Satelity telekomunikacyjne wykorzystywano na potrzeby Internetu prawie od początku jego powstania. Przesłanką tego były następujące zalety łączności satelitarnej: pokrycie dużych obszarów Ziemi, możliwość równoczesnego doprowadzania informacji niezależnie do wielu abonentów, możliwość szybkiego zrealizowania połączeń zarówno z użytkownikami stacjonarnymi, jak i ruchomymi. Ma to szczególne znaczenie dla krajów rozwijających się, o słabych infrastrukturach, zwłaszcza telekomunikacyjnych.

Początkowo satelity geostacjonarne systemów łączności stałej FSS były wykorzystywane głównie do połączeń odległych sieci komputerowych i w mniejszym zakresie do bezpośrednich połączeń ze stosunkowo małą liczbą użytkowników, dysponujących stacjami naziemnymi nadawczo-odbiorczymi typu VSAT (w większości byli to tzw. użytkownicy zbiorowi, współpracujący za pośrednictwem sieci lokalnych).

W celu dostarczenia informacji do wielu użytkowników dogodniejsze są satelity radiodyfuzyjne DBS typu Astra lub satelity telekomunikacyjne, których kanały radiowe są wykorzystywane do nadawania szerokopasmowych sygnałów telewizyjnych, np. satelity typu Eutelsat. Zaletą takiego rozprowadzania informacji jest stosunkowo duża moc nadawania i szerokie pasmo kanału transmisyjnego satelitów.

Ze względu na dużą niesymetryczność interaktywnych połączeń internetowych z wieloma indywidualnymi użytkownikami, do połączeń zwrotnych można wykorzystywać linie telefoniczne lub inny system wąskopasmowy. Dla przesyłania sygnałów multimedialnych, przy wykorzystaniu dużych strumieni informacji, mogą służyć, po odpowiednich adaptacjach, zarówno kanały telewizyjne analogowe, jak i cyfrowe typu DVB/MPEG-2. Właściwie jedynym koniecznym rozwiązaniem jest wprowadzenie w każdym przypadku nowego protokołu transmisji multicast, uwzględniającego warunki pracy z wieloma użytkownikami jednocześnie. Ze względu na bardzo szybki rozwój sieci internetowych World Wide Web (WWW) oraz coraz szerszy zasięg usług multimedialnych, rozwiązanie takie będzie przydatne nie tylko dla obszarów o małej gęstości zaludnienia, gdzie często jest ono jedynym sposobem włączenia użytkowników do sieci komputerowych, ale również w gęsto zaludnionych metropoliach, ze względu na możliwość wykorzystywania szerokich pasm do przesyłania szerokopasmowych informacji oraz łatwość uzyskiwania połączeń zwrotnych przez gęstą sieć telefoniczną.

Rys. 8.1. Struktura globalnej sieci internetowej, realizowanej przez satelitę radiodyfuzyjnego [15]

Na rys. 8.1. przedstawiona została uproszczona struktura systemu, w którym zbiorcza stacja naziemna nadaje przez satelitę (na razie wchodzą w grę satelity geostacjonarne, z czasem będą to i satelity niskoorbitalne) informacje równocześnie do wielu małych stacji odbiorczych. Mogą to być w zasadzie te same urządzenia, co wykorzystywane do odbioru sygnałów telewizji satelitarnej, z tym że na wyjściu zamiast z odbiornikiem telewizyjnym będą połączone z komputerem, a na wejściu będą albo zastosowane specjalne układy adaptacyjne do detekcji i selekcji sygnałów cyfrowych (tzw. STB: Set-Top-Box), albo zintegrowane urządzenia odbiorczo-dekodujące, uruchamiane za pomocą karty (IRD).

Rys. 8.2. Karta DVB do odbioru telewizji cyfrowej oraz transmisji danych [źródło własne]

Do transmisji sygnałów cyfrowych najdogodniej jest wykorzystywać metody cyfrowe, przyjęte w kanałach transmisji MPEG-2. Zgodnie ze stosowanymi obecnie standardami można w systemach satelitarnych transmitować w tych kanałach strumienie informacji o szybkościach do 31,6 Mb/s. Ponieważ jednocześnie do połączeń zwrotnych są stosowane jedno- lub dwukierunkowe linie telefoniczne komutowane lub dzierżawione, tego typu system internetowy został oznaczony kryptonimem IDBS (Interactive Data Broadcasting System) - umożliwia on dostęp zarówno do sieci internetowych, jak i indywidualnych komputerów zbioru danych (serwerów).

