آموزش شبکه های ماهواره ای

[mohsen 88 10106]

تكنولوژي‌هاي متداول در شبكه‌هاي ماهواره‌اي

 

- امروزه با رشد روز افزون تكنولوژي مخابراتي روش‌هاي متفاوتي جهت ايجاد شبكه‌هاي ارتباط ماهواره‌اي به وجود آمده است. در اين مقاله به معرفي برخي از روش‌هاي متداول درشبكه‌هاي ماهواره‌اي و مشخصات هر كدام خواهيم پرداخت. به طور كلي تصميم‌گيري براي انتخاب راه‌حل مناسب, نيازمند بررسي پارامترهاي موثر در امر طراحي شبكه مي‌باشد, برخي از اين پارامترها عبارتند از :

1- گستردگي شبكه ارتباطي, شامل تعداد لينك‌هاي ارتباطي مورد نياز در فاز اول و نحوه افزايش آن در فازهاي بعدي

2- نوع كاربردهاي شبكه (اينترانت, ديتا, صوت, ويئو كنفرانس, اينترنت)....

3- توپولوژي يا ساختار شبكه

4- Scalability و نحوه گسترش شبكه

5- Availability يا قابليت اطمينان سيستم

6- سرمايه‌گذاري اوليه و هزينه‌هاي جاري

با توجه به موارد فوق راه‌حل‌هاي زير ارائه گرديده و در مورد هر كدام پارامترهاي فوق بررسي مي‌گردد.

- راه‌حل (Single Channel Per Carrier) SCPC

اين روش يك راه‌حل ايده‌آل جهت كاربردهايي است كه در آن حفظ كيفيت ارتباط و داشتن يك پهناي باند ارتباط اختصاصي جزء مهم‌ترين عوامل تصميم‌گيري مي‌باشد. راه‌حل فوق مناسب‌ترين روش جهت راه‌اندازي يك ارتباط نقطه به نقطه

(point-to-point) مي‌باشد. سهولت راه‌اندازي, نياز به حداقل تجهيزات و در نتيجه قيمت مناسب از مزيت‌هاي استفاده از اين روش مي‌باشد. اين روش با توجه به استفاده از يك پهناي باند ارتباطي اختصاصي راه‌حل مورد علاقه سرويس‌دهندگان ارتباطات صوتي در دنيا مي‌باشد. در صورت نياز به ايجاد يك شبكه ارتباطي چند نقطه‌اي (Point-to-Multi point) روش فوق كارآيي مناسبي نداشته و افزايش زياد تجهيزات و افزايش هزينه پهناي باند بخش فضايي از دلايل ناكارآمدي روش فوق مي‌باشد.

براي رفع اين موانع راه‌حل‌هايي ارائه گرديده است كه يكي از بهترين روش‌ها تكنولوژي SkyPerformer SCPC-مي‌باشد.

مشخصات اصلي اين تكنولوژي- Sky Performer SCPCموارد ذيل مي‌باشد:

- اين روش جهت ايجاد يك شبكه ارتباطي چند نقطه‌اي كارآيي مناسبي داشته و قابل پياده‌سازي به صورتFull Mesh , Distributed Mesh , Star Partial Mesh , مي‌باشد.

- تعداد ريموت‌هاي قابل پياده‌سازي در اين روش در توپولوژي Star تا سيصد و پنجاه نود و در صورت استفاده از توپولوژيMesh Distributed نامحدود مي‌باشد.

- در اين روش لايه دوم شبكه Frame relay بوده و تمامي پروتكل‌هاي لايه بالاتر همچون TCP/IP را پشتيباني مي‌نمايد.

- پهناي باند ارسالي از ريموت‌ها (Inbound) به صورت اختصاصي بوده (SCPC) و پهناي باند ارسالي از سايت مركزي (Outband) با استفاده از تكنولوژي Sky performer براي تمامي ريموت‌ها به صورت مشترك ارسال مي‌گردد. براي هر يك از ريموت مي‌توان به ميزان نياز پهناي باند CIR (گارنتي شده ) و به ميزان بالاتري (Burst) BIR معين نمود.

- كاهش تجهيزات سايت مركزي در توپولوژي ستاره و نيز كاهش هزينه پهناي‌باند بخش فضايي اين روش را به جايگزين مناسبي براي شبكه‌هاي SCPC تبديل نموده است.

 

- تجهيزات سايت‌هاي مركزي و ريموت در اين تكنولوژي مولتي سرويس بوده و جهت استفاده همزمان ديتا و صوت وتصوير مجتمع‌سازي شده‌اند.

