Úvod > Články > Satelitní komunikace rychle a efektivně

Satelitní komunikace rychle a efektivně

Nové technologie pomáhají satelitním sítím nabízet takové služby, které dnes uživatelé očekávají: spolehlivé, rychlé, moderní a hlavně cenově výhodné. Nová norma DVB-S2 je jedním z příkladů na podporu satelitního vysílání např. HDTV. Kromě toho se také uplatňují nové protokoly pro efektivnější IP přenosy po satelitních spojích.

Nastupuje DVB-S2

V seriálu článků o satelitní komunikaci (viz odkazy na související články na konci článku) jsme se zmínili o nastupujících specifikacích, které podporují obousměrný přenos přes satelitní spoje, a to i multimediálních aplikací (DVB-RCS). Nejnovějším přírůstkem je zmodernizovaná specifikace DVB-S2, kterou připravila skupina DVB a jako evropskou normu přijal ETSI (EN 302 307). Původní norma pro DVB-S nesla označení EN 300 421.

Nová verze normy pro globální satelitní vysílání, DVB-S2, využívá moderní kompresní algoritmy MPEG-4 part 10 (Advanced Video Codec), takže dorovnává možnosti satelitního přístupu s jinými technologiemi z hlediska nabídky služeb, jejich kvality i nákladovosti.

DVB-S2 nabízí modulační mechanizmy nové generace. Již nebudou satelitní provozovatelé používat klasické filtry typu Reed-Solomon a Viterbi, místo nich se nasadí Low-Density Parity Check (LDPC) ve spojení s kódováním typu Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH). S DVB-S2 se dostáváme už jen krok od teoretické hranice efektivnosti kódování, Shannonově hranici, takže další vývoj v této oblasti nelze v dohledné době očekávat.

Díky moderní technologii lze na jednom transpondéru využít více kanálů a díky adaptivní modulaci, kterou lze měnit v průběhu vlastního vysílání (podle povětrnostních podmínek), se sníží náklady na šířku pásma obousměrných satelitních služeb. Adaptivní kódovací mechanizmus (ACM, Adaptive Coding and Modulation) totiž dovoluje měnit parametry pro dopřednou opravu chyb pro každý jednotlivý paket, na základě informace o kvalitě příjmu posílané po zpětném kanálu (podle DVB-RCS).

Oproti předchozí normě DVB-S se předpokládá, že DVB-S2 bude znamenat 30% zvýšení efektivity satelitní komunikace, což sníží náklady na transpondéry skokově o celou třetinu. Díky kompresnímu mechanizmu podle normy MPEG-4/AVC se až trojnásobně sníží požadavky na šířku pásma, což otevře možnosti nabízet cenově přijatelné HDTV služby.

DVB-S2 s sebou samozřejmě nese také náklady: Jsou potřeba nové přenosové modulátory, demodulátory pro STB a nové integrované dekodéry na přijímačích (IRD, Integrated Receiver Decoder). DVB-S2 není zpětně slučitelné s DVB-S, takže nebude pracovat na miliónech již instalovaných satelitních zařízeních. Proto se počítá s jeho nasazením pro nové služby, tedy především video s vysokým rozlišením.

DVB-S2 je na světě, ale příprava potřebných čipů byla velmi pomalá. Výrobě se věnují především společnosti (v pořadí zahájení výroby) Conexant Systems, ST Microelectronics, Broadcom a Zarlink.

Rate-Based Satellite Control Protocol

Vedle nové normy se objevila také firemní řešení pro specifika širokopásmových přenosů po satelitních sítích. Nejpopulárnějším je protokol RBSCP (Rate-Based Satellite Control Protocol) z provenience Cisco Systems. Je navržen obecně pro spoje s velmi vysokým zpožděním a vysokou chybovostí při přenosu signálu, takže je vhodný pro bezdrátové spoje. Díky síťovým tunelům může zlepšit výkonnost některých protokolů v rámci TCP/IP, a to především samotného spolehlivého transportního protokolu TCP a IPSec (IP Security) použitých zejména na satelitních spojích.

Obousměrné zpoždění (RTT, Round Trip Time) při přenosu signálu přes geostacionární družici se pohybuje mezi 500-600 ms, tj. hodnota zpoždění mezi směrovači nejblíže k satelitnímu spoji, nikoli zpoždění mezi koncovými stanicemi, které v sobě zahrnuje navíc zpoždění v dalších navazujících pozemních sítích.

Internetové transportní protokoly, TCP a SCTP (Stream Control Transmission Protocol) používají stejný přístup k řešení zahlcení v síti, které indikují na základě ztráty paketů. Již první ztracený paket (paket, na nějž odesilatel nedostane od zamýšleného příjemce potvrzení) je známkou potenciálního zahlcení sítě, takže se příslušně oddálí vysílání dalších paketů. Další „zrychlování“ vysílání při úspěšném přenosu ale probíhá velmi zvolna (mechanizmus „slow start“), aby se zabránilo dalšímu zahlcení sítě pakety od odesilatele. Základem jsou techniky AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease), které fungují dobře v pevných sítích, kde zajišťují uživatelům spravedlivý díl dostupné šířky pásma. V satelitních sítích ale jejich nasazení nevede k optimálnímu využití šířky pásma a zefektivnění přenosu, kde vše navíc trvá déle.

Důvodem je to, že pakety při satelitním přenosu se mohou ztratit nebo být zahozeny spíše kvůli chybovosti spoje než kvůli zahlcení spoje. Naneštěstí ale každý nepotvrzený paket chápe algoritmus AIMD jak známku zahlcení a jiný důvod nerozeznává. Vysílací okno (počet paketů k vyslání najednou, bez čekání na jednotlivá potvrzení), se v důsledku nasazení mechanizmu slow start sníží na jeden paket (případně na polovinu původní hodnoty u lepšího mechanizmu fast retransmit). Kvůli chybovosti na spoji a kvůli vysokému zpoždění se pak snadno může na satelitním spoji stát, že se data posílají po jednom paketu a vždy se čeká na jeho potvrzení, jinými slovy vysílající stanice setrvává v režimu slow start. Pro uživatele to znamená, že spoj o kapacitě 1,5 Mb/s se jeví jako pomalejší než vytáčené spojení.

Druhým problémem i pro vysílání bez chybových stavů je velikost přijímacího okna, které specifikuje odesilatel pro další komunikaci v potvrzení přijatých paketů. Tím dává odesilateli na vědomí, jak velkou vyrovnávací paměť má připravenu pro přicházející pakety, tedy kolik bytů může následně odeslat. Malá paměť, malé okno na straně přijímače, zpomaluje komunikaci.

Zatímco v pozemních sítích pro přenos paketů třeba v rámci města s 20 ms RTT a 23 KB oknem by – na základě výše popsaného mechanizmu - maximální přenosová rychlost může být 50 oken po 32 KB každou sekundu (13 Mb/s). Pro běžné pevné přípojky (DSL nebo kabel) je to víc než dost. Ovšem se zpožděním RTT=570 ms přes satelitní spoj vyjde pouze 1,75 okna o 32 KB, což ve výsledku znamená 450 kb/s. Takže přestože satelitní spoj může být určen pro přenos rychlostí 1,5 Mb/s, pouze třetina této hodnoty se skutečně využije. A právě RBSCP jako nová technologie tunelování zlepšuje efektivnost přenosu po satelitních sítích.