Un equipo de ingenieros de la Universidad de California en San Diego está intentando sustituir las tradicionales y voluminosas antenas parabólicas de rotación mecánica de las estaciones terrestres de satélite por pequeñas antenas planas distribuidas, lo que se espera que mejore significativamente las capacidades de transmisión de datos de los satélites y al mismo tiempo reduzca los costes. El sistema de investigación, llamado "ArrayLink", trabaja en conjunto mediante la distribución de múltiples antenas en fase del tamaño de una computadora portátil en tejados, torres de comunicación y otros edificios para proporcionar un método de acceso terrestre más flexible y escalable para satélites de órbita terrestre baja cada vez más concurridos.
Aunque los propios satélites han experimentado un rápido desarrollo en la última década, transformándose de grandes satélites de comunicaciones de varias toneladas en el pasado a pequeños satélites de órbita terrestre baja altamente integrados y definibles por software, la infraestructura terrestre todavía está en gran medida estancada en el viejo modelo de depender de grandes antenas apuntadoras mecánicas. Las comunicaciones satelitales actuales no solo sirven a Internet satelital, sino que también respaldan escenarios clave como el posicionamiento y la navegación global, transacciones financieras, pronósticos meteorológicos, comunicaciones militares, respuesta de emergencia, operaciones de aviación y transporte marítimo, telemedicina y observación de la Tierra. Su importancia excede con creces la conciencia pública en general.
En la actualidad, la gran mayoría de los datos satelitales todavía necesitan "aterrizar" a través de estaciones terrestres para acceder a Internet de área amplia, y estas estaciones terrestres generalmente dependen de antenas parabólicas con un diámetro de aproximadamente 1,8 metros o más para proporcionar "enlaces de alimentación" de alta ganancia. Aunque este tipo de antena tiene un rendimiento potente, es extremadamente inflexible: cada antena sólo puede rastrear un satélite a la vez, y también debe girarse mecánicamente para rastrear satélites en órbita terrestre baja que pasan por el cielo a unos 28.000 kilómetros por hora. Este modelo se ha convertido cada vez más en un cuello de botella en el contexto de la proliferación de constelaciones de órbita baja.
El equipo de investigación mencionó que la velocidad de rotación mecánica de algunas antenas satelitales de estaciones terrestres activas es de sólo 2 a 5 grados por segundo. El cambio de un satélite a otro suele tardar varios segundos o incluso cerca de un minuto. Durante este período, la estación terrestre se encuentra en un estado "no disponible", lo que limita aún más la capacidad de rendimiento general. Aunque, en teoría, los conjuntos en fase escaneados electrónicamente pueden reemplazar a las antenas mecánicas, el costo y la complejidad de apilar suficientes elementos de antena en un solo conjunto para igualar la ganancia de una antena parabólica grande son actualmente demasiado altos para implementarlos a gran escala.
La idea de ArrayLink es abandonar "hacer una matriz más grande" y en su lugar utilizar múltiples paneles de matriz en fase pequeños disponibles en el mercado y coordinarlos como un sistema distribuido. Esta arquitectura puede incorporar hasta 16 paneles Phased Array, con un rango de distribución de hasta kilómetros. Cada panel tiene capacidades de enlace limitadas. Sin embargo, después de la coordinación unificada, el rendimiento general es como una "antena virtual grande", acercándose en ganancia a la antena parabólica tradicional.
Dinesh Bharadia, autor correspondiente del artículo, señaló que el actual obstáculo fundamental para ampliar la capacidad de comunicación por satélite ya no está en el espacio, sino en tierra. Este es el problema central que ArrayLink intenta resolver. Dijo que esta solución puede ayudar a la industria a expandir la escala de estaciones terrestres a un costo menor y una velocidad más rápida, e incluso puede implementarse mediante un despliegue de "crowdsourcing": cualquier propietario o empresa con recursos en la azotea puede instalar el sistema y transmitir datos satelitales a Internet.
