فناوری جدید اجازه می‌دهد چندین کاربر به‌طور همزمان به یک آنتن ماهواره‌ای متصل شوند!

یک تکنیک جدید به آنتن‌های ماهواره‌ای مدار پایین این امکان را می‌دهد که هم‌زمان با چندین کاربر ارتباط برقرار کنند. این روش می‌تواند تعداد ماهواره‌ها و هزینه‌ها را کاهش داده و همچنین خطرات زباله‌های فضایی را کمتر کند. این پیشرفت در آزمایش‌ها تأیید شده و انتظار می‌رود در شبکه‌های ماهواره‌ای آینده به کار گرفته شود.

ماهواره‌های مدار پایین پتانسیل ارائه ارتباطات پرسرعت به میلیون‌ها نفر در سراسر جهان را دارند. اما اثربخشی آن‌ها در حال حاضر به دلیل یک چالش فنی محدود است: آرایه‌های آنتن آن‌ها تنها می‌توانند با یک کاربر در یک زمان ارتباط برقرار کنند.

این نسبت یک به یک به این معنی است که شرکت‌ها باید یا صورت فلکی‌هایی از ماهواره‌های متعدد پرتاب کنند یا ماهواره‌هایی بزرگ با آرایه‌های متعدد برای پوشش وسیع به فضا بفرستند. هر دو گزینه پرهزینه بوده و از نظر فنی پیچیده است. همچنین امکان دارد منجر به ازدحام در مدار شود.

برای مثال، اسپیس‌ایکس، راه «صورت فلکی» را انتخاب کرده است. شبکه استارلینک این شرکت در حال حاضر از بیش از ۶,۰۰۰ ماهواره در مدار پایین زمین تشکیل شده است که بیش از نیمی از آن‌ها در چند سال گذشته پرتاب شده‌اند. اسپیس‌اکس قصد دارد ده‌ها هزار ماهواره دیگر را نیز در سال‌های آینده پرتاب کند.

رویکرد جدید: آرایه‌های آنتن چندکاربره

اکنون، محققان دانشگاه پرینستون و دانشگاه یانگ مینگ چیائو تانگ در تایوان تکنیکی اختراع کرده‌اند که به آنتن‌های ماهواره‌ای مدار پایین امکان می‌دهد هم‌زمان سیگنال‌های چندین کاربر را مدیریت کنند و به‌طور قابل توجهی نیاز به سخت‌افزار را کاهش می‌دهد.

در مقاله‌ای که اخیراً در IEEE Transactions on Signal Processing منتشر شده، محققان روشی را برای غلبه بر محدودیت تک‌کاربری توصیف می‌کنند. این استراتژی بر پایه یک تکنیک رایج برای تقویت ارتباطات بنا شده که آرایه‌های آنتن را برای هدایت پرتوهای امواج رادیویی به‌دقت در جایی که نیاز است، قرار می‌دهد. هر پرتو اطلاعاتی مانند پیامک‌ها یا تماس‌های تلفنی را به‌صورت سیگنال حمل می‌کند. در حالیکه آرایه‌های آنتن در پلتفرم‌های زمینی مانند دکل‌های تلفن همراه می‌توانند بسیاری از سیگنال‌ها را در هر پرتو مدیریت کنند، ماهواره‌های مدار پایین تنها توان مدیریت یک کاربر را دارند.

سرعت ۲۰,۰۰۰ مایل در ساعت ماهواره‌ها و موقعیت‌های متغیر آن‌ها، مدیریت چندین سیگنال بدون تداخل را تقریباً غیرممکن می‌کند.

پروفسور اچ. وینسنت پوور، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه پرینستون و یکی از نویسندگان مقاله، توضیح داد:

برای یک دکل تلفن همراه که با خودرویی در حال حرکت با سرعت ۶۰ مایل در ساعت در بزرگراه ارتباط برقرار می‌کند، در مقایسه با نرخ تبادل داده‌ها، خودرو خیلی حرکت نمی‌کند. اما این ماهواره‌ها برای ماندن در مدار سریع حرکت می‌کنند، بنابراین اطلاعات درباره آن‌ها به سرعت تغییر می‌کند.»

برای مقابله با این محدودیت، محققان سیستمی توسعه دادند که می‌تواند انتقال‌ها از یک آرایه آنتن را به‌طور مؤثر به چندین پرتو تقسیم کند بدون اینکه نیاز به سخت‌افزار اضافی باشد. این به ماهواره‌ها امکان می‌دهد از محدودیت یک کاربر در هر آرایه آنتن عبور کنند.

پروفسور شانگ-هو (لارنس) تسای، استاد مهندسی برق در دانشگاه یانگ مینگ چیائو تانگ و یکی از نویسندگان مقاله، این رویکرد را به تاباندن دو پرتو متمایز از یک چراغ‌قوه بدون استفاده از لامپ‌های متعدد تشبیه کرد. او گفت:

حالا، ما فقط به یک لامپ نیاز داریم. این به معنای کاهش چشمگیر هزینه و مصرف انرژی است.

یک شبکه با آنتن‌های کمتر می‌تواند به معنای تعداد کمتر ماهواره‌ها، ماهواره‌های کوچکتر، یا هر دو باشد. تسای گفت:

یک شبکه ماهواره‌ای مدار پایین معمولی ممکن است برای پوشش ایالات متحده به ۷۰ تا ۸۰ ماهواره نیاز داشته باشد. حالا این تعداد ممکن است به حدود ۱۶ عدد کاهش یابد.

پوور می‌گوید این تکنیک جدید می‌تواند در ماهواره‌های موجود که قبلاً ساخته شده‌اند نیز به کار رود. او افزود:

اما یکی از مزایای کلیدی این است که می‌توانید یک ماهواره ساده‌تر طراحی کنید.

تأثیرات در فضا

ماهواره‌های مدار پایین در لایه پایین جو زمین، بین ۱۰۰ تا ۱,۲۰۰ مایل از سطح زمین قرار دارند. این ناحیه از فضا دارای فضای محدودی است. هرچه اشیاء بیشتری در این فضا پرواز کنند، احتمال برخورد آن‌ها بیشتر می‌شود که باعث شکستن و آزادسازی قطعات کوچکتر زباله خواهد شد که می‌توانند با اشیاء دیگر برخورد کنند.

پور گفت:

نگرانی اصلی برخورد با ماهواره‌های در حال سقوط نیست، بلکه مربوط به آینده طولانی‌مدت جو و ایجاد ابرهای زباله فضایی در مدار است که مشکلات زیادی ایجاد خواهد کرد.

با توجه به اینکه صنعت ماهواره‌های مدار پایین به سرعت در حال رشد است و شرکت‌هایی مانند آمازون و وان‌وب نیز صورت فلکی‌های ماهواره‌ای خود را برای ارائه خدمات اینترنتی مستقر می‌کنند، این تکنیک جدید می‌تواند خطرات این تهدیدها را کاهش دهد.

پور گفت اگرچه این مقاله کاملاً نظری است، اما سودمندی‌های به‌دست‌آمده واقعی هستند. او ادامه داد:

این مقاله همگی ریاضیات است، اما به‌ویژه در این زمینه، کار نظری تمایل دارد بسیار پیش‌بینی‌کننده باشد.

از زمان انتشار این مقاله، تسای آزمایش‌های میدانی با استفاده از آنتن‌های زیرزمینی انجام داده و نشان داده است که ریاضیات به‌واقع کار می‌کند. او گفت:

گام بعدی این است که این تکنیک را در یک ماهواره واقعی پیاده‌سازی کرده و آن را به فضا بفرستیم.

منبع: Scitechdaily