Шлях до технічної незалежності від Starlink
Простими словами про технічні рішення та перешкоди на шляху до незалежності України від Starlink.
Як швидкісний супутниковий зв’язок змінив сучасне поле бою вже йшла мова у нашій короткій аналітичні статті. Розглянемо тепер більш детально технічну складову сьогоднішньої залежності України від Starlink. При чому наш фокус тут буде більше на технічній складовій саме споживання та використання зв’язку, і менше на самих особливостях систем супутникового зв’язку.
В статті ми оперуємо технологіями та термінами початкового рівня. Тобто щоб розібратись в матеріалі, не обов’язково бути інженером ІТ
Злом парадигми
Супутниковий зв’язок Starlink наразі сприймається багатьма як “золотий стандарт” не лише в технічному плані. Цінова доступність та простота використання грають не меншу роль, ніж притаманні Starlink високі швидкості з’єднання. Поява такого засобу зв’язку дала Україні у 2022 році значний поштовх - можливість передавати якісний цифровий контент прямо з поля бою. У свою чергу це послугувало трампліном для якісного та кількісного стрибку застосування різноманітних дронів для дуже широкого кола завдань.
Історично, супутниковий зв’язок існуючих до цього систем був орієнтований насамперед на споживання даних та різноманітного цифрового контенту. Тобто швидкість та якість отримання даних в супутниковому каналі терміналів були більш-менш достатніми, відповідно вимог сучасності - зазвичай десятки мегабіт в секунду. А от можливості передачі даних з супутникових терміналів “вверх” зазвичай обмежувались ліченими мегабітами в секунду.
Завдяки цьому парадигма застосування супутникового зв’язку була раніше доволі консервативною та обмеженою. Starlink кардинально змінив цю парадигму за лічені місяці ще у 2022-му році. Основними факторами стали значно вища швидкість передачі та прийому даних та невелика затримка доставки даних в мережі.
Звісно, Starlink має і інші корисні особливості - робота під час руху, простота розгортання та й інші. Але зараз наша мета - знайти шляхи виходу із залежності від “крутого” але певною мірою ризикованого засобу зв’язку, тому сфокусуємось саме на прийому та передачі даних. Сама цей фокус допоможе нам і зрозуміти причини залежності, і визначити шляхи виходу з неї.
Злом парадигми відбувся саме тому, що будь яке джерело інформації на полі бою, отримало можливість передавати високоякісний контент. Тобто з’явилась можливість отримувати високоякісне відео, керувати дроном, передавати великий обсяг даних з сенсорів чи телеметрію та т.п. у реальному часі. Це дозволило кардинально розширити можливості на всіх рівнях - тактичному, оперативному та навіть стратегічному.
Стара парадигма була більше орієнтована на споживання інформації будь яким актором на полі бою. Нова парадигма зробила будь який засіб такого актора саме джерелом високоякісного контенту для всіх акторів у реальному часі. Тобто вектор пріоритета обернувся з прийому на передачу даних.
Переважна більшість систем військового зв’язку, у т.ч. і супутникового, звісно будувались саме на фундаменті парадигм та уяв минулого. Тактика та специфіка сьогоднішньої війни базується насамперед на новій парадигмі. Але це геть не означає, що нова парадигма може працювати лише через Starlink.
Starlink у потрібний Україні час надав технічну можливість зміни парадигми, де поле бою формує величезні потоки даних у реальному часі. Парадигма еволюціонувала в умовах війни, і… вперлась в «ефект шийки пляшки» - в той самий Starlink. Тобто обмеженість лише одним засобом зв’язку - це тепер стримуючий для нас фактор.
Залежність, чи розбещеність?
Основна причина нашої сьогоднішньої залежності - звичка споживати високошвидкісне з’єднання Starlink бездумно, не аналізуючи та не адаптуючи свої технічні потреби. Тобто Starlink - такий собі всюдихід, він підходить під дуже широке коло сценаріїв використання.“бо на все вистачає та й дешево”. Це певною мірою звісно розслаблює… аж поки не виникають технічні збої чи навіть вимкнення доступу з якихось не технічних причин. Іноді ціна цьому - життя людей.
