«Класичний» приклад системи супутникового зв'язку - це канал SCPC (Single Channel per Carrier - один канал на несучу). Технологія SCPC використовується для організації виділеного супутникового каналу »точка-точка". На супутнику виділяються дві смуги частот: одна - для роботи станції »1« в напрямку станції »2«, друга - для роботи станції »2« в напрямку станції »1«. У такій системі каналообразующей пристроями є супутникові модеми: вони здійснюють перетворення послідовних даних в радіочастотний сигнал і назад, а також завадозахисні кодування переданих даних. Канали SCPC в даний час активно використовуються, в основному, операторами »традиційної« зв'язку. Наприклад, використовуючи модеми з інтерфейсами G.703, можна через супутник підключити віддалену базову станцію стільникового мережі.
Малюнок 1. Виділений супутниковий канал »точка-точка". Справа умовно показані частотні смуги, займані на супутнику.
Основна перевага технології SCPC - гарантована швидкість і висока готовність каналу. Виділені на супутнику смуги частот »монопольно« займаються парою модемів, тому в будь-який момент часу їм доступна вся смуга каналу. Недолік - низька ефективність використання супутникового ресурсу. Незалежно від того, чи є в даний момент потреба в передачі, виділені смуги частот зарезервовані за станціями »1« і »2« і не можуть бути використані кимось іншим. Оператор зв'язку буде платити за оренду смуг на супутнику незалежно від реального завантаження каналу. Тому оператори намагаються орендувати смуги мінімально необхідної ширини. Для роботи з вузькосмуговими сигналами обладнання повинно відповідати специфічним вимогам, тому варто воно досить дорого. Крім того, на кожну орендовану смугу на супутнику оператор повинен отримати частотне присвоєння. В результаті вартість рішення SCPC »під ключ" для самих скромних завдань складе від 30-35 тисяч USD на один кінець.
Реальні завдання зв'язку, як правило, передбачають побудову не окремих каналів, а мереж. Найбільш затребувана топологія мережі - "зірка", тому що вона найбільшою мірою відповідає структурі управління в бізнесі або державних структурах: центральний офіс - філіали, офіс - виробничі майданчики, провайдер - абоненти і т.п.
Малюнок 2. Мережа супутникового зв'язку »зірка«, побудована на основі виділених каналів SCPC.
В принципі, супутникову мережу з топологією »зірка« можна побудувати на базі каналів »точка-точка" за технологією SCPC. Абонентські станції А1, А2 і А3 в такій мережі нічим не будуть відрізнятися від станцій »1« і »2« в прикладі, розглянутому вище. На центральній станції замість одного модему потрібно набір модемів - по одному на кожен напрямок зв'язку. При великій кількості периферійних станцій на центральній станції може бути встановлено кілька шаф з модемами.
Бездротовий обладнання ЦЗССС може використовуватися одночасно модемами всіх напрямків. Однак через те, що кількість інформації, що передається в одиницю часу, на центральній станції більше, ніж на периферійних, ЦЗССС повинна мати антену більшого розміру і велику потужність передавача.
Така мережа буде ефективною, якщо всі напрямки завантажені рівномірно і постійно.
Малюнок 3. Мережа супутникового зв'язку MCPC / SCPC і смуги, займані на супутнику
Частково проблема вирішується використанням технології MCPC / SCPC. (MCPC - Multiple Channels per Carrier - кілька каналів на одну несучу). У такій мережі центральна станція використовує для передачі всім абонентським станціям мережі єдину несучу. Поділ даних, призначених різним абонентським станціям, здійснюється не за частотою, а за часом. ЦЗССС передає дані для всіх абонентських станцій в єдиному цифровому потоці. Кожна абонентська станція приймає весь потік, а "свої" дані вибирає не на фізичному рівні, а на рівні даних, у службових заголовкам. У такій системі з'являється можливість більш ефективно використовувати смугу, призначену для передачі від центру до периферії: центральна станція може динамічно перерозподіляти її в залежності від потреб тієї чи іншої абонентської станції. Однак на ЦЗССС зберігається набір модемів за кількістю напрямків, для кожної абонентської станції потрібна нова виділена смуга на супутнику, і ці смуги, як і раніше використовуються неефективно. Мережі MCPC / SCPC можна використовувати у випадках, коли невелика кількість периферійних станцій споживають великий і непередбачуваний (пульсуючий) трафік, а зворотний трафік від цих станцій невеликий і більш-менш стабільний.
Як реальний приклад можна навести мережі DVB-S2 / SCPC на обладнанні фірми Advantech. Кожна абонентська станція приймає дані в загальному разделяемом за часом каналі DVB-S2 (окремий випадок MCPC), а передає в "персональному« виділеному каналі SCPC. Платформа Advantech хороша тим, що дозволяє швидко і відносно недорого побудувати невелику корпоративну мережу, а з ростом числа абонентів з мінімальними витратами перейти до "справжньої VSAT« - TDM / MF-TDMA.
