УДК 004

ИНТЕРНЕТ ЧЕРЕЗ СПУТНИК

Ковальчук Константин Константинович
Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
г. Орел, сотрудник

Аннотация
Рассмотрены особенности функционирования спутникового Интернета, технические аспекты передачи спутникового сигнала, кратко затронута история спутникостроения, проведен общий анализ современных тенденций развития спутникового Интернета. Текст предназначен для всестороннего ознакомления с актуальной в настоящее время темой. Может быть использован для работы со старшеклассниками и студентами в программе клубов, кружков и дополнительных заданий по физике, на выставках и экскурсиях, посвященных данной тематике, публикации в научно-популярных изданиях.

Ключевые слова: , , , , , , , , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Ковальчук К.К. Интернет через спутник // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/02/97664 (дата обращения: 17.09.2022).

Введение 

Отрицать необходимость Интернета в настоящее время сложно, а переоценить возможность получения Интернет-сигнала, не зависимого от мобильной связи, через геостационарный спутник, особенно жителям отдаленных мест и обладателям экстремальных профессий и хобби, просто невозможно. Там, где нет GSM-сетей по каким-либо причинам (особенность природных условий, отсутствие рентабельности и т.д.), спутниковый Интернет становится единственным доступным способом получить или отправить необходимые данные, выйти на связь, сохранить важную научную информацию или же банально определить местоположение. И если на Земле может произойти что угодно, на ее орбите спутники уже более полувека продолжают свою работу, позволяя получать интернет с помощью специального спутникового оборудования.

Запуск первых спутников начался со второй половины ХХ века, когда был дан старт активному освоению космоса. А именно в 1965 году был запущен первый коммерческий спутник организацией Intelsat (International Telecommunications Satellite organization). Первооткрыватели космоса, ученые СССР, не успели обогнать западных коллег, запуск разработки на год ранее закончился аварией. Но советский спутник связи «Молния-1» также был запущен в 1965 году, а затем базе КА «Молния-1» была разработана линейка (пять) советских, а в дальнейшем — российских, спутников связи, которые предназначались, в первую очередь, для создания экспериментальной линии дальней радиосвязи между Москвой и Владивостоком. «Позже усовершенствованные КА «Молния-1» и «Молния-2» использовались для обеспечения телефонно-телеграфного сообщения на территории СССР, а также для передачи программ Центрального телевидения (система «Орбита»)». [1].

Организация глобального доступа в интернет с помощью спутниковых технологий началась уже в ХI веке, однако удовлетворительного результата эти действия не принесли в связи с дорогостоящим оборудованием и, как следствие, высочайшими тарифами, предлагаемыми рядовым пользователям. В настоящее же время уровень развития технологий возрос достаточно, чтобы сделать спутниковый Интернет доступной реальностью. Стремительно растет число спутников, выводимых на орбиту, расширяется зона покрытия. Важно отметить, что улучшается и качество связи. Теперь, имея антенную спутниковую систему, любой человек в любой точке Земли способен выйти в Интернет. Тем не менее разработка более совершенных технологий продолжается, а идея о доступности спутниковой связи и Интернета для каждого человека на планете собирает миллиарды долларов в амбициозных проектах ведущих технологических корпораций.

Важное значение спутниковых технологий во всех отраслях, в той или иной мере, подтверждает Хоулинь Чжао, генеральный секретарь МСЭ: «Спутники помогают спасать жизни людей в чрезвычайных ситуациях и предоставляют важные знания о том, как лучше защитить окружающую среду. Они будут иметь исключительно важное значение для ускорения прогресса в достижении целей Организации Объединенных Наций в области устойчивого развития, особенно благодаря новым инновациям, способным обеспечить более экономичные решения для соединения тех, кто еще не имеет соединений, и предоставления более качественных услуг. К числу революционных инноваций относятся малые спутники, спутники с высокой пропускной способностью, спутники с полностью электрическим двигателем и спутники на низкой околоземной орбите (LEO), которые создают возможности для целого ряда решений – от цифровых финансовых услуг до более качественного медицинского обслуживания и более “умных” городов». [2] Следовательно, в отдаленных и недоступных районах появится возможность приема и отправки информации без использования мобильного интернета. Подобные технологии буквально уравнивают жителей городских и сельских районов, расширяя для последних возможности развития (получения дистанционного образования, фриланс и т.д.)  что является, без сомнения положительным результатом технического прогресса.

