Πρωτόκολλα για δορυφορικές επικοινωνίες

Η επικοινωνία μέσω δορυφορικού δικτύου απαιτεί τη δημιουργία και χρήση διαφόρων προτύπων και πρωτοκόλλων. Η εν λόγω επικοινωνία πραγματοποιείται με αναμεταδότες (transponders), δηλαδή τα ηλεκτρονικά υποστυστήματα του δορυφόρου που λαμβάνουν (uplink) και εκπέμπουν (dowlink) σήματα σε μια συγκεκριμένη ζώνη (αυτή εξαρτάται από το είδος του δορυφόρου και κυμαίνεται από 250 έως 10.000 χλμ.). Η εκπομπή του σήματος από την κεραία πίσω στη Γη γίνεται μέσω δέσμης ή δεσμών (spot beams), οι οποίες καθορίζουν ποια γεωγραφική περιοχή θα καλυφθεί. Το χρονικό διάστημα κατά το οποίο μια δέσμη παραμένη "στραμμένη" προς ή εξυπηρετεί μια συγκεκριμένη περιοχή ονομάζεται χρόνος παραμονής (dwell time). Είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο οι επίγειοι σταθμοί μιας συγκεκριμένης περιοχής βρίσκονται εντός οπτικής επαφής (visibility) με τον δορυφόρο και μπορούν να στείλουν σήματα σε αυτόν.

Η επικοινωνία πραγματοποιείται ως εξής: Από τους επίγειους σταθμούς εκπέμπονται πλαίσια δεδομένων τα οποία μετατρέπονται σε σήματα (συγκεκριμένης συχνότητας) που φτάνουν στον αναμεταδότη. Ο δορυφόρος μέσω του αναμεταδότη τα μετατοπίζει σε άλλα συχνότητα και στη συνέχεια τα εκπέμπει πίσω στον επίγειο σταθμό/ους (δέκτη/ες) όπου μετατρέπονται σε πλαίσια δεδομένων.

Τα πρωτόκολλα καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει ο καταμερισμός των σημάτων που εκπέμπονται στα κανάλια επικοινωνίας που διαθέτει ο δορυφόρος (τα κανάλια επικοινωνίας είναι ο τρόπος οργάνωσης των πόρων του αναμεταδότη). Κατά την επικοινωνία μεταξύ επίγειου σταθμού και δορυφόρου, καθυστέρηση διάδοσης του σήματος μεγαλύτερη των 270 msec (κάτι που συμβαίνει στις δορυφορικές συνδέσεις) σημαίνει ότι υπάρχει πρόβλημα στην επικοινωνία και για αυτόν τον λόγο πρωτόκολλα όπως το CSMA/CD (τα οποία απαιτούν στο χρόνο μετάδοσης λίγων bits αναγνώριση πιθανών συγκρούσεων δεδομένων) δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δορυφορικές συνδέσεις. Ωστόσο, τα περισσότερα προβλήματα εντοπίζονται στην ανερχόμενη ζεύξη (όπου απαιτείται καταμερισμός της ζήτησης για επικοινωνία στα διάφορα κανάλια του δορυφόρου - πολλοί πομποί) αφού στην κατερχόμενη υπάρχει μόνο ένας πομπός (μεταδότης σήματος), ο δορυφόρος.

Εκτός από τον καταμερισμό των σημάτων σε κανάλια, υπάρχουν και ζητήματα που σχετίζονται με την απόσταση και τα οποία προκαλούν καθυστέρηση της μετάδοσης του σήματος, όπως το μικρό εύρος συχνοτήτων και η δημιουργία θορύβου λόγω της αδύναμης πολλές φορές εκπομπής. Ζητήματα όπως αυτά αντιμετωπίζονται μέσω των πρσωτοκόλλων στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων (Data Link Layer).