Подальший розвиток технологій »зіркоподібних« мереж призвело до створення принципу поділу супутникового ресурсу TDM / TDMA. TDM - Time Division Multiplexing, поділ за часом. Time Division Multiple Access - множинний доступ з поділом за часом, або, попросту, почерговий доступ. У мережі TDM / TDMA незалежно від кількості абонентських станцій (терміналів) використовуються тільки дві частоти: на передачу від ЦЗССС до абонентських терміналів і на передачу від всіх абонентських терміналів до центральної станції. Передача ЦЗССС здійснюється так само, як і в мережі MCPC / SCPC - дані для всіх абонентів передаються на одній несучої, в єдиному цифровому потоці з поділом за часом. Щоб абонентські станції "не переплутали«, де чиї дані, потік ділиться на блоки, кожен з яких має »персональний« заголовок. З прийомом трохи складніше. Дві абонентських станції не можуть працювати на передачу на одній частоті одночасно - такий сигнал неможливо прийняти і декодувати. Тому абонентські термінали передають по черзі, не завжди, а окремими пачками, "спалахами«. Такий режим передачі називається burst-mode (від слова burst - спалах). Щоб »спалаху« різних терміналів не співпали за часом, кожен з них передає не колись потрапило, а тільки в призначені йому »персональні« проміжки часу - тайм-слоти. Оскільки абонентські термінали в мережі TDM / TDMA »не бачать« один одного, організацією їх передач займається ЦЗССС. Крім "персональної« інформації вона передає абонентським терміналів сигнали тимчасової синхронізації і команди, якими призначає тієї чи іншої станції ті чи інші тайм-слоти. Призначаючи різним станціям більшу або меншу кількість тайм-слотів в кожному кадрі, хаб гнучко перерозподіляє між абонентськими станціями як смугу прийому, так і смугу передачі. Якщо абоненту необхідний виділений канал, для нього може бути зарезервовано фіксовану кількість тайм-слотів в кожному кадрі. Тайм-слоти, що залишилися від виділених каналів, перерозподіляються між станціями, яким гарантована швидкість не потрібна. Ці абоненти отримують швидкість, назад пропорційну миттєвої завантаження каналу. Якщо термінал вимкнений, "його" тайм-слоти віддаються іншим. Для знову включаються абонентських станцій з певною періодичністю призначаються спеціальні »порожні« тайм-слоти. Коли термінал включається, він приймає від ЦЗССС сигнали синхронізації і передає в такому »вхідному« тайм-слоті повідомлення про свою присутність в мережі. ЦЗССС »зауважує« нову станцію і призначає їй вже »персональні« тайм-слоти в відповідно до її статусу. З певною ймовірністю може трапитися, що дві або більше абонентських станції спробують увійти в мережу одночасно, використовуючи один »вхідний« тайм-слот. Тоді хаб не побачить і не пустить в мережу жодну з них. Наступну спробу входу ці станції будуть робити не відразу, а пропустивши деякий випадкове кількість послідовних »вхідних« тайм-слотів, щоб знизити ймовірність одночасної передачі. Подібний принцип вирішення колізій використовувався в »класичному« Ethernet (відомий як CDMA / CD або »aloha«).
Оскільки абонентські станції розподілені на великій площі, відстань від них до супутника може значно відрізнятися, значить, їх сигнали будуть приходити з різною затримкою. Щоб цього не сталося, в керуючу систему хаба вводяться точні географічні координати всіх абонентських терміналів. Система розраховує для кожної станції величину необхідного попередження передачі і повідомляє її кожному терміналу.
Малюнок 4. Мережа супутникового зв'язку TDM / TDMA. Справа зверху умовно показані смуги частот, які займає на супутнику центральної і абонентськими станціями, нижче - тимчасова структура »спадного« і »висхідного« цифрових потоків.
У мереж TDM / TDMA є ряд переваг. По-перше, за рахунок високоінтелектуальної центральної станції ( "хаба«) з потужною енергетикою можна використовувати на периферії невеликі, слабкі і відносно прості (а значить - дешеві) абонентські термінали. По-друге, кожному абоненту не потрібно отримувати окремий частотне присвоєння та орендувати окрему смугу на супутнику. Нарешті, система дозволяє абонентам з одним і тим же обладнанням отримати канали з різними швидкостями і з різною якістю: з фіксованою швидкістю (виділений канал), з гарантованою ненульовий мінімальною швидкістю або без гарантованої швидкості. Однак для роботи мережі TDM / TDMA потрібен хаб з антеною 7-12 метрів, потужний передавач і надійний високопродуктивний комп'ютер, що управляє. Коштує все це дуже дорого, тому мережі TDM / TDMA ефективні лише при кількості абонентських станцій від декількох десятків до тисяч. В системі можна організувати канал з гарантованою швидкістю, проте ступінь готовності його нижче, ніж в SCPC - потреба на передачу не можна реалізувати негайно.
