Виды подключения к Интернету. Спутниковая связь (2005-12-15)

версия для печати

Выход в Интернет с использованием космической связи — это, с одной стороны, один из самых гибких способов подключения, но с другой стороны, один из самых сложных. Гибкость заключается не только в том, что состояние коммуникационной инфраструктуры региона не имеет ровно никакого значения, но и в том, что выбор провайдера не ограничен пределами города, государства и даже материка. Так что, в отличие от других видов связи, про которые часто можно слышать «а вот у них там это на порядок дешевле», вам никто не мешает напрямую работать с иностранными провайдерами, но можно и не напрямую — через их российского представителя (реселлера), если не хотите связываться с электронными платежами и банковскими переводами. Обратной стороной медали является сложность организации такого канала связи, что выливается в серьёзные затраты, и стабильность его работы.

Обитаемые космические станции и спутники ближней космической связи движутся по околоземным орбитам на высоте нескольких сотен километров. Это возможно только при высоких скоростях, а значит, с точки зрения наземного наблюдателя, космические аппараты перемещаются по небесному своду в 15 раз быстрее вращения планеты вокруг своей оси. Поэтому таким системам требуется целая команда спутников, чтобы бесперебойно предоставлять ту или иную услугу в некоторой точке земной поверхности. Хуже того, при разумном размере команды (десяток-другой) невозможно передавать и принимать сигнал с максимальной эффективностью, если только не задействовать сложные и дорогостоящие системы наведения антенны.

Чтобы спутник казался нам неподвижным, он должен находиться на геостационарной орбите, которая проходит в экваториальной плоскости на удалении 42'164 км от центра Земли, то есть 35'768 км над уровнем моря (рис. 1).

Рис. 1. Схема прохождения сигнала

Нетрудно прикинуть, что даже в чистом вакууме сигнал до столь удалённого объекта дошёл бы ослабленным в 10¹⁷ раз (150 дБ) и не ранее, чем через 0,12 с. В реальных условиях, благодаря воздуху и погодным явлениям в атмосфере, затухание сигнала ещё сильнее (что, впрочем, компенсируется высоким коэффициентом усиления узконаправленных передающих и приёмных антенн), а суммарное время его прохождения и обработки не очень вписывается в понятие комфортного телефонного разговора или видеоконференции, независимо от местонахождения собеседника. Во время дождя или снегопада связь может прекратиться вовсе. Поэтому спутниковые коммуникации хорошо подходят для веб-сёрфинга, скачивания файлов, просмотра фильмов и телепрограмм, но плохо решают задачи реального времени, в том числе игры по сети.

Современный уровень технического развития позволяет сделать спутниковый Интернет доступным, но не дешёвым удовольствием. Для работы со столь слабыми сигналами, если нужна достаточно высокая скорость передачи данных, требуются дорогие компоненты — это вам не сетевая карточка за 100 рублей. Также может быть необходимо разрешение на установку оборудования и использование эфира. Поэтому вместо полноценного двустороннего канала часто организуется односторонний, когда абонент только получает данные через спутник, а обратный поток информации проходит по обычным каналам — например, через модемный выход. Первый вид подключения сокращённо называется RCS (Return Channel thru Satellite — «обратный канал через спутник»), а второй — IP («обратный канал через наземный Интернет», то есть с использованием обычной IP-сети).

Существует несколько несовместимых между собой систем передачи данных. Мы не будем рассматривать те из них, которые специфичны для отдельных провайдеров. Остановимся на более популярной системе DVB (Digital Video Broadcast — «широковещательная передача цифрового видео»), позволяющей принимать данные и телеканалы на одном комплекте оборудования. Помимо интересующей нас спутниковой версии (DVB-S), существуют аналогичные технологии для кабельных сетей (DVB-C) и обычного наземного телевидения (DVB-T, DVB-H).

