Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος

Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος ονομάζεται ο μη επανδρωμένος τεχνητός δορυφόρος (unmanned artificial satellite), μέσω του οποίου παρέχονται υπηρεσίες μεγάλων αποστάσεων, όπως τηλεοπτικής και ραδιοφωνικής μετάδοσης, τηλεφωνικών επικοινωνιών και συνδέσεων ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Οι δορυφόροι έχουν τη μοναδική δυνατότητα να παρέχουν κάλυψη μεγάλων γεωγραφικών περιοχών και να διασυνδέουν μακρινούς και δυσπρόσιτους τηλεπικοινωνιακούς κόμβους και γι' αυτό τα δορυφορικά δίκτυα αποτελούν σήμερα αναπόσπαστο τμήμα των περισσότερων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Τις τελευταίες δεκαετίες η τεχνολογία των δορυφορικών συστημάτων συνεχώς προοδεύει και η χρήση γεωσύγχρονων δορυφόρων για επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων αναπτύσσεται ταχύτατα.

Σήμερα, η εξοικείωση των ηλεκτρονικών μηχανικών με τη δορυφορική τεχνολογία, τις δορυφορικές επικοινωνίες και τις δορυφορικές ζεύξεις καθίσταται αναγκαία, καθώς οι δορυφορικές τηλεπικοινωνίες αναμένεται να παίζουν συνεχώς μεγαλύτερο ρόλο στα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Οι δορυφόροι έχουν προωθήσει σημαντικά την επικοινωνία με την δημιουργία παγκόσμιων τηλεφωνικών συνδέσεων, ενώ χάρη σε αυτούς γίνονται εφικτές ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές μεταδόσεις σε πραγματικό χρόνο. Ένας δορυφόρος λαμβάνει σήμα μικροκυμάτων από έναν επίγειο σταθμό (uplink), κατόπιν ενισχύει και αναμεταδίδει το σήμα σε έναν σταθμό λήψης στη γη σε διαφορετική συχνότητα (η κατιούσα σύνδεση). Ένας δορυφόρος επικοινωνίας τοποθετείται σε γεωσύγχρονη τροχιά, πράγμα που σημαίνει ότι τίθεται σε τροχιά με την ίδια ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται η Γη. Ο δορυφόρος μένει στην ίδια θέση σχετικά με την επιφάνεια της Γης, έτσι ώστε ο σταθμός αναμετάδοσης δεν θα χάσει ποτέ την επαφή με τον δέκτη.

Η ιστορία των τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων

Μερικοί από τους πρώτους δορυφόρους επικοινωνιών σχεδιάστηκαν για να λειτουργήσουν με παθητικό τρόπο. Αντί να μεταδώσουν ενεργά τα ραδιοσήματα, χρησίμευσαν μόνο για να απεικονίσουν τα σήματα που εκπέμφθηκαν σε αυτούς με τη μετάδοση των σταθμών στο έδαφος. Τα σήματα απεικονίστηκαν σε όλες τις κατευθύνσεις, έτσι θα μπορούσαν να ληφθούν από τους σταθμούς λήψης σε όλο τον κόσμο. Ο «Echo 1», που εκτοξεύθηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες το 1960, κατασκευάστηκε από επαργυρωμένο πλαστικό μπαλόνι διαμέτρου 30 μ. Το 1964 ακολούθησε ο «Echo 2» με 41 μ. διάμετρο. Η ικανότητα τέτοιων συστημάτων περιορίστηκε σοβαρά από την ανάγκη για τις ισχυρές συσκευές αποστολής σημάτων και τις απαιτούμενες μεγάλες επίγειες κεραίες.

Δορυφόροι Echo 1 και 2

Οι Echo 1 και 2 ήταν πρώιμοι δορυφόροι επικοινωνιών που εκτοξεύτηκαν από τις Ηνωμένες Πολιτείες στις αρχές της δεκαετίας του '60. Τα μεγάλα αυτά μπαλόνια μετέδιδαν τα ραδιοσήματα πίσω στη γη. Οι δορυφόροι Echo προετοίμασαν το έδαφος για τους πιο πρόσφατους και πιο περίπλοκους δορυφόρους επικοινωνιών.

Δορυφόρος Telstar

Ο Telstar ήταν ένας από τους πρώτους ενεργούς δορυφόρους επικοινωνιών. Εκτοξεύτηκε από τις Ηνωμένες Πολιτείες το 1962. Μετέδωσε τις πρώτες ζωντανές τηλεοπτικές εικόνες μεταξύ των Ηνωμένων Πολιτειών και της Ευρώπης, και θα μπορούσε επίσης να μεταδώσει τηλεφωνικές κλήσεις.

Δορυφόρος Syncom 4

Ο δορυφόρος επικοινωνιών Syncom 4 εκτοξεύτηκε από διαστημικό λεωφορείο. Οι σύγχρονοι δορυφόροι επικοινωνιών λαμβάνουν, ενισχύουν και αναμεταδίδουν τις πληροφορίες πίσω στη Γη, που παρέχει την τηλεόραση, το φαξ, το τηλέφωνο, το ραδιόφωνο, και τις συνδέσεις ψηφιακών στοιχείων σε όλο τον κόσμο. Ο Syncom 4 ακολουθεί μια γεωσύγχρονη τροχιά που έχει την ίδια ταχύτητα με της γήινης περιστροφής, ώστε να παραμένει ο δορυφόρο σε μια σταθερή θέση σε σχέση με τη Γη. Αυτός ο τύπος τροχιάς επιτρέπει τις συνεχείς συνδέσεις επικοινωνίας μεταξύ των επίγειων σταθμών.

Εμπορικοί τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι

Οι εμπορικοί δορυφόροι παρέχουν ένα ευρύ φάσμα των υπηρεσιών επικοινωνιών. Τα τηλεοπτικά προγράμματα αναμεταδίδονται διεθνώς, προκαλώντας το φαινόμενο γνωστό ως «παγκόσμιο χωριό». Οι δορυφόροι αναμεταδίδουν, επίσης, προγράμματα στα συστήματα καλωδιακών τηλεοράσεων καθώς επίσης και στα σπίτια που εξοπλίζονται με δορυφορικές κεραίες (πιάτα). Επιπλέον, τα πολύ μικρά τερματικά (VSATs) αναμεταδίδουν τα ψηφιακά στοιχεία για ένα πλήθος επιχειρησιακών υπηρεσιών. Οι δορυφόροι INTELSAT διαθέτουν 100.000 τηλεφωνικά κυκλώματα, με την αυξανόμενη χρήση της ψηφιακής μετάδοσης. Οι ψηφιακές μέθοδοι κωδικοποίησης πηγής έχουν οδηγήσει σε δεκαπλάσια μείωση του ποσοστού μετάδοσης που απαιτείται για να μεταφερθεί ένα κανάλι φωνής, ενισχύοντας, κατά συνέπεια, την ικανότητα των υπαρχουσών εγκαταστάσεων και μειώνοντας το μέγεθος των επίγειων σταθμών που παρέχουν την τηλεφωνική υπηρεσία.

Ο διεθνής κινητός δορυφορικός οργανισμός (INMARSAT), που ιδρύεται το 1979, είναι κινητό δίκτυο τηλεπικοινωνιών, που παρέχει τις συνδέσεις ψηφιακών στοιχείων, το τηλέφωνο, και τη μετάδοση αντιγράφων, ή με φαξ, την υπηρεσία μεταξύ των σκαφών, τις παράκτιες εγκαταστάσεις, και τους με βάση την παράκτια περιοχή σταθμούς σε όλο τον κόσμο. Επίσης, επεξέτεινε τις δορυφορικές συνδέσεις για την φωνή και τη μετάδοση φαξ στα αεροσκάφη στις διεθνείς διαδρομές.

Πρόσφατες τεχνικές πρόοδοι

Τα συστήματα δορυφόρων επικοινωνιών έχουν εισαγάγει μια περίοδο μετάβασης από σημείο σε σημείο μεγάλης χωρητικότητας επικοινωνίες κορμών μεταξύ των μεγάλων, δαπανηρών επίγειων τερματικών στις πολυσημειακές επικοινωνίες μεταξύ των μικρών, χαμηλού κόστους σταθμών. Η ανάπτυξη των πολλαπλάσιων μεθόδων προσπέλασης έχει επιταχύνει και έχει διευκολύνει αυτήν την μετάβαση. Με TDMA, σε κάθε επίγειο σταθμό ορίζεται μια χρονική αυλάκωση στο ίδιο κανάλι για τη χρήση στη διαβίβαση των επικοινωνιών του όλοι οι άλλοι σταθμοί ελέγχουν αυτές τις αυλακώσεις και επιλέγουν τις επικοινωνίες που κατευθύνονται σε αυτές. Με την ενίσχυση μιας ενιαίας συχνότητας μεταφορέων σε κάθε δορυφορικό επαναλήπτη, το TDMA εξασφαλίζει την αποδοτικότερη χρήση της εν πλω παροχής ηλεκτρικού ρεύματος του δορυφόρου.

