Satelitní modem je zařízení pro přenos dat přes rádiový kanál pomocí umělých družic Země k přenosu rádiového signálu. Kromě funkcí modulace-demodulace signálu může plnit funkce IP routeru , multiplexeru , hlasové brány . Satelitní modem funguje jako součást satelitní pozemské stanice , která zahrnuje samotný modem a rádiové zařízení – anténu , přijímací a vysílací zesilovače , kabely a tak dále.
Satelitní modemy se používají k organizaci kanálů přenosu dat mezi pozemními zařízeními různých typů, která jsou k nim připojena - počítače , počítačové sítě , digitální telefonní ústředny , zařízení APCS a tak dále. Satelitní modem jako součást pozemské stanice spolupracuje se zařízením pro přenos dat a s vysokofrekvenčním zařízením instalovaným na satelitní parabole [1] . Moderní satelitní modemy také implementují směrování provozu a další servisní funkce [2] . Někdy se „satelitní modemy“ nazývají zařízení, která pouze přijímají data přes satelitní kanál [3] (viz mapa DVB-S / S2 ).
Satelitní modem spolupracuje s externím zařízením prostřednictvím standardních rozhraní pro přenos dat. Může to být jeden nebo více ethernetových portů , různé sériové porty atd. Při přenosu jsou data přijatá z jednoho nebo více zdrojů odesílána do vestavěného multiplexeru ( routeru ), který z nich tvoří jeden tok určený pro přenos do satelitní kanál.
Po vytvoření datového toku vstupuje do scrambleru , kde je reverzibilně „míchán“, aby se odstranily dlouhé sekvence po sobě jdoucích jedniček nebo nul a následně podrobeny diferenciálnímu kódování , nutnému k vyřešení nejasností, které vznikají v metodách modulace signálu přijatá v digitální satelitní komunikaci .
Vzhledem k tomu, že data mohou být ztracena a zkreslena během přenosu přes satelitní kanál , používá se k zajištění požadované spolehlivosti přenosu informací dopředná korekce chyb (FEC) . Současně je do datového toku zavedena redundance, která umožňuje obnovit ztracené informace na přijímací straně pomocí různých korekčních kódů .
Výsledný proud je přiváděn do modulátoru , který generuje rádiový signál v daném rozsahu. Tento signál je odeslán do vysílacího zesilovače (BUC) pro přenos do satelitu.
Signál z přijímacího zesilovače (LNB) jde do demodulátoru satelitního modemu a vše se děje v opačném pořadí.
V režimu point-to-point ( SCPC , jeden kanál na přenašeče) je organizován jeden kanál na přenašeče. Modem používá k přenosu informací výhradně přidělené frekvenční pásmo. I když se informace právě nepřenáší, žádné jiné zařízení nemůže toto frekvenční pásmo používat. Pro obousměrnou výměnu (příjem a vysílání) je třeba přidělit dvě frekvenční pásma (nemusí mít nutně stejnou šířku – to znamená, že rychlost příjmu a přenosu se může lišit). Modem SCPC komunikuje s jiným modemem SCPC. Pokud chcete organizovat několik směrů komunikace, pak každý z nich vyžaduje instalaci dvojice modemů SCPC. Rychlosti příjmu a vysílání modemů SCPC se mohou značně lišit (od stovek kilobitů/s po desítky a stovky megabitů/s), v závislosti na použitém satelitním pásmu, energii satelitního kanálu a metodách modulace [5] .
Modemy SCPC mohou implementovat režim „reuse reuse“ (názvy značek – „CnC“ nebo „carrier-in-carrier“ [6] , PCMA – Paired Carrier Multiple Access [7] a další), který umožňuje obousměrnou výměnu dat v jednom frekvenčním pásmu. To šetří požadovaný frekvenční zdroj, ale vyžaduje zvýšení výkonu signálu a ukládá další omezení na využití frekvenčního a energetického zdroje komunikačního satelitu [8] . Režim opětovného použití frekvence může být doplňkovou možností pro základní modely modemů [6] nebo implementován pomocí samostatného zařízení připojeného mezi modem a vysokofrekvenční zařízení na anténě [7] .
V režimu point-to-multipoint ( MCPC , Multiply Channels per Carrier) je několik komunikačních kanálů přenášeno na jedné nosné pomocí časového multiplexování (TDM) [9] . V režimu MCPC-SCPC jsou data z centra přenášena přes jeden širokopásmový satelitní kanál do všech vzdálených bodů a vyhrazené kanály SCPC se používají pro návratové kanály ze vzdálených bodů do centra. Pro přenos informací z centra do všech vzdálených bodů je přitom zapotřebí pouze jeden modulátor (modem pracující v přenosovém režimu). Pro příjem dat ze vzdálených bodů v centru je pro každý bod stále potřeba demodulátor (modem v režimu příjmu). Pokud data „z centra“ do vzdálených stanic nejsou neustále přenášena maximální rychlostí, pak šířka pásma kanálu MCPC může být menší než součet požadovaný pro všechny stanice, to znamená, že frekvenční zdroj je ušetřen díky jeho „opětovnému použití“ . Propustnost přímého spoje (z centra ke stanicím) není pro každou stanici konstantní, je možné přerozdělit šířku pásma a výskyt kolísání zpoždění při přenosu dat na více stanic současně. Modem, který podporuje přenosový režim MCPC, musí mít efektivní prostředky pro řízení šířky pásma a poskytování kvality služeb jednotlivým stanicím [10] .