При наличии широкополосных геостационарных (ГСО) спутниковых сетей с высокой пропускной способностью и в ожидании развертывания мегагруппировок спутников на негеостационарных орбитах (НГСО) становится очевидным, что преимущества сетей 5G могут стать доступными и в тех частях земного шара, куда не дотянутся наземные сети 5G. Сегодня спутниковые сети предоставляют приемлемые в ценовом отношении услуги высокоскоростной широкополосной связи миллионам пользователей во всем мире. Пользователи подключаются по спутниковым каналам напрямую, используя терминалы с очень малой апертурой (VSAT), или с помощью гибридной архитектуры, в которой терминалы VSAT обеспечивают транзитный спутниковый канал для получения услуг наземной беспроводной связи, предоставляемых через устройства сотовой связи или устройства поддерживающие стандарт IEEE 802.11. Например, в Бразилии оператор Hughes реализовал такую комбинированную спутниковую и наземную сеть, чтобы обеспечить высокоскоростное соединение с общественными центрами и школами в отдаленных деревнях по всему региону Амазонки. Эти сети следующего поколения сулят миллиардам необслуживаемых или недостаточно обслуживаемых людей во всем мире перспективы подключения по каналам с повышенной пропускной способностью к высокоскоростным услугам связи, открывая для них самые широкие возможности, где бы они ни находились». [3] Подобные высказывания от представителей отрасли выражают уверенность, что человечество действительно находится на новой ступени развития, где технический прогресс влечет за собой стирание географических, экономических и социальных ограничений.

Особенности работы спутникового Интернета 

Что же представляет из себя принцип работы спутникового Интернета, и в чем его принципиальное отличие от мобильного? Из названия очевидно, что в основе заложен потенциал спутника, находящегося на земной орбите. Его движение происходит одновременно с планетой, а положение регулируют маршевые двигатели. Прежде всего спутник выполняет функцию передачи информации внутри зоны покрытия, которая, как правило, простирается довольно обширно, охватывая страны или небольшие континенты, тогда как стандартная сотовая вышка не превышает по площади покрытия небольшого микрорайона. Именно площадь покрытия и стала основным преимуществом спутниковой технологии. Кроме того, та же вышка сотового оператора для установки требует соблюдения ряда критериев, что не всегда возможно. И на ее работу влияет большое количество внешних факторов. Тогда как спутниковый сигнал подается стабильно, пока функционирует спутник, и доступен даже для удаленных от цивилизации местах.

Спутниковые каналы обеспечивают информацию разного характера: от интернета и ТВ, до телефонных звонков и служебных данных. Для каждого из стандартов связи используется персональный протокол передачи данных (для интернета и цифрового ТВ – это формат DVB-S2).  Также, помимо находящихся на высоте до 36 000 км (геостационарных) спутников, в настоящее время созданы и низколетные (400-1200 км) спутники, связанные между собой так называемыми цепочками. Оборудование для принятия их сигнала более простое, но для эффективного функционирования и равномерного широкого покрытия количество подобных спутников может достигать и сотни. Таким образом, система спутниковой связи развита и многогранна. Помимо перечисленных выше делений, различаются и типы подключения к спутниковому Интернету, зависят они от особенностей входящих и исходящих каналов передачи информации: ассиметричный и симметричный.

Ассиметричный (односторонний) спутниковый Интернет обеспечивается с помощью спутниковой антенны, LNB-преобразователя, платы и подключения к Интернету. Эта разновидность подключения является довольно дешевой, установка и подключение просты. Особенность такой системы в том, что связь осуществляется в одностороннем порядке, т.е. информация с компьютера пользователя отправляется с помощью наземных сетей, а принимается антенной пользователя. Данный тип подключения характеризуется большим входящим трафиком с приемлемой скоростью, а также возможностью быстрой смены провайдера. С помощью ассиметричного типа доступа спутникового Интернета можно открыть браузер, посмотреть веб-страницы и скачать нужную информацию, но загрузить и переслать новые данные не получится. Производительность непосредственно спутникового Интернета данного типа зависит от качества наземной коммуникационной сети и метеоусловий. Связь их прямо пропорциональна. К тому же многопользовательский доступ организовывается довольно сложно.

