Satellitinternet

Satellitinternet låter som en genväg: en antenn, en fri himmel och ingen grävning. Men signalen har en lång väg att gå, och just den vägen förklarar det mesta som är speciellt med tekniken: varför svaret kan dröja, varför antennen vill ha fri sikt mot himlen och varför kraftigt regn kan störa uppkopplingen. Det är fysik, inte marknadsföring.

Principen är enkel. Din utrustning skickar radiosignaler uppåt till en satellit. Satelliten skickar dem vidare till en markstation som sitter på det vanliga internet, och svaret tar samma väg tillbaka. Det som skiljer systemen åt är hur högt upp satelliterna befinner sig. Den höjden ger två helt olika tekniska världar, och det är dem det här kapitlet handlar om. Har du sett en parabol på ett hus för att ta emot TV har du redan sett halva tekniken, se Parabol. Hur satellit står sig mot andra sätt att ansluta jämförs i Internetanslutningar.

Satelliter sorteras efter banhöjd. Höjden bestämmer hur lång tid ett varv runt jorden tar, hur stor del av jorden satelliten ser och hur lång tid en radiosignal behöver på vägen upp och ned.

* Räkneexempel på en vald höjd, inte en beskrivning av ett visst system. Verkliga banor varierar.
Synlig del är räknad från horisont till horisont. I praktiken går det inte att använda en satellit som står precis vid horisonten, så den användbara delen är mindre.

Geostationär bana: stilla på himlen

På 35 786 km höjd över ekvatorn är omloppstiden exakt lika lång som jordens rotation, ett stjärndygn på 23 timmar och 56 minuter. Satelliten verkar därför stå still på himlen, och antennen behöver bara riktas en gång. Det är samma princip som för satellit-TV, och den fasta riktningen är skälet till att en enkel parabol räcker. Läs mer om antennen i Parabol och Parabolnät.

Priset är avståndet. Eftersom satelliten står över ekvatorn ligger den lågt mot söder när man befinner sig i Sverige. Räknar man på en satellit på samma longitud som Stockholm hamnar den ungefär 23 grader över horisonten, och vid Kiruna omkring 14 grader. Ju lägre vinkel, desto längre väg genom atmosfären och desto större risk att ett hus eller en trädkrona skymmer. Norr om ungefär 81 grader nordlig bredd ligger geostationära satelliter under horisonten och kan inte tas emot alls.

Låg bana: snabb, men i ständig rörelse

En satellit på några hundra kilometers höjd rör sig med omkring 7,6 km/s, ungefär 27 000 km/h, och hinner runt jorden på drygt en och en halv timme. Sett från marken syns den bara några minuter innan den försvinner bakom horisonten. Dessutom ser varje satellit en liten del av jorden: med en lägsta användbar vinkel på 25 grader över horisonten täcker en satellit på 550 km höjd ungefär en halv procent av jordytan. Att alltid ha en satellit över sig kräver därför i teorin ett par hundra satelliter, och i praktiken betydligt fler, eftersom varje satellit också har begränsad kapacitet. Därför byggs låga system som stora konstellationer.

Medelhöga banor ligger mittemellan. De behöver färre satelliter än låga banor, men signalen får ändå gå så långt att fördröjningen blir kring en tiondels sekund bara av fysiken. När uppdraget tar slut drar luftmotståndet dessutom ned låga satelliter av sig själv, medan geostationära skickas till en särskild kyrkogårdsbana ovanför.

Den klassiska uppbyggnaden, som många geostationära system använder, fungerar som ett böjt rör (bent pipe). Satelliten behöver då inte förstå trafiken. Den tar emot signalen, förstärker den, byter frekvens så att den inte stör sin egen mottagning och skickar den vidare. Vägen för en förfrågan ser ut så här:

1. Terminalen hos dig, med antenn och modem, skickar radiosignalen uppåt.
2. Satelliten tar emot, förstärker och skickar ned signalen på en annan frekvens.
3. Markstationen (gateway), en stor antenn med fiberanslutning, tar emot signalen och lämnar över den till det vanliga internet.
4. Svaret gör samma resa i omvänd ordning: markstationen, satelliten och sedan ned till dig.

I det här upplägget måste en markstation ligga inom samma satellits synfält som du. Där det inte går, till exempel över hav eller långt från närmaste markstation, kan en del system i stället skicka trafiken vidare mellan satelliterna med lasersändare. Då kan satelliten inte bara släppa igenom signalen: den måste själv avgöra åt vilket håll varje paket ska, precis som en router. Fördelen är att ljus i vakuum färdas ungefär 45 procent snabbare än i glasfiber. På långa sträckor, till exempel mellan kontinenter, väger det tyngre än de två extra sträckorna upp och ned, och en laserlänk i rymden kan ge kortare fördröjning än en markkabel. På korta sträckor väger det inte upp, och en markkabel vinner.

