Satellitter der er tættere på

En oplagt løsning er at bruge satellitter med en meget lavere bane. De såkaldte LEO-satellitter – hvor LEO står for Low Earth Orbit – opererer i en højde mellem 500 og 2000 km over Jordens overflade. Her tager kommunikation fra jordoverfladen til en satellit kun cirka to millisekunder, hvilket gør det brugbart til applika­tioner, der kræver hurtig reaktionstid – det vil sige, hvor data skal transmitteres med en hastighed under 100 millisekunder. Til gengæld dækker LEO-satellitter et meget mindre område og bevæger sig hurtigt i forhold til Jorden. Derfor kræver en global kommunikations-infrastruktur i en lav bane omkring Jorden en større gruppe satellitter, som nøje er organiseret til at opfylde bestemte formål. Sådanne grupper kaldes satellitkonstellationer.

Lige nu er private virksomheder som SpaceX, OneWeb, Amazon, Kepler, Telesat, Inmarsat og Iridium ved at designe og implementere satellitkonstellationer, hver med sine egne specifikke mål og applikationer i tankerne. Nogle af disse nye konstellationer indeholder et par hundrede eller endda tusinder af satellitter og falder derfor i kategorien megakonstellationer.

Flere veje fra satellit til nettet

At være i stand til at tilbyde global dækning er kun en af forudsætningerne for at tilbyde global forbindelse til internettet. Dækningen af en satellitkonstellation er normalt defineret som det område, hvor et apparat på Jorden kan kommunikere med en satellit. Men dette tager som sådan ikke hensyn til, hvor mange enheder, der kan understøttes af satellitterne – og mere vigtigt; heller ikke til, hvor meget data, konstellationen kan transmittere, og hvorhen det kan transmitteres uden at skulle igennem infrastruktur på Jorden som kabler og basisstationer.

Hvis man for eksempel har en IoT-enhed, som sender data, der skal lagres i en cloudserver, som ikke er indenfor satellittens dækningsområde, er der forskellige ting, satellitten kan gøre for at levere disse data. Den kan for eksempel gemme data og vente, indtil destinationen er indenfor rækkevidde. Denne tilgang har den ulempe, at dataene skal gemmes i op til flere timer, før de kan leveres.

En anden mulighed er at overføre data til en nærliggende basisstation. Dette kræver et tæt netværk af jordbaseret infrastruktur, som muligvis ikke vil være tilgængelig i fjerntliggende områder.

En tredje mulighed er at overføre dataene til andre satellitter i konstella­tionen, hvilket minimerer brugen af infrastruktur på Jorden med det mål at minimere leveringstiden. Teknologien til at transmittere data fra satellit til satellit er endnu ikke moden, men to realistiske muligheder er enten at benytte radiobølger i området 20 til 30 GHz eller optisk kommunikation ved hjælp af lasere. Bemærk, at kun ved at implementere direkte kommunikation mellem satellitter, vil man kunne opnå fuldt forbundne og autonome satellitkonstellationer, som vil kunne have samme egenskaber som et kernenetværk på Jorden.

Masser af teknologiske udfordringer

Der er mange tekniske udfordringer, der skal løses for at opnå effektiv kommunikation med LEO-satellitter.

En af udfordringerne er, hvordan man bedst organiserer kommunikationsforbindelserne mellem de enkelte satellitter i konstellationen. Mens bevægelsen af konstellationen er helt forudsigelig, er der ikke noget enkelt svar på, hvilken konfiguration der er optimal på et givet tidspunkt. Og der findes i øvrigt heller ikke endnu en algoritme, der kan løse det problem. Derfor må vi for nuværende arbejde med ikke-optimale løsninger. Når først der er etableret links mellem satellitterne er det også en stor udfordring at finde ruter for strømmen af data.

En anden udfordring er, hvordan satellitterne skal kommunikere med IoT-enhederne. Selv med LEO-satellitter udgør den begrænsede sendekraft for IoT-enhederne et problem med at nå satellitterne. Det kan betyde, at ekstra udstyr bliver nødvendigt for enten at gøre forbindelsen mulig eller simpelthen at reducere energiforbruget af IoT-enhederne.
En tredje udfordring er, hvilken antenneteknologi satellitterne skal udstyres med. For at modvirke den lange sendeafstand, må de elektromagnetiske bølger fra en antenne koncentreres i den ønskede retning. Af samme grund må antenner også meget præcist pege i den rigtige retning – ligesom hvis det var en laser. Da satellitten bevæger sig med 7,5 km i sekundet i forhold til et punkt på jordoverfladen, må antennernes retning derfor konstant justeres i forhold til det korrekte punkt på jordoverfladen eller i forhold til andre satellitter for at undgå at miste forbindelen.

Et lokalt bidrag til det store puslespil

På grund af de mange teknologiske udfordringer med at etablere Internet of Things gennem satellitter, bliver det ofte fremhævet, at man skal foretrække jordbaserede WiFi- eller mobil-teknologier, når disse er til rådighed. Men det er vigtigt at forstå, at på nuværende tidspunkt udgør satellitkonstellationer den eneste
realistiske mulighed for en reel global kommunikationsinfrastruktur.

På Aalborg Universitet arbejder vi i forskningsgruppen Connectivity (CNT) med forskellige aspekter af de nævnte udfordringer. For eksempel arbejder vi med at designe mekanismer, som kan udvælge de forbindelser mellem satellitterne, som må etableres for at maksimere den mængde data, der kan transmitteres samtidig med, at transmissionstiden reduceres. Vi har også arbejdet med at sammenligne antenneteknologier for forbindelserne mellem satellitterne og deres betydning for interferensfænomener, der hæmmer performance. Endelig arbejder vi også med, hvordan man udvælger den bedste rute for en datapakke, hvilket er ret kompliceret i netværk med størrelser som satellitkonstellationer. ♦