Спутниковый модем

Спутниковый модем — модем, используемый для передачи данных по радиоканалу с использованием искусственных спутников Земли для ретрансляции радиосигнала. Кроме функций модуляции-демодуляции сигнала спутниковый модем может включать в свой состав IP-маршрутизатор, мультиплексор, голосовой шлюз. Спутниковый модем работает в составе спутниковой станции, включающей собственно модем и радиосредства — антенну, усилители приёма и передачи, кабели и так далее.

НазначениеПравить

Спутниковые модемы используется для организации каналов передачи данных между подключённым к ним наземным оборудованием различного типа — компьютерами, компьютерными сетями, цифровыми телефонными станциями, устройствами АСУ ТП и так далее. Спутниковый модем взаимодействует с наземным оборудованием по различным интерфейсам передачи данных и с радиочастотным оборудованием, установленным на спутниковой антенне. Название «спутниковый модем» расширительно используется для всех типов устройств, передающих данные через спутник и реализующих функции не только модема, но и управления доступом, маршрутизации трафика и т. п. «Спутниковыми модемами» иногда называют оборудование, осуществляющее только приём данных через спутниковый канал[1] (см. карта DVB-S/S2).

Основные режимы работы спутниковых модемовПравить

Точка — точкаПравить

В режиме «точка — точка» (англ. SCPC; Single channel per carrier)[2] организуется один канал на несущую. Модем монопольно использует выделенную полосу частот для передачи информации. Даже если передача информации в данный момент не происходит, никакое другое устройство не может использовать эту полосу частот. Для двустороннего обмена (приёма и передачи) нужно выделение двух полос частот (необязательно одинаковой ширины — то есть скорости приёма и передачи могут отличаться). Модем SCPC обменивается данными с другим таким же модемом. Если требуется организовать несколько направлений связи, то на каждом из них требуется установка пары SCPC-модемов. Скорости приёма и передачи SCPC-модемов могут изменяться в широких пределах (от сотен килобит/с до десятков и сотен мегабит/с), в зависимости от используемой спутниковой полосы, энергетики спутникового канала и способов модуляции.

 
Спутниковый SCPC-модем Comtech

В SCPC-модемах может быть реализован режим «переиспользования частоты» (фирменные названия — «CnC» или «carrier-in-carrier»[3], PCMA — Paired Carrier Multiple Access[4] и другие), который позволяет реализовать двусторонний обмен данными в одной полосе частот. Это экономит требуемый частотный ресурс, но накладывает дополнительные ограничения на энергетику спутникового канала. Режим переиспользования частоты может быть дополнительной опцией для базовых моделей модемов либо реализовываться с помощью отдельного устройства[4], включаемого между модемом и радиочастотным оборудованием на антенне. Использование такого режима экономит частотный ресурс, но требует увеличения мощности сигнала.


Точка — многоточкаПравить

В режиме «точка — многоточка» (англ. MCPC; Multiply channels per carriers)[5] передаётся несколько каналов связи на одной несущей с использованием временно́го мультиплексирования (TDM). В режиме MCPC-SCPC данные из центра передаются посредством одного широкополосного спутникового канала на все удалённые точки, а для обратных каналов от удалённых точек в центр используются выделенные каналы SCPC. При этом для передачи информации из центра на все удалённые точки требуется только один модулятор (модем, работающий в режиме передачи). Для приёма данных от удалённых точек в центре по прежнему требуется по демодулятору (модему в режиме приёма) на каждую точку. Если данные «из центра» к удалённым станциям не передаются постоянно на максимальной скорости, то пропускная способность канала MCPC может быть меньше, чем сумма требуемых для всех станций, то есть экономится частотный ресурс за счёт его «переиспользования». Пропускная способность прямого канала (из центра к станциям) не является постоянной для каждой станции, возможно перераспределения полосы и возникновение вариаций задержки при передаче данных нескольким станциям одновременно. Модем, поддерживающий режим передачи MCPC, должен иметь эффективные средства управления полосой и предоставления качества сервиса отдельным станциям. Режим передачи MCPC поддерживают многие SCPC-модемы.

 
Сравнение технологий спутникового доступа SCPC и MCPC

Режим MCPC-SCPC может использоваться, например, для репортажных станций, которые требуют гарантированной пропускной способности и малой вариации задержки для передачи информации с удалённой точки, в то же время для передачи информации на них можно использовать общий канал невысокой пропускной способности и с меньшими требованиями к качеству.

