Space Information Networks

Anders Fongen, 03.01.2022

Kommunikasjonssatellitter har hatt en historisk utvikling fra å være enkle “speil” som reflekterer radiosignaler, til å danne nettverk med andre satellitter for å tilby høyere hastigheter, lavere forsinkelse og flere tjenester. Vi spår at denne utviklingen vil fortsette og at satellittnettverk vil utvide sine tjenester fra kun kommunikasjonstjenester til også databehandlingstjenester av ulik art. Vi ser nærmere på mulighetene for dette i denne artikkelen.

Innledning

Vi vil her omtale idéen om Cloud Computing in Space. Altså skytjenester i satellittnettverk, også kalt Space Information Networks (SIN). SIN innebærer at satellittnettverket ikke kun tilbyr kommunikasjonstjenester, men også tjenester knyttet til informasjonsbehandling og annet type samarbeid. Et SIN kan bygges slik at det tilbyr slike tjenester med global dekning og svært lave forsinkelser, og kan derfor støtte anvendelser som ikke det jordbaserte Internet kan. 

Vi velger å betrakte et SIN som et distribuert system, men med egenskaper som skiller jeg ganske mye fra ordinære distribuerte systemer slik vi vanligvis kjenner dem: I et SIN er klientene stasjonære, infrastrukturen er mobil, altså ganske omvendt av hva som er “vanlig”.

Et annet forhold som kjennetegner et SIN er forutsigbarhet. Én satellitt vil alltid vite hvor andre satellitter befinner seg hen, og hvilke som er innen rekkevidde for kommunikasjon mellom dem. Dessuten er de demografiske forholdene på jordoverflaten kjent, så det er mulig å forutse både mengden av forespørsler fra bakken, og hva slags type forespørsler det er (språk og kulturelle preferanser). 

I den resterende delen av denne artikkelen vil noen grunnleggende egenskaper knyttet til satellitter bli presentert. Skillet mellom LEO- HEO- og GEO-satellitter vil bli forklart og noe historie presentert. Hoveddelen av teksten vil beskrive de særegne egenskapene til et SIN, og hvordan informasjonstjenester kan konstrueres for best å tilpasses disse egenskapene.

Litt om geostasjonære satellitter

Idéen om å bruke romfartøy til støtte for radiokommunikasjon oppsto lenge før den første satellitten ble skutt opp i jordbane i 1957. Mest kjent er en artikkel fra 1945 skrevet av Arthur C. Clarke kalt “Extra-terrestrial Relays” hvor prinsippene for en såkalt geostasjonær satellitt ble skissert. Arthur C. Clarke var forøvrig ikke kjent som vitenskapsmann, men som science-fiction forfatter bl.a. av manuset til filmen “2001 – En romodyssé” (1968). 

En geostasjonær (GEO – Geosynchronous Earth Orbit) satellitt går i bane rundt jordas ekvator og med en omløpstid på 24 timer (egentlig litt mindre, blir forklart senere). En GEO-satellitt har et stort dekningsområde (er synlig for en stor del av jordoverflaten) men flyr så høyt over jordoverflaten at signalforsinkelsen blir merkbar. Et radiosignal sendt fra jorda og returnert fra satellitten bruker ca 250 ms på rundturen. GEO-satellitter har den store fordelen at de, sett fra jorda, står fast på samme posisjon på himmelen og krever derfor ikke bevegelige parabolantenner nede på bakken. 

Hvilken flyvehøyde har en GEO-satellitt? Den skal ligge i en bane hvor sentripetalakselerasjonen (tidligere kalt sentrifugalkraften) i den ene retningen er like stor som gravitasjonen i den andre retningen, vist med ligningen under:

  • G = gravitasjonskonstanten, 6.677*10-11 m3 kg-1 s-2
  • M = jordas masse, 5.972*1024 kg
  • T = varighet av et stjernedøgn, 86164 s
  • R = jordas radius, 6371 km
  • r = satellittens flyvehøyde over jordoverflaten

Løs denne likningen for r, du bør få 35783 km som svar.