- اين روش كاملا" Scalable بوده و شروع و پياده‌سازي آن از دو نقطه به صورت Point-to-Point قابل آغاز بوده و افزايش تعداد ريموت‌ها و پياده‌سازي روش Point-to-Multi point به تدريج و به سادگي امكان‌پذير مي‌باشد.

- سيستم‌هاي نصب شده در سايت مركزي در روش Star به صورت Redundant پياده‌سازي مي‌گردد كه با اين روش Availability سيستم به بالاتر از 5.99% مي‌رسد. در صورت پياده‌سازي روش Mesh بروز اشكال در يك سايت مانع از اثرگذاري بر كل شبكه ارتباطي خواهد گرديد.

- در اين روش در دو سمت ارسال و دريافت از سايت مركزي و ريموت امكان استفاده از تكنيك‌هاي Coding مدرن مانند Turbo Code وجود دارد اين امر باعث صرفه‌جويي در توان ارسالي ترانسپورت ماهواره شده كه هزينه‌هاي جاري سيستم را كاهش مي‌دهد. ارسال به روش توربوكد دريافت اطلاعات با Eb/No پايين تر را در سايت‌هاي ريموت با حفظ BER مناسب امكان‌پذير مي‌نمايد.

- امكان استفاده از Voice با تكنيك (Voice over frame relay ) VOFR در اين روش يك كانال ارتباطي صوت با كيفيت بالا (MOS =4.15) و با استفاده از حداقل پهناي باند (6kb/s) را مهيا مي‌نمايد.

راه حل (D-TDMA) Deterministic TDMA

اين تكنولوژي راه‌حل مناسبي جهت شبكه ماهواره‌اي مبتني بر پروتكل IP مي‌باشد در روش D-TDMA, مقدار پهناي باند اختصاص داده شده به هر ايستگاه VSAT بر اساس پارامترهايي نظير اندازه صف اطلاعات در هر ايستگاه, كيفيت سرويس‌دهي (Quality of Service), ملاحظات اولويت‌بندي ايستگاه‌ها و برخي پارامترهاي ديگر به صورت پويا ) (Dynamic تعيين مي‌گردد. روش D-TDMA موجب ايجاد صرفه‌جويي قابل توجهي از نظر پهناي باند بخش فضائي خواهد شد.

 

به عنوان مثال در مقايسه بين تكنولوژي DVB-RCS و D-TDMA, سيستم‌هاي DVB-RCS براي انتقال بسته‌هاي اطلاعات IP, آنها را داخل فرم‌هاي اطلاعاتي MPEG تعبيه مي‌نمايند كه اين امر باعث كاهش كارآيي سيستم مي‌گردد به طوري كه براي انتقال اطلاعات با پروتكل IP روش D-TDMA نسبت به DVB-RCS بين 10 تا 50 درصد در پهناي باند صرفه‌جويي به همراه دارد.

اهم مشخصات سيستم‌هاي D-TDMA عبارتند از :

- توپولوژي اين سيستم‌ها ستاره (Star) مي‌باشد.

- تعداد ريموت‌هاي قابل استفاده از لحاظ تئوري نامحدود بوده ولي به طور معمول به دليل محدوديت‌هاي تكنيكي براي كاربردهاي تا 800 ريموت مناسب مي‌باشد.

- شبكه بر اساس پروتكل IP طراحي گرديده است.

- از نظر روش Access Multiple , براي Outband (از هاب به ريموت) روش TDM و Inbound (از ريموت به هاب) D-TDMA مي‌باشد.

- با توجه به IP Base بودن‌, شبكه براي كاربردهاي Data , Voice (VoIP) و كلا" شبكه‌هايي كه Application هاي تحت IP دارند مناسب مي‌باشد.

- در هر دو سمت ارسال و دريافت از سايت و ريموت امكان استفاده از تكنيك‌هاي Coding مدرن ماننده Turbo code وجود دارد.

راه‌حل DVB-RCS

 

با افزايش تقاضاي IP broadband service در دنيا روش‌هاي DVB-RCS از سال 2002 به صورت اجرايي در نقاط مختلف دنيا ارائه گرديد. اين روش راه‌حل مناسبي جهت ارائه سرويس اينترنت به مشتركين انتهايي در يك شبكه بزرگ مي‌باشد.

مشخصات اصلي اين تكنولوژي عبارتند از:

- اين روش شامل يك هاب مركزي بوده كه قابليت پشتيباني از چند صد تا چند هزار كاربر را برحسب نوع سرمايه‌گذاري امكان پذير مي‌نمايد.

- روش ارتباطي ريموت‌ها با مركز در اين روش Star مي‌باشد.