Крім того, у технології TDM / TDMA в "чистому вигляді" є ще один серйозний недолік - підвищені вимоги до енергетики абонентських станцій. Раз термінал працює в burst mode, під час "спалаху" він повинен передавати зі швидкістю в кілька разів більшою, ніж якби він передавав постійно. У стільки ж разів зростають вимоги до розміру антени і потужності передавача. Щоб вирішити проблему, була створена технологія TDM / MF-TDMA - Multi-Frequency TDMA, багаточастотний почерговий доступ. Іноді використовується позначення TDM / FTDMA. У TDM / MF-TDMA весь »зворотний« канал, призначений для передачі від абонентських терміналів до ЦЗССС, поділений на кілька вузьких »канальчиков«. Кілька абонентських станцій можуть одночасно працювати на різних »канальчиках«. Швидкість передачі при цьому зменшується пропорційно кількості таких »канальчиков«. На жаль, нічого в техніці не дається даром - щоб знизити вимоги до енергетики абонентських терміналів, довелося збільшити »інтелектуальність« обладнання. По-перше, в розпорядженні хаба тепер опинився вже не "одновимірний&lraquo; кадр, а "двовимірна таблиця«: »по горизонталі« - тайм-слоти кадру, "по вертикалі" - частотні »канальчики«. І тепер перерозподіляються вже не тайм-слоти, а елементи таблиці »тайм-слот - частота«. По-друге, "порозумнішав" і абонентський термінал: йому довелося »навчитися« швидко »стрибати« з однієї частоти на іншу від "спалаху" к "спалаху".
Малюнок 5. Мережа супутникового зв'язку VSAT (TDM / MF-TDMA). Смуги частот, займані на супутнику передачами центральної станції і абонентських станцій. Тимчасова структура сигналу TDM, переданого центральною станцією. Принцип розподілу частотних каналів / тайм-слотів для передач абонентських станцій (для спрощення розриви між "спалахами« не показані).
У інших виробників (Gilat, iDirect, Hughes) в обладнанні реалізовані ті ж схеми модуляції і захисні коди, що і в DVB, однак, з деякими модифікаціями, що дозволили істотно підвищити ефективність використання смуги. Таке обладнання є несумісним з побутовими приймачами даних, »односпрямований« доступ в мережах VSAT на цих платформах не передбачений.
»Схрещування« супутникового телебачення DVB і технології супутникового зв'язку TDM / MF-TDMA дозволило зробити абонентський термінал ще компактніше і ще дешевше. Знову-таки, не безкоштовно. Потужні завадозахисні коди припускають велику надмірність переданої інформації - крім корисних даних передаються спеціальні контрольні біти, за якими виявляються і виправляються помилки. Надмірність в мережах VSAT складає до 17% смуги. З цієї причини VSAT погано придатні для великих споживачів трафіку - провайдерів інтернет і операторів зв'язку. Для їх завдань більше підходять рішення SCPC. Великому споживачеві краще один раз купити дороге обладнання, ніж щомісяця переплачувати за трафік.
Малюнок 6. Повнозв'язна мережу (Mesh) поверх мережі супутникового зв'язку VSAT. На схемі станція А3 працює тільки в Star, станції A1 і A2 - в Star і Mesh.
Сучасні мережі VSAT підтримують як »зірку«, так і повнозв'язну топологію (Mesh). Будь-які дані, що передаються абонентською станцією мережі VSAT, потрапляють на супутник, а супутник ретранслює їх на всю зону обслуговування - він інакше не вміє. Тобто фізично ці дані надходять на всі абонентські станції мережі. Але вони "не чують" один одного, тому що »слухають« центральну станцію на іншій частоті і в іншому режимі: "хаб" передає безперервно на одній несучої, а абонентські станції - "спалахами« на безлічі частотних каналів. Щоб одна абонентська станція »почула« іншу, необхідно виконати дві умови. По-перше, абонентський термінал повинен мати два приймача: один для прийому TDM несучої від ЦЗССС і другий - для прийому »спалахів« MF-TDMA від інших абонентських станцій VSAT. Такий приймач повинен вміти швидко перебудовуватися, щоб відстежити »стрибають« по частоті передавачі VSAT. Технічно другий приймач може бути реалізований як опціональний блок до базового терміналу (наприклад, обладнання Gilat SkyEdge PRO). Інші виробники пропонують різні моделі терміналів - просту і дешеву тільки для Star і дорожчу і складну для Star / Mesh (наприклад, у Viasat це термінали LinkStar і LinkWay, у iDirect - відповідно моделі 3100 і 5300). Друга умова: енергетика абонентських станцій повинна бути вище, ніж у станцій, які використовуються тільки в "зірці", тому що вони повинні працювати не з потужним »хабом«, а один з одним. Як правило, термінали VSAT Mesh комплектуються антенами від 2,4 м (рідше - 1,8 м) і передавачами від 4 Вт.
Таким чином, оператор мережі VSAT на одній апаратній платформі надає як послуги Star (підключення віддаленого об'єкта до глобальних мереж), так і послуги Mesh (канали зв'язку між віддаленими об'єктами). »Хаб« забезпечує єдину тимчасову синхронізацію для всіх абонентських станцій, динамічно розподіляє між абонентськими станціями доступний ресурс »прямого« каналу, для всіх без винятку терміналів призначає частоти і тайм-слоти на передачу, а для терміналів Mesh - на передачу і на прийом (для другого приймача).