Как телефон мощностью меньше ватта связывается со спутником?

Меня до сих пор удивляет сама эта мысль: небольшой смартфон, который излучает всего десятые доли ватта, может связаться со спутником за сотни, а в некоторых системах — за десятки тысяч километров.

И не просто передать аварийный сигнал, а получить мобильную связь там, где вокруг нет ни одной базовой станции: в горах, тайге, море или другом месте вдали от цивилизации.

Как это вообще возможно?

Обычная мобильная связь работает через вышки. Телефон находит ближайшую, регистрируется в сети, а затем звонок или сообщение отправляется через инфраструктуру оператора.

В спутниковой системе всё похоже, только базовую станцию переносят в космос.

Специальный спутник «притворяется» обычной вышкой 4G или 5G. Телефон обнаруживает её сигнал, регистрируется при помощи SIM-карты и подключается к сети.

Дальше сигнал проходит примерно так:

телефон → спутник → наземный шлюз → сеть оператора → получатель.

Пока рядом есть обычная вышка, телефон работает через неё. Когда наземное покрытие исчезает, он может переключиться на спутник.

Некоторые системы используют привычный сигнал 4G/LTE. Благодаря этому со спутником способны связываться уже существующие смартфоны без выдвижной антенны и отдельного спутникового модема. Более новые системы используют стандарт 5G NTN, который изначально учитывает спутниковую связь.

Но как слабый сигнал телефона достигает космоса?

Большинство спутников прямой мобильной связи летает на низкой околоземной орбите — в сотнях километров над Землёй. А десятки тысяч километров относятся к более высоким орбитам и отдельным NTN-системам, обычно рассчитанным прежде всего на сообщения и передачу небольших объёмов данных.

Кроме того, на спутниках устанавливают огромные и очень чувствительные антенные решётки. Они создают узкие лучи и способны принять слабый сигнал маленькой телефонной антенны.

Получается, что основную сложную работу выполняет не телефон, а спутник.

Сначала через такие системы проще всего передавать короткие сообщения и координаты: для этого требуется совсем немного данных. По мере роста спутниковых группировок становятся возможны голосовые звонки и мобильный интернет.

Правда, это пока работает не с любым телефоном, не у каждого оператора и не во всех странах. Обычно требуется открытое небо: в помещении, под землёй или в густом лесу спутниковый сигнал принимается намного хуже.

Один спутниковый луч также приходится делить между множеством абонентов на большой территории. Поэтому космический 5G не заменит обычные вышки в городах. Его задача — закрыть места, где наземную сеть строить слишком сложно или дорого.

Есть у таких спутников ещё одна необычная особенность: они живут сравнительно недолго.

Аппараты на низкой орбите обычно рассчитаны примерно на 5–10 лет работы. Постепенно стареют аккумуляторы и солнечные панели, радиация повреждает электронику, а топливо для коррекции орбиты заканчивается. За это время оборудование успевает и технически устареть.

После окончания службы спутник снижают с орбиты. Он входит в плотные слои атмосферы и сгорает, а на его место запускают новый.

Поэтому спутниковая мобильная сеть — это не несколько вечных вышек над Землёй, а постоянно обновляемая система:

Одни спутники работают, другие летят им на смену, а старые сходят с орбиты.

Ещё недавно для звонка через спутник требовался специальный громоздкий телефон. Теперь обычный смартфон постепенно учится видеть базовые станции, которые движутся по небу со скоростью несколько километров в секунду.