Kinesisk lasersatellit slår Starlink: gigabit fra 36.000 km’s højde

Kinesiske forskere har demonstreret næste generations satellitinternet med gigabithastigheder fra geostationær bane ved blot 2 watts effekt

Et forsøg udført ved Lijiang-observatoriet i provinsen Yunnan antyder, at optiske satellitkommunikationsforbindelser i fremtiden kan overhale klassiske radiosystemer – herunder Starlink. Hemmeligheden lå ikke i selve laseren i kredsløb, men i den smarte metode til at samle en forvrænget lysstråle op igen på jordoverfladen.

En laser svagere end en natlampé, men hurtigere end Starlink

Et kinesisk forskerhold fra Peking Universitet og det Kinesiske Videnskabsakademi anvendte en satellit i geostationær bane – cirka 36.000 km over ækvator. Om bord sad en laser med en effekt på kun 2 watt. Det svarer nærmere til en energibesparende pære end til en klassisk langdistancesender.

På trods af denne beskedne effekt lykkedes det at opnå en downloadhastighed på 1 Gbps mod Jorden. Ifølge sammenligninger fremlagt af forskerne er det cirka fem gange hurtigere end de typiske hastigheder, der opnås i det allerede aktive Starlink-netværk – og det med en langt større afstand mellem satellit og modtager.

1 Gbps fra 36.000 km's højde med en 2-watts sender – det er en hastighed, der ville gøre det muligt at overføre en HD-film fra Shanghai til Los Angeles på under fem sekunder.

Starlink benytter tusindvis af satellitter, der kredser blot få hundrede kilometer over Jordens overflade. Det kinesiske forsøg strækker sig mere end 60 gange længere ud i rummet og opnår alligevel en gennemstrømning, man i dag normalt forbinder med fiberoptik frem for rumkommunikation.

Lijiang-observatoriet: Et teleskop i stedet for en hjemmeantenne

Hele testen byggede på infrastrukturen ved det astronomiske observatorium i Lijiang. Modtageren lignede altså ikke en forbrugersatellitantenne, men et avanceret optisk system bestående af:

• et teleskop med en diameter på 1,8 meter,
• et system med 357 korrigerende mikrospejle,
• et modul, der opdeler lysstrålen i flere optiske kanaler.

I praksis betyder det, at lysstrålen fra rummet ikke blot blev "fanget" direkte. Den gennemgik først en meget hurtig korrektionsfase og derefter yderligere behandling. Hele forsøget var ikke bygget op omkring laseren alene, men om kampen mod den største fjende for sådanne forbindelser – atmosfæren.

Atmosfæren er den største modstander

Det ydre rum er et ideelt miljø for en laserstråle. De virkelige problemer opstår først lige over modtageren, i den tætte og bevægelige luft. Turbulens, temperaturændringer og variationer i luftens tæthed får lyset til at spredes, bøjes og miste sin oprindelige form.

Hidtil har forskere typisk satset på én af to løsninger:

• Adaptiv optik – et spejlsystem, der i realtid ændrer form for at "rette" den lysbølge ud, som atmosfæren har forvrænget.
• Modal-mangfoldig modtagelse – opsamling af mange spredte signalkomponenter og digital sammensmeltning af dem for at gendanne informationen.

Ved svag eller moderat turbulens fungerer begge redskaber rimeligt. I stærke luftforstyrrelser, som er typiske for bjergobservatorier, er én løsning alene som regel ikke tilstrækkelig.

Kombinationen af to teknikker: AO-MDR

Det kinesiske hold besluttede at kombinere begge tilgange i én samlet modtagerkæde, kortfattet kaldet "AO-MDR-synergi". På modtagersiden foregik det i flere trin.

Første trin: Udglatning af lysbølgen

Signalet ramte først systemets adaptive optik. 357 mikrospejle reagerede i realtid på ændringer i den indkommende bølges form. Systemet korrigerede løbende de fejl, atmosfæren havde indført, og bragte strålen tættere på en ideel profil.

Denne løsning stammer fra observationsastronomi, hvor lignende teknikker bruges til at "skærpe" billedet af stjerner, der sløres af luften.

Andet trin: Opdeling og udvælgelse af de stærkeste kanaler

Efter den indledende korrektion passerede signalet gennem en såkaldt fladekonverter. Dette element opdeler strålen i otte grundkanaler med forskellig udbredelsestilstand.