Μια τεχνική αποκαλούμενη επαναχρησιμοποίηση συχνότητας επιτρέπει στους δορυφόρους για να επικοινωνήσουν με διάφορους επίγειους σταθμούς χρησιμοποιώντας την ίδια συχνότητα με τη διαβίβαση στις στενές ακτίνες που μεταφέρονται προς κάθε ενός από τους σταθμούς. Τα πλάτη ακτίνων μπορούν να προσαρμοστούν στις περιοχές κάλυψης τόσο μεγάλες όσο οι ολόκληρες Ηνωμένες Πολιτείες ή τόσο μικρές όσο μια πολιτεία, όπως το Μέριλαντ. Δύο σταθμοί αρκετά μακριά μπορούν να λάβουν τα διαφορετικά μηνύματα που διαβιβάζονται στην ίδια συχνότητα. Οι δορυφορικές κεραίες έχουν σχεδιαστεί για να διαβιβάσουν διάφορες ακτίνες στις διαφορετικές κατευθύνσεις, χρησιμοποιώντας τον ίδιο ανακλαστήρα.

Οι ακτίνες λέιζερ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να διαβιβάσουν τα σήματα μεταξύ ενός δορυφόρου και της γης, αλλά το ποσοστό μετάδοσης είναι περιορισμένο λόγω της απορρόφησης και διασπορά από την ατμόσφαιρα. Τα λέιζερ που λειτουργούν στο γαλαζοπράσινο μήκος κύματος, που διαπερνά το ύδωρ, έχουν χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία μεταξύ των δορυφόρων και των υποβρυχίων.

Η πιο πρόσφατη ανάπτυξη στους δορυφόρους είναι η χρήση των δικτύων των μικρών δορυφόρων στη χαμηλή γήινη τροχιά (2.000 χλμ. ή λιγότεροι) για να παρέχει την παγκόσμια τηλεφωνική επικοινωνία. Το σύστημα ιριδίου χρησιμοποιεί 66 δορυφόρους στη χαμηλή γήινη τροχιά, ενώ άλλες ομάδες έχουν ή αναπτύσσουν παρόμοια συστήματα. Τα ειδικά τηλέφωνα που επικοινωνούν με αυτούς τους δορυφόρους επιτρέπουν στους χρήστες για να έχουν πρόσβαση στο κανονικό τηλεφωνικό δίκτυο και να πραγματοποιήσουν κλήσεις από οποιοδήποτε σημείο στη Γη. Οι προσδοκώμενοι πελάτες αυτών των συστημάτων περιλαμβάνουν τους διεθνείς επιχειρησιακούς ταξιδιώτες και τους ανθρώπους που ζουν ή που εργάζονται σε απομακρυσμένες περιοχές.

Επικοινωνίες μέσω δορυφόρων

Επικοινωνίες ξεκίνησαν με τον πρώτο δορυφόρο που εκτοξεύθηκε από τις ΗΠΑ το 1958 ενώ η πρώτη μορφή εμπορικής εκμετάλλευσης εμφανίζεται με τον Early Bird, δορυφόρο που ετέθη σε τροχιά στις 6 Απριλίου 1965. Τα πρώτα δορυφορικά συστήματα δεν ήταν και τόσο βιώσιμα καθώς η σχετικά μικρή ισχύς των πυραύλων που εκτόξευαν τους δορυφόρους τους έθεταν σε τροχιά όχι μακρύτερη των 10 χλμ από την Γη. Η χαμηλή τροχιά είχε σαν αποτέλεσμα ο δορυφόρος να κινείται ταχύτερα από την περιστροφή της Γης πράγμα που επηρέαζε την κατασκευή την γήινων σταθμών καθώς έπρεπε να περιστρέφονται συνεχώς για να παρακολουθούν τους δορυφόρους.

Στην εξέλιξη των συστημάτων αυτών κατασκευάστηκαν οι γεωστατικοί δορυφόροι που τίθενται σε τροχιά 35.786χλμ με ταχύτητα 11.040 χλμ/ώρα, ώστε να μένουν σταθεροί πάνω από το ίδιο σημείο της γης. Η ταχύτητα αυτή είναι ίση με την γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της γης και έτσι οι επίγειοι σταθμοί δεν περιστρέφονται, καθώς βλέπουν μόνιμα στο ίδιο σημείο.

Ο επικοινωνιακός δορυφόρος λειτουργεί απλά σαν καθρέφτης που επανεκπέμπει προς τη γη το λαμβανόμενο μικροκυματικό σήμα. Κάθε γεωστατικός δορυφόρος καλύπτει έναν ορίζοντα 120 μοιρών έτσι που με τρεις τέτοιους δορυφόρους καλύπτεται όλη η γη.

Συγκρίνοντας τα δορυφορικά συστήματα με τα άλλα μέσα παρατηρούμε τα εξής:

Οι δορυφόροι καλύπτουν με άνεση απαιτήσεις εκπομπής σημάτων ευρείας ζώνης συχνοτήτων
Έχουν μεγάλη καθυστέρηση σήματος της τάξης των 250 msec που οφείλεται στην μεγάλη απόσταση. Η καθυστέρηση αυτή είναι ενοχλητική τόσο στην τηλεφωνία όσο και στην μετάδοση δεδομένων.
Δεν παρέχει καμία ασφάλεια στην μεταδιδόμενη πληροφορία καθώς όλος ο κόσμος μπορεί να λάβει την πληροφορία που εκπέμπει ο δορυφόρος. Αυτός είναι και ο λόγος που χρησιμοποιούνται εξειδικευμένα συστήματα κρυπτογράφησης
Δεν παίζει κανένα ρόλο η μεταξύ των επικοινωνούντων ανταποκριτών απόσταση
Το κόστος χρήσης είναι ανεξάρτητο της απόστασης επικοινωνίας

Οι επικοινωνιακοί δορυφόροι χρησιμοποιούνται κυρίως για τηλεφωνία τηλεόραση και μετάδοση δεδομένων.

Πρωτόκολλα για δορυφορικές επικοινωνίες στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων

Είναι γεγονός ότι για την επίτευξη της επικοινωνίας μέσω δορυφορικού δικτύου υπάρχει ανάγκη για την χρησιμοποίηση και τη δημιουργία διαφόρων προτύπων και πρωτοκόλλων. Πρέπει να θυμίσουμε ότι η επικοινωνία μέσω δορυφόρου γίνεται με τους transponders οι οποίοι εκπέμπουν μια δέσμη που καλύπτει την επικοινωνία για συγκεκριμένη περιοχή της γης. Ο χρόνος που η συγκεκριμένη δέσμη βλέπει την ίδια περιοχή λέγεται dwell time. Είναι ο χρόνος που οι γήινοι σταθμοί της συγκεκριμένης περιοχής μπορούν να στείλουν σήματα στον δορυφόρο.

Η επικοινωνία υφίσταται με τον παρακάτω τρόπο. Από τους επίγειους σταθμούς εκπέμπονται πλαίσια δεδομένων τα οποία μετατρέπονται σε σήματα (συγκεκριμένης συχνότητας) που φτάνουν στον transponder. Από εκεί ο δορυφόρος τα εκπέμπει στη γη σε άλλη συχνότητα και στον επίγειο σταθμό/ους (δέκτη/ες) μετατρέπονται σε πλαίσια δεδομένων.

Το πρόβλημα που υπάρχει και το οποίο αντιμετωπίζουν τα πρωτόκολλα είναι ο τρόπος με τον οποίο θα γίνει ο καταμερισμός των σημάτων που εκπέμπονται στα κανάλια επικοινωνίας που διαθέτει ο δορυφόρος (κάθε κανάλι υφίσταται μέσω transponder). Είναι γεγονός ότι κατά την επικοινωνία αν η καθυστέρηση διάδοσης του σήματος μεταξύ σταθμού και δορυφόρου είναι μεγαλύτερη των 270 msec (κάτι που είναι γεγονός στις δορυφορικές συνδέσεις) τότε υπάρχει πρόβλημα στην επικοινωνία και γι` αυτό πρωτόκολλα όπως το CSMA/CD (τα οποία απαιτούν στο χρόνο μετάδοσης λίγων bits αναγνώριση πιθανών συγκρούσεων δεδομένων) δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δορυφορικές συνδέσεις.

Πέρα από το καταμερισμό των σημάτων σε κανάλια, υπάρχουν και άλλα είδη προβλημάτων που σχετίζονται με την καθυστέρηση στη μετάδοση του σήματος λόγω της απόστασης, με το μικρό εύρος συχνοτήτων και με τη δημιουργία θορύβου λόγω της αδύναμης πολλές φορές εκπομπής. Αυτά όλα προσπαθούν να αντιμετωπίσουν τα πρωτόκολλα 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) εξαιτίας της μετάδοσης των σημάτων από τον δορυφόρο με εκπομπή, είναι απαραίτητη η ύπαρξη πρωτοκόλλων διαμοιρασμού της επικοινωνίας και των σημάτων. Τα περισσότερα από αυτά συνήθως χρησιμοποιούν μοναδιαία είτε κανάλια είτε συχνότητες για κάθε χρήστη την ώρα της επικοινωνίας. Και αυτό γιατί η διερεύνηση και επίλυση των διαφόρων συγκρούσεων δεδομένων γίνεται με καθυστέρηση κατά διάρκεια της μετάδοσης.

