Satelitní internet KASAT

ke stažení: http://www.satkom.cz/terminal_kasat.doc

V roce 2008 přišel na český trh produkt Tooway pro satelitní připojení k Internetu. Až dosud jde o systém s nejlepším poměrem cena/výkon.  Služby fungují převážně v pásmu Ka (příjem na kmitočtu 20 GHz, vysílání 30 GHz) na satelitech HB6 (tzv. služba „pre-kasat“) a od června 2011 na satelitu KA-SAT. Verze pro pásmo Ku na satelitu EB3 končí v létě 2012 s možností převodu na KA-SAT.

Služby na satelitu KA-SAT jsou od rychlostí 4/1 Mbit/s až po 10/4 Mbit/s s různě velkým předplaceným objemem dat. Po jeho překročení je rychlost snížena např. na 1024/256 kbit/s – tedy na rychlost, která je uváděna je maximální u některých jiných satelitních připojení k Internetu s tzv. neomezeným objemem dat.

Nicméně cílem tohoto článku je spíše technická stránka satelitního přenosu. Systém používá – na rozdíl od starších technologií VSAT – tzv. ACM, tedy adaptivní kódovou modulaci a také UPC – uplink power control. Spolu se systémem ALC satelitu – udržování úrovně signálu podle počasí na Zemi – jde o velmi robustní zabezpečení dostupnosti satelitního přenosu. To samozřejmě za předpokladu přesného zaměření antény.

1.       Zaměření antény

Přesné zaměření antény je základní podmínkou dosažení max. přenosové rychlosti především na vysílání. Je nutno vidět, že vyzařovací  charakteristika antény na vysílaní  pro pokles o 3 dB (tedy na polovinu signálu) je pouze asi 0,9-0,95°, na příjmu to je cca 1,5°. Pokud ale uživatel zaměří anténu na příjmu s chybou 3 dB, pokles zisku na vysílání je cca 10 dB – bude tedy potřebovat pro stejnou úroveň signálu na příjmu stanice HUB 10 x větší výkon než při zaměření antény na maximum. Vyplatí se proto věnovat

zaměření antény max. pozornost a ověřit přesné zaměření podle údaje z modemu, ne pouze podle akustické signalizace anténní jednotky – zejména pokud to někdo dělá poprvé nebo méně často. Anténa o průměru 75 cm v pásmu Ka má totiž parametry srovnatelné s anténou o průměru 1,5 m v pásmu Ku. Kruhový obrázek ukazuje, že anténní jednotka detekuje nosnou v rozsahu +- 2,5°od jejího maxima, přičemž modem by se měl zalokovat v rozsahu +-1,8° – 2°. To je samozřejmě úroveň nevyhovující pro činnost a s takovou chybou by se terminál nepodařilo registrovat ani v případě, že by úroveň signálu na příjmu – tzv. RX SNR bylo 9 dB. Vysílací výkon by nedokázal kompenzovat tak velkou ztrátu signálu vlivem úzké vyzařovací charakteristiky antény. Je proto nutné se „trefit do černého, resp. zeleného kroužku“, kde je chyba max. několik desetin dB (údaj SNR na modemu poskakuje v rozsahu cca 0,3 dB, je třeba vždy chvíli počkat na špičkovou hodnotu a na šroubovici při jemném zaměřování neotáčet matkou o více, než ¼ závitu.  Pokud použijeme k zaměření antény spektrální analyzátor, pak v závislosti na poloze terminálu a pokrytí území jednotlivými spoty satelitu KASAT uvidíme 1 až 3 signály, na které se modem může zalokovat. Ale pozor! Jde sice o satelitní příjem v pásmu Ka, ale mezifrekvence není v pásmu „L“ (950 – 2150 MHz u běžných TV LNB), nýbrž v rozsahu 300 až 800 MHz. Obrázek z analyzátoru ukazuje, že oddělení rovin na příjmu je jen několik dB oproti 24 dB na vysílání – to je dáno konstrukcí polarizéru a rozdílem kmitočtů 10 GHz příjmu oproti vysílání.  Majitelé spektrálních analyzátorů si také musí dat pozor na fakt, že v jednom koaxiálním kabelu je kromě přijímaného signálu i modulační signál pro vysílač (ten je v pásmu kolem 1,9 GHz) a hlavně napájení vysílače +30V při proudu až 2,5A, což by mohlo pro některý přístroj být osudové. Je proto třeba použít rozbočovač schopný přenést napájení anténní jednotky (jinak dojde ke spálení tlumivky) s druhým výstupem majícím blokaci napájení (pokud SA nesnese na svém vstupu uvedené napětí).