W ramach badań doświadczalnych, prowadzonych nad systemem, najpierw rozpoczęto w kanale telewizji analogowej transmisję z szybkością 192 kb/s, a następnie z większymi szybkościami - od 384 kb/s do 2 Mb/s, w systemie cyfrowym. W celu uniezależnienia się od niepewnych połączeń telefonicznych, do połączenia zwrotnego wykorzystywano wąskopasmowy kanał satelitarny tego samego satelity Eutelsat. Przy transmisji cały czas stosowano różne warianty systemu operacyjnego Windows.

Realizacja połączeń

Abonent łączy się przez linię zwrotną i stację centralną z odpowiednim serwerem i po akceptacji zamówienia dane dla tego klienta są wprowadzane z odpowiednim nagłówkiem w ogólny strumień informacji, przesyłany przez naziemną stację centralną do satelity. Doświadczenia z siecią WWW wykazują, że w praktyce strumień ten jest 10 do 20 razy większy niż strumień zapytań, przesyłany od klienta, a w związku z rozwojem systemów multimedialnych różnica ta może szybko wzrastać.

Główną funkcję sterująco-kontrolną w systemie spełnia stacja centralna, odpowiedzialna za sterowanie ruchem od klienta do serwerów i od tych ostatnich do nadajnika naziemnej stacji satelitarnej. Ponadto jest ona odpowiedzialna za identyfikację i autoryzację abonentów. Informacje, przesyłane ze stacji centralnej do stacji naziemnych poszczególnych użytkowników, są strukturalnie kształtowane w zależności od metod transmisji stosowanych w kanale satelitarnym i przesyłane albo w kanale wizji MPEG-2, albo w kanale fonii na odpowiedniej podnośnej.

Sygnał odbierany na stacji centralnej, po przejściu przez małoszumny układ wzmacniacza wejściowego LNB, jest doprowadzony do układu dekodującego i przetwarzającego, zależnego od stosowanej metody transmisji. W MPEG-2 są to wspomniane układy STB lub IRD. Stąd sygnały są dostarczane do komputerów osobistych PC jednego lub wielu użytkowników, zgodnie z protokołem IP.

Połączenie zwrotne, realizowane najczęściej za pomocą linii telefonicznej, może być ciągłe (interaktywna rozmowa między klientem a serwerem), sporadycznie w formie wezwań i zapytań lub może go w ogóle nie być, gdy zainteresowanie klienta nie jest specyficzne i ogranicza się do otrzymywania powszechnie dostępnych danych, stale nadawanych w sposób cykliczny przez stację centralną.

W systemach dwukierunkowych dane są przekazywane zarówno w kierunku: terminal - stacja centralna, jak i przeciwnym. Terminal musi więc pełnić funkcję nadajnika i odbiornika. W czasie komunikacji między dwoma terminalami informacja pokonuje czterokrotnie odległość między naziemną stacją centralną a satelitą. Powstaje opóźnienie sięgające około 0,5 sekundy. W transmisjach interakcyjnych - podczas rozmów telefonicznych, telekonferencji itp. - jest to spora niedogodność. W wyniku opóźnienia może nastąpić ograniczenie przepływności kanału.

Podstawowym założeniem działania systemu IDBS jest to, że wszelkie zapytania lub inne informacje, nadawane przez klienta, są przesyłane zawsze do stacji centralnej. Formuje ona sygnały przeznaczone dla użytkowników i dostarczane głównie przez serwery, dodając do nich odpowiednie sygnały synchronizacji, kontroli oraz nagłówki, odpowiadające obsługiwanym klientom. Sygnały zbiorcze - po przejściu przez układy multiplekserów, modulatorów, koderów i układów korekcji błędów, są doprowadzane do nadajnika stacji naziemnej.