Vale la pena señalar que la innovación de ArrayLink radica no solo en el aplanamiento y distribución de formas físicas, sino también en la utilización en profundidad de las características del canal espacial. Al separar los paneles en un rango físico más amplio, el equipo descubrió que podían aprovechar un efecto llamado "línea de visión de campo cercano MIMO" para formar múltiples flujos de datos paralelos entre el mismo satélite y las estaciones terrestres, mejorando significativamente el rendimiento.
En los enlaces satelitales tradicionales con línea de visión, cada antena receptora a menudo "ve" casi la misma señal, lo que dificulta lograr la multiplexación espacial. Cuando el espacio entre paneles es lo suficientemente grande, las ondas electromagnéticas incidentes observadas por cada panel diferirán en parámetros como la fase, lo que permitirá al sistema separar múltiples flujos de datos independientes de señales del mismo satélite. En principio, esto es similar a la tecnología MIMO comúnmente utilizada en enrutadores Wi-Fi y redes de comunicaciones móviles, pero está amplificada a escala satelital.
Según los resultados de la simulación del equipo, ArrayLink puede admitir hasta 4 flujos de datos espacialmente paralelos a una distancia de transmisión de cientos de kilómetros, y aún puede mantener 2 flujos de datos a una distancia de más de 2000 kilómetros. Los investigadores dicen que, en comparación con los sistemas tradicionales de antenas parabólicas de flujo único, se espera que el rendimiento general de esta arquitectura aumente aproximadamente tres veces.
ArrayLink también demuestra una capacidad poco convencional: no sólo puede enfocar energía en la dimensión angular, sino también lograr una "entrega de punto fijo" de energía en la dimensión de distancia. Las antenas tradicionales controlan principalmente la dirección del haz cambiando el ángulo de orientación, mientras que ArrayLink puede controlar con precisión la ubicación concentrada de la energía tanto en dimensiones angulares como radiales, lo que se espera que reduzca la interferencia a otros sistemas satelitales en entornos orbitales complejos.
Este sistema no se queda en el papel. El equipo de investigación ha completado experimentos de hardware al aire libre en condiciones de línea de visión utilizando antenas en fase y plataformas de radio de software en la banda de frecuencia de 27 GHz. Los datos medidos son altamente consistentes con el análisis teórico y los resultados de la simulación, lo que hasta cierto punto verifica el mecanismo físico clave detrás del esquema.
Desde una perspectiva de implementación de ingeniería, ArrayLink también enfatiza la practicidad y la implementabilidad. Su diseño se basa en hardware de matriz en fase disponible comercialmente. Estos dispositivos son similares a las actuales antenas de terminales de Internet por satélite producidas en masa, lo que evita la necesidad de depender de equipos costosos y altamente personalizados "específicos de laboratorio", dejando así un camino factible para una futura implementación a gran escala.
El equipo también propuso una idea muy práctica: instalar este tipo de matriz directamente en la torre de la estación base 5G existente, para que pueda funcionar "a tiempo parcial" como una estación terrestre satelital manteniendo la función de comunicación celular original. Dado que estas estaciones de torre tienen condiciones básicas como suministro de energía, retorno de fibra óptica y arrendamiento del sitio, el costo marginal del despliegue superpuesto de ArrayLink será mucho menor que el de las nuevas estaciones terrestres dedicadas, lo que se espera que acelere la expansión de la infraestructura global de acceso satelital.
Actualmente, ArrayLink todavía se encuentra en la etapa de investigación experimental y aún no ha completado la verificación de extremo a extremo en satélites en órbita reales. El equipo de investigación continúa optimizando el diseño del sistema y explorando cómo resolver desafíos de ingeniería como el control coordinado, la gestión de operación y mantenimiento y la compatibilidad con arquitecturas de redes satelitales existentes en implementaciones a gran escala.
Desde la perspectiva de la industria, a medida que el número de constelaciones de órbita baja continúa aumentando y las capacidades de los satélites continúan aumentando, es casi inevitable que la arquitectura de la estación terrestre se vea obligada a pasar de "pocos pero refinados" sitios grandes a un nuevo paradigma de "distribución multipunto y expansión flexible". Si una solución distribuida basada en arreglos en fase como ArrayLink puede lograr avances en costo, confiabilidad y estandarización, se espera que proporcione una nueva forma de infraestructura factible para futuras redes globales de comunicación por satélite.