Але ця залежність також має і інші прояви - до всього хорошого звикаєш швидко… І користувачі і розробники різних систем звикають до можливостей Starlink та не рахуються з потребами оптимізації систем та їх трафіку. В результаті - нездатність та навіть неспроможність використовувати інші наявні системи супутникового зв’язку.
В умовах війни ми просто мусимо вміти ефективно використовувати альтернативні рішення супутникового зв’язку. Ми мусимо забезпечувати стійкість та достатність. Для цього нам потрібно лише краще розуміти свої потреби, співставляти та адаптувати їх до можливостей доступних каналів зв’язку, котрих насправді не так вже й мало.
Спробуємо розібратись та зрозуміти - як подолати цю, чи то залежність, чи то розбещеність. Це насправді геть не складно ;)
Альтернативних рішень зв’язку не так вже й мало. Але для того, щоб отримати потрібне коли Starlink лежить, потрібно розуміти власні потреби та вміти обирати та використовувати відповідні рішення.
Що маємо на полі бою?
Для початку спробуємо коротко охарактеризувати технічні можливості прийому та передачі даних систем супутникового зв’язку, котрі можемо зустріти на полі бою сьогодні.
Для кращого розуміння використаних термінів та параметрів, може бути корисним спочатку зробити короткий огляд основ супутникового зв’язку переглянувши відео міні-лекції “Про супутниковий зв’язок простими словами”.
Starlink, OneWeb та Amazon Kuiper використовують низькоорбітальні супутникові сузір’я (LEO). Практично всі інші доступні системи супутникового зв’язку використовують геостаціонарні супутники (GEO). Переданий терміналом сигнал долітає до геостаціонарного супутника в десятки разів довше, ніж до низькоорбітального. Це формує обмеження, котри ми називаємо затримкою доставки. Отже:
У випадку LEO затримка становить 20-50 мс.
У випадку GEO - 400-700 мс.
Важливо відмітити, що на затримку впливає не лише дистанція до супутника, але ще і швидкодія транспортної інфраструктури. Пізніше ми розглянемо на що саме затримка впливає.
Швидкість передачі даних супутниковим терміналом:
У згаданих LEO рішень, становить від 5 Мб/с до 50 Мб/с.
У більшості доступних GEO рішень - від 2 до 10 Мб/с.
Для деяких нових GEO рішень, наприклад від UASAT, швидкість передачі може бути до 30 Мб/с.
Швидкість отримання даних супутниковим терміналом:
У згаданих LEO рішень, становить до 300 Мб/с.
У більшості доступних GEO рішень - від 20 до 100 Мб/с.
Для деяких нових GEO рішень, наприклад від UASAT, швидкість передачі може бути до 250 Мб/с.
Так, такі LEO рішення як Starlink мають низьку затримку доставки даних (на практиці - у ~10–20 разів) та в декілька разів більшу швидкість передачі та прийому даних, порівняно з GEO. Але чи це значить, що доступні нам GEO рішення не можуть впоратись з більшістю сьогоднішніх задач та сценаріїв?
Важливо відзначити, що у складних умовах (погода, перешкоди, РЕБ) реальна досяжна швидкість прийому та передачі даних інколи може бути меншою. Це стосується і того ж Starlink, особливо в зонах великої концентрації терміналів та застосування засобів РЕБ.
Що ми передаємо та що приймаємо?
Екосистема військового трафіка даних дуже різноманітна. На нашому полі бою задіяно величезна кількість різноманітних систем. Кожна система має свої специфічні особливості. Про це вже йшла мова у одній з попередніх публікацій. Тому тут спробуємо обмежитись лише декількома ключовими типами даних, та технічних потреб відповідних систем.
Мова далі піде про:
Відеодані
Телеметрія, логі та сенсорні дані
Керування дронами
Голосові та відеодзвінки
Типовий обмін файлами та повідомленнями
Взаємодія додатків та мережевих систем
Перед продовженням виділемо декілька ключових термінів та факторів, котрі найбільш залежні від затримки доставки даних.