Omløpstiden for satellitten er ikke 24 timer (som vi kaller et soldøgn), men litt kortere. Et soldøgn er tiden det tar før solen igjen står i samme posisjon på himmelen, men da har jorden dreiet litt mer enn 360 grader, fordi jorden har beveget seg rundt solen i det samme tidsrommet. Jorden snurrer faktisk 366,25 omdreininger på et år, ikke 365,25. Derfor må vi trekke fra litt for å regne tidsrommet som jorda bruker på en virkelig omdreining, og dette tallet kalles stjernedøgn. Utregning er som følger:

3600 sek/t * 24 t/sold *(365,25/366,25)sold/stjerned = 86164 sek/stjerned

Dette tallet bruker vi i likningen over og får at flyvehøyden er 35783 km. Samme likning kan vi bruke for å bestemme flyvehøyden for enhver omløpstid så lenge banen er sirkulær (ikke elliptisk). Vi kan naturligvis også løse likningen på T og finne omløpstiden når flyvehøyden er gitt.

Den første GEO satellitten het Syncom III, bygget av NASA og skutt opp i 1964. GEO-satellitter ble siden mest kjent for TV-overføringer, og alle private parabolantenner får sine TV-signaler fra slike. GEO-satellitter kan også brukes til telefoni. I mange år var dette svært dyrt og krevet avansert og plasskrevende bakkeutstyr, men utviklingen siden har bydd på enkle bærbare enheter og lavere brukskostnader.

GEO-satellitter er derimot ikke synlig lengst nord og sør på kloden, fordi banen alltid går langs ekvator. På hvilken breddegrad ligger en GEO-satellitt akkurat i horisonten? Denne verdien finner vi med en enkel trigonometrisk likning, vist med figur under:

Regn selv ut v og finn på kartet hvilke landområder som ligger nord for denne breddegraden, både nord og sør. Merk at vi ikke nødvendigvis har dekning på denne breddegraden, for dempingen av radiosignalet øker ned mot horisonten.

Hvorfor trenger vi parabolantenner? En GEO-satellitt flyr høyt over jordoverflaten og avstanden som radiosignalene skal sendes over er ca 35000 km. Over en slik avstand svekkes energien i radiosignalene såpass mye at en antennepisk (slik som vi ser på håndholdte radioer og gamle mobiltelefoner) ikke vil motta tilstrekkelig radiosignal for å gi godt mottak. Vi må da bruke såkalt direktive antenner, som samler opp energi fra en bestemt retning, fremfor en rundstrålende antenne som samler opp energi fra alle retninger (og stråler ut energi i alle retninger). En parabolantenne er direktiv og samler opp energi fra et ganske smal “stråle”, slik som en lommelykt sender lyset ut i en smal stråle og virker på større avstand enn om lyspæren stråler fritt i alle retninger.

Om lavbane (LEO) satellitter

Satellitter kan naturligvis settes i alle slags baner rundt jorden, men vil da muligens kreve bevegelige direktive antenner på bakken for å motta tilstrekkelig sterkt signal, avhengig av hvor høyt satellitten går i bane. Om de derimot går i lav bane (og med kort omløpstid) omtales de som LEO-satellitter (Low Earth Orbit) og har den fordelen at bakkeutstyret kan klare seg med enklere antenner direkte montert på håndholdt utstyr. LEO-satellitter er dessuten billigere å plassere ut i bane enn GEO-satellitter fordi dette kan gjøres med mindre og billigere raketter.

LEO-satellitter har lenge vært i bruk til værobservasjoner, etterretningsformål m.m. I slike tilfeller blir innsamlet sensorinformasjon (f.eks. bilder) oppbevart i satellitten inntil den kan lastes ned til en jordstasjon noen minutter eller timer senere. Satellitten klarer seg uten et nettverk av andre satellitter, men bruker derimot mer tid på leveransen. Satellitten opptrer som “brevdue” fremfor “telefonsentral”. 

En konsekvens av den lave banen er at “fotavtrykket” (eng. footprint), dvs. det området på jorda som har kontakt med satellitten (begrenset av horisonten og hva slags antenner som benyttes), er liten. I tillegg gjør den korte omløpstiden at utstyret på bakken har satellitten over horisonten kun en kort tid (typisk 10-20 minutter).

