Wie groß wäre eine Antenne, um sich von der Erde aus mit dem WiFi-Netzwerk der ISS zu verbinden?

Angenommen, ich möchte mich vom Boden aus mit dem WiFi-Netzwerk der ISS verbinden, wie groß und welche Antenne bräuchte ich dafür? Müssen sie die Leistung auf ihrer Seite erhöhen oder eine eigene Spezialantenne verwenden? Um wie viel?

Wenn es ein WiFi-Netzwerk gibt, ist es schwierig, eine Verbindung herzustellen, da es fast vollständig in einer Metallbox versiegelt ist. Die ISS ist ein großer Faraday-Käfig (bis auf ein paar Fenster). Außerdem hat normales WLAN ein Problem mit großen Latenzen. Wenn die Verzögerung beim Handshake zu lang ist, funktioniert es nicht, es sei denn, Sie nehmen Firmware- und möglicherweise Hardwareänderungen an beiden Enden vor. Siehe auch die Antworten auf Wie entwerfe ich eine Bodenantenne zum Senden und Empfangen von einem Satelliten?
Vergessen wir natürlich nicht, dass die ISS mit fast 28000 km/h über uns hinwegrast, was bedeutet, dass sie nur sehr, sehr kurze Zeit in optimaler Entfernung ist, bevor sie schnell für eine Weile außer Reichweite ist, und dass eine sehr hohe Verstärkung verwendet wird Antennen (die sehr gerichtet sind) würden eine Verfolgung erfordern, was angesichts der Größe der Antenne und der Geschwindigkeit der ISS eine ziemliche Herausforderung wäre!
@jcaron Guter Punkt, es erinnert mich daran, dass die Stadtbusse dort, wo ich wohne, kostenloses WLAN haben. Wenn der Verkehr langsam ist, können Sie sich zumindest einige zehn Sekunden lang verbinden, während Sie auf dem Bürgersteig stehen. Ich habe jedoch noch nicht versucht, eine "High-Gain-Antenne" aus Aluminiumfolie zu verwenden, damit sie länger funktioniert. ;-)
@uhoh Wenn sich die ISS direkt über dem Kopf befindet, sollte die Latenz in der Größenordnung von Millisekunden liegen. Ich könnte hypothetisch eine geringere Verbindungslatenz zur ISS haben als die meisten Websites.
@BMF das ist eine andere Art von Latenz als das, was ich beschrieben habe. In einer WiFi-Verbindung tauschen die beiden Funkgeräte ständig Low-Level-Nachrichten aus, im Grunde "Ich bin immer noch hier, bist du noch da?" Es hat nichts mit den ausgetauschten Daten zu tun. Es gibt eine gewisse Frist, innerhalb der das passieren muss, oder die beiden können sich einfach überhaupt nicht verständigen. Scrollen Sie beispielsweise in dieser Antwort nach unten zu Latenz. GSM scheint ohne Firmware-Anpassung auf nur 35 km begrenzt zu sein.

Antworten (3)

Abgesehen von der Latenz (eigentlich nicht so schlimm) und den Faraday-Käfig-Problemen ist das Hauptproblem hier das Funkverbindungsbudget .

Das Link-Budget ist eine Berechnung dafür, wie viel nutzbare Bandbreite (Datenrate) für einen bestimmten Satz von Parametern aufrechterhalten werden kann. Die Parameter, die der Empfänger optimieren kann, sind der Empfängerantennengewinn und die Empfängerverluste. Nehmen wir an, die Empfängerverluste (von der Empfängerhardware) sind so optimal wie möglich. Jetzt muss nur noch ein Parameter optimiert werden: Antennengewinn.

Der Antennengewinn ergibt sich aus zwei weiteren Parametern: Antennengröße und Richtwirkung . Wie in den anderen Antworten erwähnt, bietet die Größe deutlich geringere Renditen über einer einzelnen Wellenlänge, die bei 2,4-GHz-WLAN in der Größenordnung von ~ 10 Zentimetern liegt. Jetzt sind wir bei unserem letzten Parameter, der Richtwirkung.

