الشبكات عبر أنظمة الـ VSAT

في أوائل عهد أنظمة الأقمار الصناعية كانت المحطات أو الهوائيات الأرضية كبيرة الحجم ، مرتفعة الثمن وأكثر تعقيدا. السبب وراء هذه المساوئ لم يكن بسبب قصر في هذه المحطات، وإنما بسبب الأقمار نفسها. فالأقمار هذه كانت تعاني من ضعف قدرة الإرسال وكذلك تأثير الضوضاء العالي على مستقبلاتها مما أدى إلى ضرورة أن تكون المحطات المستقبلة لإشاراتها كبيرة الحجم ومعقدة التركيب لتغطية منطقة البث للقمر. بعد ذلك تطورت هذه الأقمار تدريجيا وأصبحت ذات قدرة إرسال أعلى بشعاع بث ضيق وأصبحت مستقبلاتها أكثر استشعارا للإشارة القادمة. لذلك أمكن بعد ذلك أن تتحول هذه المحطات الأرضية من محطات كبيرة إلى محطات ذات أحجام صغيرة اقل كلفة واقل تعقيدا وأصبحت أكثر انتشارا وسميت بالـ VSAT.

إذن الـ VSAT (Very Small Aperture Terminal) وكما هو واضح من اسمه يطلق على المحطات الأرضية ذات الحجم الصغير بشكل خاص ولكن بصورة عامة فهو نظام اتصالات يستخدم لربط الشبكات المختلفة عن طريق الأقمار الصناعية، يعتبر إحدى الخدمات التي تقدم للمستخدمين الراغبين في شبكة اتصالات مستقلة تربط عددا كبيرا من المواقع المتناثرة جغرافيا مثل المؤسسات والدوائر الحكومية لربط أجزاءها مع بعضها البعض سواء داخل الدولة أم خارجها، في البر أم في البحر.

يتكون من محطات أرضية صغيرة للاستقبال والإرسال (Terminals) يتم تركيبها في مواقع منتشرة وتتصل بمحطة أرضية مركزية (Hub) أو محطات منتشرة أخرى عن طريق الأقمار الصناعية بواسطة استخدام هوائيات ذات قطر صغير (معظمها تتراوح أقطارها ما بين 60 سم إلى 3.8 متر).

لنعد قليلا إلى الوراء ونأخذ لمحة عن مواصفات أول نظام VSAT تجاري تم إنشاءه والذي كان عبارة عن محطة أرضية تستخدم للاستقبال فقط و تستعمل الحزمة C-band من الترددات وهي (4-6 كيكاهيرتز) حيث تم بيع أكثر من 30000 وحدة في بدايات الثمانينات من القرن الماضي. في العام 1984 تم تطوير النظام ليصبح بالاتجاهين (إرسال واستقبال) وبيعت منه ما يقارب 10000 وحدة. في عام 1984 قادت الأبحاث إلى تطوير أول نظام VSAT يعمل على حزمة Ku-band (12-14 كيكاهيرتز). هذا ويعتبر النظام المطور من قبل Spacenet و MCI لشركة البريد الأمريكية اكبر نظام VSAT في العالم والذي يحتوي على أكثر من 12000 محطة منتشرة.

حاليا يتم تشغيل نظام الـ VSAT على نوعين من الترددات هما حزمة Ku-band ويتركز غالبا في أمريكا الشمالية ويتم استخدام هوائيات ذات حجم صغير، بينما يتركز استخدام حزمة الـ C-band في اغلب الأحيان في آسيا وأفريقيا وأمريكا الجنوبية وتحتاج لهوائيات اكبر قطرا من هوائيات الـ Ku-band. وفي الوقت الحاضر يتم العمل على تطوير أنظمة تعمل على حزمة Ka-band تمتاز بالسرعة العالية والتكلفة المناسبة.

ما هي الأقمار الصناعية التي تــُستعمل في نظام الـ  VSAT ؟

الأقمار المستعملة في هذا النظام هي على المدار GEO هذا المدار هو عبارة عن مدار موازي على خط الاستواء ويوجد على ارتفاع 35786 كم ، سرعة هذه الأقمار بحدود 3.06 كم ثانية وهي نفس سرعة دوران الأرض أي إن المدة الزمنية للدورة الواحدة للقمر هي 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثواني وبذلك يكون القمر ثابت بالنسبة للمحطات الأرضية.

ما هي الخدمات التي يقدمها هذا النظام ؟

يستعمل هذا النظام في خدمات الصوت بين شبكات الهاتف المحلية وباقي الشبكات وكذلك نقل الخدمة بين شبكات الشركة نفسها كما تقوم به بعض شركات الاتصالات المحمولة لتوصيل التغطية إلى مواقعها البعيدة بشكل مؤقت.

أيضا من أهم استعمالات هذا النظام هو توصيل خدمة الانترنت حيث يتوفر بسرعات مختلفة تبدأ بـ32 و64 و128 كيلوبايت في الثانية وحتى 2 ميكابايت أو أكثر.