Radiovågor färdas med ljusets hastighet, knappt 300 000 km/s. Hastigheten går inte att höja, och det är därför fördröjningen är det som mest skiljer satellitsystemen åt. I ett system av böjt rör-typ passerar en förfrågan och dess svar fyra sträckor: terminal till satellit, satellit till markstation, och sedan samma väg tillbaka.

Geostationär bana. Fyra sträckor på 35 786 km är 143 144 km, vilket tar 477 ms. Det är ett golv som gäller när satelliten står rakt över både dig och markstationen, och det går inte att komma under. I Sverige är sträckan längre eftersom satelliten står lågt mot söder. För Stockholm blir varje sträcka ungefär 39 300 km och golvet drygt 520 ms. Allt annat, till exempel köer, bearbetning och vägen från markstationen till servern, kommer ovanpå.

Låg bana. Med en satellit på 550 km höjd är varje sträcka mellan 550 km (rakt ovanför) och drygt 1 100 km (25 grader över horisonten). Fyra sträckor är då 2 200 till 4 500 km, vilket ger 7 till 15 ms ur ren fysik. I verkligheten blir det mer, eftersom terminalen måste vänta på sin tur i satellitens tidsschema, och eftersom markstationens läge och den resterande vägen till servern spelar in. Men skillnaden mot geostationär bana är fortfarande en storleksordning: tiotals millisekunder mot över en halv sekund.

Varför en halv sekund känns som mycket mer

Fördröjningen betalas flera gånger om för en enda webbsida. För att öppna en krypterad sida behöver webbläsaren först etablera en TCP-förbindelse (ett varv), sedan förhandla krypteringen med TLS 1.3 (ett varv) och slutligen skicka förfrågan och få svar (ett varv). Det är tre varv innan första byten har kommit. Med 0,5 s per varv blir det 1,5 s, utan att DNS-uppslaget ens är medräknat. Med en ping på 30 ms tar samma tre varv under en tiondels sekund.

Det finns också ett kapacitetsproblem. För att fylla en länk måste avsändaren ha lika mycket data på väg som bandbredden multiplicerat med fördröjningen, den så kallade bandwidth-delay product. Vid 100 Mbit/s och 0,6 s är det 60 Mbit, drygt 7 MB som samtidigt befinner sig någonstans mellan jorden och rymden. Det kräver stora TCP-fönster, och enklare implementationer klarar det dåligt. Därför lägger geostationära system ofta in en prestandaförstärkare (PEP) som delar upp förbindelsen och svarar lokalt. Krypterade protokoll som QUIC, och VPN som döljer den inre trafiken, ger en vanlig PEP inget att arbeta med, vilket är en av anledningarna till att de kan kännas segare över geostationär bana.

Strömmande video påverkas lite, eftersom spelaren buffrar. Samtal, spel och fjärrstyrning av en dator är i stället beroende av varje varv.

Bredbandssystem använder frekvenser på flera gigahertz. Ku-bandet (i de här systemen ungefär 10,7 till 14,5 GHz) är samma frekvensområde som satellit-TV använder med sin parabol, och Ka-bandet (i satellitsammanhang ungefär 18 till 30 GHz) ligger högre. Markstationerna använder ofta Ka-bandet. Terminalerna hemma använder ofta Ku-bandet, men nyare system använder även Ka mellan satellit och terminal. Skälet till de höga frekvenserna är att de ger plats åt mycket data och att en liten antenn kan göra signalen riktad. Läs om mottagaren i Parabolnät.

Avståndet äter signalen

En radiovåg sprids ut när den färdas, och effekten som når mottagaren minskar med kvadraten på avståndet. Förlusten i fritt rymd räknas med FSPL = 20 × log10(d) + 20 × log10(f) + 32,44 dB, där d är avståndet i km och f frekvensen i MHz. Vid 12 GHz ger det omkring 205 dB för en geostationär satellit och omkring 169 dB för en på 550 km. Skillnaden är 36 dB, ungefär 4 300 gånger i effekt. Det är den skillnaden som gör att en låg bana klarar sig med en platt antenn och lite sändningseffekt, medan geostationära system behöver större antenner och mer effekt.