Υπάρχουν πέντε τρόποι επίτευξης επικοινωνίας: Polling, ALOHA, FDMA (Frequency Division Multiple Access), ΤDMA (Time Division Multiple Access) και CDMA (Code Division Multiple Access)

Ζώνες δορυφορικών συχνοτήτων

Οι σημερινοί δορυφόροι επικοινωνιών που καλύπτουν την Ασία, την Αυστραλία και τη Μέση Ανατολή διαβιβάζουν τις εκατοντάδες των δορυφορικών σημάτων TV εντούτοις, όλες αυτές οι δορυφορικές ραδιοφωνικές μεταδόσεις TV δεν είναι δημιουργημένοι ίσοι. Το ακόλουθο υλικό εξηγεί πώς οι δορυφόροι αρμόζουν στο ηλεκτρομαγνητικό σχέδιο των πραγμάτων, γιατί ορισμένοι δορυφορικοί εκφωνητές έχουν μια ανώτερη δυνατότητα να παραδώσουν τα κρυστάλλινα προγράμματα TV με ένα ελάχιστο των muss ή της αναστάτωσης, και πώς να προσαρμόσουν τα μεγάλα δορυφορικά πιάτα ανοιγμάτων για να λάβουν τις πιο πρώην direct-to-home (DTH) δορυφορικές υπηρεσίες TV.

Η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών, μια αντιπροσωπεία των Ηνωμένων Εθνών, έχει θέσει κατά μέρος το διάστημα στις έξοχες ζώνες υψηλής συχνότητας (shf) που βρίσκονται μεταξύ 2,5 και 22 GHz για τις δορυφορικές μεταδόσεις. Σε αυτές τις συχνότητες, το μήκος κυμάτων κάθε κύκλου είναι τόσο σύντομο που τα σήματα καλούνται μικροκύματα.

Οι επιστήμονες που ανέπτυξαν τα πρώτα συστήματα ραντάρ μικροκυμάτων κατά τη διάρκεια του παγκόσμιου πολέμου ΙΙ όρισαν έναν προσδιορισμό επιστολών σε κάθε ζώνη συχνότητας μικροκυμάτων. Παραδείγματος χάριν, το 800 MHz στο φάσμα συχνότητας 2 GHz κλήθηκε ζώνη λ, 2 έως 3 GHz: η ζώνη του s 3 έως 6 GHz: η ζώνη γ 7 έως 9 GHz: η ζώνη Χ 10 έως 17 GHz: η ζώνη Ku και 18 έως 22 GHz: η ζώνη Κα.

Ιστορικό εξέλιξης των ζωνών

Στην αυγή της δορυφορικής ηλικίας κατά τη διάρκεια στα μέσα της δεκαετίας του '60, οι μηχανικοί μικροκυμάτων αποφάσισαν να μεταφέρουν την υπάρχουσα ορολογία ραντάρ και να την εφαρμόσουν στις ζώνες δορυφόρων επικοινωνιών επίσης. Τα παγκόσμια πρώτα εμπορικά δορυφορικά συστήματα χρησιμοποίησαν το φάσμα συχνότητας ζωνών γ 3,7 έως 4,2 GHz. Οι πρώτοι εμπορικοί δορυφόροι ζωνών Ku έκαναν την εμφάνισή τους προς το τέλος της δεκαετίας του '70 και της πρόωρης δεκαετίας του '80 Σχετικά λίγα επίγεια δίκτυα επικοινωνιών ορίστηκαν για να χρησιμοποιήσουν αυτήν την ζώνη συχνότητας.

Μέσα στα προηγούμενα λίγα έτη, οι δορυφορικοί χειριστές έχουν αρχίσει το γενναίο νέο κόσμο σε 20 GHz. Μόνο μερικοί δορυφόροι Κα-ταινιών είναι αυτήν την περίοδο στην τροχιά: ACTS (ΗΠΑ) Superbird και N-STAR (Ιαπωνία), DFS Kopernikus (Γερμανία), και Italsat (Ιταλία). Εντούτοις, αναμένεται η χρήση αυτής της ζώνης υψηλότερης συχνότητας για να αυξηθεί εντυπωσιακά κατά τη διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 21ου αιώνα.

Δορυφορική TV κu-ταινιών

Οι δορυφόροι γ-ταινιών διαβιβάζουν χαρακτηριστικά τα επίπεδα των σημάτων που κυμαίνονται από 33 έως 38 dBW. Τα ισχυρότερα σήματα εμπίπτουν στο κέντρο της ακτίνας κάλυψης κάθε δορυφόρου, με την ένταση σημάτων που μειώνεται εξωτερικά από εκεί. Οι σημερινοί δορυφόροι κu-ταινιών διαβιβάζουν τα ονομαστικά επίπεδα σημάτων που κυμαίνονται από 47 έως 52 dBW, μια αύξηση 14 dBW στη δύναμη, πέρα από αυτά που οι περισσότεροι δορυφόροι γ-ταινιών μπορούν να παραδώσουν. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται φθηνότερος εξοπλισμός για να ληφθούν δορυφορικά σήματα.

Μειονεκτήματα

Υπάρχει ένα σημαντικό μειονέκτημα στους δορυφόρους που τα σήματα στις συχνότητες είναι μεγαλύτερες από 10 gigahertz: το μήκος αυτών των μικροκυμάτων είναι τόσο σύντομο που η βροχή, το χιόνι ή ακόμα και τα γεμισμένα σύννεφα που περνούν από πάνω μπορούν να μειώσουν την ένταση των εισερχόμενων σημάτων.

Οι σχεδιαστές συστημάτων κu-ταινιών χρησιμοποιούν χαρακτηριστικά μια μεγαλύτερη κεραία. Αυτή η αύξηση στο άνοιγμα κεραιών δίνει στο σύστημα διάφορα DB του περιθωρίου έτσι ώστε το λαμβάνον σύστημα που θα συνεχίσει να λειτουργεί στο φως για να συγκρατήσει τις θύελλες της βροχής.

Ζώνη S

Αν και η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών έχει ορίσει το φάσμα συχνότητας S-Band για τις direct-to-home μεταδόσεις TV, λίγες οργανώσεις έχουν εκλέξει μέχρι τώρα να χρησιμοποιήσουν αυτό το φάσμα για τη δορυφορική μετάδοση. Ένας περιοριστικός παράγοντας είναι το εύρος ζώνης διαθέσιμο: ακριβώς 100 MHz του φάσματος από 2,5 έως 2,6 gigahertz. Η Ινδία και Arabsat έχουν περιλάβει τους αναμεταδότες S-Band στους δορυφόρους γ-ταινιών τους για να το καταστήσουν οικονομικώς αποδοτικό, να προωθήσουν τα ωφέλιμα φορτία S-Band στη γεωστατική τροχιά. Το 1997, η Ινδονησία προώθησε Indostar 1, ο δορυφόρος παγκόσμιων πρώτος αφιερωμένος S-Band (που φέρνει έναν αναμεταδότη που διαβιβάζει 70 Watt της δύναμης) σε μια τροχιακή ανάθεση 107,7 βαθμών ανατολικού γεωγραφικού μήκους. Η ψηφιακή τηλεοπτική συμπίεση θα το καταστήσει τεχνικά και οικονομικά εφικτό για Indostar να μεταδοθεί ραδιοφωνικά μια πολυδιαυλική συσκευασία TV στους συνδρομητές στην Ινδονησία.

Η S-Band προσφέρει το πλεονέκτημα της ελάχιστης βροχής και εξασθενίζει τα προβλήματα, μια σημαντική εκτίμηση για τους δορυφορικούς εκφωνητές στην περιοχή ποσοστού παγκόσμιας υψηλότερη βροχής. Αλλά από την άποψη της πραγματοποίησης των σφαιρικών αναγκών δορυφορικών επικοινωνιών στον επόμενο αιώνα, η συμβολή της S-Band θα είναι ελάχιστη.