System IDBS może stosować różne protokoły transmisji w zależności od rodzaju i sposobu wykorzystywania kanału telewizyjnego satelity radiodyfuzyjnego oraz od przeznaczenia nadawanych sygnałów. W wypadku nadawania do indywidualnych klientów stosuje się tradycyjny protokół internetowy TCP, a przy nadawaniu do wielu klientów (multicast) - specjalnie opracowany protokół RRMP (Restricted Reliable Multicast Protocol). Natomiast sygnały mogą być transmitowane jednym z trzech sposobów:

• w telewizji analogowej na podnośnych sygnałów fonii;
• na zasadzie stosowanej przy obsługiwaniu równocześnie wielu małych stacji naziemnych typu VSAT;
• wykorzystywania zasad transmisji cyfrowej w systemach MPEG-2.

Zgodnie z tym potrzebne są trzy różne wersje układów interfejsów ze stacją naziemną i różne układy dekoderów w urządzeniach odbiorczych użytkowników. W urządzeniach tych dodatkowe układy mogą przybierać postać niezależnych od PC urządzeń lub być włączone do urządzeń PC. Niezależnie od sposobu umieszczenia układ dekodera spełnia funkcję demodulatora, descramblingu i interfejsu z podstawowymi elementami komputera PC.

Sposoby transmisji sygnału

Przyjęto, że wszyscy klienci uczestniczący w badaniach wykorzystują standardowe urządzenie IBM PC, pracujące w systemie operacyjnym Windows, i że niedopuszczalne są jakiekolwiek zmiany w protokołach transmisji internetowej.

W pierwszym etapie do przesyłania sygnałów internetowych wykorzystano cyfrowy kanał fonii w systemie telewizji analogowej. Przy zastosowaniu specjalnego układu do sygnału analogowego wizji jest dodawanych do ośmiu sygnałów cyfrowych kanałów fonii. Sygnały cyfrowe są grupowane w ramki HDLC. Taka metoda pozwala teoretycznie na transmisję sygnałów cyfrowych o szybkościach do 256 kb/s, ale na skutek zastosowania korekcji błędów do przodu FEC praktyczna szybkość transmisji wynosi 192 kb/s. Jest to trzy razy więcej niż w kanale systemu cyfrowego ISDN.

Dla systemów multimedialnych taka przepustowość transmisyjna jest jednak niewystarczająca i zadowalające rezultaty można uzyskać dopiero przy wykorzystaniu satelitarnych kanałów telewizji cyfrowej MPEG-2. W tym przypadku sygnały wizji i fonii są kodowane i przesyłane w postaci pakietów informacji cyfrowej PES (Packetizet Elementary Streams), na zasadzie asynchronicznego zwielokrotnienia czasowego TDM, przy stałej długości komórki 188 bajtów. Kanał telewizyjny umożliwia transmisję danych z szybkościami zależnymi od potrzeb i wymaganej jakości transmisji.

Struktura protokołu MPEG-2 obejmuje trzy poziomy. Poziom fizyczny zawiera procesy modulacji, synchronizacji, kodowania i kształtowania przebiegów, zgodnie z normami obowiązującymi dla takiego sygnału. Poziom transmisji danych zapewnia transport komórek 188-bajtowych w kanale transmisyjnym. Poziom trzeci służy do celów adaptacyjnych. Jak łatwo zauważyć, istnieje podstawowe podobieństwo pomiędzy strukturą systemu ATM (Asynchronous Transfer Mode) i systemu MPEG-2, wyrażające się przesyłaniem dowolnego rodzaju sygnałów w postaci pakietów informacji o stałych długościach.

Rys. 8.3. Możliwe drogi doprowadzenia strumieni informacji do modulatora MPEG-2 [15]

Nagłówek strumienia informacji obejmuje sygnały identyfikacji pakietów PID, różne w zależności od tego, czy transmisja ma charakter unicast (jeden użytkownik), czy multicast (wielu użytkowników). Na rysunku 8.2. pokazane są trzy sposoby przesyłania strumieni informacji przez kanał MPEG-2:

• pakiety danych mogą być połączone i przesyłane wewnątrz pakietów MPEG-2,
• przeznaczonych do transmisji strumieni informacji sygnałów wizji i fonii;
• pakiety danych mogą być przesyłane w sekcji pakietów przewidzianych do transmisji wewnętrznych tabel;
• protokół płaszczyzny adaptacji może służyć do bezpośredniego łączenia danych w pakiety.