Regn och snö

På 12 GHz är våglängden omkring 2,5 cm. Regndroppar är små men inte försumbara mot den längden, och de absorberar och sprider signalen. Dämpningen ökar med frekvensen, så Ka-bandet drabbas mer än Ku-bandet. Torr snö dämpar mycket mindre än regn, men inte noll, medan blöt snö kan dämpa lika mycket som regn eller mer. Snö som lägger sig på själva antennen kan dessutom försämra signalen märkbart. System kompenserar genom att byta till en mer robust modulering i stället för att tappa förbindelsen, så regn märks oftare som lägre hastighet än som avbrott.

Ett system med satelliter i rörelse kan inte lita på en antenn som en gång har riktats. Lösningen är en fasstyrd gruppantenn (phased array): en platta med många små antennelement, där varje element får sin signal fördröjd en bråkdel av en svängning. Signalerna från elementen förstärker varandra i en vald riktning och släcker ut varandra i andra. Riktningen styrs alltså elektroniskt, utan motorer, och kan ändras på mikrosekunder.

Hur smal strålen blir beror på antennens storlek mätt i våglängder. Som grov regel är strålbredden i grader ungefär 70 gånger våglängden delat med antennens diameter. Vid 12 GHz och en stråle på omkring 3 grader behövs alltså en diameter på ungefär 60 cm. En mindre antenn ger en bredare stråle och lägre förstärkning, vilket ger lägre kapacitet eller kräver mer sändningseffekt. Storleken är en avvägning, inte en naturlag.

Överlämning mellan satelliter

Eftersom en satellit är över horisonten bara några minuter måste terminalen hela tiden byta till nästa. Systemet bestämmer i förväg vilken satellit som ska ta över, och terminalen riktar om strålen medan förbindelsen fortsätter. För att veta var den ska rikta behöver terminalen både systemets banuppgifter och sin egen position, som den får från satellitnavigering. Läs hur positionen räknas ut i Sensorer och navigering.

Antennens synfält är begränsat. Tittar strålen för snett mot sidan förlorar antennen effektiv yta, och satelliter nära horisonten går inte att använda. Det är därför terminalen bör sitta med en så öppen himmel som möjligt. En enda trädkrona eller skorsten i fel riktning kan skymma satelliten just när den passerar.

Rörelsen ger också en dopplereffekt. En satellit som närmar sig med flera kilometer i sekunden förskjuter frekvensen med storleksordningen 250 kHz på 12 GHz. Terminalen måste kompensera för det i realtid för att kunna avkoda signalen.

En satellit täcker inte ett område med en enda stor stråle, utan med många smala strålar, så kallade celler. Alla terminaler i samma cell delar på cellens kapacitet, och satelliten schemalägger i små tidsluckor vem som får sända och ta emot. Grannceller använder olika frekvenser eller polarisation så att de inte stör varandra, och samma frekvens återanvänds längre bort.

Kapaciteten per kvadratkilometer är alltså begränsad av hur många strålar satelliterna kan bilda. Det räcker gott där få bor, men inte där många vill ha hög hastighet samtidigt. Därför passar satellitinternet bäst där det inte finns några alternativ, eller som reserv när det ordinarie nätet ligger nere.

Fri sikt är viktigast. Vid geostationär bana ska antennen se mot södra himlen med låg vinkel, vid låg bana ska den se mot en så stor del av himlen som möjligt. Skuggning från träd, tak och skorstenar är den vanligaste orsaken till avbrott.

Terminalen innehåller ofta modem och router. Vill du ha täckning i hela huset ansluter du ett eget nät bakom den, se Routern. Många operatörer delar dessutom ut en delad publik IP-adress till flera kunder (CGNAT). Då går det inte att nå en server hemma utifrån på vanligt sätt, vilket påverkar till exempel kameror och spelservrar. Läs mer i IPv6.

Jämfört med andra sätt att ansluta ser skillnaderna ut så här:

Relativa jämförelser. Hastigheter och priser är med flit utelämnade, eftersom de ändras snabbt. Om mobilnät, se Mobilnäten.

Vanliga mobiler kan i vissa system också ansluta direkt till en satellit. Mobilens antenn är liten och kan inte riktas, så länkbudgeten är mycket sämre än för en egen terminal, och kapaciteten per användare blir därefter. Det är en tillgång för nödlägen och för platser utan täckning, inte en ersättare för fast bredband.

Skriven av:

Linus Logren

Teknik-entusiast och skribent

hurfunkardet@kjell.com

Korrekturläst av:

Axel Liljencrantz

Produktspecialist

hurfunkardet@kjell.com

Research av:

Zacharias Berg

Sortiment-koordinator Nätverk

hurfunkardet@kjell.com