Έτσι, στο 2ο επίπεδο του OSI μοντέλου (Data Link Layer) και πιο συγκεκριμένα στο υποεπίπεδο MAC (Media Access Sublayer, Media Access Control), επειδή εκπέμπονται τα σήματα από τον δορυφόρο, είναι απαραίτητη η ύπαρξη πρωτοκόλλων διαμοιρασμού της επικοινωνίας και των σημάτων. Τα περισσότερα πρωτόκολλα συνήθως χρησιμοποιούν μοναδιαία είτε κανάλια είτε συχνότητες για κάθε χρήστη τη στιγμή της επικοινωνίας. Και αυτό γιατί η διερεύνηση και επίλυση των διαφόρων συγκρούσεων δεδομένων γίνεται με καθυστέρηση κατά διάρκεια της μετάδοσης.

 α. Polling 

Ο πρώτος, παραδοσιακός τρόπος επίτευξης της επικοινωνίας είναι με την διερεύνηση της ανάγκης κάθε επίγειου σταθμού για εξυπηρέτηση από τον δορυφόρο. Αυτό δεν γίνεται απευθείας από το δορυφόρο, καθώς είναι αρκετά ακριβό στην υλοποίηση, αλλά και λόγω της καθυστέρησης στη διάδοση των σημάτων (μέσω του καναλιού επικοινωνίας του δορυφόρου) αλλά και στη διαδικασία αναγνώρισης της ανάγκης κάθε επίγειου σταθμού για επικοινωνία.

Η λύση είναι η δημιουργία ενός χαμηλού εύρους δικτύου μεταξύ όλων των σταθμών με μορφή λογικού δακτυλίου όπου ένα κουπόνι καθορίζει ποιος σταθμός θα μπορεί να μεταδώσει σήμα μέσω της ανερχόμενης ζεύξης στον δορυφόρο. Η παραπάνω υλοποίηση με συγκεκριμένο πρωτόκολλο είναι ικανοποιητική όταν οι σταθμοί που συνδέονται στο δίκτυο είναι τόσοι ώστε ο χρόνος διερεύνησης της ζήτησης για επικοινωνία από τον κάθε σταθμό (ένας κύκλος) είναι μικρότερος από τον χρόνο μετάδοσης του σήματος από τη Γη στο δορυφόρο.

 β. ALOHA 

Το απλό ALOHA, όπου κάθε σταθμός στέλνει σήμα όποια στιγμή θέλει, είναι εύκολο στην υλοποίηση αλλά η αποδοτικότητα του καναλιού (επίτευξη μετάδοσης των δεδομένων) φτάνει το 18%.

Το S-ALOHA διπλασιάζει την αποδοτικότητα αλλά προκύπτει πρόβλημα στο συγχρονισμό των σταθμών για το πότε μπορεί ο καθένας να "μιλήσει". Η λύση σε αυτό είναι ο ίδιος ο δορυφόρος, ο οποίος όντας μέσο ευρείας μετάδοσης (εκπομπής σε πολλούς σταθμούς) επιτυγχάνει συγχρονισμό αυτών χρησιμοποιώντας τμήματα ισόχρονα για τη λήψη και μετάδοση των σημάτων.

Το S-ALOHA είναι αποδοτικό όταν εξυπηρετούνται από ένα δορυφόρο λίγοι και σταθεροί επίγειοι σταθμοί.

 γ. FDMA (Frequency Division Multiple Access) 

Στο πρωτόκολλο αυτό, το διαθέσιμο εύρος ζώνης του καναλιού μετάδοσης μοιράζεται σε τμήματα συχνοτήτων για τους διάφορους επίγειους σταθμούς (ένας σταθμός εκπέμπει και δέχεται σε ένα τμήμα του εύρους ζώνης των συχνοτήτων).