Stosowane protokoły

Stosowane w systemach internetowych protokoły transmisji TCP, w transmisji informacji do wielu klientów (multicast), muszą być odpowiednio adaptowane, z uwzględnieniem zarówno dystrybucyjnego charakteru pracy, jak i właściwości przekazu satelitarnego, przede wszystkim znacznego opóźnienia czasowego. Ważne są jakość i niezawodność transmisji, które można podzielić na trzy podstawowe kategorie:

• całkowicie niezawodna transmisja - niedopuszczalna jest jakakolwiek strata danych (np. poczta elektroniczna);
• ograniczona niezawodność transmisji (np. wizja i fonia);
• niezawodność transmisji drugorzędna (np. dane o pogodzie).

Protokoły transmisji multicast TCP mogą być, w zależności od tych wymagań, realizowane na jeden z dwóch sposobów:

• ogólny wspólny protokół dla różnych zastosowań o ustalonych rodzajach konfiguracji;
• zbiór węższych protokołów dopasowanych do różnych potrzeb, obejmujących praktycznie wszelkie mogące występować konfiguracje.

W transmisjach doświadczalnych zastosowano wspomniany uprzednio protokół transmisji multicast RRMP, obejmujący tzw. negatywne potwierdzenie (NAK) i system kontroli błędów z wyprzedzeniem FEC. Tak ukształtowany protokół koncentruje się na wykrywaniu i korygowaniu błędów w dystrybucji sygnałów do bardzo dużej liczby użytkowników, przy występowaniu przekłamań zarówno na skutek niedoskonałości dróg transmisyjnych, jak i przeciążenia całego systemu.

Współpraca systemów ziemskich i satelitarnych

Wspomniano o trudnościach związanych z przesyłaniem sygnałów typu ATM przez linie satelitarne i koniecznością wprowadzenia w liniach ziemskich pewnych zmian, dotyczących protokołów transmisji TCP, a zwłaszcza metod kontroli błędów i powtarzania pakietów impulsów błędnie odebranych. W tym celu opracowano i przebadano specjalne układy pośredniczące ASIU, których sposób podłączenia jako układów interfejsowych pomiędzy systemami ziemskimi (w tym przypadku były to najczęściej abonenckie stacje końcowe) i satelitarnymi jest pokazany na rys. 8.3., a struktura wewnętrzno funkcjonalna układów na rys. 8.4. Układ ten zapewnia sprawne funkcjonowanie połączeń systemów ziemskich i satelitarnych przez spełnienie funkcji kontroli, sterowania i dopasowania układów w sensie transmisyjnym i zgodności protokołów. W tym celu układ ASIU musi uwzględniać różne metody transmisji cyfrowej stosowane w systemach ziemskich - SONET (Synchronous Optical Network), SDA (Synchronous Digital Hierarchy), PDH (Plesiosynchronous Digital Hierarchy) i PLCP (Phisical Layer Convergence Protocol). Przychodzący do układu ASIU cyfrowy sygnał zbiorczy podlega najpierw rozdziałowi na komórki. Następnie wydzielone strumienie komórek są klasyfikowane zgodnie z wymaganą klasą jakości przesyłania informacji, i każdy z takich strumieni jest doprowadzany do odpowiedniego bufora, z zaznaczeniem priorytetu co do momentu czasu podjęcia transmisji przez kanał satelitarny.

W układzie ASIU uwzględniono również funkcje korekcji błędów. Pierwszy stopień zapobiegania ich powstawaniu polega na zastosowaniu metody korekcji z wyprzedzeniem (FEC), a w drugim stopniu zastosowany jest układ dodatkowej korekcji RS (Reed Saleman). Szczególna uwaga jest zwracana na bezbłędne przenoszenie nagłówków komórek. W bardziej skomplikowanych układach ASIU zastosowano dodatkowo kompresje sygnałów i tworzenie nowych ramek, doprowadzanych do kanału satelitarnego. Pozwala to na ograniczenie szerokości pasma, zajmowanego w tym kanale, i przyczynia się do lepszego wykorzystania stosowanych w systemie satelitarnym częstotliwości, co jest jak zawsze punktem krytycznym wszystkich systemów radiowych. W ten sposób można również łatwiej realizować rozgałęzione sieci DAMA, z dopasowaniem do zmiennych potrzeb transmisyjnych systemów internetowych. Jest to szczególnie istotne, kiedy użytkownicy urządzeń stacji końcowych wymagają nie tylko struktury pracy gwiaździstej ze stacją centralną, ale również struktury pracy oczkowej, na zasadzie realizacji połączeń "każdy z każdym", z pominięciem stacji centralnej (przynajmniej w odniesieniu do transmisji strumieni informacji). W rozwiązaniu takim stosuje się najczęściej dostęp na żądanie, z wykorzystaniem wielu częstotliwości nośnych w sposób stały lub też dopasowywany do aktualnych potrzeb transmisyjnych.