Někdy se stává, že vlivem chování systému může dojít ke snaze modemu aktivovat se na spot-beam s  nižší hodnotu SNR na příjmu terminálu, než má jiný spot. K tomu dochází v oblasti překrývání spotů. Může to být i tím, že z dané lokality je pro systém lepší hodnota SNR na upstreamu na spotu s nižším SNR na downstreamu. Bohužel nejsou k dispozici „foot-printy“ satelitu. Pokud je rozdíl mezi SNR na příjmu z jednotlivých spotů např. 3 dB a systém má snahu se aktivovat na ten slabší, je možnost anténu mírně odklonit tak, aby ten nejsilnější měl např. 11 dB a pak by se měl terminál registrovat na tento spot. Po aktivaci služby stačí dosměrovat anténu na nejlepší příjem. V budoucnu by měl systém fungovat tak, že při zapnutí modemu se terminál přihlásí na spot s nejlepším pokrytím oblasti. Tedy i na jiný, než na který byl aktivován. V současnosti je možnost přechodu terminálu mezi spoty vázána na přeregistraci terminálu pomocí webového rozhraní systému, kam má přístup příslušný poskytovatel. V ČR tedy  INTV spol. s r.o. 
                 

2. Adaptivní kódová modulace a řízení výkonu

Jak tedy funguje adaptivní kódová modulace systému KASAT? HUB řídí vysílací výkon terminálu tak, aby udržoval dostatečnou úroveň signálu na příjmu – tady je samozřejmě jiná rezerva výkonu u terminálu s rychlostí uploadu 1 Mbit/s než u terminálu s rychlostí uploadu 4 Mbit/s, protože oba použivají stejně velkou anténu a stejný typ vysílače, resp.  mají stejné max. EIRP (součet zisku antény a výkonu vysílače v ose antény – tzv. ekvivalentní izotropní  vyzářený výkon). Pokud hodnota přijímaného signálu klesá, dostane terminál pokyn v první fázi ke zvýšení výkonu. To je za běžného počasí. V grafech je pak vidět kolísání energie na příjmu terminálu, ale příjem na straně stanice HUB je konstantní díky regulaci výkonu vysílače terminálu. Dostupnost služby je garantována na 99,5% roční doby, což v pásmu Ka podle doporučení ITU-R Mezinárodní Telekomunikační Unie znamená, že rezerva signálu na příjmu má být 2 dB a na vysílání 4 dB pro dosažení stanovené max. chybovosti spoje. (Jinými slovy by podle dlouhodobých srážkových úhrnů neměla doba deště s intenzitou způsobující větší útlum než je požadovaná rezerva překročit oněch 0,5% roční doby). To je údajně zaručeno, pokud je při instalaci  úroveň signálu v obou směrech vyšší než je prahová hodnota = 9 dB 

Pokud je anténa špatně zaměřená nebo je terminál zaregistrován na nevhodný spot, případně jsou velké srážky, či sníh na anténě, pak může graf vypadat následovně – přijímaný signál je často pod hranicí 9 dB i když vysílač dokáže korigovat útlum na uplinku 

Co ale dělá systém, když výkon vysílače nestačí? HUB pošle terminálu pokyn ke snížení symbolové rychlosti a s tím i ke změně modulace a zabezpečení (FEC). Tím při konstantním výkonu dojde ke zvýšení úrovně signálu na příjmu stanice HUB a podle toho je řízen typ modulace a FEC, resp. použitelná přenosová rychlost.

Modem Surfbeam2 zná celou matici SR (symbolová rychlost = šířka přenosového pásma v závislosti na bitové rychlosti, modulaci a FEC).  Modré šipky v tabulce ukazují chování signálu v závislosti na podmínkách.