Симметричный (двухсторонний) Интернет – это система, где и прием, и передача данных на спутник обеспечивается с пользовательского устройства при помощи специального оборудования, которым является спутниковая антенна, LNB-преобразователь, BUC-передатчик и спутниковый терминал. Данная система обеспечивает подключение полной свободой от наземных сетей и высокой скоростью передачи данных как к пользователю, так и от него. Также двусторонний доступ характеризуется простотой многопользовательского подключения. При этом, по сравнению с ассиметричным доступом, двустороннее спутниковое подключение стоит значительно дороже.  Установить оборудование и подключить его смогу только специалисты. Еще одним минусом является задержка передаваемых данных до 80 Мс, связанных с удаленностью геостационарных спутников, которая препятствует оперативной передаче данных.

Различаются и диапазоны, в которых спутники осуществляют трансляцию сигнала: C-диапазон, Ku-диапазон ,Ka-диапазон, имеющие также свои технические характеристики. «Российские и азиатские спутники поддерживают работу в диапазонах C и Ku, освоение Ka-диапазона находится на начальном этапе. Сейчас на многих проектируемых российских спутниках предусмотрен Ka-диапазон, однако то, когда и каким образом будет осуществляться вещание в этом диапазоне пока неизвестно. Однако антенны с трансивером Ka-диапазона уже устанавливаются пользователям.» [4]

Технические аспекты спутникового доступа в Интернет 

Рассмотрим технические особенности современных и перспективных спутниковых систем связи, которые нужно учитывать при организации доставки трафика Интернет. К самым важным особенностям относятся поддерживаемые протоколы множественного доступа к ресурсу спутника связи, алгоритмы маршрутизации IP-пакетов, методы повышения эффективности работы транспортного протокола TCP.

Протокол множественного доступа (Multiple Access Control — MAC) определяет набор правил управления передачей трафика от множества распределенных терминалов через общий спутниковый канал (моноканал) и играет главную роль в достижении высоких рабочих характеристик всей системой спутниковой связи. Протоколы множественного доступа относятся ко второму уровню модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interworking) и оказывают существенное влияние на работоспособность высокоуровневых протоколов и средств обеспечения требуемого качества обслуживания (Quality of Service — QoS) трафика. В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами все системы спутниковой связи можно разделить на три группы: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию. Фиксированное распределение может быть осуществлено по частоте, времени или коду сигнала. На перечисленных способах распределения основаны наиболее известные базовые протоколы множественного доступа — FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access). Согласно FDMA и TDMA, каждому терминалу выделяется отдельный канал. Это исключает состязания за общий канальный ресурс и хорошо подходит для обеспечения QoS. Однако в этом случае очень неэффективно используется ресурс спутника. Из-за плохой гибкости и расширяемости такие схемы доступа пригодны лишь для небольших сетей со стабильными параметрами трафика. Протокол FDMA первым нашел применение в спутниковых сетях. Позже благодаря отсутствию нелинейных искажений и более высокой эффективности использования мощности спутникового ретранслятора более широкое распространение получил протокол TDMA. В системах CDMA каждому терминалу выделяется уникальная кодовая последовательность, с помощью которой расширяется спектр его сигнала. Если кодовые последовательности ортогональны, то все другие сигналы выступают в качестве аддитивного шума и могут быть эффективно ослаблены на приемной стороне. С точки зрения масштабирования сети с протоколом CDMA являются самыми простыми из перечисленных. Каждый из рассмотренных протоколов может оказаться оптимальным для определенной сети с конкретным сочетанием числа малоразмерных терминалов, шлюзовых станций и параметров передаваемого трафика.