ЗвездаПравить

В сети топологии «звезда» (англ. star) используется одна центральная земная станция (ЦЗС, англ. hub, gateway), с которой взаимодействуют все абонентские станции. Передача между абонентскими станциями возможна только через центральную (в «два скачка»). Передача данных от центральной станции к абонентам в сети «звезда» происходит через один, общий для всех, прямой канал (англ. forward link, uplink) большой пропускной способности (десятки и даже сотни Мбит/с). Каждая станция принимает из этого канала только те данные, которые адресованы ей (аналогично режиму MCPC, используется временно́е мультиплексирование). Для передачи данных от абонентов на центральную станцию используются обратные каналы (англ. return channel) меньшей пропускной способности (единицы Мбит/с), при этом одна и та же полоса частот может использоваться многими абонентскими станциями. Сети «звезда» используется в случаях, когда нужно подключить много удалённых точек к единому центру — головному офису компании, интернет-провайдеру. Количество абонентских станций, обслуживаемых одной центральной, может достигать нескольких тысяч и десятков тысяч. На сегодня спутниковые сети такой топологии являются наиболее распространёнными и основное количество спутниковых модемов производится для них.

 
Спутниковая сеть топологии «звезда»

Абонентские станции в сети «звезда» — это сравнительно недорогие установки с антеннами небольшого размера, маломощными передачиками и дешёвыми, по сравнению с другими типами, спутниковыми модемами. Для абонентских станций также используются названия «малая земная станция» (МЗС) или «терминальная земная станция» (ТЗС).

 
Антенна абонентской станции
 
Примеры модемов для абонентских станций: Viasat SurfBeam 2, Viasat Linkstar, Истар UHP-1000, Newtec MDM2200

Управление доступом станций (выделение временного или частотного ресурса для передачи) осуществляется центральной станцией на основе запрашиваемой каждым абонентом скорости и общей ёмкости канала. Задержки в сетях «звезда» обычно выше, чем для SCPC-модемов, кроме того они, как и скорость передачи данных, доступная абоненту в каждый момент, могут значительно варьироваться во времени, в зависимости от текущей загрузки сети.

Наземное оборудование подключается к станциям сети «звезда» по стыку Ethernet, для передачи данных используется, как правило, протокол IP, иногда режим сетевого моста.

Методы разделения доступа в обратных каналахПравить

Для разделения одного обратного канала между многими абонентами могут использоваться различные методы доступа[6], наиболее распространено временно́е разделение (TDMA). В режиме TDMA каждой абонентской станции периодически выделяется интервалы времени (таймслоты), в течение которых она может занимать канал (передавать данные). Остальные станции, работающие в том же канале, в это время не передают, чтобы не создавать друг другу помех. Иногда используется частотное разделение (FDMA). В этом режиме всем станциям для передачи отводится общий частотный ресурс, в каждый момент времени конкретному абоненту выделяется часть этого ресурса, в соответствии с его запросом, остальные абоненты в это время эту часть ресурса занимать не могут. В режиме MF-TDMA (многочастотный TDMA) для абонентских станций используется несколько обратных каналов и ресурс абоненту выделяется посредством как временного разделения, так и переключения по частоте в тот обратный канал, где его работа наиболее оптимальна в данный момент.

Станция полносвязной сетиПравить

Несколько спутниковых станций могут работать друг с другом «в один скачок» в сетях полносвязной топологии (также именуемыми Mesh[7] или Hubless[8]). В такой сети одна полоса частот делится между многими станциями с помощью протоколов множественного доступа, как правило TDMA или MF-TDMA.

 
Спутниковый модем Viasat Linkway для сетей mesh.
 
Полносвязная спутниковая сеть

Одна из станций в сети играет роль ведущей (англ. master), определяющей какая из остальных станций в данный момент может передавать данные. Задержки и скорости передачи в полносвязных сетях могут значительно варьироваться в зависимости от общей загрузки полосы, как и в сетях «звезда».

Все станции полносвязной сети должны обеспечивать примерно одинаковую знергетику по приёму и передаче. Чем выше энергетические возможности станций — тем выше возможная скорость передачи информации, максимальные скорости — несколько мегабит/с. При прочих равных, в полносвязных сетях используются антенны большего размера и более мощные передатчики, чем на абонентских станциях сетей «звезда».

К станциям полносвязной сети наземное оборудование также подключается по стыку Ethernet, используется протокол IP или режим сетевого моста.

Разновидности спутниковых модемовПравить

Как правило, спутниковый модем может работать в каком-либо одном из режимов. Наиболее распространёнными являются модемы для работы в качестве абонентских терминалов сети «звезда». В этом сегменте представлены большинство производителей наземного спутникового оборудования. Производители абонентских терминалов предлагают и оборудование центральных станций, притом оборудование разных производителей в этом классе, как правило, несовместимо. Для организации выделенных каналов производятся модемы SCPC (обычно поддерживающие и режим MCPC/SCPC), работающие в широком диапазоне скоростей в обоих направлениях и предлагающие большой выбор интерфейсов для оконечного оборудования.

