблем. Стандарти — це конкретні технічні схеми, на яких будуються мережі. Вони можуть відрізнятися частотою, конструкцією, кодуванням тощо.
Так от, на момент, коли у 1988 році почали розробляти цифровий мобільний зв’язок, свій стандарт аналогового зв’язку (AMPS) використовувався у США, в Японії був власний стандарт NTT, а в Європі взагалі діяла низка стандартів. Відмовитися повністю від аналогових технологій було просто неможливо. Тому друге покоління мобільного зв’язку було гібридним, тобто підтримувало і цифрові, й аналогові канали, через що його ефективність була низькою.
Проте саме завдяки 2G-зв’язку з’явилася така звична усім штука, як SMS. А європейський «зоопарк» стандартів удалося об’єднати в єдиний аналогово-цифровий стандарт GSM. І якщо хтось ще пам’ятає старі телефони, то в Україні усі вони були саме цього стандарту.
На шляху до 3G
Усі технічні можливості для створення повністю цифрової мобільної мережі були створені одночасно із 2G ще на початку 1990-х років. Але розгортання таких мереж затягнулося до середини 2000-х. За цей час розробники зрозуміли, що цифрові дані можна досить легко стискати та пересилати пакетами. Саме так за допомогою мобільного телефону вперше стало можливим пересилання зображення та відео, без чого ми сучасний мобільний зв’язок не уявляємо, але чого не могли собі уявити астронавти Apollo. Технологія називалася GPRS, і саме за її допомогою спочатку відкривалися сайти на телефоні.
Якщо передавати переговори у вигляді кодованого цифрового сигналу, то з’являється ще одна можливість. Можна скільки завгодно накладати розмови одна на одну — все одно з цифрового шуму, який утворюється на частоті, потрібну розмову можна легко вичленити за допомогою того самого коду. Так з’явилася технологія СDMA, на якій базується вся 3G-телефонія. Полягає вона у тому, що можна повністю відмовитися від розділення каналів і просто присвоювати кожній розмові свій унікальний код.
Тут треба уточнити, що існують стандарт CDMA і технологія CDMA, на якій базуються інші стандарти зв’язку третього покоління, зокрема UMTS, який зараз і застосовується в Україні під назвою 3G. Варто зауважити, що CDMA як стандарт у нас теж використовувався, але він американський і вже повністю витіснений європейським UMTS.
Що таке LTE?
От власне з цього моменту і починається розповідь про мережу LTE, яку збираються будувати на Місяці. LTE — це один зі стандартів наступного, четвертого покоління зв’язку, яке насправді вже років десять як впроваджується в різних країнах. Усі переходи між поколіннями досі головним чином проявлялись у тому, що через мобільний пристрій ставало можливим передавати дедалі більший обсяг інформації за рахунок того, що розробники завжди викидали щось зайве.
Цього разу зайвим виявився сам виділений канал зв’язку між двома абонентами. По суті, електронна система зв’язку нічим не відрізняється від комп’ютерної мережі. А в сучасних комп’ютерних мережах жодних подібних каналів немає. Замість цього вся інформація передається виключно пакетами даних, які потрапляють на сервер, а далі прямують відповідно до унікального ідентифікатора абонента, якому вони призначені — IP. Отже, всі покоління мобільних телефонів були переходом від принципів роботи рації до принципів роботи комп’ютерної мережі.
Мобільна мережа для NASA
І саме таку систему за дорученням NASA збирається випробувати на Місяці компанія Nokia. По суті, вони збираються запустити туди базову станцію-сервер. Ця подія запланована на 2024 рік у межах місії тестового посадкового модуля IM-2, що є частиною нової програми дослідження супутника нашої планети. Станція буде випробувана на невеликому місяцеході, оснащеному приймачем і передавачем 4G для передавання зібраних наукових даних. Пізніше поруч із базовим модулем буде розгорнута станція, на якій працюватимуть астронавти. Вони теж використовуватимуть мобільний зв’язок.
Варто зауважити, що проєкт місячного мобільного зв’язку пов’язаний із низкою проблем. Перша з них — це електромагнітне випромінювання, яке на Місяці не стримується ані магнітним полем, ані атмосферою. Звичайну електроніку таке випромінювання виводить із ладу достатньо легко, тому в космічних програмах використовують або більш примітивні пристрої, не такі чутливі до електромагнітних полів і радіації, або захищену техніку. Але сюрпризів у цьому плані немає: всі властивості космічного простору непогано вивчені, тож інженери знають, що треба робити, щоб електроніка не вийшла з ладу. Тим більше що Nokia вже провела випробування у герметичній камері, яка відтворює всі місячні умови.
5G на супутнику Землі
Інша проблема, яку доведеться вирішувати на Місяці — це велике споживання енергії базовою станцією. На Землі ми цієї проблеми не відчуваємо, бо енергії у нас вдосталь і ми можемо вільно її спрямовувати вусібіч у вигляді радіохвиль. На Місяці електроенергію доведеться заощаджувати, тому нарощувати потужність мобільної мережі, споруджуючи нові базові станції традиційної конструкції, не варто.
Проте інженери вже знайшли вихід. На допомогу може прийти мережа п’ятого покоління. На відміну від попередників, 5G спрямована не на збільшення пропускної здатності мережі, а на підвищення її ефективності. З погляду передавання сигналу все залишається так, як і у 4G. Але замість однієї потужної станції, що покриває десятки кілометрів, можна застосувати багато дрібних станцій, які мають покриття усього кілька сотень метрів, однак і споживання енергії у них значно скромніше. У пригоді тут також можуть стати експерименти з діаграмою направленості антен цих станцій. Замість того, щоб випромінювати енергію вусібіч, планується спрямовано випромінювати її на інші пристрої й завдяки цьому побудувати дійсно енергоефективну систему.
Звичайно, все перелічене стане реальністю лише за умови, що NASA підготує свій тестовий базовий модуль, а потім зможе здійснити успішний пуск і посадку на Місяць. США вже понад десять років планують повернутися на природний супутник Землі. Востаннє модуль Apollo перебував на його поверхні майже 50 років тому. Але загалом на перспективу створення мобільного зв’язку та інтернету на Місяці варто дивитися з оптимізмом.
Автор: кандидат технічних наук Олександр Бурлака
Ця стаття була опублікована у №5 (186) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