- دراين روش بسترهاي اطلاعات IP به فرمت MPEG-DVB تبديل شده و از هاب مركزي به تمامي ريموت‌ها ارسال مي‌گردد. هر ريموت بر حسب PID خاص خود (Packet Identifier) سيستم اطلاعات مربوط به خود را جدا مي‌نمايد. ارسال اطلاعات از سايت‌هاي ريموت به هاب مركزي با تبديل بسترهاي IP به فرمت ATM و ارسال با روش MF-TDMA صورت مي‌پذيرد انجام اين مراحل باعث ايجاد كمي سربار اضافي (Overhead) در شبكه ارتباطي نيز مي‌گردد.

- اين روش با توجه به نياز به ايجاد يك هاب مركزي و سرمايه‌گذاري اوليه نسبتا" زياد براي كاربردهايي با تعداد ريموت بالاتر از پانصد عدد قابل توجيه مي‌باشد. مزيت آن اين است كه با نصب يك هاب مركزي امكان افزايش ريموت‌ها به سادگي امكان‌پذير مي‌باشد. كوچك بودن ابعاد تجهيزات ريموت و پايين بودن هزينه هر ريموت از مزيت‌هاي اصلي اين تكنولوژي مي‌باشد.

- Availability اين سيستم‌ها با توجه به حساسيت زياد هاب مركزي وابسته به نوع طراحي اين سايت مي‌باشد. عموما" در هاب مركزي از روش Full Redundant براي تمامي تجهيزات استفاده مي‌نمايند تا امكان بروز مشكل را به حداقل برسانند با اتخاذ اين تدابير نرخ Availability هاب مركزي به 9/99% مي‌رسد.

تكنولوژي‌هايي كه در بالا معرفي مي گرديد به عنوان روش‌هاي غالب در شبكه‌هاي ماهواره‌اي كنوني در نظر گرفته مي‌شوند.

 

همان طور كه ملاحظه گرديد هر يك از روش‌هايي كه توضيح داده شد در جاي خود مناسب بوده و انتخاب نهايي يك روش در كاربردهاي چند منظوره و تركيبي نياز به بررسي دقيق‌تر مهندسان اين فن خواهد داشت

[am in 25041]

هر ماهواره حامل تجهیزاتی است که برای انجام ماموریت خود به آن ها نیاز دارد. برای مثال ماهواره ای که مامور مطالعه کائنات است مجهز به تلسکوپ و ماهواره مامور پیش بینی وضع هوا مجهز به دوربین مخصوص برای ثبت حرکات ابرها است. علاوه بر تجهیزات تخصصی، همه ماهواره ها دارای سیستمهای اصلی برای کنترل تجهیزات خود و عملکرد ماهواره می باشند. از جمله سیستم تامین انرژی، مخازن، سیستم تقسیم برق و ... . در هر یک از این بخش ها ممکن است از سلول های خورشیدی برای جذب انرژی مورد نیاز استفاده شود. بخش داده ها و اطلاعات نیز مجهز به رایانه هایی به منظور جمع آوری و پردازش اطلاعات به دست آمده از طریق تجهیزات و اجرای فرامین ارسال شده از زمین می باشد.

هریک از تجهیزات جانبی و بخشهای اصلی یک ماهواره به طور جداگانه طراحی، ساخته و آزمایش می شوند. متخصصان بخشهای مختلف را کنار هم گذاشته و متصل می کنند تا زمانیکه ماهواره کامل شود و سپس ماهواره در شرایطی نظیر شرایطی که هنگام ارسال از سطح زمین و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمایش می شود. اگر ماهواره همه آزمایش ها را به خوبی گذراند آماده پرتاب می شود.

[am in 25041]

پرتاب ماهواره :

برخی ماهواره ها توسط شاتل ها در فضا حمل می شوند ولی اغلب ماهواره ها توسط راکت هایی به فضا فرستاده می شوند که پس از اتمام سوخت شان به درون اقیانوس ها می افتند.بیشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظیمات در مسیر مدار خود قرار داده می شوند. تنظیمات کامل را راکت هایی انجام می دهند که داخل ماهواره کار گذاشته می شوند. زمانیکه ماهواره در یک مسیر پایدار در مدار خود قرار گرفت می تواند مدت های درازی در همان مدار بدون نیاز به تنظیمات مجدد باقی بماند.

[am in 25041]

انجام ماموریت :

کنترل بیشتر ماهواره ها در مرکزی بر روی زمین است. رایانه ها و افراد متخصص در مرکز کنترل وضعیت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال می کنند و اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره را دریافت می نمایند. مرکز کنترل از طریق امواج رادیویی با ماهواره در ارتباط است. ایستگاه هایی بر روی زمین این امواج را از ماهواره دریافت و یا به آن ارسال می کنند.