Существуют также спутниковые модемы, поддерживающие гибридные режимы работы. Например, абонентский модем может работать с центральной станцией как по каналу TDMA, разделяя его с другими станциями сети, так и по каналу SCPC, занимая его монопольно.

Диапазоны частотПравить

Для спутниковой связи используются радиодиапазоны с частотами в единицы и десятки гигагерц (C, X, Ku, Ka). Передача таких радиочастот по коаксиальному кабелю приводит к большому затуханию сигнала. Для того, чтобы было возможно расположить спутниковый модем на значительном (обычно десятки метров) удалении от антенны, сигнал от него передаётся по коаксиальному кабелю на более низких частотах. Спутниковый модем принимает и передаёт сигнал на промежуточной частоте в диапазоне 1—2 ГГц (L-диапазон), а преобразование в рабочий диапазон спутниковой связи производится установленными на антенне конвертерами частоты (часто интегрированными с усилителями приёма и передачи). Использование частот L-диапазона в трактах приёма и передачи общепринято, что обеспечивает совместимость с различным радиочастотным оборудованием на антеннах. Однако, встречаются и другие варианты. Распространены промежуточные частоты 70 и 140 Мгц[9], особенно для SCPC-модемов, модемы некоторых производителей используют для передачи нестандартную частоту и работают только с передатчиками собственного производства.

Для подключения коаксиальных кабелей на спутниковых модемах используются разъёмы типа Fволновым сопротивлением 75 Ом) или типа N (50 Ом). Иногда встречаются разъемы SMA.

Способы передачи информацииПравить

Для передачи цифровых данных по спутниковому радиоканалу используется фазовая манипуляция (PSK) или амплитудно-фазовая манипуляция (англ. Amplitude and phase-shift keying; APSK), иногда квадратурная амплитудная манипуляция (QAM). Для опережающего восстановления ошибок (FEC), возникающих при передаче информации через зашумлённый спутниковый канал, применяют различные корректирующие коды.

Для SCPC-модемов используется стандарт DVB-S2 или турбо-кодирование и модуляции от QPSK до 32APSK и 32QAM (в зависимости от ширины полосы и энергетики канала). В прямом канале сетей «звезда» используется стандарт DVB-S2 с модуляциями от QPSK до 16APSK и 32APSK. Стандарт DVB-S также используется для SCPC-модемов и прямых каналов в сети «звезда», однако он менее эффективен, чем DVB-S2 и считается устаревшим.

В обратных каналах сетей «звезда» и полносвязных сетях типа mesh, где энергетика станций невелика, используются модуляции QPSK и 8PSK с корректирующими кодами LDPC или турбо-кодами. Для условий, требующих высокой помехозащищённости, может использоваться модуляция BPSK.

Для каждой комбинации модуляции и корректирующего кода (называемых вместе «модкодом») определяется минимальный уровень отношения сигнал/шум, при котором возможен приём информации с приемлемой достоверностью (Bit Error Rate, BER). Чем выше используемые индексы модуляции (количество бит информации, передаваемых в одной посылке), тем большее отношение сигнал/шум требуется для приёма данных. Чем выше отношение сигнал/шум, тем меньшая избыточность корректирующего кода нужна для приёма данной модуляции. Для определения вероятности ошибки оперируют не «чистым» отношением сигнал/шум (SNR), а такими характеристиками, как отношение «несущая/шум» (C/N) (англ. carrier-to-noise ratio), Eb/No или Es/No[10]. Отношение C/N зависит от усиления антенны на стороне приёма, энергетики спутника и ЭИИМ на стороне передачи.

ПримечанияПравить

  1. В.С. Заседатель. Сетевые и спутниковые технологии в учебном процессе. Томский государственный университет.
  2. Single Channel Per Carrier.
  3. Optimizing Satellite Communications Using DoubleTalk® Carrier-in-Carrier®. ComTech EF Data.
  4. 1 2 PCMA Satellite Bandwidth Optimization. ViaSat.
  5. Multiple Channels Per Carrier.
  6. FDMA versus TDMA versus CDMA.
  7. Полносвязные спутниковые сети (Mesh).
  8. Hubless TDMA. Спутниковая бесхабовая VSAT-сеть.
  9. 140 / 70 MHz Satellite Modems. Digisat.
  10. Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи. журнал Телеспутник. Дата обращения 28 ноября 2016.

СсылкиПравить