DVB-IP

Довольно подробно эта технология описана в статье «Спутниковый Интернет» (см. полную версию на компакт-диске «Мир ПК», № 12/04). Не претендуя на открытие новых секретов, рассмотрим ключевые особенности в нашем привычном формате изложения.

Обратный канал

Итак, основным недостатком одностороннего доступа через спутник является то, что для него требуется дополнительный выход в Интернет. Чаще всего для этих целей используется обычное модемное подключение по телефонной сети, но требования к нему предъявляются не такие, как если бы это был основной канал доступа. Поскольку соотношение принимаемых и передаваемых данных для большинства пользователей очень асимметрично (10:1 и выше), для приёма на высоких скоростях может оказаться достаточным обратный канал начиная от 1200 бит/с. Иными словами, гоняться за высокой скоростью модема особого смысла нет; основным критерием здесь является устойчивость связи и низкие цены. В идеале нужен тариф без ограничений по времени или с оплатой трафика, так как трафик в обратном канале будет небольшим. Оптимальным вариантом является GPRS из сотовой телефонии, но не все спутниковые операторы его поддерживают.

Вторичный провайдер может находиться где угодно, то есть даже если спутниковый оператор дислоцируется на туманном Альбионе, устанавливать модемное соединение надо с провайдером в вашем городе. Главное, чтобы брандмауэр провайдера не ограничивал ваши возможности. Дело в том, что вы будете работать с Интернетом не напрямую, а либо через прокси-сервер спутникового оператора, либо устанавливая между вами зашифрованный туннель (VPN). Разница между этими двумя режимами вот какая: не всякий прокси-сервер позволяет использовать протоколы, отличные от HTTP и FTP (веб и файлы), к тому же весь трафик через него идёт в открытом виде, однако и VPN имеет свои минусы, в частности, снижение пропускной способности из-за накладных расходов шифрования, так что в зависимости от задач может быть предпочтительнее то один, то другой метод. Поэтому если модемный провайдер обязывает своих клиентов использовать собственный прокси-сервер или фильтрует сетевые потоки (часто прикрываясь заботой о безопасности), вам не по пути.

Нелетающая тарелка

Как театр начинается с вешалки, так приём сигнала начинается с антенны (рис. 2).

Рис. 2. Схема приёмного оборудования

Типичный размер «тарелки» (отражателя) — 60, 90 и 120 см в диаметре для установки на балконе и до 300 см для установки на крыше. Увеличение линейного габарита в полтора раза означает вдвое большую площадь и мощность сигнала. Операторы связи часто так и рисуют свои карты покрытия с шагом изолиний 3 дБ (двукратная разница): внутренняя область соответствует району с устойчивым приёмом самой маленькой антенной, затем антенной побольше, и т. д. По возможности, покупать лучше 120-см тарелку (коэффициент усиления 42 дБи), даже если для выбранного провайдера достаточно меньшей антенны — тогда при необходимости сменить провайдера выбор будет шире. С другой стороны, чем меньше размер, тем удобнее и дешевле: 60-см тарелки стоят 25–40 долл., а 120-см дешевле 70 долл. ещё поискать надо.

Обычно зеркала стальные; конструкции из алюминия или стекловолокна меньше весят, но стоят дороже. Для снижения эффекта парусности, зеркала часто делают не сплошными, а в виде мелкой сетки с шагом много менее длины волны, поэтому для радиосигналов такие тарелки непрозрачны.

Антенны характеризуются собственной температурой шума — температурой гипотетического резистора, создающего на входе идеального приёмника шум такой же спектральной плотности (почти как цветовая температура у мониторов). Чем выше это значение, тем сильнее помехи, создаваемые принятому сигналу самой антенной.