ماهواره ها معمولا به طور دائم از مرکز کنترل دستورالعمل دریافت نمی کنند. آنها در واقع مثل روبات های چرخان هستند.روباتی که سلول های خورشیدی خود را برای دریافت انرژی کافی تنظیم و کنترل می کند و آنتن های خود را برای دریافت دستورات خاص از زمین آماده نگه می دارد. تجهیزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتیک وظایف خود را انجام می دهند و اطلاعات را جمع آوری می کنند.

ماهواره ها ی موجود در ارتفاعات بلند مدار ۶۴۳۹۵;ئوسینکرنوس در ارتباط همیشگی و دائم با زمین می باشند. ایستگاه ها ی زمین می تواند دوازده بار در روز با ماهواره های موجود در ارتفاع کوتاه ارتباط برقرار نمایند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را زا ایستگاه دریافت می کند. تبادل اطلاعات تا زمانیکه ماهواره از فراز ایستگاه عبور می کند می تواند ادامه داشته باشد که معمولا زمانی حدود ۱۰ دقیقه است.

چنانچه قسمتی از ماهواره دچار نقص فنی شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموریت های خود باشد، معمولا همچنان به کار خود ادامه می دهد. در چنین شرایطی مرکز کنترل روی زمین بخش آسیب دیده را تعمیر و یا مجددا برنامه نویسی می کند. در موارد نادری نیز عملیات تعمیر ماهواره را شاتل ها در فضا انجام می دهند. و اما چنانچه آسیب های وارد آمده به ماهواره به اندازه ای باشد که ماهواره دیگر قادر به انجام ماموریت های خود نباشد مرکز کنترل فرمان توقف ماهواره را صادر می کند.

[am in 25041]

سقوط از مدار :

یک ماهواره در مدار خود باقی می ماند تا زمانیکه شتاب آن کم شود و در چنین حالتی نیروی گرانش ماهواره را به سمت پایین و به سمت اتمسفر می کشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولکول های خارجی ترین لایه اتمسفر کم می شود. هنگامی که نیروی گرانش ماهواره را به سمت لایه های داخلی اتمسفر می کشاند هوایی که در جلوی ماهواره قرار می گیرد سریعا به قدری فشرده و داغ می شود که در این هنگام بخشی و یا تمامی ماهواره می سوزد.

[am in 25041]

تاریخچه :

در سال ۱۹۵۵ اتحاد جماهیر شوروی تحقیقات خود را برای پرتاب ماهواره مصنوعی به فضا آغاز کرد. در تاریخ چهارم اکتبر ۱۹۵۷ این اتحادیه ماهواره اسپاتنیک ۱ را به عنوان اولین ماهواره مصنوعی به فضا ارسال نمود. این ماهواره در هر ۹۶ دقیقه یک دور کامل به دور زمین می چرخید و اطلاعات به دست آورده خود را به شکل سیگنال های رادیویی قابل دریافت به زمین ارسال می کرد. در تاریخ ۳ نوامبر ۱۹۵۷ اتحاد جماهیر شوروی دومین ماهواره مصنوعی یعنی اسپاتنیک ۲ را به فضا فرستاد. این ماهواره حامل اولین حیوانی بود که به فضا سفر کرد. سگی به نام لایکا. پس از آن ایالات متحده ماهواره کاوشگر۱ را در تاریخ ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ و ونگارد ۱ را در تاریخ ۱۷ مارس همان سال به فضا فرستاد.

نخستین ماهواره ارتباطی اکو۱ در ماه آگوست سال ۱۹۶۰ از ایالات متحده به فضا فرستاده شد. این ماهواره امواج رادیویی به زمین می فرستاد. در آوریل ۱۹۶۰ نیز اولین ماهواره هواشناسی تیروس ۱ که تصاویر ابرها را به زمین ارسال می کرد فرستاده شد.

نیروی دریایی آمریکا سازنده اولین ماهواره ردیاب، ترانزیت ۱ب در آوریل سال ۱۹۶۰ بود. به این ترتیب تا سال ۱۹۶۵ در هر سال بیش از ۱۰۰ ماهواره به مدارهایی در فضا فرستاده شدند.

از سال ۱۹۷۰ دانشمندان به کمک رایانه و نانو تکنولوژی موفق به اختراع سازه ها و تجهیزات پیشرفته تری برای ماهواره شده اند. علاوه بر سایر کشور ها دیگر سازمانهای تجاری نیز مبادرت به خریداری و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهای اخیر بیشتر از ۴۰ کشور و از جمله ایران، ماهواره در اختیار دارند و نزدیک به ۳۰۰۰ ماهواره در مدارها به انجام ماموریت های خود می پردازند.