공간에서 가능한 최대 대역폭을 어떻게 계산 하시겠습니까?
지구와 화성과 가장 가까운 위치와 가장 먼 위치 (태양이 잠시 동안 거의 중간에 있음을 무시 함)를 취한다면, 소음의 양을 고려할 때이 두 물체 사이에 가능한 최대 대역폭은 얼마입니까? 그리고 힘?
나는 미래에 (아마도) 화성에 식민지가있을 것이라는 것을 알고 있으며, 지구에 대한 대역폭 수요가 증가함에 따라 (처음에는 식민지 주민마다 상당히 선형 적으로, 지구로 데이터를보고 한 다음 레저 목표를 위해 대수적으로) 데이터 전송 방법이 궁금합니다. 정확히 갈 것입니다.
(완전성 시각화를 위해 화성이 자립하고 인프라를 구축 한 후에 화성의 극에 하나 또는 한 세트의 라디오 접시가 있다고 가정 해 봅시다. 궤도 또는 전 세계 라디오 접시 (A-la DSN), 지구가 태양 뒤에있을 때 무선 신호를 프록시하기 위해 지구와 금성의 궤도를 도는 2 개의 위성)
(참고 : 저는 전자기 신호 또는 이와 유사한 것에 대한 전문가가 아닙니다. 신호 대 잡음비 정보에 대해 오래 전에 저에게 스팸을 보낸 친구가 있는데 제가 기억하는 것을 그대로 반영하고 있습니다.)
편집 : 설명을 위해 Shannon의 채널 용량 방정식 에 대한 출력 라인을 따라 몇 가지 전원 입력의 예와 해당 전원 입력에 해당하는 항목을 묻습니다 (예 : 오늘날 세계에서 1KW의 양, 채널의 양). 생성되는 용량 / 대역폭 (비트)
답변
아마도 여러분이 원했던 것이 아닐 수도 있지만 공학을 무시하고 물리학이 허용하는 화성에서 지구까지의 최대 대역폭을 계산해 보겠습니다.
따라서 약간의 정보를 전달하는 데 필요한 최소한의 에너지는 $kT\ln(2)$. 따라서 약 250K의 화성 표면을$T$(데이터를 해결하려는 배경이되기 때문에) 비트 당 에너지 수치를 얻습니다. 이제 우리는 그러한 송신기로 화성의 지구를 향하는 쪽을 덮고 전송에 사용할 수있는 전력을 제한하는 것이 무엇인지 궁금합니다. 화성에 입사되는 총 태양열 에너지 또는 화성에 동일한 질량의 반물질을 반응시켜 해방 할 수있는 에너지와 같은 평민적 고려 사항을 자극하여 통신 빔의 에너지 밀도 만 고려해 보겠습니다. 너무 높으면 빔을 포함하는 공간이 블랙홀로 붕괴 될 가능성이 높습니다. 따라서 화성 크기의 빔의 부피를 고려하면 화성 크기의 블랙홀 질량보다 더 많은 에너지를 포함 할 수 없습니다.$${\displaystyle r_{Mars}={\frac {2GM}{c^{2}}}}$$ 또는 $$M = \frac{r_{Mars} c^2}{2G}$$
대략적인 기간 동안 전송 된 신호를 나타냅니다. $2r_{Mars}/c$ 그래서 만약 $B$ 우리가 볼 수있는 근본적인 한계는 $$\frac{2 r_{Mars} B k 250 \ln 2}{c} = \frac{r_{Mars} c^2}{2G} c^2$$
우리가 얻는 몇 가지 취소 $$B = \frac{c^5}{G k 1000 \ln2}$$
약으로 나온다 $3.7\times 10^{72}$초당 비트. 대부분의 엔터테인먼트 및 과학 목적에 충분할 것입니다.
자유 공간 광 통신 (FSO)으로 더 잘 알려진 우주 공간의 두 지점 사이의 레이저 통신은 최대 1Tb / s의 광섬유 케이블과 유사한 비트 전송률의 가능성이 있습니다. 예를 들어, 지구에서 궤도 위성까지 대기를 통과하면 현재 유효 범위는 약 3.5km로 떨어집니다. 오늘날 우리가 레이저를 사용하고 있지만 지상국에서 위성으로 신호를 받으려면 여전히 무선 송신기가 필요합니다. 가장 큰 단점은 통신 스트림이 가시선이어야한다는 것입니다. 궤도에 네트워크가 설치되면 80 억 마일 떨어진 Sedna와 통신 할 수 있으며 12 시간 이상 지연되는 라이브 피드 고밀도 비디오를 제공 할 수 있습니다.
FSO 기술은 현재 지구 기반 통신에 사용되고 있습니다. 레이저를 사용하는 SpaceX Starlink 프로젝트와 같은 위성 별자리는 수백에서 수천 개의 위성 사이의 위성 간 링크에 대한 글로벌 광대역 커버리지를 제공하여 효과적으로 공간 기반 광학 메시 네트워크를 생성합니다.
유럽 우주국은 2014 년 11 월 28 일에 유럽 데이터 중계 시스템 (EDRS)이라는 레이저 기반 시스템을 설치했습니다.이 시스템은 작동 중이며 매일 사용되고 있습니다.
화성 폭풍의 실시간 피드를 볼 수 있다고 상상해보십시오. 목성의 라이브 피드가 훨씬 더 재미있을 것이라고 생각하지만.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Free-space_optical_communication
- https://www.dw.com/en/the-potential-of-laser-for-data-transfer/a-18792846
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대역폭은 사용되는 안테나의 크기와 전력의 함수입니다. 송신 측에서 접시가 클수록 콘이 좁아지고 수신기로 연결되지 않는 방향에서 낭비되는 에너지가 줄어 듭니다. 수신 측에서 접시가 클수록 더 많은 신호를 수집 할 수 있습니다.
딥 스페이스 사용을위한 접시가 얼마나 거대하고 딥 스페이스 크래프트에서는 고 이득 안테나가 프로브에서 가장 큰 역할을 할 수 있습니다.
우주선은 사용할 수있는 전력이 많지 않습니다. 지구상의 거대한 접시는 들어오는 매우 희미한 신호를 더 많이 수집합니다. 탐사선은 그러한 거대한 접시를 탑재 할 수 없으며 지구에있는 송신기는 훨씬 더 많은 전력으로 작동하여 보상합니다.