Disse egenskapene gir både fordeler og ulemper, sammenlignet med en GEO-satellitt:

Fordeler:

  • Banen kan legges i en vinkel på ekvator (kalt inklinasjon) slik at den passerer nær polområdene. Da vil også utstyr på bakken langt nord og langt sør kunne nå satellitten. Husk at GEO-satellitter har her en grense på ca. 81 grader nord og sør.

Bakkeutstyret kan være enklere, billigere og mer bærbart.

  • Fordi fotavtrykket er mindre, vil det være færre bakkestasjoner som skal betjenes til enhver tid, dvs. bakkeutstyret kan oppnå bedre tjenester (tilgjengelighet og kapasitet).

Ulemper:

  • Satellitten er tilgjengelig i kun korte perioder ad gangen. 
  • Bakkeutstyret må være relativt nærme hverandre for å kunne betjenes av samme satellitt. 

LEO-nettverk

De nevnte ulempene kan unngås ved å opprette et nettverk av LEO-satellitter som beveger seg i ulike baner slik at en stasjon på bakken alltid har en satellitt innen rekkevidde. Forutsetningen er da at satellittene kan kommunisere hverandre slik at en “hand-over” operasjon kan skje når bakkeutstyret må skifte sin forbindelse til en ny satellitt. Satellittene kan også ha radiolinker til hverandre og kan danne en sti hvor dataene kan videresendes til et annet sted på kloden.

For å tilby en overføringstjeneste (av f.eks. tale, data, alarmer og posisjoner) kan LEO-nettverket bruke to alternative metoder:

  1. Benytte et godt utbygget nett av bakkestasjoner som er sammenknyttet gjennom et bakkenett (f.eks. Internet). Data fra klienter på bakken sendes direkte til en bakkestasjon som videresender mot mottakeren, tilsvarende motsatt vei.
  2. Bruke kommunikasjonslinker mellom satellittene slik at den danner en sti hvor dataene kan videresendes mot den satellitten som brukes av mottakeren.

Alternativ 1 benytter altså det landbaserte nettet til å oppnå global dekning, mens alternativ 2 benytter nettverket i verdensrommet til å oppnå det samme.

Satellittnettverk har eksistert siden 1990-tallet, det mest kjente i daglig bruk er Iridium. Iridium tilbyr telefontjeneste, lavhastighet dataoverføring, tekst- og posisjonsmeldinger. 66 satellitter flyr i 6 polarbaner med inklinasjon 86.4 grader slik illustrasjonen viser, 11 i hver bane. Satellittenes fotavtrykk overlapper slik at det alltid er en satellitt tilgjengelig for bakkeutstyret. Iridium oppnår global dekning ved å utnytte linker mellom satellittene, slik som beskrevet i alternativ 2 over.

Merk at det er en matematisk sammenheng mellom størrelse på fotavtrykket, flyvehøyde og omløpstid, og dermed også antall satellitter som kreves for kontinuerlig dekning for utstyr på bakken. Lavere flyvehøyde krever flere satellitter, men betyr også enklere krav til antenner og radioutstyret på bakken, Et redusert fotavtrykk betyr også færre klienter som skal dele på den samlede overføringskapasiteten.

Fra radiospeil til datanettverk

Kommunikasjonsutstyret i de tidlige geostasjonære satellittene var relativt enkelt: Det besto av en transponder, som betegner en radio som mottar et helt frekvensspekter (ikke bare en bestemt frekvens) og sender det samme signalet ut på et annet frekvensspekter. Omtrent som et speil som reflekterer alle fargene i lyset. Oppdeling av frekvensspekteret, modulasjon, kanaldeling m.m. foregikk på bakkeutstyret. 

En slik arbeidsdeling mellom satellitten og bakkeutstyret medførte den gang at kompleksiteten i systemet kunne plasseres på bakken, noe som bidro til at nye tjenester kunne utvikles ved å skifte ut kun bakkeutstyret. I dag konstrueres radioer på en annen måte enn før, og bruken av Software Defined Radio (SDR) gjør det mulig å endre på mye av radioens virkemåte gjennom å endre programvaren i radioen, selv om den befinner seg i en satellitt i bane. Sammen med annen teknologisk utvikling er nå trenden at satellittnettverk bygges med en høyere systemkompleksitet og ivaretar flere aspekter av tjenestene enn før, f.eks. at de selv sørger for hand-off mellom satellitter, og veivalg når data skal sendes via andre satellitter. Satellitter har altså utviklet seg fra å være radiospeil til å være nettverkskomponenter.

