Kinesisk lasersatellit krossar Starlink: gigabit från 36 000 km

En satellit svagare än en nattlampa – snabbare än Starlink

Kinesiska forskare har påvisat en helt ny generation av satellitinternet: gigabithastigheter från geostationär omloppsbana med endast 2 watts sändeffekt. Experimentet, som genomfördes vid Lijiang-observatoriet i Yunnan-provinsen, antyder att optiska satellitförbindelser i framtiden kan överträffa klassiska radiosystem – inklusive Starlink.

Ett forskarteam från Peking-universitetet och Kinesiska vetenskapsakademin använde en satellit i geostationär bana, cirka 36 000 km över ekvatorn. Lasern ombord arbetade med endast 2 watts effekt – närmare en lågenergilampa än en traditionell långdistanssändare.

1 Gbps från 36 000 km med en 2-watts sändare – det tempot skulle möjliggöra överföring av en HD-film från Shanghai till Los Angeles på under fem sekunder.

Trots den blygsamma sändeffekten lyckades man uppnå en nedladdningshastighet på 1 Gbps. Enligt forskarna är det cirka fem gånger snabbare än de typiska hastigheterna i det befintliga Starlink-nätverket – och detta över ett avstånd mer än 60 gånger större än Starlink-satelliternas omloppshöjd på bara några hundra kilometer.

Lijiang-observatoriet: Ett teleskop i stället för en hemantenn

Hela testet byggde på infrastrukturen vid Lijiang astronomiska observatorium. Mottagaren liknade därför inte en vanlig parabolantenn, utan ett avancerat optiskt system bestående av:

• Ett teleskop med en diameter på 1,8 meter
• Ett system med 357 korrigerande mikrospeglar
• En modul som delar upp strålen i flera optiska kanaler

Ljusstrålen från rymden blev alltså inte bara ”fångad” direkt. Den genomgick först en blixtsnabb korrektionsfas innan den bearbetades vidare. Hela experimentet handlade inte så mycket om själva lasern, utan om kampen mot den största fienden för den typen av förbindelser: atmosfären.

Atmosfären som transmissionens värsta motståndare

För en laserstråle är yttre rymden en idealisk miljö. De verkliga problemen uppstår först precis ovanför mottagaren, i den täta och oroliga luften. Turbulens, temperatursvängningar och variationer i luftens täthet får ljuset att spridas, böjas och förlora sin ursprungliga form.

Tidigare har forskare vanligtvis valt en av två ansatser:

• Adaptiv optik – ett spegelsystem som i realtid justerar sig själv för att ”räta ut” de ljusvågor som atmosfären har deformerat.
• Modal diversitetsmottagning – insamling av många spridda signalkomponenter och digital sammanfogning för att återskapa informationen.

Vid svaga till måttliga turbulensnivåer fungerar båda metoderna utmärkt. Men under kraftiga luftstörningar – typiskt för bergsobservatorier – räcker en lösning sällan till.

Kombinationen av två tekniker: AO-MDR

Det kinesiska teamet valde att kombinera båda tillvägagångssätten i en samlad mottagarkedja, kortfattat kallad ”AO-MDR-synergi”. På mottagarsidan försiggick processen i flera steg.

Första steget: Utjämning av ljusvågen

Signalen träffade först det adaptiva optiska systemet. De 357 mikrospeglar reagerade i realtid på förändringar i den inkommande vågformen. Systemet korrigerade löpande de fel som atmosfären introducerade och förde strålen närmare en ideal profil.

Denna metod härstammar från observationsastronomi, där liknande tekniker används för att ”skärpa” bilder av stjärnor som slöjas av luften.

Andra steget: Uppdelning och urval av de starkaste kanalerna

Efter den inledande korrektionen passerade signalen genom en så kallad flerplansomvandlare. Detta element delade upp strålen i åtta grundkanaler med olika ljusutbredningslägen.