Важливе для розуміння
Почнемо з простого - переважна більшість трафіку в мережі сьогодні передається за допомогою Інтернет Протокола (IP) та супутніх стандартів, котрі керують “розфасовкою” даних на порції та їх доставкою.
Ота “розфасовка” та доставка іде одним з двох способів:
TCP (Transmission Control Protocol) - коли жодна доставка нового пакету не починається, поки не отримано підтвердження доставки попереднього.
UDP (User Datagram Protocol) - коли відправка іде пакетами, незалежно від того, доставили все, чи якийсь втратили.
Чому це важливо розуміти?
TCP - чим більше затримка доставки, тим більше часу потрібно на підтвердження доставки кожного пакету. Десь це лише про швидкість. А десь це прямо критична перешкода для обміну даними.
UDP - навпаки - затримка ніяк не впливає.
Звісно, є і інші фактори. Але оці два ключові. Саме роль TCP та UDP трафіку впливає на здатність чи зручність використовувати супутникові канали зв’язку для наших систем.
Дуже часто затримку доставки даних плутають чи змішують з стабільністю каналу. Для зручності пропонуємо пам’ятати що стабільність каналів GEO та LEO практично однакова. Різниця саме у затримці та швидкості (пропускній здатності). Нестабільність в складних умовах може бути однаково і у Starlink, і у Tooway, і будь якої іншої системи. Нестабільність каналу призводить до інших затримок в обміну даними між системами - набагато довших та проблематичніших.
Для GEO систем супутникового зв’язку стабільність часто залежить від правильного налаштування терміналу - правильної орієнтації у випадку “тарілки”, та відповідних системних налаштувань “пласких” терміналів з АФАР. Це перевірена роками бойового досвіду реальність.
Дуже часта помилка, котра виникає з бажання захистити трафік тунелюванням з шифруванням - використання не відповідних VPN рішень. Тобто UDP трафік пускають через TCP тунель, в результаті типова проблема “TCP over TCP meltdown”. У випадку Starlink це ще “просто” проблема якості (“фрізи”) та швидкості, а у випадку GEO - може попросту не працювати.
Розглянемо тепер кожний тип даних, в залежності від сценарію використання, та визначимо що є критичним а що ні. Де є розбещеність, а де є реальна залежність.
Відеодані
Переважна більшість використовуваних сьогодні протоколів відеотрансляцій базуються саме на UDP. Звісно, завжди є і якась TCP складова. Але це залишимо для більш технічних публікацій для фахівців. Переважна більшість відео- чи аудіопотоків передаються у форматі, котрі визначені кодеками (A/V codec).
Кодек стискає зображення або звук, щоб зменшити обсяг даних і зробити передавання швидшим. Під час трансляції ці потоки передаються невеликими UDP-пакетами в реальному часі — без очікування підтвердження, що кожен із них дійшов. Якщо якийсь пакет загубився, система просто пропускає його й показує наступні кадри. Завдяки цьому глядач бачить безперервне відео, навіть якщо частина даних не дійшла, — швидкість важливіша за ідеальну точність.
Чим більше компресія (стиснення) кодека, тим менше пропускної здатності каналу вимагається. Але тим й більше втрати якості при втраті пакетів. Отже коли якийсь виробник дронів жаліється, що йому не вистачає навіть Starlink для “якісної картинки в 30 fps”, це значить що йому насправді бракує в команді компетенцій щодо підбору адекватних кодеків та налаштування їх параметрів. Та й проблема у дронів, особливо в НРК, частіше всього саме в стабільності з’єднання в умовах роботи з перешкодами (наприклад у лісі).