Die Richtwirkung ist ein Ergebnis des Designs und der Form der Antenne und tauscht Spielraum gegen Fehler gegen zusätzliches Verbindungsbudget (das für Reichweite oder Datenrate ausgegeben werden soll). Wenn die Antenne genau in die richtige Richtung ausgerichtet werden kann, kann dieser zusätzliche Gewinn verwendet werden. Für diesen extremen Fall würden wir sofort zum direktesten Antennentyp gehen, einer Parabolschüssel (manchmal auch als Satellitenschüssel bezeichnet). Eine interessante Sache an dieser Art von Antenne ist, dass sie die Größenbeschränkung ziemlich aufhebt.

Wikipedia hat einige Referenznummern:

Es ist ersichtlich, dass wie bei jeder Aperturantenne der Gewinn umso höher ist, je größer die Apertur im Vergleich zur Wellenlänge ist. Der Gewinn steigt mit dem Quadrat des Verhältnisses von Aperturbreite zu Wellenlänge, sodass große Parabolantennen, wie sie für die Kommunikation von Raumfahrzeugen und Radioteleskope verwendet werden, einen extrem hohen Gewinn haben können. Die Anwendung der obigen Formel auf Antennen mit 25 Metern Durchmesser, die häufig in Radioteleskop-Arrays und Satelliten-Bodenantennen bei einer Wellenlänge von 21 cm (1,42 GHz, eine übliche Radioastronomiefrequenz) verwendet werden, ergibt eine ungefähre maximale Verstärkung von 140.000-fach oder etwa 50 dBi (Dezibel über dem isotropen Pegel). Die größten Parabolantennen der Welt sind das Radioteleskop mit fünfhundert Metern Aperture Spherical im Südwesten Chinas und das Radioteleskop Arecibo in Arecibo, Puerto Rico, USA. die beide effektive Öffnungen von etwa 300 Metern haben. Der Gewinn dieser Schüsseln bei 3 GHz beträgt ungefähr 90 Millionen oder 80 dBi.

Wenn Sie dies wirklich berechnen möchten, versuchen Sie, die Link-Budget-Gleichung mit Senderspezifikationen zu verwenden, die von einem Verbraucher-WLAN-Zugangspunkt stammen. Eine Schätzung, die ich für die Antennengröße habe, würde ~20 Meter betragen, was den Antennen der SETI-Radioastronomie-Arrays ähnelt.

Eine andere, schwieriger zu berechnende Möglichkeit, die Verstärkung zu verbessern, besteht darin, eine Reihe von Antennen mit komplexer Hardware oder Software zu verwenden, um die schwachen, verrauschten Signale von jedem zu einem starken, klaren zu kombinieren.

Beim Antennendesign geht es um mehr als nur um Größe. Tatsächlich haben Antennenelemente selbst eine maximal nutzbare Größe (Größenordnung einer Wellenlänge). Aber die Kurzgeschichte ist, dass Sie mit keiner Größe kippen können. Die lange Antwort ist natürlich, dass es immer einen Weg gibt, aber es würde sehr albern werden. WLAN-Frequenzen und -Protokolle funktionieren über diese Entfernungen einfach nicht.

Nun, zumindest bei Parabolantennen kommt es vor allem auf die Größe an.

Verbindet sich nicht gerade mit einem normalen WLAN-Netzwerk, zeigt aber, was mit der geeigneten Konfiguration möglich ist. Auf beiden Seiten wurden Parabolantennen verwendet.

https://en.wikipedia.org/wiki/Long-range_Wi-Fi

Die längste unverstärkte Wi-Fi-Verbindung ist eine 304 km lange Verbindung, die von CISAR (Italienisches Zentrum für Radioaktivitäten) hergestellt wurde.

[...]

Antenne ist 120 cm mit handgefertigtem Wellenleiter. 35 dBi geschätzt

Und die Parabolantennen auf beiden Seiten sind hier entscheidend. Die ISS wird das Signal nicht auf Sie strahlen, das heißt, Ihre Antenne muss riesig sein.
Wie groß wäre eine Antenne, um sich von der Erde aus mit dem WiFi-Netzwerk der ISS zu verbinden?
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