Дополнительным узлом антенной системы является механизм автоматического сопровождения спутника. Как уже говорилось выше, геостационарные объекты должны выглядеть неподвижными, но спутнику для поддержания такой орбиты требуется постоянно корректировать её наклон от экватора вследствие сил притяжения Солнца и Луны. Чтобы продлить срок службы дорогостоящего космического аппарата, перед полным исчерпанием топлива ему отключают системы коррекции, и на геосинхронной орбите спутник по-прежнему неподвижен в азимутальной плоскости, но начинает отклоняться то на север, то на юг. Если ваша антенна будет и дальше смотреть на экватор, её узкая диаграмма направленности станет причиной ослабления или окончательной потери сигнала — здесь-то и нужно автоматическое сопровождение. Имея дело только со стационарными системами, достаточно ручной настройки с помощью рычажного актуатора.

Исходя из того, что наша часть суши находится в северном полушарии, направлять тарелку надо на юг. Если окна смотрят в другую сторону или обзор закрывают высокие строения, антенну необходимо устанавливать на крыше, для чего требуется разрешение собственника здания и дополнительная оплата монтажникам.

Разумеется, компоненты антенной системы рассчитаны на широкий диапазон температур. Но если на рабочих поверхностях зимой будут расти сосульки, на качестве приёма это скажется не лучшим образом. Поэтому система обогрева — не самая экзотическая опция в северных широтах. Для особо сложных случаев, при установке антенны в прибрежных и промышленных районах с высоким уровнем содержания в воздухе соли и загрязняющих веществ, предусмотрены прозрачные для радиоволн колпаки — вы наверняка видели много таких «белых шариков» на крышах офисных зданий.

Преобразователь сигнала

Все приёмные устройства ориентированы на определённый диапазон частот: чаще всего 10–13 ГГц (Ku-диапазон в терминологии IEEE), но бывает и 3,7–5,8 ГГц (C-диапазон), и 18–20 ГГц (Ka-диапазон). Помимо тарелки, для используемых провайдером частот должна быть подобрана собственно антенна — моноблочный преобразователь сигнала вместе с облучателем, располагаемым в фокусе отражателя. Конвертер, для краткости называемый LNB (а также LNC или LNBC — Low-Noise Block Converter, «малошумящий блочный преобразователь»), усиливает сигнал на 55–60 дБ и смещает его на промежуточную частоту 0,95–2,15 ГГц. Сдвиг необходим, потому что при прохождении по кабелю ослабление тем меньше, чем ниже частота. В спецификациях часто упоминаются числа вроде 9,75 и 10,6 ГГц — это частота колебательного контура гетеродина, на величину которой сдвигается сигнал из поддиапазонов 10,7–11,7 ГГц и 11,7–12,75 ГГц соответственно (рис. 3).

Рис. 3. Преобразование принятого сигнала

Выпускается несколько типов преобразователей: аналоговые, двойные и т. п.; скорее всего вам потребуется универсальный цифровой с одним выходом (10–20 долл.) — уточните у провайдера. Универсальные преобразователи хороши тем, что могут принимать сигнал разной поляризации, меняя режим по команде от компьютера. Сигнальный протокол DiSEqC позволяет переключаться между несколькими преобразователями, а в версии 2.0 и выше — также управлять ротором антенны (если вы не пожалели на таковой 50–70 долл.) для наведения на другие спутники.

Ещё одна важная особенность при выборе пары антенна-преобразователь состоит в том, что, для эффективной работы, на облучатель преобразователя должен отражаться сигнал со всей поверхности антенны. Если облучатель охватывает меньшую площадь, происходит ослабление сигнала, если большую — вместе с полезным сигналом улавливаются посторонние шумы позади антенны. Поэтому каждый облучатель рассчитан на свой форм-фактор: те, что в моноблочных универсальных преобразователях, спроектированы для офсетных зеркал (параболической формы со смещённым фокусом), у которых соотношение фокусного расстояния и горизонтального размера равно 0,5 или 0,575. Среди тарелок диаметром 180 см и более встречаются прямофокусные (сферической формы) с форм-фактором 0,4 — им нужны другие облучатели.