Така сама проблема, коли в підрозділі пробують передавати стріми від всіх БПЛА по одному каналу, без адаптації - використання адаптивних сучасних кодеків, налаштування компресії та т.п.. Кожен відео стрім у якості FHD (1080p) популярним, але вже не дуже вже адекватним кодеком H.264 / AVC тоді вимагатиме до 8 Мб/с пропускної здатності каналу на стрім. І це не кожна супутникова система GEO з наявних “проковтне”. А якщо згадати, що камери вже давно частіше 2К а то й 4К, то стає зрозумілим, що перехід на більш адаптивні H.265 / HEVC чи на AV1 дасть “економію” - вимоги до пропускної здатності зменшаться майже вдвічі.
Отже, виділимо основне:
Сама по собі передача відеоданих здебільше не залежить від затримки доставки GEO/LEO. Найкращі сучасні рішення GEO (наприклад UASAT GEO 74) здатні забезпечити цілком слушні можливості для передачі високоякісних відеоданих.
Прийом відеоданих, так само, не залежить від затримки (мова не про керування дроном - про це буде нижче). Підійдуть майже всі наявні GEO рішення. А той самий UASAT GEO 74 може забезпечити на швидкості каналу 100 Мб/с прийом відповідної кількості трансляцій, не дуже поступаючись Starlink.
Адаптація під пропускну здатність каналу на передачу може вимагати адаптивних рішень (адаптивні кодеки та їх налаштування, пристрої перекодування тощо) та відповідних компетенцій. У одній з наступних публікації ми це розглянемо детальніше.
Висновок - для прийому відеоданих наявні супутникові термінали GEO цілком підходять, хоч і більшість з них і поступаються Starlink у пропускній здатності. Для передачі відеоданих підійдуть лише ті, котрі здатні забезпечити відповідну пропускну здатність “вверх”.
Важливо не плутати різноманітні сценарії трансляції відеопотоків (відеострімінг), про котрі тут йшла мова, із відеотрансляцією для пілотування/керування дроному у реальному часі!
Телеметрія, логі та сенсорні дані
По аналогії з відеоданими, значна частина трафіку телеметрії, логування та потоків сенсорних даних використовують UDP. Отже для визначення критичності затримки даних нам потрібно знати, чи є критична залежність від TCP у вашій системі та її трафіку. Якщо немає - можна сміливо використовувати будь які GEO системи. Якщо є - варто проговорити з розробниками перехід на UDP.
Висновок - кожен окремий поток таких даних зазвичай не дуже вибагливий до пропускної здатності каналу - частіше всього підійде будь яка GEO система супутникового зв’язку з доступних . А от для консолідації потоків, наприклад для прийняття та обробки даних масиву сенсорів, варто використовувати рішення із достатньою пропускною здатністю. У т.ч. відповідні високошвидкісні версії GEO.
Керування дронами
Керування будь якими дронами зазвичай вимагає передачі/прийому відеоданих, телеметрії та даних каналів керування у реальному часі. залежність від затримки даних тут критична. Тому для таких сценаріїв звісно потрібні рішення, максимально близькі до Starlink по всім параметрам.
Але якщо виникає необхідність подальшої ретрансляції відеопотоку від пілота іншим акторам, то тут якраз корисно не завантажувати додатково вже задіяний для керування Starlink, а використовувати інший термінал. У т.ч. це може бути і GEO, із відповідною пропускною здатністю канала.
Висновок - вимоги керування в реальному часі частіше всього не дозволяють ефективно використовувати GEO рішення. Але вони цілком корисні для допоміжних функцій - ретрансляція відеопотоків та як резервний канал зв’язку.
Голосові та відеодзвінки
Переважна частина систем аудіо та відеозв’язку, у т.ч. для онлайн конференцій, використовують UDP трафік для передачі відео. Але TCP складова там існує теж. Тому можна сказати, що у випадку використання GEO рішень із високою затримкою, таки функціонал в цілому не страждає, але виникають певні відчутні затримки в аудіо та відео.
