4G в космосе: как будет работать мобильная связь на Луне

NASA собирается построить на Луне первую сеть сотовой телефонии. Это сразу будет LTE, которую планируют достроить до 5G. Чтобы разобраться, почему аэрокосмическая администрация выбрала именно такой формат, вспомним, как вообще развивалась мобильная связь.

Как «разговаривали» экипажи Apollo

В 60–70 годах XX века на Луну летали американские экипажи. Они поддерживали связь с Землей, используя радиостанции. Но это совсем не то же самое, что мобильный телефон. Недаром первая портативная рация «уоки-токи» появилась еще в 1940 году, а первые мобильные телефоны стали доступны на рынке только в начале 1970-х — примерно тогда, когда полеты на Луну по программе Apollo прекратились.

Астронавты Apollo на Луне

Для того чтобы понять суть проблемы, стоит обратиться к потомкам «уоки-токи», которыми до сих пор пользуются, например, охранники в супермаркетах. Теоретически для связи достаточно всего двух раций, потому что в каждой из них есть приемник и передатчик сигнала. Но на расстоянии в несколько сотен метров связь начинает очень быстро исчезать. И антенна, и источник питания на ручной рации слабоваты.

Однако эта задача легко решается установкой базовой станции. Она будет иметь более мощные приемник и передатчик, и будет располагаться где-то посреди зоны, которую надо обеспечить радиосвязью. При передаче сообщения сигнал сначала поступает от рации к базовой станции, а затем передается базовой станцией на другие рации. Астронавты на Луне именно так и общались между собой, ведь базовая станция была расположена в лунном модуле.

Первое поколение мобильных телефонов

Если несколько базовых станций установить на необходимом для обмена сигналом расстоянии, то теоретически можно было бы на базе «уоки-токи» построить сеть мобильной связи. Но на самом деле этот фокус не удастся. И дело даже не в том, что надо говорить «прием» и переключать туда-сюда приемник и передатчик (это необходимо только для экономии заряда). Для обеспечения током базовых станций разве что потребуется мощная батарея.

Первый мобильный телефон

Именно батарея занимала большую часть того «кирпича», с которого был осуществлен первый звонок в мобильной сети 1973 года.

Значительно более сложной является проблема, что рация работает в четко определенном диапазоне частот и все сигналы, которые в этом диапазоне передаются, принимаются абсолютно всеми абонентами. Если десять абонентов одновременно говорят на одной длине волны, то все они слышат то, что не должны были бы слышать и не слышат то, что хотели бы. Частично эту проблему решили еще в эпоху радиостанций, обеспечив их возможностью работать на разных частотах. Достаточно двум абонентам просто переключиться на другой диапазон — и они уже получили частный разговор.

Именно по такому принципу и работала первая мобильная сеть. Для нее просто выделили достаточно широкую полосу радиопередач на частоте 800 МГц и присоединили к базовой станции устройство, которое называлось ее ядром и при вызове одним абонентом другого выделяло на время этого звонка, и только для этих двух абонентов, узкую полосу в этом диапазоне частот. Такая аналоговая связь, которая, по сути, является модифицированной с помощью раций, сейчас называется мобильной связью первого поколения, или 1G. Трудно поверить, но использовалось это поколение все 70-е и 80-е годы, а последние его сети вообще были демонтированы только в конце 2000-х.

Цифровая мобильная связь

Первое поколение аппаратуры мобильной связи было аналоговым. Это означало, что с его помощью можно передавать только звук. Звук — колебания воздуха, которые преобразуются в электромагнитные волны. Такая передача несет мало информации за единицу времени, но при этом требует большой мощности и широкой полосы радиоволн. В 1980-х годах люди научились передавать с помощью радиосигналов двоичный код и обнаружили, что делать это гораздо легче, чем передавать звуковые колебания. Встал вопрос разработки цифровой мобильной связи, построенной на преобразовании звуковых колебаний в двоичный сигнал и передачи их уже в цифровом виде. Но перед тем, как рассказать о цифровой связи, стоит внести некоторые уточнения. Следует различать поколения мобильной связи и ее стандарты. Поколение — это условная совокупность различных стандартов связи, которая отражает определенный уровень развития технологий и технических подходов к решению проблем. Стандарты — это конкретные технические схемы, на которых строятся сети. Они могут отличаться частотой, конструкцией, кодированием и т.д.

Типы разделения каналов в мобильной связи

Так вот, на момент, когда в 1988 году начали разрабатывать цифровую мобильную связь, свой стандарт аналоговой связи (AMPS) использовался в США, в Японии был собственный стандарт NTT, а в Европе вообще действовал ряд стандартов. Отказаться полностью от аналоговых технологий было просто невозможно. Поэтому второе поколение мобильной связи было гибридным, то есть поддерживало и цифровые, и аналоговые каналы, из-за чего его эффективность была низкой.

Однако именно благодаря 2G-связи появилась такая привычная всем штука, как SMS. А европейский «зоопарк» стандартов удалось объединить в единый аналогово-цифровой стандарт GSM. И если кто-то еще помнит старые телефоны, то в Украине все они были именно этого стандарта.