Офсетные антенны обязаны своим появлением тому обстоятельству, что смещение фокуса позволяет убрать облучатель с пути основного луча диаграммы направленности. Это особенно важно для антенн небольших размеров, а с увеличением габаритов тарелки влияние «тени» от облучателя сокращается.

Приёмник

Конечной точкой маршрута принятого и преобразованного сигнала является компьютерный адаптер, называемый ресивером или сатмодемом (от англ. satellite — спутник). Это может быть и обычная карта расширения PCI, и внешний приёмник с подключением через USB, и даже специализированный маршрутизатор. Часто в такие устройства встраивается декодер MPEG2 для аппаратной поддержки цифрового телевидения. Владельцам современных компьютеров не обязательно переплачивать за этот акселератор, и довольствоваться выбором ресиверов в пределах 80–130 долл., если только вы не собираетесь смотреть HDTV-каналы (HDTV — это такая штука, от которой «плохеет» даже самым современным, на момент написания этой статьи, процессорам).

На чём экономить не стоит, так это на коаксиальном кабеле, пытаясь пристроить для приёма высокочастотных сигналов дешёвую «лапшу». Также не стоить экономить время: любые манипуляции с оборудованием, включая подсоединение кабеля, следует проводить только при полностью обесточенном компьютере.

Чтобы не обременять своих клиентов всеми перечисленными техническими подробностями, провайдеры обычно предлагают готовые комплекты аппаратуры и монтаж «под ключ». Даже если это стоит дороже, чем можно собрать самостоятельно, иногда лучше немного переплатить за специально подобранный и установленный комплект, чем купить не то и подключить задом наперёд. Главное, чтобы предлагаемое оборудование было достаточно универсальным и позволяло бы перейти к другому провайдеру.

Настройка оборудования

Теперь ненадолго перенесёмся на спутник, чтобы посмотреть, как рождается тот сигнал, который мы собираемся принимать. На космическом аппарате может быть закреплён десяток антенн, каждая из которых направлена на свой участок Земли; к антеннам подключено по несколько передатчиков, и все работают на своей собственной частоте. Поэтому вам необходимо знать не только азимутальную координату (долготу) спутника, но и несущую частоту сигнала, и его полярность: например, «45,5° в. д., 11'149,25 МГц, вертикальная полярность». После приблизительного наведения антенны необходимо более точное прицеливание, выполнить которое помогает индикатор уровня сигнала в программе настройки.

Также в настройках может потребоваться указание символьной скорости. Популярные приёмники поддерживают до 45 млн. симв./с (45'000 kS/s), но обычно используют 10–30 млн., ведь чем меньше скорость, тем меньше ширина спектра сигнала, а значит, что при той же мощности передатчика в каждом интервале частот удельная мощность сигнала будет выше.

Скорость

Благодаря 4-позиционной фазовой манипуляции, в каждом символе кодируется 2 бита, так что если символьная скорость, скажем, 27,5 млн. симв./с, канальная скорость составит 55 Мбит/с, но избыточные коды для защиты от ошибок снизят полезную пропускную способность до 37,8 Мбит/с (в общем случае эффективность 46–80 %). Поскольку спутниковое подключение фактически является коллективным, этот скоростной потенциал делится между всеми активными пользователями, как в случае беспроводной сети Wi-Fi, а также между дополнительными услугами вроде телевизионных и радиопрограмм. Поэтому нижний гарантированный предел скорости, как правило, провайдером не оговаривается — только верхний: например, до 512 кбит/с по такому-то тарифу, что на практике может означать снижение реальной скорости в несколько раз в часы пик. Некоторые операторы с помегабайтной оплатой трафика могут применять повышенные тарифы для периодов максимальной загруженности, другой распространённой мерой является ограничения числа одновременных соединений.