Το δορυφορικό κανάλι και τα χαρακτηριστικά του

Τα δορυφορικά χαρακτηριστικά καναλιών εισαγωγής μπορούν να έχουν μια επίδραση στα πρωτόκολλα μεταφορών τρόπων, όπως το πρωτόκολλο ελέγχου μετάδοσης (TCP) [ Pos81 ]. Όταν τα πρωτόκολλα, όπως το TCP, αποδίδουν κακώς, η διοχέτευση στη χρησιμοποίηση είναι χαμηλή. Ενώ η απόδοση ενός πρωτοκόλλου μεταφορών είναι σημαντική, δεν είναι η μόνη εκτίμηση κατά την κατασκευή ενός δικτύου που περιέχει τις δορυφορικές συνδέσεις. Παραδείγματος χάριν, το πρωτόκολλο συνδέσεων στοιχείων, το πρωτόκολλο εφαρμογής, το μέγεθος απομονωτών δρομολογητών, η πειθαρχία αναμονής και η θέση πληρεξούσιου είναι μερικές από τις εκτιμήσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη.

Εντούτοις, το παρόν άρθρο εστιάζει στη βελτίωση του TCP στο δορυφορικό περιβάλλον και οι εκτιμήσεις μη-TCP αφήνονται για ένα άλλο άρθρο. Τέλος, έχουν υπάρξει πολλοί δορυφορικοί μετριασμοί που προτείνονται και που μελετώνται από την ερευνητική κοινότητα. Ενώ αυτοί οι μετριασμοί μπορούν να αποδειχθούν χρήσιμοι και ασφαλείς για τα κοινά δίκτυα στο μέλλον, το παρόν άρθρο εξετάζει μόνο τους μηχανισμούς TCP που αυτήν την περίοδο καλά γίνονται κατανοητοί και στη διαδρομή προτύπων IETF (ή είναι υποχωρητικός με τα πρότυπα IETF).

Ακολουθούν τα εξής μέρη: Η επόμενη παράγραφος (Ανάλυση) παρέχει μια συνοπτική περίληψη των χαρακτηριστικών των δορυφορικών δικτύων. Ακολουθεί η περιγραφή δύο μηχανισμών μη-TCP που επιτρέπουν στο TCP για να χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικότερα το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Στη συνέχεια περιγράφονται οι μηχανισμοί TCP που καθορίζονται από το IETF που μπορεί να ωφελήσει τα δορυφορικά δίκτυα και τέλος δίνεται μια περίληψη αυτού που οι σύγχρονες εφαρμογές TCP πρέπει να περιλάβουν για να θεωρηθούν "δορυφορικά φιλικές".

Καθυστέρηση διάδοσης

Στα χαρακτηριστικά των δορυφορικών δικτύων υπάρχει μια έμφυτη καθυστέρηση στην παράδοση ενός μηνύματος πέρα από μια δορυφορική σύνδεση λόγω στην πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός και το ύψος των δορυφόρων επικοινωνιών. Πολλοί δορυφόροι επικοινωνιών βρίσκονται στη γεωστατική τροχιά (GSO) με ένα ύψος περίπου 35.786 χλμ. [ Sta94 ]. Σε αυτό το ύψος η περίοδος τροχιάς είναι η ίδια με την περίοδο γήινης περιστροφής. Επομένως, κάθε επίγειος σταθμός είναι πάντα ικανός "να δει" βάζοντας σε τροχιά δορυφόρο στην ίδια θέση στον ουρανό. Ο χρόνος διάδοσης για ένα ραδιοσήμα στο ταξίδι είναι δύο φορές ότι η απόσταση (που αντιστοιχεί σε έναν επίγειο σταθμό άμεσα κάτω από το δορυφόρο) είναι 239,6 χιλιοστά του δευτερολέπτου (msec). Για τους επίγειους σταθμούς στην άκρη της περιοχής άποψης του δορυφόρου, η απόσταση που διανύεται είναι 2 X 41.756 χλμ για μια συνολική καθυστέρηση διάδοσης της είναι 279,0 [ Mar78 ]. Αυτές οι καθυστερήσεις είναι για μια κανονική διαδρομή δορυφορικών σταθμών (ή "το λυκίσκο"). Επομένως, η καθυστέρηση διάδοσης για ένα μήνυμα και την αντίστοιχη απάντηση (ένα μετ' επιστροφής χρόνος ή RTT) θα μπορούσε να είναι τουλάχιστον 558. Το RTT δεν είναι βασισμένο απλώς στο δορυφορικό χρόνο διάδοσης. Το RTT θα αυξηθεί από άλλους παράγοντες στο δίκτυο, όπως ο χρόνος μετάδοσης και ο χρόνος διάδοσης άλλων συνδέσεων στην πορεία δικτύων και της καθυστέρησης αναμονής στις πύλες. Επιπλέον, η δορυφορική καθυστέρηση διάδοσης θα είναι πιο μακροχρόνια εάν η σύνδεση περιλαμβάνει τους πολλαπλάσιους λυκίσκους ή εάν χρησιμοποιούνται διαδορυφορικές συνδέσεις. Δεδομένου ότι οι δορυφόροι γίνονται πιο σύνθετοι και περιλαμβάνουν την επί του σκάφους επεξεργασία των σημάτων, η πρόσθετη καθυστέρηση μπορεί να προστεθεί. Άλλες τροχιές είναι δυνατές προς χρήση από τους δορυφόρους επικοινωνιών συμπεριλαμβανομένης της χαμηλής γήινης τροχιάς (LEO) [ Stu95 ] [ Mon98 ] και μέση γήινη τροχιά (MEO). Οι χαμηλότερες τροχιές απαιτούν τη χρήση των αστερισμών των δορυφόρων για τη σταθερή κάλυψη. Με άλλα λόγια, δεδομένου ότι ένας δορυφόρος αφήνει τη θέα του επίγειου σταθμού, ένας άλλος δορυφόρος εμφανίζεται στον ορίζοντα και το κανάλι αλλάζει.

Η καθυστέρηση διάδοσης σε μια τροχιά LEO κυμαίνεται από αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου κατά την επικοινωνία με έναν δορυφόρο άμεσα υπερυψωμένο, σε τουλάχιστον σε 80 όταν είναι ο δορυφόρος στον ορίζοντα. Αυτά τα συστήματα είναι πιθανότερο να χρησιμοποιήσουν διαδορυφορικά τις συνδέσεις και να έχουν τη μεταβλητή καθυστέρηση πορειών ανάλογα με τη δρομολόγηση μέσω του δικτύου.

Χαρακτηριστικά

Τα δορυφορικά κανάλια διαθέτουν δύο θεμελιώδη χαρακτηριστικά:

ΘΟΡΥΒΟΣ - η δύναμη ενός ραδιοσήματος μειώνεται αναλογικά προς το τετράγωνο της απόστασης που διανύεται. Για μια δορυφορική σύνδεση η απόσταση είναι μεγάλη και έτσι το σήμα γίνεται αδύνατο πριν φθάνει στον προορισμό του. Αυτό οδηγεί σε ένα χαμηλό σήμα προς τον θόρυβο σε αναλογία. Μερικές συχνότητες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στα ατμοσφαιρικά αποτελέσματα όπως η μείωση βροχής. Για τις κινητές εφαρμογές, τα δορυφορικά κανάλια είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην πολλαπλών διαδρομών διαστρέβλωση και να σκιάσουν (π.χ., παρεμπόδιση από τα κτήρια). Τα χαρακτηριστικά ποσοστά λάθους κομματιών (ΤΖΙΤΖΙΦΑ) για μια δορυφορική σύνδεση είναι σήμερα σε παραγγελία 1 λάθους ανά 10 εκατομμύριο μπιτ (1 X 10^7) ή λιγότερο συχνά. Η προηγμένη κωδικοποίηση ελέγχου λάθους (π.χ. Solomon) μπορεί να προστεθεί στις υπάρχουσες δορυφορικές υπηρεσίες και χρησιμοποιείται αυτήν την περίοδο από πολλές υπηρεσίες. Η δορυφορική ίνα απόδοσης λάθους θα γίνει πιο κοινή όπως η προηγμένη κωδικοποίηση ελέγχου λάθους χρησιμοποιείται στα νέα συστήματα. Εντούτοις, πολλά δορυφορικά συστήματα κληρονομιών θα συνεχίσουν να εκθέτουν τα υψηλότερα ΤΖΙΤΖΙΦΑ από τα νεότερα δορυφορικά συστήματα και τα επίγεια κανάλια.
ΕΥΡΟΣ ΖΏΝΗΣ - το ράδιο φάσμα είναι ένας περιορισμένος φυσικός πόρος, ως εκ τούτου υπάρχει ένα περιορισμένο ποσό εύρους ζώνης, διαθέσιμο στα δορυφορικά συστήματα που ελέγχεται χαρακτηριστικά από τις άδειες. Αυτή η έλλειψη το καθιστά δύσκολο να ανταλλάξει το εύρος ζώνης για να λύσει άλλα προβλήματα σχεδίου. Χαρακτηριστικές συχνότητες μεταφορέων για το ρεύμα, εμπορικές δορυφορικές υπηρεσίες είναι 6 GHz (uplink) και 4 GHz (κατιούσα σύνδεση), επίσης γνωστή ως ζώνη γ, και 14/12 GHz (ζώνη Ku). Μια νέα υπηρεσία σε 30/20 GHz (ζώνη Κα) θα προκύπτει κατά τη διάρκεια των επόμενων μερικών ετών. Οι δορυφορικοί ραδιοεπαναλήπτες είναι γνωστοί ως αναμεταδότες. Το παραδοσιακό εύρος ζώνης αναμεταδοτών ζωνών γ είναι χαρακτηριστικά 36 MHz για να προσαρμόσει ένα κανάλι έγχρωμης τηλεόρασης (ή 1200 κανάλια φωνής). Οι αναμεταδότες ζωνών Ku είναι χαρακτηριστικά περίπου 50 MHz. Επιπλέον, ένας δορυφόρος μπορεί να φέρει μερικές δωδεκάδες αναμεταδότες. Όχι μόνο το εύρος ζώνης περιορίζεται από τη φύση, αλλά οι κατανομές για τις εμπορικές επικοινωνίες περιορίζονται με τις διεθνείς συμφωνίες έτσι ώστε αυτός ο λιγοστός πόρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί αρκετά από πολλές διαφορετικές εφαρμογές. Αν και οι δορυφόροι έχουν ορισμένα μειονεκτήματα όταν συγκρίνονται με τα κανάλια ινών (π.χ., δεν μπορεί να επισκευαστεί εύκολα, η βροχή εξασθενίζει, κ.λπ.), έχουν επίσης ορισμένα πλεονεκτήματα πέρα από τις επίγειες συνδέσεις. Κατ' αρχάς, οι δορυφόροι έχουν μια φυσική ικανότητα ραδιοφωνικής μετάδοσης. Αυτό δίνει στους δορυφόρους ένα πλεονέκτημα για τις πολλαπλής διανομής εφαρμογές. Έπειτα, οι δορυφόροι μπορούν να φθάσουν γεωγραφικά στις απομακρυσμένες περιοχές ή τις χώρες που έχουν λίγη επίγεια υποδομή. Ένα σχετικό πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα των δορυφορικών συνδέσεων να επιτευχθούν οι κινητοί χρήστες.

Τα δορυφορικά κανάλια έχουν διάφορα χαρακτηριστικά που διαφέρουν από τα περισσότερα επίγεια κανάλια. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να υποβιβάσουν την απόδοση του TCP και περιλαμβάνουν:

Μακροχρόνιο σύστημα ανατροφοδότησης πληροφοριών: Λόγω της καθυστέρησης διάδοσης μερικών δορυφορικών καναλιών (π.χ., περίπου 250 πέρα από έναν γεωσύγχρονο δορυφόρο) μπορεί να χρειαστεί μεγάλο σχετικά χρονικό διάστημα σε έναν αποστολέα TCP να καθορίσει εάν ένα πακέτο έχει παραληφθεί ή όχι επιτυχώς από τον τελικό προορισμό. Αυτή η καθυστέρηση βλάπτει τις διαλογικές εφαρμογές όπως το Telnet, καθώς επίσης και μερικούς από τους αλγορίθμους ελέγχου συμφόρησης TCP.
Μεγάλο προϊόν delay*bandwidth: Το γινόμενο delay*bandwidth (DBP) καθορίζει το ποσό των στοιχείων που ένα πρωτόκολλο πρέπει να έχει "κατά την πτήση" (στοιχείο που έχει διαβιβαστεί, αλλά όχι ακόμα αναγνωρισμένο) σε οποιοδήποτε χρόνο να χρησιμοποιηθεί πλήρως η διαθέσιμη ικανότητα καναλιών. Η καθυστέρηση που χρησιμοποιείται σε αυτήν την εξίσωση είναι το RTT και το εύρος ζώνης είναι η ικανότητα της σύνδεσης δυσχερειών στην πορεία δικτύων. Επειδή η καθυστέρηση σε μερικά δορυφορικά περιβάλλοντα είναι μεγάλη, το TCP θα πρέπει να κρατήσει έναν μεγάλο αριθμό πακέτων "κατά την πτήση" (δηλαδή σταλμένος αλλά όχι ακόμα αναγνωρισμένος).
Λάθη μετάδοσης: Τα δορυφορικά κανάλια εκθέτουν ένα υψηλότερο ποσοστό κομμάτι-λάθους (ΤΖΙΤΖΙΦΑ) από τα χαρακτηριστικά επίγεια δίκτυα. Το TCP χρησιμοποιεί όλες τις πτώσεις πακέτων ως σήματα της συμφόρησης δικτύων και μειώνει το μέγεθος παραθύρων του σε μία προσπάθεια να ανακουφιστεί η συμφόρηση. Ελλείψει της γνώσης γιατί ένα πακέτο έπεσε (συμφόρηση ή δωροδοκία), το TCP πρέπει να υποθέσει ότι η πτώση οφειλόταν στη συμφόρηση δικτύων να αποφύγει την κατάρρευση συμφόρησης [ Jac88 ] [ FF98 ]. Επομένως, πακέτα που πέφτουν λόγω στο TCP αιτίας δωροδοκίας για να μειώσει το μέγεθος του γλιστρώντας από το παράθυρο του, ακόμα κι αν αυτές οι πτώσεις πακέτων δεν επισημαίνουν τη συμφόρηση στο δίκτυο.
Ασυμμετρική χρήση: Λόγω στη δαπάνη του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για να στείλει τα στοιχεία στους δορυφόρους, τα ασυμμετρικά δορυφορικά δίκτυα κατασκευάζονται συχνά. Παραδείγματος χάριν, ένας οικοδεσπότης που συνδέεται με ένα δορυφορικό δίκτυο θα στείλει όλη την εξερχόμενη κυκλοφορία πέρα από μια αργή επίγεια σύνδεση (όπως ένα κανάλι διαμορφωτών - επιλογών) και θα λάβει την εισερχόμενη κυκλοφορία μέσω του δορυφορικού καναλιού. Μια άλλη κοινή κατάσταση προκύπτει όταν στέλνεται η εισερχόμενη και εξερχόμενη κυκλοφορία χρησιμοποιώντας μια δορυφορική σύνδεση, αλλά uplink έχει τη λιγότερη διαθέσιμη ικανότητα από την κατιούσα σύνδεση λόγω στη δαπάνη της συσκευής αποστολής σημάτων που απαιτείται για να παρέχει ένα υψηλό πίσω κανάλι εύρους ζώνης. Αυτή η ασυμμετρία μπορεί να ασκήσει επίδραση στην απόδοση TCP.
Μεταβλητοί χρόνοι στρογγυλού ταξιδιού: Σε μερικά δορυφορικά περιβάλλοντα, όπως οι αστερισμοί χαμηλής-γήινης τροχιάς (LEO), η καθυστέρηση διάδοσης από το δορυφόρο ποικίλλει μέσα στο χρόνο. Εάν αυτό θα ασκήσει ή όχι επίδραση στην απόδοση TCP είναι αυτήν την περίοδο μια ανοικτή ερώτηση.
Διαλείπουσα συνδετικότητα: Στις δορυφορικές διαμορφώσεις τροχιάς μη-γεωσύγχρονης, οι συνδέσεις TCP πρέπει να μεταφερθούν από έναν δορυφόρο σε ένα άλλο ή από έναν επίγειο σταθμό σε άλλο κατά διαστήματα. Αυτό το handoff μπορεί να προκαλέσει την απώλεια πακέτων εάν δεν εκτελείται κατάλληλα. Τα περισσότερα δορυφορικά κανάλια διαθέτουν μόνο ένα υποσύνολο των ανωτέρω χαρακτηριστικών. Επιπλέον, τα δορυφορικά δίκτυα δεν είναι τα μόνα περιβάλλοντα όπου τα ανωτέρω χαρακτηριστικά βρίσκονται. Εντούτοις, τα δορυφορικά δίκτυα τείνουν να εκθέσουν περισσότερους των ανωτέρω προβλημάτων, ή τα ανωτέρω προβλήματα επιδεινώνονται στο δορυφορικό περιβάλλον. Οι μηχανισμοί που περιγράφονται στο παρόν έγγραφο πρέπει να ωφελήσουν τα περισσότερα δίκτυα, ειδικά εκείνοι με ένα ή περισσότερα από τα ανωτέρω χαρακτηριστικά (π.χ., σε δίκτυα Gigabit εμφανίζονται υψηλές τιμές στο γινόμενο delay*bandwidth).

