Вполне вероятно, что первые астронавты программы NASA по возвращению человечества на Луну (Artemis) смогут поделиться своими впечатлениями со всем миром, опубликовав пост в Twitter, ведь уже в скором времени на земном спутнике может появиться полноценная мобильная связь. NASA объявило о подписании многомиллионного контракта с компанией Nokia на развёртывание на Луне сети LTE.
Контракт на 14,1 миллиона долларов с финской транснациональной компанией Nokia – один из 15 грантов, выделенных NASA для стимуляции развития новых космических технологий. Ожидается, что оборудование для развёртывания сети LTE «прилунится» в конце 2022 года. Осуществление доставки аппаратуры, вероятнее всего, ляжет на тяжёлые ракеты Falcon 9. Представители Nokia утверждают, что лунные станции будут полностью автономными, то есть процессы запуска и организации сети пройдут без вмешательства человека. Начальная цель системы – полноценная и быстрая связь между любыми аппаратами – посадочными модулями, луноходами, рациями астронавтов и т. п. – в пределах базовой станции. В дальнейшем проект будет расширен для коммуникации между Луной и Землёй.
Космическая связь – важный аспект исследований ближнего и глубокого космоса. Главная проблема космоса с точки зрения организации коммуникаций – это его невообразимые масштабы. В земных пределах пост на Twitter преодолевает расстояние между Нью-Йорком и Токио менее чем за одну пятую секунды. В то же время луч даже самого быстрого лазера, действующего на пределе природных скоростей, передаст информацию с Земли на Луну более чем за секунду. Более того, по мере удаления от нашей планеты задержки в коммуникации стремительно возрастают. К примеру, передача сообщения одному из марсоходов занимает от 3 до 20 минут. В таких случаях связь между «собеседниками» зависит от скорости обоих участников диалога, а также от их положения в пространстве. К примеру, технические трудности становятся неизбежными, когда космический аппарат или объект, на котором он находится, оказывается позади другого тела или Солнца.
К счастью для астронавтов будущего, межпланетная интернет-связь находится в разработке на протяжении десятилетий, и учёным уже удалось добиться неплохих результатов. В частности, исследователи осознали, сколько бы «G» ни было у очередного стандарта беспроводной связи, она никогда не сможет обеспечить стабильную связь в реальном времени между разными космическими телами. Причиной тому элементарная физика и ограничения вроде скорости света, которые неизбежно разделят космос на отдельные домены. Наиболее реалистичные представления о межпланетной связи предполагают наличие локальных сетей на Земле, Луне, Марсе и т. п., которые в свою очередь объединятся в более масштабную систему.
Впрочем, даже образование локальных сетей может оказаться непростой задачей. На Земле большинство устройств работают, следуя набору правил передачи данных по протоколу TCP/IP. Чтобы открыть в Токио пост из Twitter, хранящийся на сервере в Нью-Йорке, протокол TCP/IP требует, чтобы устройство отследило точный маршрут следования пакета данных. Если хоть один узел в этой цепочке неисправен, то маршрут нарушается, и передаваемые пакеты данных исчезают. Подобные ситуации – довольно редкое явление в условиях относительно небольшой и стабильной сети земного интернета, однако неполадки заметно участились бы, если в качестве узлов выступали чрезвычайно удалённые объекты вроде космических аппаратов, двигающихся в огромном пространстве на высоких скоростях. По этой причине космическая интернет-связь нуждается в более совершенных протоколах.
На протяжении многих лет десятки независимых научных групп работают над новой парадигмой распространения данных – Delay/Disruption-tolerant networking, также известной как DTN. Название «сеть, устойчивая к разрывам» довольно чётко описывает её суть. Главная особенность такой системы заключается в том, что «ответственность» за хранение и передачу данных несут не только конечные элементы сети, но и промежуточные узлы. В случае неисправности одного из компонентов маршрута один из узлов сохраняет информацию до тех пор, пока в сети не появится подходящий узел. При этом пакеты данных остаются в памяти до подтверждения успешной передачи. Никакой протокол не поможет установить одномоментную связь между устройствами на Марсе и на Земле, однако DTN хотя бы гарантирует, что сообщение доберётся до адресата.
NASA провело уже несколько успешных экспериментов, испытавших возможности DTN-сетей. К примеру, в 2008 году учёные протестировали эффективность этого протокола, установив связь с аппаратом Deep Impact в рамках расширенной миссии EPOXI. Исследователям удалось успешно получить 300 изображений с зонда, расположенного в 80 световых секундах (более 24 миллионов километров) от Земли. В 2012 году DTN-сети позволили астронавту Суните Уильямс управлять лего-роботом, который находился в Европейском центре управления космическими полётами в Германии, с борта МКС. Спустя 2 года Международная космическая станция стала постоянным узлом DTN-сети, который обеспечит более надёжную связь между орбитальными спутниками и Землёй.
В рамках локальной лунной LTE-сети от Nokia посадочные модули, луноходы и прочие девайсы будут сообщаться между собой посредством стандартных TCP/IP протоколов. Для обеспечения бесперебойной работы все элементы системы не только оснастят источниками постоянного электропитания и генераторами, но и защитят от воздействия экстремальных температур, вакуума и космической радиации. Кроме того, в основу базовых станция связи лягут не стандартные вышки, используемые на Земле, а фирменная технология Nokia Bell Labs, известная как «малые соты». Такие станции требуют меньше энергии и имеют меньший диапазон, однако их гораздо легче разместить на борту транспортной ракеты. В то же время их характеристик достаточно для экспериментов с межпланетной интернет-связью.