Modtageren valgte derefter de tre stærkeste kanaler ud af de otte og fusionerede dem til én datastrøm til afkodning. Systemet antog dermed på forhånd, at en del af informationen undervejs ville gå tabt – og udnyttede de stier, der overlevede i bedst stand.

Anvendelsen af AO-MDR øgede andelen af brugbart signal fra cirka 72% til over 91%, hvilket markerer et tydeligt spring ikke blot i hastighed, men også i forbindelsens pålidelighed.

Hvorfor banehøjden spiller en afgørende rolle

En geostationær satellit "hænger" tilsyneladende fast over ét punkt over ækvator, idet den roterer med den samme vinkelhastighed som Jorden. Set fra en modtager på overfladen fremstår den som et ubevægeligt punkt på himlen.

Det er en enorm fordel for jordstationen: antennen eller teleskopet behøver ikke konstant at spore hurtigt bevægende satellitter, som det er tilfældet med konstellationer i lav bane. Prisen for denne bekvemmelighed er dog høj:

Jo længere væk fra Jorden en satellit befinder sig, desto svagere er det signal, der når modtageren, fordi strålens energi spredes over et stadig større område. For en optisk forbindelse skal man desuden tage højde for, at den sidste strækning gennem atmosfæren bliver vanskeligere i takt med den samlede rutes længde. Enhver lille deformation undervejs gør mere ondt ved en lang optisk bane.

Netop derfor vakte det så stor opsigt, at man opnåede 1 Gbps gennemstrømning fra geostationær bane med 2 watts effekt. Det viser, at man med en tilstrækkeligt raffineret modtager kan begynde at tænke på fremtidige laserbaserede "datalandeveje" fra store højder.

Ikke en hjemmeterminal, men rygraden i et netværk

Stationen i Lijiang er på ingen måde en prototype til et apparat, man kan sætte op på sin altan. Det er en massiv teleskopinstallation, der kræver præcisionsmekanik, kompleks styringselektronik og avanceret realtidssoftware.

Denne profil gør sådanne forbindelser bedst egnede som knudepunkter i en netværksrygrad. Man kan forestille sig flere anvendelsesscenarier:

• overførsel af enorme datamængder fra observationssatellitter til datacentre på land,
• forbindelser mellem fjerne punkter på kontinenter, hvor det er dyrt eller risikabelt at lægge fiberoptiske kabler,
• opbygning af "databroer" mellem geostationære kommunikationssatellitter og jordbaserede knudepunkter i 5G-netværk og fremtidige efterfølgere.

Den typiske hjemmebruger kan drage fordel af et sådant system indirekte – ved at data alligevel ender i den eksisterende infrastruktur hos internetudbydere og derfra videre til routeren i lejligheden.

Hvad dette forsøg fortæller os om fremtidens satellit-internet

Mange diskussioner om kredsløbsforbindelser handler i dag om antallet af satellitter og radiofrekvenser. Det kinesiske forsøg forskyderr tyngdepunktet et andet sted hen: det viser, at et enormt potentiale også ligger i "det sidste led" på modtagersiden.

En laserstråle, der i teorien virker skrøbelig og sårbar over for forstyrrelser, bliver med den rette tilgang et meget effektivt redskab. Nøglen ligger i ikke at lade som om atmosfæren ikke eksisterer, men i stedet at gøre dens luner til en del af selve designet. Præcis det gør AO-MDR-systemet i Lijiang – det accepterer, at signalet vil blive brudt op, og lærer derefter at udvælge de bedste fragmenter.

For ingeniører, der planlægger global kommunikationsinfrastruktur, betyder dette flere ting. Optiske satellitkommunikationsforbindelser kan blive et seriøst supplement – og til tider et alternativ – til klassiske radiosendere. Især dér, hvor stor kapacitet er afgørende under energimæssige begrænsninger, og dér, hvor man ikke ønsker yderligere at overfylde allerede trængte radiofrekvenser.

Set fra slutbrugerens perspektiv er der endnu en vigtig pointe: sådanne systemer, hvis de finder praktisk anvendelse, kan mindske kløften i adgangen til hurtig internet mellem byregioner og teknisk vanskelige områder – fra afsides øer til polare forskningsstationer. Den endelige succes afhænger ikke kun af laserteknologien, men også af, hvor hurtigt det er muligt at "kondensere" den komplekse Lijiang-station ned til mere kompakte og billigere løsninger.