Η δέσμη κάθε αναμεταδότη, η οποία είναι συνήθως 36Mbps, μοιράζεται σε 500 PCM κανάλια από 64Kbps το καθένα, με τα κάθε κανάλι να εκπέμπει στη δική του συχνότητα. Το πρόβλημα που εντοπίζεται σε αυτήν τη διαδικασία μετάδοσης είναι η αναγκαστική ύπαρξη ενδιαμέσων τμημάτων συχνοτήτων, τα οποία δεν χρησιμοποιούνται για την ασφάλεια της μετάδοσης, αλλά και η ανάγκη ελέγχου των συχνοτήτων που εκπέμπει ο κάθε σταθμός προκειμένου να εκπέμπει στη δική του συχνότητα. Τέλος, επειδή το FDMA είναι μια καθαρά αναλογική τεχνική δεν μπορεί να αντιμετωπισθεί με λογισμικό.Σωμαράς Χρήστος, Αρχιτεκτονική και διαχείριση των δορυφορικών δικτύων και επικοινωνιών 17

Ο διαμοιρασμός των συχνοτήτων στους επίγειους σταθμούς όταν αυτοί είναι λίγοι γίνεται στατικά. Αν, όμως, αυτοί είναι πολλοί τότε απαιτείται δυναμικός τρόπος, όπως ο μηχανισμός SPADE που χρησιμοποιείται στους Intelsat.

Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, κάθε αναμεταδότης με εύρος ζώνης 50 Mbps μοιράζεται σε 794 απλά PCM κανάλια (χρησιμοποιούνται ανά δύο για ταυτόχρονη, διπλής κατεύθυνσης επικοινωνία) μαζί με ένα κοινό κανάλι σηματοδότησης 128Κbps (αυτό μοιράζεται σε τμήματα από 50 msec, όπου το κάθε τμήμα περιέχει διατομές του ενός msec (128 bits) και κάθε διατομή (σύνολο 50) χρησιμοποιείται από έναν επίγειο σταθμό). Όταν ένας επίγειος σταθμός θέλει να επικοινωνήσει, επιλέγει ένα διαθέσιμο κανάλι και γράφει τον αριθμό του στην επόμενη αυτού διατομή. Όταν το σήμα βρίσκεται στην κατερχόμενη ζεύξη, τότε το κανάλι μπορεί να το χρησιμοποιήσει άλλος σταθμός. Αν δυο σταθμοί ζητούν το ίδιο κανάλι, τότε υπάρχει σύγκρουση και πρέπει να ζητήσουν άλλο κανάλι. Η απελευθέρωση ενός καναλιού μετά από το πέρας της επικοινωνίας την οποία ζήτησε ένας σταθμός γίνεται με σήμα από αυτόν τον σταθμό προς τους λοιπούς σταθμούς μέσα από το κοινό κανάλι στη διατομή που αντιστοιχεί σε αυτόν το σταθμό. Το πρωτόκολλο αυτό είναι πεπερασμένο αν και έχει γίνει ευρεία χρήση του.

 δ. ΤDMA (Time Division Multiple Access) 

Στη μέθοδο αυτή, η διαχείριση των καναλιών γίνεται με χρονική πολυπλεξία. Κάθε επίγειος σταθμός διαδίδει σήμα σε ένα προκαθορισμένο χρόνο. Περισσότερες από μια διατομές μπορούν να σχετίζονται με ένα σταθμό σε συγκεκριμένες συχνότητες. Οι υπόλοιποι σταθμοί παρακολουθούν τη διαδικασία αυτή προκειμένου να βρουν το κατάλληλο κανάλι επικοινωνίας και αναγνωρίζουν ποια σήματα τους αφορούν. Αυτή η μέθοδος απαιτεί συγχρονισμό μεταξύ των επίγειων σταθμών (ο οποίος επιτυγχάνεται από έναν από αυτούς μέσω του δορυφόρου, Master Control Station). Ο συγχρονισμός επιτυγχάνεται με τον ίδιο τρόπο όπως στο S-ALOHA. Σ` αυτή τη μέθοδο υπάρχει δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων και των καναλιών από τους σταθμούς που ζητούν επικοινωνία. Όπως στην FDMA, όταν ο δορυφόρος εξυπηρετεί λίγους επίγειους σταθμούς, η ρύθμιση των συχνοτήτων και των καναλιών επικοινωνίας μεταξύ σταθμών και δορυφόρου είναι στατική. Όταν όμως οι σταθμοί είναι περισσότεροι, τότε χρειάζεται δυναμικός διαμοιρασμός των καναλιών επικοινωνίας στη ζήτηση για αυτά. 