A jak to vypadá v praxi ? Při dobře zaměřené anténě by terminál po 99,5% roční doby měl dosahovat deklarované přenosové rychlosti, resp. hodnoty SNR by měly být vyšší, než prahových 9 dB. Ověřili jsme, že i s výrazně menší anténou při poklesu signálu na příjmu o téměř 6 dB dodržoval terminál přenosovou rychlost 10/4 Mbit/s!

SNR down dB	SNR up dB	SR MS/s	up Mbit/s	down Mbit/s
12,5	10,5	10	4,3	10
9,9	9,96	5	4,3	10
6,9	10,85	2,5	3,8	9,8

Co se ale děje v případě velmi nepříznivých podmínek nebo špatně zaměřené antény? Pomocí spektrálního analyzátoru jsme měli možnost vidět jak satelitní modem mění symbolovou rychlost, resp. šířku modulačního signálu a jeho úroveň. Testem přenosové rychlosti s protokolem FTP jsme pak zjišťovali jaká je rychlost a podle šířky signálu dedukovali použitou modulaci a zabezpečení. Nějakou neshodu nelze vyloučit, ale v principu to funguje..

Terminál mění symbolovou rychlost tak, aby udržel spojení, přitom dochází k poklesu přenosové rychlosti. Symbolová rychlost byla měněna z 10 MS/s na 5 MS/s, pak na 1,25 Ms/s až na konečných 0,625 MS/s. S tím došlo i k poklesu přenosové rychlosti na odesílání dat z terminálu z původních 4 Mbit/s na 2 Mbit/s, pak na 1 Mbits, při dosažení upstream SNR kolem 6-7 dB se pohybuje přenosová rychlost mezi 300 kbit/s až 1 Mbit/s.

Změny jsou vidět i na grafech FTP v průběhu přenosu. I když vysílací signál jde pokaždé nahoru o cca 5 dB, vlivem „uhnutí“ antény a strmosti vyzařovací charakteristiky šel poměr signál/šum na příjmu na stanice HUB dolů. Hraniční hodnota je asi 5 dB, nicméně po výpadku spoje tato hodnota nepostačuje pro návrat terminálu do stavu „online“.

Tabulka níže ukazuje, jak systém měnil parametry pro udržení spojení

Pokud se úroveň vysílacího signálu dostane příliš nízko, resp. výkon vysílače nepostačuje pro dosažení potřebného poměru SNR (poměr signál/šum), webové rozhraní modemu to indikuje zčervenáním ikony IFL. Současně dochází ke změně hodnoty Cable Attenuation  v menu „Modem/IFL Cable Status“  na hodnotu „N/A dB“. To je vždy indikace problému na vysílání (může znamenat i vadný kabel nebo vysílač), v tomto případě ale špatně zaměřenou anténu. Uživatel služby terminálu Kasat má možnost vidět stav na webovém rozhraní modemu na adrese: http://192.168.100.1/?page=modemStatus  Uživatel má i přístup k parametrům svého terminálu na straně stanice HUB – např. vidět hodnoty SNR v obou směrech satelitního spoje, nově i aplikaci FAPpři překročení objemu dat v poslední hodině (FAP 1h) nebo v posledních 4 týdnech FAP 4W. k tomu slouží adresa: http://checkportal.skylogicnet.com/  Hodnoty jsou obnovovány každých 15 min.

Ukázalo se také, že po vrácení signálu upstreamu na nominální hodnotu modem ještě nějakou dobu pracuje s nízkou symbolovou rychlostí, kdy nemůže dosáhnout deklarovanou přenosovou rychlost, a rovněž signalizuje setrvačností problém na IFL. Oboje lze rychle odstranit restartem modemu.

Závěr: potvrdilo se, že terminál i při službě 10/4 Mbit/s má při dobře zaměřené anténě dostatečnou výkonovou rezervu pro dosažení deklarované dostupnosti služby. Test odhalil i možné problémy v důsledku nepřesně zaměřené antény a „setrvačnost“ parametrů při návratu na nominální signál.

Ing. Petr Vecek