Uma equipe de engenharia da Universidade da Califórnia, em San Diego, está tentando substituir as tradicionais antenas parabólicas volumosas e rotativas mecanicamente das estações terrestres de satélite por pequenas antenas planares distribuídas, o que deverá melhorar significativamente as capacidades de transmissão de dados por satélite e, ao mesmo tempo, reduzir custos. O sistema de pesquisa, chamado "ArrayLink", funciona em conjunto distribuindo múltiplas antenas phased array do tamanho de laptops em telhados, torres de comunicação e outros edifícios para fornecer um método de acesso terrestre mais flexível e escalável para satélites em órbita baixa da Terra cada vez mais lotados.
Embora os próprios satélites tenham experimentado um rápido desenvolvimento na última década, passando de grandes satélites de comunicação de várias toneladas no passado para pequenos satélites de órbita terrestre baixa, altamente integrados e definíveis por software, a infra-estrutura terrestre ainda está em grande parte presa ao antigo modelo de depender de grandes antenas mecânicas apontadoras. As actuais comunicações por satélite não servem apenas a Internet por satélite, mas também suportam cenários-chave como posicionamento e navegação globais, transacções financeiras, previsões meteorológicas, comunicações militares, resposta a emergências, operações de aviação e transporte marítimo, telemedicina e observação da Terra. A sua importância excede em muito a consciência do público em geral.
Atualmente, a grande maioria dos dados de satélite ainda precisa ser "desembarcada" através de estações terrestres para acessar a Internet de área ampla, e essas estações terrestres geralmente dependem de antenas parabólicas com um diâmetro de cerca de 1,8 metros ou maior para fornecer "links de alimentação" de alto ganho. Embora este tipo de antena tenha um desempenho poderoso, é extremamente inflexível: cada antena só pode rastrear um satélite por vez e também deve ser girada mecanicamente para rastrear satélites em órbita baixa da Terra que passam pelo céu a cerca de 28.000 quilômetros por hora. Este modelo tornou-se cada vez mais um gargalo no contexto da proliferação de constelações de órbita baixa.
A equipe de pesquisa mencionou que a velocidade de rotação mecânica de algumas antenas de satélite de estações terrestres ativas é de apenas 2 a 5 graus por segundo. A mudança de um satélite para outro geralmente leva vários segundos ou até quase um minuto. Durante este período, a estação terrestre fica num estado "indisponível", limitando ainda mais a capacidade global de transferência. Embora os phased arrays escaneados eletronicamente possam, teoricamente, substituir as antenas mecânicas, o custo e a complexidade de empilhar elementos de antena suficientes em um único array para corresponder ao ganho de uma grande antena parabólica são atualmente muito altos para serem implantados em grande escala.
A ideia do ArrayLink é abandonar "tornar um array maior" e, em vez disso, usar vários pequenos painéis de phased array prontos para uso e coordená-los como um sistema distribuído. Essa arquitetura pode incorporar até 16 painéis phased array, com alcance de distribuição de até quilômetros. Cada painel possui recursos de link limitados. Porém, após a coordenação unificada, o desempenho geral é como uma "antena virtual grande", aproximando-se em ganho da antena parabólica tradicional.
Dinesh Bharadia, autor correspondente do artigo, destacou que o atual gargalo fundamental na expansão da capacidade de comunicação por satélite não está mais no espaço, mas no solo. Este é o problema central que o ArrayLink está tentando resolver. Ele disse que esta solução pode ajudar a indústria a expandir a escala das estações terrestres a um custo menor e velocidade mais rápida, e pode até ser implementada através de implantação de "crowdsourcing": qualquer proprietário ou empresa com recursos no telhado pode instalar o sistema e transmitir dados de satélite de volta para a Internet.
Vale a pena notar que a inovação do ArrayLink reside não apenas no achatamento e distribuição de formas físicas, mas também na utilização aprofundada das características espaciais do canal. Ao espalhar os painéis por um alcance físico maior, a equipe descobriu que eles poderiam tirar vantagem de um efeito chamado "MIMO de linha de visão de campo próximo" para formar vários fluxos de dados paralelos entre o mesmo satélite e estações terrestres, melhorando significativamente o rendimento.