Υπάρχουν τρία είδη διατάξεων δυναμικού διαμοιρασμού των καναλιών, στις οποίες πλαίσια TDM μοιράζονται σε διατομές (η κάθε διατομή μεταφέρει πακέτα δεδομένων συγκεκριμένου χρήστη) κάθε μια εκ των οποίων έχει έναν ιδιοκτήτη.

Στην πρώτη διάταξη (Binder) υπάρχουν περισσότερες διατομές σε σύγκριση με τους σταθμούς. Κάθε σταθμός κατέχει μια διατομή. Αν ο ιδιοκτήτης μιας διατομής κατά το πλαίσιο μετάδοσης δε θέλει να στείλει σήμα, η διατομή του φεύγει κενή και ταυτόχρονα ενημερώνονται οι υπόλοιποι σταθμοί ότι υπάρχει διαθέσιμη η προηγούμενη διατομή προς χρησιμοποίηση. Έτσι, στο επόμενο πλαίσιο η διατομή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί από κάποιον άλλο σταθμό. Όταν ο ιδιοκτήτης θέλει να επικοινωνήσει, προκαλεί σύγκρουση και έτσι στο επόμενο πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιήσει τη διατομή του για μετάδοση, αφού ο σταθμός που την χρησιμοποιούσε περιμένει ένα πλαίσιο μετάδοσης για να δει αν την χρειάζεται ο ιδιοκτήτης της.

Στη δεύτερη διάταξη (Crowther) οι σταθμοί ανταγωνίζονται τυχαία για τις διατομές αφού δεν υπάρχουν ιδιοκτήτες των διατομών. Όταν ένας σταθμός μεταδώσει σήμα στο επόμενο πλαίσιο, αφού έχει δεδομένα προς μετάδοση μπορεί να χρησιμοποιήσει τη διατομή που από τον ανταγωνισμό "κέρδισε" και με την οποία μπορεί να αρχίσει να υλοποιεί τη μετάδοσή του. Μόλις τελειώσει τη μετάδοση, μετά από ένα πλαίσιο μπορεί κάποιος άλλος να χρησιμοποιήσει την ίδια διατομή. Η συγκεκριμένη διάταξη είναι ένας συνδυασμός S-ALOHA και TDMA.

Στη τρίτη διάταξη (Roberts) υπάρχει μια διατομή η οποία υποδιαιρείται σε μικρότερες και μέσω αυτών γίνεται από κάθε σταθμό κράτηση για μια διατομή ώστε να μπορεί εκπέμψει. Στην περίπτωση που πετύχει η κράτηση, στο επόμενο πλαίσιο μετάδοσης ο σταθμός μπορεί να εκπέμψει. Ανάλογα με τον αριθμό των υποδιατομών για κράτηση, ο κάθε σταθμός γνωρίζει πόσο πρέπει να περιμένει για την εκπομπή του σήματός του.