Hvordan ser en satellittkonstellasjon ut?

En gruppe med LEO-satellitter som omkretser jorden vil bli plassert i nøye uttenkte baner: De skal ha et fotavtrykk og en inklinasjon som gir dekning for en del av jordkloden, de skal ha en passende avstand mellom seg (i samme bane og mellom baner) slik at de kan danne kommunikasjonslinker med hverandre. Flyvehøyden vil også påvirke kravene til antenner i bakkeutstyret og energiforbruket i satellitten.  Vi vil i denne diskusjonen begrense oss til sirkulære baner, ikke elliptiske, fordi det er det vanligste valget for LEO-satellitter. 

Mesteparten av jordas befolkning bor i nærheten av ekvator. Kun en liten del av befolkningen bor sør for 30 grader sørlig bredde, og enda færre (0.1 %) nord for 61 grader nordlig bredde (hvor jeg bor). En satellitt med lav inklinasjon vil tilbringe mer av tiden i befolkede områder, men vil aldri dekke områder lenger nord. For en høy inklinasjonsvinkel er det motsatt. Men alle satellitter trenger ikke å bruke baner med lik inklinasjon. Starlink lar grupper av satellitter bruke baner med ulik inklinasjon og kan derfor tilby dekning også i polarområdene, men med et mindre antall satellitter og med lavere kapasitet. 

For en gitt flyvehøyde vil det være en maksimal rekkevidde for en link mellom satellittene. Satellittene må være synlige for hverandre, altså over horisonten, men også slik at signalet ikke svekkes på vei gjennom ionosfæren. Synslinjen bør ikke komme nærmere jordoverflaten enn ca. 400 km. Den maksimale avstandene mellom satellittene, målt ved vinkelen φ, blir derfor lett å beregne som en funksjon av flyvehøyden. R betegner jordas radius.

Eksempel: To Iridium-satellitter med en flyvehøyde på 781 km vil ha en maksimal avstand på 37.6°. Avstanden mellom banene i Iridium-systemet er 30°.

Når jordoverflaten blir projisert på et plan, slik som vist nedenfor, blir satellittbanene vist som en “slangeform”. Dette er et fenomen som gjelder alle storsirkler, dvs. sirkler med sentrum i jordas sentrum. Fly, skip og radiobølger vil vise det samme fenomenet. Illustrasjonen nedenfor viser et eksempel på hvordan 150 satellitter kan spre seg ut i mange baner og danne forbindelser både med bakkeutstyr og med hverandre. 

Legg også merke til hvordan satellittene (i dette tilfellet) ikke har forbindelse mellom banene i nærheten av ekvator, men derimot nærmere polområdene. Dette skyldes at avstanden mellom to lengdegrader er større ved ekvator, selv om det ikke fremkommer av den valgte projeksjonen. Meridianene (linjene mellom polene) er vist som parallelle linjer i projeksjonen, men er ikke parallelle i virkeligheten.

Et annet forhold som trenger litt oppmerksomhet, er at satellittene ikke følger jordas rotasjon. Når de har fullført et omløp vil de befinne seg lenger vest fordi jorda har dreiet mot øst i mellomtiden. En enkelt satellitt vil derfor dekke hele jordkloden etter et antall omløp, noe som utnyttes av vær- og overvåkningssatellitter. Disse kan overvåke hele jordoverflaten stykkevis til bestemte tider, men ikke kontinuerlig.

Konstellasjonen på illustrasjonen over viser et antall satellittbaner som beveger seg i samme retning og dekker halve jordas omkrets ved ekvator. De beveger seg “side om side” nordover, over polen og sydover på motsatt side. Alternativet hadde vært at banene gis skiftevis motsatt omløp. Fordelen med den valgte konstellasjon er at satellitter i nabobaner har bedre tid på seg til å kommunisere seg imellom. Når de har lav relativ hastighet vil dessuten kommunikasjonen mellom dem blir mindre forstyrret av såkalt Doppler-effekt. Dette prinsippet benyttes bl.a. av Iridium-systemet.