Уникальные особенности

Особое место в вопросах использования спутникового подключения занимает офлайновая доставка файлов, то есть без участия наземного обратного канала. В обычных интернет-сетях это невозможно, потому что передача с помощью протоколов TCP/IP требует, чтобы клиент уведомлял сервер об успешном приёме очередной порции данных (более того, без оптимизации системных настроек TCP часто не удаётся достичь максимальной скорости обмена информацией). Если бы вы вознамерились скачать очередное обновление вашей любимой игры на пару сотен мегабайт, вам пришлось всё это время оставаться на телефонной линии и оплачивать модемное соединение, хотя никакой полезной информации, казалось бы, вы не передаёте. Космическая связь позволяет принимать данные в пассивном режиме, устраняя ошибки передачи за счёт избыточного кодирования: при высоком уровне сигнала вероятность возникновения ошибки может достигать 10^-11, то есть один бит на сто гигабайт.

Процедура офлайнового скачивания выглядит примерно так. Находясь в онлайне, вы «скармливаете» ссылку на нужный файл специальному серверу (имеется не у каждого провайдера). Тот скачивает его, ставит в очередь и сообщает вам точное время трансляции заказа. Вы уходите в офлайн, оставляя компьютер включённым, и в нужное время автоматически начнётся приём. Скорость будет выше, чем при обычном сёрфинге (например, 2 Мбит/с), и целиком окажется вашей — как раз для этого и нужна очередь заказов. Кому-то подобная система покажется неудобной, но провайдер может стимулировать её использование введением дополнительного лимита трафика в добавку к общецелевому лимиту.

Широковещательная природа радиосвязи имеет следствием то, что все принимаемые через спутник данные доступны любому владельцу тарелки, даже если он за несколько тысяч километров от вас: оборудование каждого пользователя получает полностью весь поток данных, а потом просто отфильтровывает то, что предназначается для вашего компьютера, но фильтрацию можно выключить. Что это значит? За исключением похода по электронным магазинам, весь остальной трафик передаётся в открытом виде, что в некоторых случаях может привести к перехвату вашей почты, ICQ или пароля для доступа к сайту. Поэтому имеет смысл работать не через прокси-сервер, а через туннель VPN. Однако чем более стойкое шифрование используется, тем ниже полезная нагрузка, и если не хотите по чём зря терять треть пропускной способности, обычное чтение сайтов и скачивание файлов лучше вести через прокси-сервер.

Нет ничего страшного в публичной доступности обычного трафика. Даже наоборот: вместо того, чтобы забивать общий канал скачиванием одной и той же новомодной песенки каждым пользователем в отдельности, вполне логично копировать то, что загружают себе другие (особенно если не нарушаются авторские права). Причём копированием можно заниматься, не являясь клиентом того или иного провайдера — достаточно настроиться на спутник и запустить программу автоматического перехвата, позволяющую сохранять на свой диск файлы нужных типов, например, mp3 или zip. Сравнительный обзор двух таких программ, SkyNet (его близкий родственник называется Fish) и ProgDVB, вы можете прочесть в вышеупомянутой статье Александра Кузьменкова. Также можно посоветовать тематический обзор «Граббинг — перехват спутниковых интернет-потоков».

Если только провайдер не новичок в своём деле, особых проблем с получением услуги доступа в Интернет у вас не возникнет — возникнет вопрос, что вы получаете за свои деньги помимо Интернета? Например, бесплатные телеканалы, доступ к библиотеке фильмов и музыки, режим офлайнового скачивания и отдельный лимит трафика для него, офлайновое оповещение о новых сообщениях в почтовом ящике.