Režim MCPC-SCPC lze použít v privátních sítích s malým počtem stanic, pro síť hlásících stanic, které vyžadují garantovanou šířku pásma a malé kolísání zpoždění pro přenos informací ze vzdáleného bodu, současně s běžnou nízkou šířkou pásma. k přenosu informací k nim lze použít kanál s nižšími požadavky na kvalitu [11] .
V síti hvězdicové topologie ( anglicky star ) se používá jedna centrální pozemská stanice (CZS, anglicky hub, gateway ), se kterou interagují všechny účastnické stanice [12] . Přenos mezi účastnickými stanicemi je možný pouze přes centrální (ve „dvou skocích“). Přenos dat z centrální stanice k účastníkům v "hvězdné" síti probíhá jedním, všem společným, přímým kanálem ( anglicky forward link, uplink ) s velkou šířkou pásma (desítky a stovky Mbps). Každá stanice přijímá z tohoto kanálu pouze data, která jsou jí adresována (podobně jako v režimu MCPC je použito časové multiplexování). Pro přenos dat od účastníků k centrální stanici se používají zpětné kanály ( angl. return channel ) s nižší šířkou pásma (jednotky Mbit/s), přičemž stejné frekvenční pásmo může využívat mnoho účastnických stanic. Hvězdné sítě se používají v případech, kdy potřebujete připojit mnoho vzdálených bodů do jediného centra - centrály společnosti, poskytovatele internetu. Počet účastnických stanic obsluhovaných jednou centrální stanicí může dosahovat několika tisíc až desetitisíců. Satelitní sítě takové topologie jsou dnes nejrozšířenější a vyrábí se pro ně velká část satelitních modemů [13] .
Účastnické stanice ve hvězdné síti jsou relativně levné instalace s malými anténami , vysílači s nízkým výkonem a levnými satelitními modemy ve srovnání s jinými typy. Pro účastnické stanice se také používají názvy „malá pozemská stanice“ (LES, VSAT) nebo „koncová pozemská stanice“ (TZS).
Řízení přístupu stanice (přidělování časového nebo frekvenčního zdroje pro přenos) provádí centrální stanice na základě rychlosti požadované každým předplatitelem a celkové kapacity kanálu. Zpoždění ve hvězdicových sítích jsou obvykle vyšší než u modemů SCPC, navíc se mohou, stejně jako rychlost přenosu dat, kterou má účastník v daném okamžiku k dispozici, v průběhu času výrazně lišit v závislosti na aktuálním zatížení sítě.
Pozemní zařízení se ke stanicím hvězdicové sítě připojuje přes ethernetové rozhraní, pro přenos dat se zpravidla používá protokol IP , někdy režim síťového mostu .
Několik satelitních stanic může vzájemně spolupracovat "v jednom skoku" v sítích plně propojené topologie (také nazývané Mesh [14] nebo Hubless [15] ). V takové síti je jedno frekvenční pásmo rozděleno mezi mnoho stanic používajících více přístupových protokolů, typicky TDMA nebo MF-TDMA.
Jedna ze stanic v síti hraje roli master , který určuje, která z ostatních stanic může aktuálně vysílat data. Zpoždění a přenosové rychlosti v mesh sítích se mohou výrazně lišit v závislosti na celkovém využití šířky pásma, stejně jako v hvězdicových sítích.
Všechny stanice plně propojené sítě by měly poskytovat přibližně stejnou energii pro příjem a vysílání. Čím vyšší jsou energetické možnosti stanic, tím vyšší je možná rychlost přenosu informací, maximální rychlosti jsou několik megabitů/s. Pokud jsou ostatní věci stejné, sítě typu mesh používají větší antény a výkonnější vysílače než účastnické stanice založené na hvězdách.
Pozemní zařízení je také připojeno ke stanicím propojené sítě přes rozhraní Ethernet pomocí protokolu IP nebo režimu síťového mostu .
Satelitní modem může zpravidla pracovat v kterémkoli z režimů [16] . Nejběžnější jsou modemy pro provoz jako účastnické terminály "hvězdné" sítě. V tomto segmentu je zastoupena většina výrobců pozemních satelitních zařízení. Výrobci účastnických terminálů také nabízejí zařízení pro centrální stanice a zařízení od různých výrobců v této třídě jsou zpravidla nekompatibilní. Pro organizaci pronajatých kanálů se vyrábí modemy SCPC (obvykle s podporou režimu MCPC / SCPC), které pracují v širokém rozsahu rychlostí v obou směrech a nabízejí širokou škálu rozhraní pro koncová zařízení.