Παράδειγμα με σύστημα ανάθεσης και διανομής των χρονικών διατομών σε κάθε σταθμό για επικοινωνία είναι το ACTS (Advanced Communication Technology Satellite) της ΝASA, αλλά και το Ιtalsat του Ιταλικού Ερευνητικού Συμβουλίου. Το σημαντικό στοιχείο του ACTS είναι ότι συγκεντρώνοντας την ενέργεια του σήματος, δίνει τη δυνατότητα για μετάδοση από πιο ασθενείς (σε ισχύ) γήινους σταθμούς μετάδοσης. Το ACTS τέθηκε σε τροχιά το 1992 και αποτελείται από 4 ανεξάρτητα TDMA κανάλια των 110 Μbps με δύο ανερχόμενες και δύο κατερχόμενες ζεύξεις (κάθε κανάλι είναι οργανωμένο σε πλαίσια του 1 msec με 1728 διατομές το κάθε πλαίσιο, η κάθε διατομή μπορεί να φέρει 64 bits). Ο MCS επιτυγχάνει τον συγχρονισμό για την επικοινωνία των σταθμών που βρίσκονται σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές μέσω του δορυφόρου αλλά και την αντιμετώπιση των καθυστερήσεων και του ορίου που θέτει ο χρόνος παραμονής (dwell time).

Η διαδικασία γίνεται σε τρία στάδια:
 είσοδος του πλαισίου με τα δεδομένα στον δορυφόρο και αποθήκευσή του σε ενσωματωμένη RAM
 αντιγραφή των εισόδων σε εξόδους
 αποστολή των πλαισίων

Κάθε σταθμός διαθέτει μια διατομή για μετάδοση. Στην περίπτωση που θέλει να στείλει σήμα στον δορυφόρο, επικοινωνεί με τον MCS για να πάρει σειρά προτεραιότητας. Λειτουργεί στις ζώνες συχνοτήτων K (20 GHz) και Ka (30 GHz).

 ε. CDMA (Code Division Multiple Access) 

Είναι μια μίξη πολυπλεξίας χρόνου/συχνότητας και μια μορφή εκτεταμένου φάσματος επικοινωνίας. Προσφέρει αποκεντρωμένη παροχή καναλιών για επικοινωνία στην υπάρχουσα για αυτή ζήτηση χωρίς χρονικό συγχρονισμό. Είναι μια μέθοδος η οποία άρχισε πρόσφατα να χρησιμοποιείται.

Κάθε χρήστης έχει μοναδιαίο κωδικό μετάδοσης μηνυμάτων, ο οποίος είναι ορθογώνιος στους κωδικούς των άλλων χρηστών (σταθμοί μετάδοσης/λήψης σημάτων). Το σήμα που τελικά θα σταλεί από τον πομπό είναι αποτέλεσμα του εισερχόμενου σήματος (δεδομένα) και του κωδικού διάδοσης.

Στον παραλήπτη το εισερχόμενο σήμα συσχετίζεται με τον κωδικό μετάδοσης του δέκτη και, αν τα δεδομένα προορίζονται για αυτόν, ανακτώνται, ειδάλλως μετατρέπονται σε θόρυβο.

Τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου εξυπηρέτησης της ζήτησης για επικοινωνία είναι τα εξής:
 κάθε χρήστης μεταδίδει δεδομένα οποιαδήποτε στιγμή θέλει χωρίς παρεμβολές από άλλους χρήστες
 ο κωδικός μετάδοσης ορίζει και πιστοποιεί τον πομπό χωρίς να είναι απαραίτητη περαιτέρω πληροφορία
 ασφάλεια στη μετάδοση
 επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συχνοτήτων σε προκαθορισμένες δέσμες από αυτές του δορυφόρου αναθέτοντας διαφορετικούς κωδικούς μετάδοσης στους χρήστες

Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης είναι τα εξής:
 μειωμένη χωρητικότητα μικρότερη από το TDMA λόγω του θορύβου και της έλλειψης του συντονισμού στους σταθμούς μετάδοσης
 η λειτουργία του είναι δυσνόηση
 γίνεται πιο αποδοτικό όταν ο αριθμός των χρηστών μεγαλώνει αφού ταυτόχρονα το BER μειώνεται

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Τηλεπικοινωνίες