Більшість популярних сьогодні рішень для голосових (VoIP) та відеодзвінків вже мають вбудовані штучне згладжування, буферизацію, пригнічення ехо та т.п.. Тим не менш сучасні стандарти, такі як ITU-T G.114, трактують таке спілкування як “поза зоною комфорту”. З другого боку, військовий формат спілкування, або типове відстеження чи прослуховування відеоконференції зазвичай не дуже страждають від затримок доставки :)
Висновок - При використанні GEO рішень для голосового та відеозв’язку, ми звісно втрачаємо комфорт, отримуючи невелику затримку аудіо та відео даних. Але функціонування самого зв’язку залишається доступним.
Типовий обмін файлами та повідомленнями
Переважна більшість систем, котрими ми щодня користуємось для роботи з повідомленнями та файлами, побудовані на TCP трафіку. Але при цьому в них зазвичай немає критичної залежності від затримки доставки даних.
Висновок - Все що стосується месенджерів, електронної пошти, веб браузерів, прийому та передачі файлів та т.п. не страждає від типової для супутникових систем GEO затримки доставки. Тобто системи з таким функціоналом незалежні від Starlink.
Взаємодія додатків та мережевих систем
Різноманіття спеціалізованих додатків з архітектурою клієнт/сервер, котрі сьогодні використовуються військовими, дуже велике. Більшість з них не чутливі до затримок доставки пакетів даних в супутникових системах зв’язку GEO. Але не всі.
Частіше всього проблемою слугує саме непердбачуваність такого зв’язку розробниками - маленькі значення часових циклів життя деяких даних та/або процесів створюють проблеми там, де їх не мало б бути. Але в умовах коли розробники не здатні швидко адаптувати свої системи, це залишає нас в залежності від Starlink чи наземних каналів зв’язку із малою затримкою.
Ми не можемо перелічувати такі системи та їх вже вирішені (та ще ні) проблеми у публічному форматі публікації, тому залишимо це на такому рівні абстракції. Але підкреслимо, що ані алгоритми шифрування, ан якісь інші елементи взаємодії систем не мають зазвичай проблем із затримками доставки пакетів через GEO супутник. Якщо проблема виникає - частіше всього це саме не виявлена чи неврахована раніше проблема розробки.
Висновок - Проблеми із за більшої затримки в різноманітних рішеннях з архітектурою клієнт/сервер вкрай рідкісні. Досвід показує що всі вони легко вирішуються розробниками, коли виявляються. Найкращий шлях запобіганню цих проблем - внести в ТЗ таких систем вимогу толерантності до роботи в мережах із високою затримкою.
Підсумок
Як видно з усього наданого вище, ключовою проблемою залежності від Starlink поки залишається лише керування дронами в реальному часі. Решта сценаріїв дозволяє використовувати альтернативні системи супутникового зв’язку або без втрат, або з мінімальними втратами.
Найбільшою проблемою, котру згадують найчастіше, є недостатня пропускна здатність інших систем супутникового зв’язку саме для відеострімінгу. Рішення цієї проблеми насамперед в переході на використання адаптивних сучасних кодеків. Звісно, це вимагатиме певних компетенцій та планування переходу на всіх рівнях. Якщо цю проблему не вирішувати, то нам отих сотен тисяч Starlink не вистачить невдовзі.
Також ця, та інші проблеми, вирішуються при використанні більш сучасних та високошвидкісних систем супутникового зв’язку GEO. Гарним прикладом тут може слугувати UASAT GEO 74 із досить гарними показниками пропускної здатності.
Залишається нагадати, що ми не мусимо от просто завтра відмовитись від Starlink. Нам потрібно саме досягти стійкості та гнучкості, щоб всі задачі виконувались а цілі знищувались, навіть якщо Starlink лежить.
Саме підтримка платних підписників SkyLinker.io дозволить нам ще краще та ще більше длитись незалежною аналітикою, цікавими оглядами та продукувати навчальні та освітні матеріали. Від недорогої підписки ціною в декілька філіжанок кави на місяць до більш вагомої рівня “Patron” - все це наочно та якісно конвертується в інформацію та знання, передусім для захисників України.
Все найцікавіше зі світу зв’язку та космічних технологій доступно також у вигляді освітніх аудіоподкастів та відеолекцій і на сайті та на Youtube каналі SkyLinker.