DVB-RCS

Двусторонний доступ через спутник является единственным вариантом при отсутствии наземных коммуникаций, плохом их состоянии — в тайге, в горной местности, на буровой платформе в море, в качестве передвижного пункта связи, а также при повышенной вероятности хищения проложенного кабеля. Для остальных сфер потребления он считается «малопригодным в силу высоких тарифов и низких скоростей» — возможно, этот тезис когда-то и был абсолютной правдой, но сейчас понемногу теряет актуальность. Сравним: односторонний доступ, если не считать затраты на обратный канал, по стоимости аналогичен домашнему подключению через ADSL: например, 25 долл. за достаточный для большинства объём трафика (полгигабайта-гигабайт) на скорости до 512 кбит/с. Для двустороннего доступа можно провести аналогию с тарифами на тот же ADSL для организаций: при скорости 2 Мбит/с на скачивание и 512 кбит/с на отправку, абонентская плата составит, скажем, от 70 долл. за 500 Мбайт включённого трафика до 300 долл. за 4 Гбайт. Конечно, это дороже, чем ADSL, но всё-таки не настолько, чтобы игнорировать данный способ выхода в Сеть.

Так что не ежемесячные затраты являются тормозом в распространении DVB-RCS. Проблема заключается в относительно высокой стоимости оборудования и его установки, а также в обязательном лицензировании передающих устройств. Рассмотрим типичный пакет единоразовых расходов:

• Оборудование (терминал, кабели) с креплениями для установки на стену здания — от 3000 долл. за тарелку 120 см.
• Установка — от 1000 до 5000 долл. в зависимости от размера антенны.
• Получение всех необходимых разрешений (легализация) — от 2000 до 5000 долл. в зависимости от мощности передатчика. Частотное присвоение может занять несколько месяцев и действует строго на определённое место установки антенны и конкретный транспондер — ствол космического аппарата (случись чего со спутником, потребуется переоформление). Установка передатчика вблизи аэропортов и других подобных объектов влечёт дополнительные расходы.

Если эти условия не повергли вас в уныние, продолжайте читать дальше.

Сейчас среди антенн преобладают системы VSAT — Very Small Aperture Terminal, «антенна с очень малым раскрывом». Здесь под «очень малым» понимается размер зеркал с диаметром 120–300 см, что действительно немного в сравнении с 10- или даже 70-метровыми гигантами. Существуют также тарелки Ultra Small Aperture Terminal (USAT) с диаметром 50–75 см, но в списках рекомендуемого провайдерами оборудования они не встретились. Чем больше размер отражателя, тем важнее коэффициент использования поверхности: практически он не может превышать 0,75 (что бы там ни заявлялось в спецификации), поэтому, например, у 240-см зеркала будет вхолостую расходоваться более 1 кв. м. площади.

Функцию, обратную приёмному усилителю-преобразователю LNB, при передаче выполняет BUC — Block Up-Converter. Некоторым моделям BUC требуется внешний генератор эталонной частоты 10 МГц.

Сатмодем для двусторонней связи иногда называется астромодемом и может быть выполнен как в виде единого устройства, так и с разделением приёмника и передатчика. Приёмник здесь точно такой же, как для односторонней связи и обладает теми же скоростными характеристиками. Пропускная способность обратного канала может варьироваться от 9,6 до 3850 кбит/с и обычно в разы ниже скорости скачивания. Оба значения в большинстве тарифных планов имеют только верхний порог; если необходим гарантированный минимум, это обойдётся значительно дороже.

Выводы

Спутниковое подключение характеризуется довольно внушительной стоимостью организации канала и повышенными тарифами, но позволяет получать доступ к Сети практически из любого уголка планеты. Несмотря на большую номинальную скорость передачи, реальная скорость скачивания у каждого абонента значительно ниже и обычно зависит от числа других абонентов, активных в текущий момент времени, а задержка сигнала плохо подходит для сетевых игр и конференц-связи. Если не считать тарифных планов с резервированием минимальной полосы пропускания, спутниковый Интернет ориентирован на кратковременную нагрузку, такую как веб-сёрфинг и чтение почты, а длительное скачивание файлов может привести к срабатыванию автоматического ограничителя скорости.

Самсонов А.

Предыдущая глава: ISDN.

Статью "Виды подключения к Интернету. Спутниковая связь (2005-12-15)" Вы можете обсудить на форуме.