Mottagaren valde sedan ut de tre starkaste kanalerna av åtta och samlade dem till en dataström för avkodning. Systemet utgick alltså från att en del av informationen skulle gå förlorad på vägen – men utnyttjade de signalvägar som överlevde i bäst skick.

Användningen av AO-MDR ökade andelen användbar signal från omkring 72% till över 91%, vilket innebär ett markant språng i både hastighet och förbindelsepålitlighet.

Därför betyder omloppshöjden så mycket

En geostationär satellit ”hänger” optiskt över en punkt på ekvatorn, eftersom den roterar med samma vinkelhastighet som jorden. Sett från en mottagare på ytan ser den ut som en stillastående punkt på himlen.

Det är en enorm fördel för en jordstation: antennen eller teleskopet behöver inte ständigt följa snabbt rörliga satelliter, som är fallet med lågbankonstellationer. Men priset för denna bekvämlighet är högt:

Ju längre bort från jorden satellitten befinner sig, desto svagare är signalen som når mottagaren – eftersom strålens energi fördelas över en allt större yta. Med en optisk förbindelse måste man dessutom ta hänsyn till att den sista biten genom atmosfären blir svårare ju längre den totala sträckan är.

Det är just därför uppnåendet av 1 Gbps från geostationär bana med 2 watts effekt väckte sådan uppmärksamhet. Det demonstrerar att man med en tillräckligt sofistikerad mottagare kan föreställa sig framtida laser-”datamotorvägar” från stora höjder.

Inte en hemterminal – utan ryggraden i ett nätverk

Stationen i Lijiang är på intet sätt en prototyp till en enhet man ställer upp på balkongen. Det är en massiv teleskopinstallation som kräver precisionmekanik, komplex styrelektronik och avancerad realtidsprogramvara.

Den profilen gör denna typ av förbindelser bäst lämpade som knutpunkter i nätverkets ryggrad. Man kan föreställa sig flera användningsscenarier:

• Överföring av enorma datamängder från observationssatelliter till datacentraler på land
• Kommunikation mellan avlägsna punkter på kontinenter, där utläggning av fiberkablar är dyrt eller riskabelt
• Uppbyggnad av ”databroar” mellan geostationära kommunikationssatelliter och markbaserade 5G-nätnoder

Den vanliga hemanvändaren kan dra nytta av ett sådant system indirekt – eftersom data slutligen hamnar i den befintliga internetinfrastrukturen hos operatörerna och därifrån till routern i lägenheten.

Vad detta experiment berättar om framtidens satellitinternet

Många diskussioner om omloppskommunikation kretsar idag kring antalet satelliter och radiofrekvenser. Det kinesiska testet förskjuter tyngdpunkten någon annanstans: det visar att en enorm potential också ligger gömd i det ”sista ledet” på mottagarsidan.

En laserstråle, som i teorin verkar skör och sårbar för störningar, kan med rätt tillvägagångssätt bli ett mycket effektivt verktyg. Nyckeln ligger i att låta bli att ignorera atmosfärens existens – och i stället göra dess nyckfulla natur till en del av designen. Det är precis vad AO-MDR-systemet i Lijiang gör: det accepterar att signalen kommer att brytas upp och lär sig sedan att välja ut de bästa fragmenten.

För ingenjörer som planerar global kommunikationsinfrastruktur betyder detta flera saker. Optiska satellitförbindelser kan bli ett seriöst komplement – och ibland ett alternativ – till klassiska radiosändare. Särskilt där stor kapacitet är viktig under energimässiga begränsningar, och där man inte vill överbelasta redan tätpackade radioband.

Sett ur slutanvändarens perspektiv finns det ytterligare en viktig aspekt: om sådana system finner praktisk tillämpning kan de minska klyftan i tillgången till snabbt internet mellan stadsområden och tekniskt svåra regioner – från avlägsna öar till polara forskningsstationer. Den slutliga framgången beror inte bara på laserteknologin, utan också på hur snabbt den komplicerade stationen från Lijiang kan förenklas till mer kompakta och billigare lösningar.