Rys. 8.4. Zastosowanie specjalnych układów pośredniczących ASIU w multimedialnych systemach satelitarnych ATM [15]

Podsumowanie wyników przeprowadzonych badań

Przeprowadzono badania dla różnych wymaganych jakości transmisji przy różnych rodzajach transmisji i różnych metodach korekcji błędów, zmieniając sumaryczne obciążenie systemu. Wykazano wyraźną zależność uzyskiwanej jakości transmisji od obciążenia i rodzaju stosowanej korekcji błędów FEC, przy czym zawsze przepustowość malała ze wzrostem klasy systemu, ponieważ FEC zajmował coraz większą liczbę pakietów, przeznaczonych do normalnej transmisji. Pomiary prowadzono w ten sposób, że układy pomiarowe reagowały na stopę błędów większą od 10-5 i tak zmieniano różne parametry i konfiguracje transmisji, aby nie przekraczać tej granicy. Uzyskane wyniki dają wskazówki co do optymalizacji wykorzystania kanałów satelitarnych oraz spodziewanych trudności przy transmisjach multimedialnych.

Zakładając szybkość transmisji w kanale satelitarnym MPEG-2 30 Mb/s oraz średnie obciążenie na jednego użytkownika systemu 2 MB w ciągu 10 godzin dziennie (dane uzyskane z doświadczeń amerykańskich, przy uwzględnieniu dużej liczby użytkowników), można określić teoretyczną liczbę użytkowników, jaka mogłaby być obsłużona przez system w ciągu doby:

( 10*60*60*30*10^6)/(2*8*10^6)=67500 użytkowników

W praktyce liczba ta będzie mniejsza na skutek kolizji potrzeb, konieczności ustawienia klientów w kolejkę poprzez odpowiednie układy buforowe na stacji centralnej itp., ale i tak liczba 40 tys. użytkowników wydaje się całkowicie realna. Ponieważ koszt dzierżawy szerokopasmowego transpondera na satelicie można ocenić na 200 tys. USD za miesiąc, daje to na jednego użytkownika koszt około 5 USD miesięcznie. Podwajając tę liczbę ze względu na koszty utrzymania systemu ze stacją centralną, otrzymujemy 10 USD miesięcznie. Przyjmując podobne koszty włączenia do Internetu, otrzymujemy 20 USD miesięcznie na użytkownika, co jest ceną niższą niż płacona przez abonentów tradycyjnego Internetu. Opłata za realizację konkretnych połączeń będzie przy tym zależna od stopnia pilności otrzymania pożądanej informacji oraz łącznej liczby użytkowników, do których informacja ta będzie jednocześnie przesyłana.

Rys. 8.5. Wewnętrzna struktura układu pośredniczącego ASIU [15]

W odwrotnym kierunku transmisji przewiduje się wykorzystanie standardowej przepływności 64 kb/s (jedynie sporadycznie mogą być stosowane wielokrotności lub podwielokrotności tej przepływności), a środkiem transmisji mogą być zarówno komutowane lub dzierżawione linie telefoniczne, jak i połączenia satelitarne w przypadku wykorzystywania przez użytkowników stacji odbiorczo-nadawczych typu VSAT (przede wszystkim w razie obsługiwania tzw. użytkowników zbiorowych na terenach o słabej infrastrukturze telekomunikacyjnej).

Jeżeli idzie o obszary obu Ameryk, to przyjmuje się, że docelowo przynajmniej jedna trzecia użytkowników sieci internetowych będzie korzystała z połączeń satelitarnych zarówno ze względów technicznych, jak i ekonomicznych, przy czym duży wpływ na to będzie miało tempo obniżki kosztów urządzeń satelitarnych indywidualnych abonentów oraz przystosowania bardziej rozbudowanych urządzeń do obsługi większej liczby użytkowników w ramach sieci lokalnych.