Technologia satelitarna (DVB-S)

Technologia DVB-S (ang. Digital Video Broadcasting – Satellite) przy zastosowaniu odpowiednich konstelacji rozmieszczenia satelitów na orbitach (rozetowe, biegunowe) jest w stanie zapewnić praktycznie globalny zasięg łącznie z obszarami o dużych szerokościach geograficznych (bieguny Ziemi). Technika polega na bezprzewodowej transmisji radiowej w konsekwencji czego klient uniezależniony jest od wszelkiego rodzaju kabli łączących go z operatorem. W efekcie umożliwia to zastosowanie przenośnych (pracujących bez ruchu ale z możliwością przenoszenia) oraz mobilnych (z możliwością pracy w ruchu) terminali dostępowych co warunkuje elastyczność poprzez dopasowanie systemu do potrzeb klientów.

Wyzwania dla operatorów

Istnieje kilka wyzwań związanych z tego rodzaju dostępem. Przede wszystkim operator musi zagwarantować stały dostęp do swojej sieci (ciągły dostęp do usług oraz ciągłość świadczenia danej usługi). Zobowiązany jest także do zapewnienia odpowiedniej jakości świadczonych usług (QoS) oraz stałej kontroli tego parametru. Niespełnienie tych warunków spowodować może, że dzisiejszy klient z dużymi wymaganiami (np. bank) będzie zmuszony skorzystać z usług innego operatora. Kolejnym problemem jest maksymalna moc wypromieniowana przez układ nadawczo-odbiorczy (EIRP), która jest ściśle określona przez urzędy regulacji telekomunikacji na terenie danego państwa. Pozostałe dość ważne aspekty to odpowiednia pojemność systemu oraz zapewnienie niezbędnych szerokości pasm w odpowiednich zakresach częstotliwości.

Niezwykle ważną cechą systemu teleinformatycznego są małe opóźnienia w transmisji. Jak już wspomniano wcześniej, sama konstrukcja łącza (dokładnie odległość satelity od Ziemi) wprowadza pewne ograniczenia związane z szybkością propagacji fali elektromagnetycznej w wolnej przestrzeni. Na rysunku poniżej przedstawiono możliwe orbity, na jakich mogą znajdować się satelity. Zgodnie z logiką najmniejsze opóźnienia transmisji wystąpią w przypadku jednostek umieszczonych najbliżej Ziemi. Teoretyczne opóźnienia transmisji do poszczególnych orbit wynoszą:

LEO (ang. Low Earth Orbit) - od 2 do 50ms
MEO (ang. Medium Earth Orbit) - od 30 do 70ms
GSO (ang. GeoStationary Orbit) - około 120ms
HEO (ang. High Eliptical Orbit) - wartość nieokreślona, zbyt duże zmiany odległości od Ziemi w funkcji czasu

Satelitarne systemy dostępowe pracują zazwyczaj w dwóch pasmach częstotliwości: Ku (10-18GHz) oraz Ka (18-31GHz). Pasmo Ka podzielono na dwa podpasma: dedykowane dla łącza "w dół" (satelita - terminal) - 19.7-21.2 GHz oraz dla łącza "w górę" (terminal-satelita) - 29.5-31 GHz. W planach jest również wykorzystanie tzw. pasma V (40-75GHz) w łączności przez satelitę. Wielodostęp do systemu realizowany jest w technologii MF-TDMA (ang. Multi Freqency Time Division Multiple Access), polegającej na wydzieleniu konkretnych szczelin czasowych dla użytkownika w danym (jednym z wielu) paśmie częstotliwości (3 wymiary transmisji - czas, częstotliwość i poziom sygnału).

Platformy dostępowe

Początkowo w zamierzeniach projektantów systemu było zastosowanie popularnego w dzisiejszych sieciach protokołu TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol). Protokół znany jest przede wszystkim ze sprawdzonej funkcjonalności przede wszystkim w mediach kablowych (Ethernet, xDSL, światłowód). Jednak sama architektura i założenia tego protokołu uniemożliwiają zastosowanie go w łączności satelitarnej. Do ograniczeń protokołu TCP/IP zaliczyć można:

problem życia datagramu TTL - ogranicza prędkość transmisji do 357,8 Mb/s,
algorytm wolnego startu SSA - bardzo niska skuteczność wykorzystania kanału transmisyjnego,
problem długości okna transmisyjnego TCP - w przeszłości ograniczał prędkość transmisji do 1Mb/s, dziś dzięki zastosowaniu technik skalowania okna TCP nie stanowi problemu.

Dlatego właśnie powszechnie stosowaną platformą transmisji danych w łączu satelitarnym jest DVB-S. Podstawową jednostkę transmisyjną stanowi kontener o pojemności 188 bajtów. Strumień danych o przepływności 38 Mb/s może zawierać 4-8 programów telewizji cyfrowej, 150 cyfrowych programów radiowych, 550 połączeń ISDN oraz różnorodne kombinacje tych sygnałów. Domyślnym kodowanie źródłowym w omawianym systemie jest MPEG-2. Transmisja danych odbywa się ze stosunkowo dużą szybkością oraz z efektywnymi zabezpieczeniami na dwa sposoby:

jako ciąg danych (Data Pipe) - prosty transport end-to-end,
jako transport strumieni danych (Data Streaming) - transmisja asynchronicznych, synchronicznych lub synchronizowanych strumieni danych.

Ciekawym rozwiązaniem stało się zastosowanie wieloprotokołowego kapsułkowania (Multiprotocol Encapsulation), dzięki czemu w protokole DVB-S możliwe jest umieszeczenie (teoretycznie) protokołu TCP/IP. Oprócz tego wykorzystano metodę tzw. karuzeli danych (Data Carousel) dającą możliwość periodycznej transmisji określonych zbiorów danych.

Kanał zwrotny

Kanał zwrotny (ruch danych od klienta do serwera - "w górę") zrealizowano na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na wykorzystaniu istniejącej infrastruktury teleinformatycznej naziemnej. Sposób ten jest stosunkowo tani, gdyż funkcja satelity ogranicza się tylko do rozsiewczej transmisji danych w kierunku do terminali klienckich. Procedura transmisji polega na zainicjowaniu połączenia przez naziemną linię abonencką z centrum sterowania ruchem satelitarnym, które dalej odpowiednio wysyła dane opatrzone szczegółowym identyfikatorem do nadawcy, od którego otrzymano żądanie. Sytuację przedstawia poniższy rysunek.

Drugi sposób realizacji kanału zwrotnego to dwukierunkowa łączność przez satelitę. Możliwa jest konfiguracja, gdzie jeden satelita obsługuje ruch w jedną stronę a inny w przeciwną albo jeden satelita odpowiedzialny jest za obustronną transmisję danych. Terminal kliencki natomiast musi być wyposażony w sprzęt nadawczo-odbiorczy (w przypadku naziemnej realizacji kanału zwrotnego wystarczy jedynie sprzęt odbiorczy), który dodatkowo musi spełniać normy urzędu regulacji telekomunikacji (dopuszczalne poziomy mocy wypromieniowanej EIRP) właściwe dla danego państwa. Przykładem takiego systemu jest Starlink od SpaceX Elona Muska. Poniższy rysunek obrazuje omawianą sytuację.