Em links de satélite de linha de visão tradicionais, cada antena receptora muitas vezes "vê" quase o mesmo sinal, dificultando a multiplexação espacial. Quando o espaçamento entre painéis é grande o suficiente, as ondas eletromagnéticas incidentes observadas por cada painel diferirão em parâmetros como fase, permitindo ao sistema separar múltiplos fluxos de dados independentes de sinais do mesmo satélite. Isto é, em princípio, semelhante à tecnologia MIMO normalmente utilizada em routers Wi-Fi e redes de comunicações móveis, mas é amplificada à escala de satélite.
De acordo com os resultados da simulação da equipe, o ArrayLink pode suportar até 4 fluxos de dados espacialmente paralelos a uma distância de transmissão de centenas de quilômetros e ainda pode manter 2 fluxos de dados a uma distância de mais de 2.000 quilômetros. Os pesquisadores dizem que, em comparação com os sistemas tradicionais de antenas parabólicas de fluxo único, espera-se que o rendimento geral desta arquitetura seja aumentado em cerca de três vezes.
ArrayLink também demonstra uma habilidade não convencional: ele pode não apenas concentrar energia na dimensão angular, mas também obter "entrega de ponto fixo" de energia na dimensão distante. As antenas tradicionais controlam principalmente a direção do feixe alterando o ângulo de apontamento, enquanto o ArrayLink pode controlar com precisão a localização concentrada da energia em dimensões angulares e radiais, o que deverá reduzir a interferência em outros sistemas de satélite em ambientes orbitais complexos.
Este sistema não fica no papel. A equipe de pesquisa concluiu experimentos de hardware ao ar livre sob condições de linha de visão usando antenas phased array e plataformas de rádio de software na banda de frequência de 27 GHz. Os dados medidos são altamente consistentes com a análise teórica e os resultados da simulação, o que, até certo ponto, verifica o principal mecanismo físico por trás do esquema.
Do ponto de vista da implementação de engenharia, o ArrayLink também enfatiza a praticidade e a implementabilidade. Seu design é baseado em hardware phased array disponível comercialmente. Esses dispositivos são semelhantes às atuais antenas terminais de Internet via satélite produzidas em massa, evitando a necessidade de depender de equipamentos caros e altamente customizados "específicos de laboratório", deixando assim um caminho viável para futura implantação em grande escala.
A equipe também propôs uma ideia muito prática: instalar esse tipo de array diretamente na torre da estação base 5G existente, para que possa "em tempo parcial" como estação terrestre de satélite, mantendo a função original de comunicação celular. Uma vez que estas próprias estações de torre têm condições básicas, tais como fornecimento de energia, backhaul de fibra óptica e aluguer de locais, o custo marginal da implantação sobreposta do ArrayLink será muito inferior ao de novas estações terrestres dedicadas, o que deverá acelerar a expansão da infra-estrutura global de acesso por satélite.
Atualmente, o ArrayLink ainda está em fase de pesquisa experimental e ainda não concluiu a verificação ponta a ponta em satélites reais em órbita. A equipe de pesquisa continua a otimizar o projeto do sistema e a explorar como resolver desafios de engenharia, como controle coordenado, gerenciamento de operação e manutenção e compatibilidade com arquiteturas de redes de satélite existentes em implantações em grande escala.
Do ponto de vista da indústria, à medida que o número de constelações de órbita baixa continua a aumentar e as capacidades dos satélites continuam a aumentar, é quase inevitável que a arquitectura da estação terrestre seja forçada a mudar de grandes locais "poucos mas refinados" para um novo paradigma de "distribuição multiponto e expansão flexível". Se uma solução distribuída baseada em phased array como o ArrayLink puder alcançar avanços em custo, confiabilidade e padronização, espera-se que forneça uma nova forma viável de infraestrutura para futuras redes globais de comunicação por satélite.