В качестве транспортных протоколов Интернет широкое применение нашли протоколы TCP и UDP. Однако их эффективность в спутниковых каналах резко снижается по причине имеющихся значительных задержек и высокого уровня канальных ошибок. Одно из предложений по модификации протокола состоит в увеличении начального размера окна. Протокол TCP позволяет устанавливать максимальный размер окна 64 Кбайт. В результате пропускная способность спутникового канала не будет полностью задействована. Для устранения этого недостатка размер окна необходимо увеличивать. В настоящее время модернизацией протокола для спутниковых сетей занимается рабочая группа IETF.

Идентификация абонента необходима для того, чтобы из общего потока всех поступающих со спутника сигналов пользователь получил необходимый трафик. Для выделения своих данных из общего потока, пользователю присваивается PID (Program ID или программный идентификатор). PID представляет собой десяти или шестнадцатизначное число, сообщаемое оператором абоненту. Также используется и традиционные способ идентификации по MAC-адресу или IP-адресу. Пользовательское устройство принимает только те пакеты данных, которые соответствуют его MAC-адресу, а всю остальную игнорирует. При двустороннем обмене данными IP-адрес автоматически привязывается к MAC-адресу устройства. Если же доступ односторонний, то абонент должен будет самостоятельно сообщить оператору услуг связи MAC-адрес спутниковой платы.

Скорость передачи данных при использовании услуг спутникового доступа в Интернет зависят от многих параметров, но основными являются: расстояние до спутника, погодные условия и видимость спутника относительно антенны. Скорость спутникового Интернета составляет в среднем около 4-5 Мбит/с при выборе тарифа в среднем ценовом диапазоне.

Вывод

Всесторонне изучив тему спутникового Интернета, приходим к выводу, что вопрос его развития в настоящее время является актуальным как в научно-технической, так и в социальной сфере. Простота установки и подключения, широта покрытия, независимость от наземных систем, наличие единой информационной среды и персональных решений для конкретных пользователей значительно возвышает этот вид связи над другими. Очевидной является тенденция на снижение стоимости технического обеспечения без ущерба качеству связи, которая является движущей силой многих действующих конструкторских проектов корпораций One Web, Starlink и других. Эти преимущества в значительной степени перекрывают немногочисленные технические недостатки (задержка на канале, запрос на использование оборудования) подключения Интернета через спутник. Там, где невозможно проложить интернет-кабель или поставить вышку сотовой связи, спасают возможности спутникового Интернета. Но не только путешественники, ученые, спасатели, моряки, врачи, военные и обычные жители отдаленных населенных пунктов способны оценить этот вид связи. Возможности спутниковой связи продолжают активно исследоваться и совершенствоваться международными государственными и частными компаниями. Развитие спутникового Интернета становится актуальным и перспективным, предвещает большой рывок для многих городов и стран в экономике, а значит, иметь хотя бы общее представление об этом явлении нужно каждому образованному современному человеку.


Библиографический список
  1. Спутникостроители с берегов Енисея [Электронный ресурс] : Журнал Новости Космонавтики,2011.URL:http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/content/numbers/198/39.shtml. (дата обращения: 24.09.21)
  2. Хоулинь Чжао, Создание возможностей для спутниковых служб следующего поколения, [Электронный ресурс] : ITU News MAGAZINE, 02/2019, стр. 1. URL : https://www.itu.int/en/itunews/documents/2019/2019-02/2019_itunews02-ru.pdf. (дата обращения: 24.09.21)
  3. Дженнифер А. Маннер,  ВКР-19 – возможность преодоления цифрового разрыва для сетей 5G, [Электронный ресурс] : ITU News MAGAZINE, 02/2019, стр. 20. URL : https://www.itu.int/en/itunews/documents/2019/2019-02/2019_itunews02-ru.pdf. (дата обращения: 24.09.21)
  4. Что такое спутниковый интернет, [Электронный ресурс] : Beasthakerz.ru, 2021. URL : https://beasthackerz.ru/wi-fi-ethernet/chto-takoe-sputnikovyi-internet-kak-rabotaet-sputnikovyi-internet.html. (дата обращения: 24.09.21)
  5. Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. М.: ИТИС, 2010. 426 с.
  6. Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. М.: ЭКОМ, 2005. 536 с.
  7. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. – СПб.: Пигер, 2012. 958 с.


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Ковальчук Константин Константинович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация