Starlink cambia frequenza 80.000 volte al secondo: cosa rivela l'analisi SDR

Un’antenna Starlink può rivelare informazioni sul proprio funzionamento radio anche senza accedere al firmware, intercettare il traffico Internet o conoscere i protocolli proprietari di SpaceX. È quanto emerge da una nuova ricerca sperimentale che, utilizzando ricevitori radio SDR (Software Defined Radio) e componenti relativamente economici, ha permesso di osservare con una precisione temporale di pochi microsecondi il comportamento delle comunicazioni satellitari in banda Ku.

Lo studio, pubblicato dal ricercatore Jiao Xianjun, aggiunge un nuovo punto di vista per la comprensione del funzionamento delle antenne satellitari a scansione elettronica. Dal lancio commerciale di Starlink, avvenuto nel 2020, SpaceX ha progressivamente sviluppato una rete basata su satelliti in orbita terrestre bassa (LEO), capaci di garantire collegamenti a bassa latenza grazie a una continua riconfigurazione dei fasci radio e delle risorse disponibili.

Come abbiamo spiegato nel nostro approfondimento sul funzionamento di Starlink, la complessità non riguarda soltanto i satelliti: anche il terminale installato dall’utente deve gestire il collegamento con oggetti che si spostano rapidamente rispetto alla superficie terrestre. Il nuovo esperimento permette di osservare una parte di tali operazioni dall’esterno, senza modificare l’hardware Starlink.

Come comunica Starlink: uplink, downlink e antenna phased array

Un terminale Starlink utilizza un’antenna phased array, costituita da numerosi elementi radianti. Modificando opportunamente fase e ampiezza dei segnali applicati ai singoli elementi, il dispositivo può orientare il fascio radio senza ricorrere ai movimenti meccanici necessari alle tradizionali parabole satellitari.

La tecnica, chiamata beamforming, consente di seguire un satellite durante il suo passaggio e di trasferire il collegamento a un altro satellite quando necessario. Non elimina, tuttavia, la complessità della gestione delle frequenze.

Le comunicazioni Starlink esaminate dal ricercatore utilizzano la banda Ku, con due intervalli distinti: da 10,7 a 12,7 GHz per il downlink, ossia i segnali dal satellite al terminale, e da 14 a 14,5 GHz per l’uplink, il percorso inverso.

L’intervallo uplink comprende 8 canali da 62,5 MHz ciascuno, mentre il downlink si distribuisce su 8 canali nominali da 250 MHz nell’intervallo complessivo di 2 GHz.

Il problema è capire come il terminale scelga le risorse radio durante il funzionamento: quale relazione esiste tra la frequenza impiegata per trasmettere e quella utilizzata per ricevere? E quanto frequentemente cambiano i canali quando il collegamento passa da un satellite all’altro?

Un ricevitore SDR che controlla 80.000 frequenze al secondo

Il cuore dell’esperimento è il ricetrasmettitore Analog Devices AD9361, un componente utilizzato in numerose piattaforme SDR. Il chip integra due catene di ricezione e due di trasmissione, sintetizzatori programmabili e una larghezza di banda istantanea configurabile fino a 56 MHz.

L’AD9361 non può sintonizzarsi direttamente sulle frequenze Starlink di 14 GHz: il ricercatore utilizza quindi appositi LNB (Low Noise Block), dispositivi che amplificano e convertono i segnali satellitari verso frequenze inferiori, compatibili con il ricevitore SDR. Anziché acquisire simultaneamente centinaia di megahertz di spettro, il sistema approntato dal ricercatore cambia rapidamente frequenza di ricezione, misurando l’energia presente su ciascun canale.

Una precedente versione dell’apparato effettuava 10.000 cambi di frequenza al secondo, con controllo software. La nuova implementazione sfrutta direttamente l’hardware e raggiunge 80.000 cambi al secondo: un salto di frequenza ogni 12,5 microsecondi.

Poiché i canali da controllare sono 8, una scansione completa richiede appena 100 microsecondi. In pratica, il sistema può tornare a osservare ciascun canale 10.000 volte al secondo, individuando variazioni dell’attività radio difficili da distinguere con strumenti meno rapidi.

Il risultato dipende soprattutto dalla funzione Fast Lock dell’AD9361: come spiega Analog Devices nel manuale UG-570, il chip può memorizzare fino a 8 profili di sintonia per la ricezione e 8 per la trasmissione. Ogni profilo conserva i parametri del sintetizzatore, comprese le informazioni di calibrazione, evitando di ripetere tutte le operazioni a ogni cambio di frequenza.

La scoperta principale: uplink e downlink scelgono canali abbinati

Il risultato più significativo riguarda il rapporto tra i canali utilizzati nelle due direzioni della comunicazione.

Durante il normale funzionamento, il terminale ha mostrato una corrispondenza costante tra gli indici dei canali uplink e downlink: quando utilizzava il canale numero 3 per trasmettere, per esempio, anche la ricezione risultava associata al canale identificato con lo stesso numero. Non si tratta della medesima frequenza: i due canali appartengono a intervalli radio differenti; l’abbinamento riguarda la numerazione e la selezione delle risorse.

Per capire perché la scoperta sia così interessante bisogna prendere in esame due aspetti della comunicazione satellitare: quali frequenze utilizza Starlink per trasmettere e ricevere e in quali momenti avvengono le due operazioni.

Il terminale invia i dati verso il satellite sulle frequenze comprese tra 14 e 14,5 GHz (uplink), mentre riceve le informazioni nella banda tra 10,7 e 12,7 GHz (downlink). È il principio alla base del Frequency Division Duplex (FDD): separare le frequenze dedicate alle due direzioni della comunicazione, così che i segnali non debbano condividere la stessa porzione di spettro.

La ricerca evidenzia però un’altra particolarità: pur utilizzando frequenze differenti, il terminale organizza nel tempo le proprie attività radio, alternando trasmissione e ricezione secondo un comportamento assimilabile al Time Division Duplex (TDD). In pratica, non basta sapere su quale frequenza comunicare: conta anche il momento in cui il terminale trasmette o riceve. Le due tecniche rispondono quindi a esigenze differenti e possono convivere nello stesso collegamento.

Il cambio di satellite avviene spesso ogni 15 secondi

Un altro elemento di rilevo emerge confrontando la nuova ricerca con un precedente studio dello stesso autore, dedicato alla relazione tra cambio di canale e cambio di satellite.

Le misure avevano evidenziato una periodicità prossima ai 15 secondi. Durante una sessione di 30 minuti, l’intervallo mediano tra i passaggi da un satellite all’altro risultava pari a 15 secondi; quello tra i cambi di canale, misurato indipendentemente via SDR, era di circa 15,05 secondi. Alcuni collegamenti restano comunque attivi più a lungo; inoltre, il terminale può cambiare canale senza modificare satellite e viceversa.

Il segnale Starlink si rileva anche dietro l’antenna: perché?

La parte più inattesa dello studio riguarda le emissioni osservate a diversi metri di distanza dal terminale. Un’antenna phased array concentra gran parte dell’energia irradiata in una direzione precisa, formando un fascio relativamente stretto. Nella sua analisi, il ricercatore fa riferimento a un’apertura angolare indicativa di 1-2 gradi. Sarebbe però sbagliato immaginare che tutta l’energia radio rimanga confinata esclusivamente nel fascio principale.

Qualunque antenna reale presenta lobi secondari, dovuti alla distribuzione spaziale e alle caratteristiche degli elementi radianti. Possono inoltre manifestarsi emissioni spurie, accoppiamenti tra circuiti e dispersioni provenienti dall’elettronica di trasmissione e ricezione.

Nell’esperimento, un normale LNB per la televisione satellitare è riuscito a rilevare sia segnali associati alla trasmissione sia dispersioni dell’oscillatore locale, pur trovandosi a diversi metri dall’antenna Starlink e con l’apertura orientata lontano dalla parte posteriore del terminale.