Når satellittene beveger seg i en slik formasjon vil de alltid ha de samme naboene i øst og vest, noe som vi kan utnytte i situasjoner hvor vi ønsker at de skal samarbeide.

Satellitter i samarbeidsgrupper

Man kan utnytte det forholdet at satellittene flyr i formasjoner til å danne samarbeidsgrupper og la oppgaver løses av disse i fellesskap. I det viste eksemplet over har hver satellitt 6 direkte naboer (N-NV-NØ-S-SV-SØ). Om man nummererer satellittene 1-7 etter et slikt mønster som vist nedenunder, oppnår man at alle satellittene, uansett tildelt nummer, har de andre tallene som direkte naboer.

De satellittene i “ytterkant” som ikke har naboer på begge sider finner dem to hopp unna i motsatt retning via naboen i NØ eller SV.

Satellittnettverk som et Distribuert System

Med den forutsetningen oppfylt at hver satellitt har et stabilt nettverk av naboer rundt seg, kan vi bygge et satellittnettverk hvor grupper på 7 satellitter samarbeider om å løse oppgaver, og hver satellitt er medlem av 7 ulike slike grupper. Om vi deler slike oppgaver inn i 7 roller kan alle vite hvilken nabo man skal overlate en deloppgave til, og denne satellitten vil spille den samme rollen overfor medlemmene i 7 grupper. 

Et annet interessant forhold er at to satellitter med samme rollenummer vil kunne ha glede av å lære fra hverandre, f.eks. utveksle innhold av sine datalagre. Det kan skje når de kan danne en kommunikasjonslink seg imellom. Illustrasjonen over den globale konstellasjonen ovenfor antyder at slike linker kan dannes under to ulike forhold:

  1. Ved polområdene, hvor avstanden mellom nabobanene er liten
  2. I “sømmen” mellom nord- og sørgående satellitter der de passerer hverandre i motsatt retning.

For å utvikle idéen om SIN eller “Cloud Computing in Space” er det nødvendig å betrakte et satellittsystem som et Distribuert System og låne metoder og teknikker fra dette fagfeltet. Et SIN vil ha mange fellestrekk med tradisjonelle mobile og distribuerte systemer, men også noen interessante forskjeller:

  1. Tradisjonelle mobile systemer består av en stasjonær infrastruktur og mobile klientnoder. Her er det omvendt, med stasjonære brukere (sett fra rommet) og en mobil infrastruktur.
  2. Bevegelsesmønsteret er forutsigbart og kjent, og det fremtdige påtrykket fra  klientnoder kan estimeres.
  3. Topologien i infrastrukturen er kjent slik at det ikke er nødvendig med protokoller for å oppdage kommunikasjonslinker (link discovery). Routingprotokoller er da heller ikke nødvendige, alle kan kalkulere ruter basert på det kjente bevegelsesmønsteret.

Utnytte øde områder til vedlikeholdsoppgaver og ruting

Det er vel kjent at jordas befolkning er svært ujevnt fordelt og at flesteparten bor på sterkt befolkede områder. Illustrasjonen av den globale konstellasjonen ovenfor viser nettopp dette ved hjelp av fargekoder for befolkningstettheten. I løpet av et omløp vil en satellitt tilbringe mesteparten av tiden over ørken, hav eller polområder hvor den vil ha svært lite trafikk mot klienter på bakken, avløst av korte perioder med et intenst påtrykk av forespørsler. Og disse periodene er fullt forutsigbare, vi vet når de kommer og satellitten husker fra forrige gang hvor høyt påtrykket var. 

For at satellitten skal ha mest mulig ressurser til å betjene disse trafikktoppene er det fornuftig om den kan gjøre mest mulig av “husholdningsoppgavene” over de øde områdene, som f.eks. å oppdatere sine hurtiglagre (cacher), overføre filer som ikke haster, oppdatere programvare m.m.