Μηχανισμοί μη TCP

Οι χαμηλότεροι μετριασμοί επιπέδων αυτό συστήνονται ότι εκείνοι που χρησιμοποιούν τα δορυφορικά κανάλια στα δίκτυά τους πρέπει να χρησιμοποιήσουν τους ακόλουθους δύο μηχανισμούς μη-TCP που μπορούν να αυξήσουν την απόδοση TCP. Αυτοί οι μηχανισμοί είναι ανακάλυψη πορειών MTU και μπροστινή διόρθωση λάθους (FEC) και περιγράφονται στα εξής δύο τμήματα. Το πρωτόκολλο στρώματος συνδέσεων στοιχείων που χρησιμοποιείται πέρα από ένα δορυφορικό κανάλι μπορεί να ασκήσει μεγάλη επίδραση στην απόδοση των υψηλότερων πρωτοκόλλων στρώματος. Ενώ πέρα από το πεδίο του παρόντος εγγράφου, εκείνοι που κατασκευάζουν τα δορυφορικά δίκτυα πρέπει να συντονίσουν αυτά τα πρωτόκολλα κατά τρόπο κατάλληλο για να εξασφαλίσουν ότι το πρωτόκολλο συνδέσεων στοιχείων δεν περιορίζει την απόδοση TCP. Ειδικότερα, τα πρωτόκολλα στρώματος συνδέσεων στοιχείων εφαρμόζουν συχνά τους μηχανισμούς ροής ελέγχου παραθύρων και αναμετάδοσης. Όταν το μέγεθος παραθύρων επιπέδων συνδέσεων είναι πάρα πολύ μικρό, η απόδοση θα υποφέρει ακριβώς όπως όταν το μέγεθος παραθύρων TCP είναι πάρα πολύ μικρό. Επίδραση που οι αναμεταδόσεις επιπέδων συνδέσεων ασκούν στις μεταφορές TCP αυτήν την περίοδο καλά δεν γίνεται κατανοητή. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των αναμεταδόσεων TCP και των αναμεταδόσεων επιπέδων συνδέσεων είναι ένα θέμα για την περαιτέρω έρευνα.

3.1. Η ανακάλυψη πορειών MTU ανακαλύψεων πορειών MTU [ MD90 ] χρησιμοποιείται για να καθορίσει το μέγιστο μέγεθος πακέτων που μια σύνδεση μπορεί να χρησιμοποιήσει σε μια δεδομένη πορεία δικτύων χωρίς υποβολή στον τεμαχισμό IP. Ο αποστολέας διαβιβάζει ένα πακέτο που είναι το κατάλληλο μέγεθος για το τοπικό δίκτυο στο οποίο συνδέεται (π.χ., 1500 ψηφιολέξεις σε ένα Ethernet) και θέτει την IP "δεν τεμαχίζει" το κομμάτι (DF). Εάν το πακέτο είναι πάρα πολύ μεγάλο για να διαβιβαστεί χωρίς τεμαχισμό σε ένα δεδομένο κανάλι κατά μήκος της πορείας δικτύων, η πύλη που θα τεμάχιζε κανονικά το πακέτο και θα διαβίβαζε τα τεμάχια θα επιστρέψει αντ’ αυτού ένα μήνυμα ICMP στο δημιουργό του πακέτου. Το μήνυμα ICMP θα δείξει ότι το αρχικό τμήμα δεν θα μπορούσε να διαβιβαστεί χωρίς τεμαχισμό και περιέχει επίσης το μέγεθος του μεγαλύτερου πακέτου που μπορεί να διαβιβαστεί από την πύλη. Οι πρόσθετες πληροφορίες από το IESG σχετικά με την ανακάλυψη πορειών MTU είναι διαθέσιμες μέσα [ Kno93 ]. Η ανακάλυψη πορειών MTU επιτρέπει στο TCP για να χρησιμοποιήσει το μεγαλύτερο πιθανό μέγεθος πακέτων, χωρίς ανάληψη του κόστους του τεμαχισμού και της επανασυναρμολόγησης. Τα μεγάλα πακέτα μειώνουν τα γενικά έξοδα πακέτων με την αποστολή περισσότερων ψηφιολέξεων στοιχείων ανά υπερυψωμένη ψηφιολέξη. Σύμφωνα με την παράγραφο 4, το αυξανόμενο παράθυρο συμφόρησης του TCP είναι τμήμα που βασίζεται, παρά την ψηφιολέξη που βασίζεται και επομένως, τα μεγαλύτερα τμήματα επιτρέπουν στους αποστολείς TCP για να αυξήσουν το παράθυρο συμφόρησης γρηγορότερα, από την άποψη των ψηφιολέξεων, από τα μικρότερα τμήματα. Το μειονέκτημα της ανακάλυψης πορειών MTU είναι ότι μπορεί να προκαλέσει μια καθυστέρηση προτού να είσαι σε θέση να αρχίσει το TCP τα στοιχεία. Παραδείγματος χάριν, υποθέστε ότι ένα πακέτο στέλνεται με το df σύνολο κομματιών και μια από τις πύλες να επέμβει (G1) και επιστρέφει ένα μήνυμα ICMP που δείχνει ότι δεν μπορεί να διαβιβάσει το τμήμα. Σε αυτό το σημείο, ο οικοδεσπότης μειώνει το μέγεθος πακέτων ανά μήνυμα ICMP που επιστρέφεται από G1 και στέλνει ένα άλλο πακέτο με το df σύνολο κομματιών. Το πακέτο θα διαβιβαστεί από G1, εντούτοις αυτό δεν εξασφαλίζει ότι όλες οι επόμενες πύλες στην πορεία δικτύων θα είναι σε θέση να διαβιβάσουν το τμήμα. Εάν μια δεύτερη πύλη (G2) μην μπορέσει να διαβιβάσει το τμήμα θα επιστρέψει ένα μήνυμα ICMP στο διαβιβάζοντας οικοδεσπότη και η διαδικασία θα επαναληφθεί. Επομένως, η ανακάλυψη πορειών MTU μπορεί να ξοδέψει ένα μεγάλο χρονικό διάστημα που καθορίζει το μέγιστο επιτρεπόμενο μέγεθος πακέτων στην πορεία δικτύων μεταξύ του αποστολέα και του δέκτη. Οι δορυφορικές καθυστερήσεις μπορούν να επιδεινώσουν αυτό το πρόβλημα. Εντούτοις, στην πράξη, η ανακάλυψη πορειών MTU δεν καταναλώνει ένα μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω στην ευρεία υποστήριξη των κοινών τιμών MTU. Επιπλέον, οι εναποθηκεύοντας τιμές MTU μπορούν να είναι σε θέση να αποβάλουν το χρόνο ανακαλύψεων σε πολλές περιπτώσεις, αν και η ακριβής εφαρμογή αυτού και της γήρανσης των εναποθηκευμένων τιμών παραμένει ένα ανοικτό πρόβλημα. Η σχέση μεταξύ των ΤΖΙΤΖΙΦΩΝ και του μεγέθους τμήματος είναι πιθανόν να ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά λάθους του δεδομένου καναλιού. Ενώ η ακριβής μέθοδος για το καλύτερο MTU για μια δορυφορική σύνδεση είναι έξω από το πεδίο ότι του παρόντος εγγράφου, η χρήση της ανακάλυψης πορειών MTU συστήνεται για να επιτρέψει στο TCP για να χρησιμοποιήσει το μεγαλύτερο πιθανό MTU πέρα από το δορυφορικό κανάλι.