На пути к 3G

Все технические возможности для создания полностью цифровой мобильной сети были созданы одновременно с 2G еще в начале 1990-х годов. Но развертывание таких сетей затянулось до середины 2000-х. За это время разработчики поняли, что цифровые данные можно достаточно легко сжимать и пересылать пакетами. Именно так с помощью мобильного телефона впервые стала возможной пересылка изображения и видео, без чего мы современную мобильную связь не представляем, но чего не могли себе представить астронавты Apollo. Технология называлась GPRS, и именно с ее помощью изначально открывались сайты на телефоне.

Если передавать переговоры в виде кодированного цифрового сигнала, то появляется еще одна возможность. Можно сколько угодно накладывать разговоры друг на друга — все равно из цифрового шума, который образуется на частоте, нужный разговор можно легко вычленить с помощью того самого кода. Так появилась технология СDMA, на которой базируется вся 3G-телефония. Заключается она в том, что можно полностью отказаться от разделения каналов и просто присваивать каждому разговору свой уникальный код.

Здесь надо уточнить, что существуют стандарт CDMA и технология CDMA, на которой базируются другие стандарты связи третьего поколения, в частности UMTS, который сейчас и применяется в Украине под названием 3G. Стоит заметить, что CDMA как стандарт у нас тоже использовался, но он американский и уже полностью вытеснен европейским UMTS.

Что такое LTE?

Вот собственно с этого момента и начинается рассказ о сети LTE, которую собираются строить на Луне. LTE — это один из стандартов следующего, четвертого поколения связи, которое на самом деле уже лет десять как внедряется в разных странах. Все переходы между поколениями до сих пор главным образом проявлялись в том, что через мобильное устройство становилось возможным передавать все больший объем информации за счет того, что разработчики всегда выбрасывали что-то лишнее.

На этот раз лишним оказался сам выделенный канал связи между двумя абонентами. По сути, электронная система связи ничем не отличается от компьютерной сети. А в современных компьютерных сетях никаких подобных каналов нет. Вместо этого вся информация передается исключительно пакетами данных. Они попадают на сервер, а далее следуют в соответствии с уникальным идентификатором абонента, которому они предназначены — IP. Итак, все поколения мобильных телефонов были переходом от принципов работы рации к принципам работы компьютерной сети.

Мобильная сеть для NASA

И именно такую систему по поручению NASA собирается испытать на Луне компания Nokia. По сути, они собираются запустить туда базовую станцию-сервер. Это событие запланировано на 2024 год в рамках миссии тестового посадочного модуля IM-2, что является частью новой программы исследования спутника нашей планеты. Станция будет испытана на небольшом луноходе, оснащенном приемником и передатчиком 4G для передачи собранных научных данных. Позже рядом с базовым модулем будет развернута станция, на которой будут работать астронавты. Они тоже будут использовать мобильную связь.

Лунная миссия, тестирующая LTE-связь (концепт)

Стоит заметить, что проект лунной мобильной связи имеет ряд проблем. Первая из них — это электромагнитное излучение, которое на Луне не сдерживается ни магнитным полем, ни атмосферой. Обычную электронику такое излучение выводит из строя достаточно легко, поэтому в космических программах используют либо более примитивные устройства, не такие чувствительные к электромагнитным полям и радиации, либо защищенную технику. Но сюрпризов в этом плане нет: все свойства космического пространства неплохо изучены, так что инженеры знают, что надо делать, чтобы электроника не вышла из строя. Тем более что Nokia уже провела испытания в герметичной камере, которая воспроизводит все лунные условия.

5G на спутнике Земли

Другая проблема, которую придется решать на Луне — это большое потребление энергии базовой станцией. На Земле мы этой проблемы не испытываем, так как энергии у нас достаточно и мы можем свободно ее направлять во все стороны в виде радиоволн. На Луне электроэнергию придется экономить, поэтому наращивать мощность мобильной сети, сооружая новые базовые станции традиционной конструкции, не стоит.

Однако инженеры уже нашли выход. На помощь может прийти сеть пятого поколения. В отличие от предшественников, 5G направлена не на увеличение пропускной способности сети, а на повышение ее эффективности. С точки зрения передачи сигнала все остается так же, как и в 4G. Но вместо одной мощной станции, покрывающей десятки километров, можно применить много мелких станций, которые имеют покрытие всего несколько сотен метров, однако и потребление энергии у них значительно скромнее. Пригодиться здесь также могут эксперименты с диаграммой направленности антенн этих станций. Вместо того чтобы излучать энергию во все стороны, планируется направленно излучать ее на другие устройства и благодаря этому построить действительно энергоэффективную систему.

Конечно, все перечисленное станет реальностью только при условии, что NASA подготовит свой тестовый базовый модуль, а затем сможет осуществить успешный пуск и посадку на Луну. США уже более десяти лет планируют вернуться на естественный спутник Земли. Последний раз модуль Apollo находился на его поверхности почти 50 лет назад. Но в целом на перспективу создания мобильной связи и интернета на Луне стоит смотреть с оптимизмом.

Автор: кандидат технических наук Александр Бурлака

Эта статья была опубликована в №5 (186) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.