Skille mellom haste- og venteoppgaver

For å kunne utbytte dette potensiallet som er nevnt i forrige avsnitt er det nødvendig å identifisere deloppgaver i tjenesten som kan tilhøre én av to kategorier: Hastoppgaver og venteoppgaver. Altså, operasjoner som enten må utføres så raskt som mulig, eller oppgaver som kan utsettes til senere. På engelsk benevnes disse oppgavene som delay sensitive og delay tolerant.

Hasteoppgaver er de som knyttes til interaktive tjenester, altså der hvor det sitter mennesker og venter på svar, og hvor ingen andre oppgaver kan utføres i mellomtiden. I denne kategorien finner vi henting av web-sider, bruk av søkemotorer, dataregistrering av ulik art, utveksling av lynmeldinger, tale- og videokonferanser. Også støttetjenester for disse har hast: Oppslagstjenester for DNS-navn, databaseoperasjoner, videresending av data langs en sti m.m. Dette er oppgaver som ikke kan utsettes til f.eks. satellitten er over ubebodde områder, men må gis prioritet og utføres med de ressursene som foreligger for øyeblikket.

Venteoppgaver er slike som kan vente noen minutter eller timer før de fullføres eller et svar foreligger. Det fremste eksemplet på slike oppgaver er e-post, fordi vi er vant til å fortsette med andre oppgaver i påvente av et svar på en e-post melding. Andre eksempler inkluderer oppdatering av adresselister og andre felles datalagre, sikkerhetskopiering, oppgradering til nyere programvareversjoner, fremstilling av statistikker og raporter m.m.

Til omlegging av skytjenester til å bruke et SIN som plattform inngår det følgelig et designarbeid som må følge litt andre arkitekturprinsipper for å fordele oppgaver og deloppgaver i passende porsjoner som egner seg for den ressursmengden som satellittnettverket disponerer over til enhver tid.

Et SIN kan også velge å sende hasteoppgaver videre til andre mindre belastede satelliter for utføring der dersom den har de nødvendige forutsetninger for dette, og at kommunikasjonsveien dit har ledig kapasitet.

Caching og replikering

For programmer og tjenester som utføres i SIN-skyen vil det være nødvendig å lagre data som tilhører klienten på bakken, f.eks. et dokumentarkiv. Men disse dataene vil være sekundærkopier av klientens data, primærkopien vil trolig befinne seg i et lager på bakken. Grunnen til dette er:

  1. Det vil være behov for sikkerhetskopiering til et mer stabilt lager enn en satellitt
  2. Dataene i satellitten vil måte overføres til neste satellitt i banen i forbindelse med “handover”-operasjoner med noen minutters mellomrom

Av disse grunnene vil det være fornuftig å kun lagre de mest brukte dataene i satellitten, mens øvrig innhold ligger lagret et annet sted. Denne teknikken kalles for caching, og innebærer at vi kopierer deler av et primærlager til et sekundærlager som er raskere og billigere i bruk (gjerne nærmere klienten). 

Hvilket utvalg som skal kopieres til en cache er et interessant problem med svar som varierer med anvendelsen, klienten og tidspunktet. En måte å finne dette utvalget er å benytte seg av såkalt passiv replikering, hvor data som blir etterspurt og hentes fra “hovedlageret” på bakken blir plassert i cachen. Om cachen allerede er full slettes det elementet som ikke har vært i bruk på lengst tid (kalt Least Recently Used) for å gi plass til det nye. Dette er en velkjent teknikk men slik replikering skaper forsinkelse og er en hasteoppgave.

Aktiv replikering, derimot, er en “spekulativ” teknikk hvor man antar hvilket innhold som vil bli etterspurt i fremtiden og kopierer dette til cachen før de blir etterspurt. Aktiv replikering kan utføres som en venteoppgave, og skaper ingen forsinkelse så lenge utvalget i cachen dekker klientens behov.

Avslutning

Et Space Information Network byr på en lang rekke med problemstillinger som må studeres og løses. Jeg har her omtalt noen ganske få. For at denne artikkelen skal bli for lang avslutter vi nå. Videre funn i forskningen på SIN vil publiseres i denne bloggen i separate artikler.

Leave a Reply

Your email address will not be published.

20 − eleven =