3.2. Το μπροστινό γεγονός απώλειας διορθώσεων Α λάθους στο TCP ερμηνεύεται πάντα ως ένδειξη της συμφόρησης και αναγκάζει πάντα το TCP για να μειώσει το μέγεθος παραθύρων συμφόρησής του. Από τη συμφόρηση το παράθυρο γίνεται βασισμένο στις αναγνωρίσεις επιστροφής, το TCP ξοδεύει έναν μακροχρόνιο χρόνο που ανακτεί από την απώλεια κατά λειτουργία στα δορυφορικά δίκτυα. Όταν η απώλεια πακέτων οφείλεται στη δωροδοκία, παρά τη συμφόρηση, το TCP δεν πρέπει να μειώσει το μέγεθος παραθύρων συμφόρησής του. Εντούτοις, αυτή την περίοδο να ανιχνεύσει την απώλεια δωροδοκίας είναι ένα ερευνητικό ζήτημα. Επομένως, για το TCP για να λειτουργήσει αποτελεσματικά, τα χαρακτηριστικά καναλιών πρέπει να είναι τέτοια που σχεδόν όλη η απώλεια οφείλεται στη συμφόρηση δικτύων. Η χρήση της μπροστινής κωδικοποίησης διορθώσεων λάθους (FEC) σε μια δορυφορική σύνδεση πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει το ποσοστό κομμάτι-λάθους (ΤΖΊΤΖΙΦΑ) του δορυφορικού καναλιού. Η μείωση των ΤΖΙΤΖΙΦΩΝ είναι όχι πάντα δυνατή στα δορυφορικά περιβάλλοντα. Εντούτοις, δεδομένου ότι το TCP παίρνει έναν μακροχρόνιο χρόνο να ανακτήσει από τα χαμένα πακέτα επειδή η μακροχρόνια καθυστέρηση διάδοσης που επιβάλλεται από μια δορυφορική ανατροφοδότηση καθυστερήσεων συνδέσεων από το δέκτη [ PS97 ], η σύνδεση πρέπει να γίνει όσο το δυνατόν καθαρότερη να αποτρέψει τις συνδέσεις TCP από τη λήψη των ψεύτικων σημάτων συμφόρησης. Το παρόν έγγραφο δεν υποβάλλει μια συγκεκριμένη σύσταση ΤΖΙΤΖΙΦΩΝ γιατί το TCP εκτός φυσικά πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Το FEC δεν πρέπει να αναμένεται για να καθορίσει όλα τα προβλήματα που συνδέονται με τις θορυβώδεις δορυφορικές συνδέσεις. Υπάρχουν μερικές καταστάσεις όπου FEC δεν μπορεί να αναμένεται για να λύσει το πρόβλημα θορύβου (όπως το στρατιωτικό μπλοκάρισμα, οι βαθιές διαστημικές αποστολές, θόρυβος που προκαλείται από τη βροχή εξασθενίζουν, κ.λπ.). Επιπλέον, οι διακοπές λειτουργίας συνδέσεων μπορούν επίσης να προκαλέσουν τα προβλήματα στα δορυφορικά συστήματα που δεν εμφανίζονται όπως συχνά στα επίγεια δίκτυα. Τέλος, FEC δεν είναι χωρίς κόστος. FEC απαιτεί το πρόσθετο υλικό και χρησιμοποιεί μερικά από το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Μπορεί να προσθέσει την καθυστέρηση και το συγχρονισμό jitter που οφείλεται στο χρόνο επεξεργασίας του κωδικοποιητή /του αποκωδικοποιητή. Η περαιτέρω έρευνα απαιτείται στους μηχανισμούς που επιτρέπουν ότι το TCP για να διαφοροποιήσει μεταξύ της συμφόρησης προκάλεσε τις πτώσεις και εκείνοι που προκλήθηκαν από τη δωροδοκία. Ένας τέτοιος μηχανισμός θα επέτρεπε στο TCP για να αποκριθεί στη συμφόρηση κατά τρόπο κατάλληλο, καθώς επίσης και επισκευάζοντας τη δωροδοκία, απώλεια χωρίς μείωση του ποσοστού μετάδοσης. Εντούτοις, έλλειψη ενός τέτοιου πακέτου μηχανισμών η απώλεια πρέπει να υποτίθεται ότι έδειξε τη συμφόρηση για να συντηρήσει τη σταθερότητα δικτύων. Ανακριβώς να ερμηνεύσουν την απώλεια όπως προκαλείται από τη δωροδοκία και η μη μείωση του ποσοστού μετάδοσης μπορούν αναλόγως να οδηγήσουν στη συμφορητική κατάρρευση [ Jac88 ] [ FF98 ].

Απαραίτητοι μηχανισμοί TCP

Οι τυποποιημένοι μηχανισμοί TCP αυτό το τμήμα περιγράφουν τους μηχανισμούς TCP που μπορούν να είναι απαραίτητοι στα δορυφορικά ή υβριδικά δορυφορικά / επίγεια δίκτυα για να χρησιμοποιήσουν καλύτερα τη διαθέσιμη ικανότητα της σύνδεσης. Αυτοί οι μηχανισμοί μπορούν επίσης να απαιτηθούν για να χρησιμοποιήσουν πλήρως τα γρήγορα επίγεια κανάλια. Επιπλέον, αυτοί οι μηχανισμοί δεν βλάπτουν πλήρως την απόδοση σε ένα κοινό επίγειο δίκτυο. Κάθε ένα από τα εξής τμήματα περιγράφει έναν μηχανισμό και γιατί εκείνος ο μηχανισμός μπορεί να απαιτηθεί. 4.1. Ο έλεγχος συμφόρησης για να αποφύγει ένα ακατάλληλο ποσό κυκλοφορίας δικτύων για τους τρέχοντες όρους δικτύων, κατά τη διάρκεια ενός TCP σύνδεσης χρησιμοποιεί τέσσερις μηχανισμούς ελέγχου συμφόρησης [ Jac88 ] [ Jac90 ] [ Ste97 ]. Αυτοί οι αλγόριθμοι είναι αργή έναρξη, αποφυγή συμφόρησης, αναμετάδοση γρήγορη και γρήγορη αποκατάσταση. Αυτοί οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται για να ρυθμίσουν το ποσό μη αναγνωρισμένων στοιχείων που μπορούν να μεταδοθούν στο δίκτυο και να αναμεταδώσουν τα τμήματα από το δίκτυο που πέφτουν. Οι αποστολείς TCP χρησιμοποιούν δύο κρατικές μεταβλητές για να ολοκληρώσουν τον έλεγχο συμφόρησης. Η πρώτη μεταβλητή είναι το παράθυρο συμφόρησης (cwnd). Αυτό είναι ένας ανώτερος που δεσμεύεται στο ποσά στοιχεία που ο αποστολέας μπορεί να μεταδώσει στο δίκτυο πριν λάβει μια αναγνώριση (ack). Η αξία του cwnd περιορίζεται στο διαφημισμένο παράθυρο του δέκτη. Το παράθυρο συμφόρησης αυξάνεται ή μειώνεται κατά τη διάρκεια της μεταφοράς βασισμένης στο προκύψαντα ποσό συμφόρησης στο παρόν δίκτυο. Η δεύτερη μεταβλητή είναι το αργό κατώτατο όριο έναρξης (ssthresh). Αυτή η μεταβλητή καθορίζει ποιος αλγόριθμος χρησιμοποιείται για να αυξήσει την αξία του cwnd. Εάν cwnd είναι ssthresh λιγότερο, ο αργός αλγόριθμος έναρξης χρησιμοποιείται για να αυξήσει την αξία του cwnd. Εντούτοις, εάν cwnd είναι μεγαλύτερο ή ίσο (ή ακριβώς μεγαλύτερος απ' ό,τι σε μερικές εφαρμογές TCP) ssthresh ο αλγόριθμος αποφυγής συμφόρησης χρησιμοποιείται. Η αρχική αξία του ssthresh είναι το διαφημισμένο μέγεθος παραθύρων του δέκτη. Επιπλέον, η τιμή του ssthresh τίθεται όταν ανιχνεύεται η συμφόρηση. Οι τέσσερις αλγόριθμοι ελέγχου συμφόρησης περιγράφονται κατωτέρω, ακολουθούμενος από μια συνοπτική συζήτηση του αντίκτυπου των δορυφορικών περιβαλλόντων σε αυτούς τους αλγορίθμους.

4.1.1. Η αργή αποφυγή έναρξης και συμφόρησης όταν αρχίζει ένας οικοδεσπότης στα στοιχεία όσον αφορά μια σύνδεση TCP τον οικοδεσπότη δεν έχει καμία γνώση της τρέχουσας κατάστασης του δικτύου μεταξύ του και του δέκτη στοιχείων. Προκειμένου να αποφύγει μια άπρεπα μεγάλη έκρηξη της κυκλοφορίας, ο αποστολέας στοιχείων πρέπει για να χρησιμοποιήσει τον αργό αλγόριθμο έναρξης στην αρχή μιας μεταφοράς. Η αργή έναρξη αρχίζει με τη μονογραφή cwnd σε 1 τμήμα (αν και ένας πειραματικός μηχανισμός IETF θα αύξανε το μέγεθος του αρχικού παραθύρου σε κατά προσέγγιση 4 Kbytes [ AFP98 ]) και ssthresh στο διαφημισμένο παράθυρο του δέκτη. Αυτό αναγκάζει το TCP για να διαβιβάσει ένα τμήμα και να περιμένει το αντίστοιχο ack. Για κάθε ack που παραλαμβάνεται κατά τη διάρκεια της αργής έναρξης, η αξία του cwnd αυξάνεται από 1 τμήμα. Παραδείγματος χάριν, αφότου παραλαμβάνεται το πρώτο ack cwnd θα είναι 2 τμήματα και ο αποστολέας έχει την άδεια για να διαβιβάσει 2 πακέτα στοιχείων. Αυτό συνεχίζεται έως ότου cwnd συναντιέται ή υπερβαίνει ssthresh (ή, σε μερικές εφαρμογές όταν cwnd είναι ίσος με ssthresh), ή απώλεια ανιχνεύεται. Όταν η αξία του cwnd είναι μεγαλύτερο ή ίσο (ή ίσος σε ορισμένες εφαρμογές) ssthresh ο αλγόριθμος αποφυγής συμφόρησης χρησιμοποιείται για να αυξηθεί cwnd [ Jac88 ] [ Bra89 ] [ Ste97 ]. Αυτός ο αλγόριθμος αυξάνει το μέγεθος του cwnd πιο αργά από να επιβραδύνει την έναρξη. Η αποφυγή συμφόρησης χρησιμοποιείται για να εξετάσει αργά το δίκτυο για την πρόσθετη ικανότητα. Κατά τη διάρκεια της συμφόρησης η αποφυγή, cwnd αυξάνεται από τον 1/cwnd για κάθε εισερχόμενο ack. Επομένως, εάν ένα ack παραλαμβάνεται για κάθε τμήμα στοιχείων, cwnd θα αυξηθεί κατά προσέγγιση 1 τμήμα ανά μετ' επιστροφής χρόνου (RTT). Οι αργοί αλγόριθμοι ελέγχου έναρξης και συμφόρησης μπορούν να αναγκάσουν τη φτωχή χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης καναλιών κατά χρησιμοποίηση των long-delay δορυφορικών δικτύων [ All97 ]. Παραδείγματος χάριν, η μετάδοση αρχίζει με τη μετάδοση ενός τμήματος. Αφότου διαβιβάζεται το πρώτο τμήμα ο αποστολέας στοιχείων αναγκάζεται να περιμένει το αντίστοιχο ack. Κατά χρησιμοποίηση ενός δορυφόρου GSO αυτό οδηγεί σε έναν μη χρόνο απασχόλησης κατά προσέγγιση 500, όταν δεν ολοκληρώνεται καμία χρήσιμη εργασία. Επομένως, η αργή έναρξη παίρνει περισσότερο πραγματικό χρόνο πέρα από τους δορυφόρους GSO απ' ό,τι στα χαρακτηριστικά επίγεια κανάλια. Αυτό ισχύει για την αποφυγή συμφόρησης, επίσης [ All97 ]. Αυτό είναι ακριβώς γιατί η ανακάλυψη πορειών MTU είναι ένας σημαντικός αλγόριθμος. Ενώ ο αριθμός τμημάτων που διαβιβάζουμε καθορίζεται από τους αλγορίθμους ελέγχου συμφόρησης, το μέγεθος αυτών των τμημάτων δεν είναι. Επομένως, η χρησιμοποίηση των μεγαλύτερων πακέτων θα επιτρέψει στο TCP για να στείλει περισσότερα στοιχεία ανά τμήμα που παράγει την καλύτερη χρησιμοποίηση καναλιών.