Existují také satelitní modemy, které podporují několik režimů provozu (hvězda, síť, point-to-point a dokonce fungují jako centrální stanice sítě) [2] . S takovými modemy je možné organizovat síť s hybridní topologií. Například stejný modem v různých časech může pracovat s centrální stanicí prostřednictvím kanálu TDMA, sdílet jej s jinými stanicemi v síti, nebo prostřednictvím kanálu SCPC, který jej obsazuje výhradně. Je také možný současný provoz účastnického modemu s centrální stanicí hvězdicové sítě a s dalšími modemy této sítě pomocí technologie mesh.
Pro satelitní komunikaci se používají rádiová pásma s frekvencemi jednotek a desítek gigahertzů ( C , X , Ku , Ka ). Přenos takovýchto rádiových frekvencí přes koaxiální kabel má za následek velký útlum signálu. Aby bylo možné satelitní modem lokalizovat ve značné (zpravidla desítky metrů) vzdálenosti od antény, je signál z něj přenášen koaxiálním kabelem na nižších frekvencích [17] . Satelitní modem přijímá a vysílá signál na střední frekvenci v rozsahu 1–2 GHz (pásmo L ) a převod na provozní rozsah satelitní komunikace se provádí frekvenčními měniči nainstalovanými na anténě (často integrovanými s příjmem a vysílací zesilovače ). Obecně je akceptováno použití frekvencí L-pásma v přijímacích a vysílacích cestách, což zajišťuje kompatibilitu s různými RF zařízeními na anténách. Existují však i další možnosti. Pro SCPC-modemy byly použity mezifrekvence 70 a 140 MHz [18] [1] , modemy některých výrobců používají pro vysílání nestandardní frekvenci a pracují pouze s vysílači speciálně pro ně vyrobenými [19] [20] .
Pro připojení koaxiálních kabelů na satelitních modemech se používají konektory typu F (s charakteristickou impedancí 75 ohmů) nebo typu N (50 ohmů). Někdy existují konektory SMA .
K přenosu digitálních dat přes satelitní rádiový kanál se používá klíčování s fázovým posunem (PSK) nebo klíčování s amplitudovým fázovým posunem (APSK), někdy se používá klíčování s kvadraturním amplitudovým posunem (QAM) [21] . Pro dopřednou obnovu chyb (FEC), ke které dochází při přenosu informací přes zašuměný satelitní kanál, se používají různé korekční kódy .
Modemy SCPC používají DVB-S , DVB-S2 nebo turbo kódování s modulacemi (v závislosti na šířce pásma a energii kanálu) od QPSK po 32APSK nebo 32QAM. Přímý kanál hvězdicových sítí používá standard DVB-S2. V moderních satelitních modemech je standard DVB-S2X [2] aktivně implementován .
Ve zpětných kanálech hvězdicových sítí a plně propojených mesh (hubless) sítí, kde je výkon stanic nízký, se používají modulace QPSK a 8PSK s korekčními kódy LDPC nebo turbo kódy . Pro podmínky vyžadující vysokou odolnost proti rušení lze použít modulaci BPSK [21] .
Pro každou kombinaci modulačního a korekčního kódu (společně označované jako „modcode“ nebo návrh signálového kódu, CCM) je určena minimální úroveň odstupu signálu od šumu , při které lze přijímat informace s přijatelnou spolehlivostí ( Bit Error sazba, BER ). Čím vyšší jsou použité modulační indexy (počet bitů informace přenášené v jednom balíku) a redundance korekčního kódu, tím vyšší rychlosti přenosu informace lze získat ve stejném přiděleném frekvenčním pásmu, ale tím větší je přenos signálu. pro příjem dat je vyžadován šumový poměr. Tento vztah je popsán Shannonovou větou .
V praxi se pro stanovení pravděpodobnosti chyby nepracuje s „čistým“ poměrem signálu k šumu (SNR), ale s takovými charakteristikami, jako je poměr nosná k šumu (C/N) nebo související k C/N a poměry informační rychlosti Eb /N0 (energie na 1 bit přijaté informace ke spektrální hustotě šumu) a Es/N0 (energie na 1 symbol k spektrální hustotě šumu) [22] . Poměr C/N závisí na zisku antény a podmínkách na straně příjmu, energii satelitu a EIRP a podmínkách na straně vysílání. Volba kódování a modulace, umožňující co nejefektivnější využití přiděleného družicového zdroje, je složitým multikriteriálním úkolem [8] . V moderních satelitních komunikačních systémech se aktivně používá technika adaptivního kódování a modulace , která je součástí standardu DVB-S2 a umožňuje dynamicky měnit použité modkódy v závislosti na parametrech rádiového kanálu [2] .
| Satelitní připojení | |
|---|---|
| Hlavní články | |
| Zařízení | |
| Standardy a protokoly | |
| Operátoři satelitního vysílání |
|
| Komunikační satelitní operátoři a služby | |
| Výroba komunikačních satelitů | |