4.1.2. Γρήγορη αναμετάδοση και ο μηχανισμός προεπιλογής του γρήγορου TCP αποκατάστασης για να ανιχνεύσει τα πεταγμένα τμήματα, είναι ένα διάλειμμα [ Pos81 ]. Με άλλα λόγια, εάν ο αποστολέας δεν λαμβάνει ένα ack για ένα δεδομένο πακέτο μέσα στο αναμενόμενο χρονικό διάστημα το τμήμα θα αναμεταδοθεί. Το διάλειμμα αναμετάδοσης (RTO) είναι βασισμένο στις παρατηρήσεις του RTT. Εκτός από την αναμετάδοση ενός τμήματος όταν λήγει το RTO, το TCP χρησιμοποιεί επίσης το χαμένο τμήμα ως ένδειξη της συμφόρησης στο δίκτυο. Σε απάντηση στη συμφόρηση, η αξία του ssthresh τίθεται κατά το ήμισυ του cwnd και η αξία του cwnd μειώνεται έπειτα σε 1 τμήμα. Αυτό προκαλεί τη χρήση του αργού αλγορίθμου έναρξης για να αυξηθεί cwnd έως ότου φθάνει η αξία του cwnd στη μισή από την αξία της όταν ανιχνεύθηκε η συμφόρηση. Μετά από την αργή φάση έναρξης, ο αλγόριθμος αποφυγής συμφόρησης χρησιμοποιείται για να εξετάσει το δίκτυο για την πρόσθετη ικανότητα. Το TCP ACKs αναγνωρίζει πάντα το υψηλότερο τμήμα-ΔΙΑΤΑΓΉΣ που έχει φθάσει. Επομένως ένα ack για το τμήμα Χ επίσης αποτελεσματικά ACKs όλα τα τμήματα.

Δορυφορικά κανάλια

Ο συνοπτικός πίνακας 1 μετριασμού συνοψίζει τους μηχανισμούς που έχουν συζητηθεί στο παρόν έγγραφο. Εκείνοι οι μηχανισμοί που δείχνονται "συστημένος" είναι μηχανισμοί διαδρομής προτύπων IETF που συστήνονται από τους συντάκτες για τη χρήση στα δίκτυα που περιέχουν τα δορυφορικά κανάλια. Εκείνοι οι μηχανισμοί που χαρακτηρίζονται "απαιτημένος" έχουν καθοριστεί από το IETF όπως απαιτείται για τους οικοδεσπότες χρησιμοποιώντας το κοινό Διαδίκτυο [ Bra89 ]. Μαζί με το τμήμα του παρόντος εγγράφου που περιέχει τη συζήτηση κάθε μηχανισμού, σημειώνουμε όπου ο μηχανισμός πρέπει να εφαρμοστεί. Οι κώδικες που απαριθμούνται στην τελευταία στήλη καθορίζονται ως εξής: "S" για τον αποστολέα στοιχείων, "R" για το δέκτη στοιχείων και "L" για τη δορυφορική σύνδεση.

        Μηχανισμός              Χρήση           Τμήμα   Όπου
  +---------------------------+----------------+-------+-----+
  | Πορεία- Mtu ανακάλυψη     |   Συστημένος    | 3.1  |  S  |
  |  FEC                      |   Συστημένος    | 3.2  |  L  |
  | Έλεγχος συμφόρησης TCP    |                 |      |     |
  |  Αργή έναρξη              |   Απαιτημένος   |4.1.1 |  S  |
  |  Αποφυγή συμφόρησης       |   Απαιτημένος   |4.1.1 |  S  |
  |  Γρήγορη αναμετάδοση      |   Συστημένος    |4.1.2 |  S  |
  |   Γρήγορη αποκατάσταση    |   Συστημένος    |4.1.2 |  S  |
  | Μεγάλα παράθυρα TCP       |                 |      |     |
  |  Ξελέπιασμα παραθύρων     |   Συστημένος    | 4.2  | S,R |
  |   PAWS                    |   Συστημένος    | 4.2  | S,R |
  |   RTTM                    |   Συστημένος    | 4.2  | S,R |
  | TCP SACKs                 |   Συστημένος    | 4.4  | S,R |
  +-----------------------------------+------------------+---+
                               Πίνακας 1

Οι δορυφορικοί χρήστες πρέπει να ελέγξουν ότι με τους προμηθευτές TCP (εφαρμοστές) για να εξασφαλίσουν ότι οι συνιστώμενοι μηχανισμοί υποστηρίζονται από τη σημερινή και/ ή τις μελλοντικές εκδόσεις. Εναλλακτικά, το κέντρο υπερυπολογιστών του Πίτσμπουργκ ακολουθεί τις εφαρμογές TCP και που επεκτάσεις που υποστηρίζουν, καθώς επίσης και παρέχοντας τις οδηγίες σχετικά με εφαρμογές TCP συντονισμού τις διάφορες [ PSC ]. Η έρευνα στη βελτίωση της αποδοτικότητας του TCP πέρα από τα δορυφορικά κανάλια βρίσκεται σε εξέλιξη και θα συνοψιστεί σε ένα προγραμματισμένο υπόμνημα μαζί με άλλες εκτιμήσεις, όπως οι δορυφορικές δικτυακές αρχιτεκτονικές.

Δορυφορικό διαδίκτυο

Η παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών (broadband) με υψηλές ταχύτητες επιτυγχάνεται μέσω του Δορυφορικού Internet (Internet over Satellite). Το Δορυφορικό Διαδίκτυο (Internet) απευθύνεται κυρίως σε επαγγελματίες, μικρομεσαίες επιχειρήσεις ή άλλους χρήστες οι οποίοι χρησιμοποιούν το Διαδίκτυο ως μέσο λήψης και εκπομπής μεγάλου όγκου δεδομένων μέσω web ή όπου η επίγεια υποδομή δε μπορεί να ικανοποιήσει τις ανάγκες τους για υψηλές ταχύτητες και νέα τεχνολογικά δεδομένα λόγω της τοπολογίας του εδάφους!

Η χρήση του δορυφορικού διαδικτύου μπορεί να γίνει με δυο τρόπους:

Ο πρώτος τρόπος είναι η μονόδρομη δορυφορική σύνδεση, που επιτρέπει μόνο downloading. Πρόκειται δηλαδή για έναν συνδυασμό επίγειας και δορυφορικής σύνδεσης. Ο χρήστης, ανεξάρτητα του τι επίγεια σύνδεση διαθέτει, πρέπει να εφοδιασθεί με το ειδικό δορυφορικό "πιάτο" και την ειδική κάρτα σύνδεσης του δέκτη με τον υπολογιστή.
Ο δεύτερος τρόπος δορυφορικής σύνδεσης που ανεξαρτητοποιεί εντελώς τον χρήστη από τα επίγεια καλώδια και τους τηλεφωνικούς - Διαδικτυακούς παρόχους είναι η αμφίδρομη δορυφορική σύνδεση, που προσφέρεται ειδικά για τις επιχειρήσεις σε χαμηλή τιμή. Η σύνδεση αυτή υποστηρίζει ταχύτητες 128 Κbps στο downloading και browsing έως 512 Kbps.

Παραπομπές

Βιβλιογραφία