كذلك يستعمل في توصيل خدمات البث الفضائي والنقل الخارجي المباشر ونقل الاجتماعات الفيديوية (Video conference) والتعليم الالكتروني عن بعد ( Remote e-learning). وكذلك في ربط الشبكات وتوصيل خدمة الانترنت إلى المواقع العسكرية والحدودية وغيرها.

هذه الخدمة مستعملة في كل المجالات الصناعية مثل خدمات التحكم والمراقبة عن بعد لخطوط أنابيب النفط والغاز والمياه والكهرباء والعديد من خدمات المراقبة والتحكم المختلفة وأيضا في الخدمات التجارية لربط فروع المصارف مع بعضها كبديل مؤقت وآمن للشبكات العامة.

لماذا يفضل هذا النظام عن غيره ؟

من أهم مميزات النظام والتي ساعدت على انتشار استخدامه :

• إمكانية الحصول على اتصالات بعيدة المدى بالإضافة إلى تغطية جغرافية واسعة المدى وكذلك إمكانية تغطية أماكن لا يمكن تغطيتها عن طريق التقنيات الأخرى كالصحاري والمحيطات وكذلك المواقع العسكرية التي تحتاج التنقل بين حين وآخر.

• التكلفة المنخفضة لعملية نصب البنية التحتية للنظام وتطويره.

• سهولة وسرعة التركيب للأجهزة والمعدات مقارنة بالشبكات الأخرى. فهي لا تتعدى الأسابيع أو حتى الأيام لإكمال تجهيز الخدمة بينما تحتاج إلى عدة أشهر أو سنوات لإكمال البنية التحتية للأنظمة التقليدية.

• جودة خدمات، سهولة صيانة، ودرجة اعتمادية كبيرة تصل إلى (99.9 %) وهي أفضل بكثير من الشبكات الأرضية.

• من أفضل بدائل الاتصال في حالات الطوارئ مثل توقف خدمة الكيبل الضوئي أو قطع خدمة الانترنت كما حدث في بعض الدول العربية.

• الوثوقية و المرونة الكبيرة في زيادة حجم الشبكة في المستقبل.

مساوئ النظام :

طبقا للقاعدة لكل شيء مساوئ فعيوبه باختصار تشمل:

• التكلفة العالية للخدمة (تكلفة حجز القنوات على القمر) فعلى الرغم من أن أسعار هذه الخدمة مستمرة في التناقص نوعا ما غير أنها مازالت مرتفعة مقارنة بباقي الخيارات الأخرى كالـ DSL والدايل اب والكيبل.
• حدوث بعض التأخير عند استعماله للخدمات التي تحتاج إلى نقل مباشر بكميات كبيرة مثل الألعاب والفيديو إذا ما تم النقل عبر الانترنت.
• غير مناسب في المناطق المكتظة مثل الغابات والبنايات العالية كون إن نصب هوائياتها يحتاج إلى أن تكون مواجهة للقمر line of sight بدون عائق.

مكونات المحطات الأرضية المنتشرة :

تتكون محطة الـVSAT  من جزأين أو وحدتين : وحدة خارجية ODU (outdoor unit) ووحدة داخلية IDU (indoor unit) لكل منها وظيفتها وتركيبها.

الوحدة الخارجية ODU  :

يتكون الجزء الخارجي من طبق هوائي يمكن تركيبه على الحائط أو فوق السطوح أو على الأرض. ويتكون أيضا من دوائر المايكروويف والتي تكون عادة صغيرة الحجم حيث يمكن وضع هذه الوحدة  خلف الطبق إذا كانت كبيرة الحجم بينما يمكن وضع الوحدة الصغيرة الحجم خلف وحدة تجميع الإشارة أمام الهوائي.

هذه المكونات بشكل عام ولكن تفاصيل مكوناتها وعملها تختلف حسب استخدام المحطة إذا كان للاستقبال أم للإرسال، فعند الاستقبال تتكون هذه الوحدة من:

فلتر من نوع  Band Pass(BPF) لتمرير الترددات المطلوبة فقط. بعد ذلك يتم تضخيم الإشارة الضعيفة المستقبلة من وحدة التغذية بواسطة مكبر إشارة خافض للضوضاء (LNA) Low Noise Amplifier.

ثم يتم تغيير تردد الإشارة المستقبلة بواسطة محول تردد من نوع (Down converter) إلى تردد يمكن للدوائر الالكترونية معالجته والذي يتراوح ما بين 70 و 140 ميكاهيرتز قبل المرور على دائرة فك التضمين (Demodulator) في الوحدة الداخلية، ويطلق على مكبر الإشارة (LNA) والمحول الخافض للتردد (Down converter) مجتمعة بالقطعة المعروفة بالـ (Low Noise Block (LNB.

أما عند الإرسال فالعملية بالعكس تقريبا حيث تتكون هذه الوحدة من:

محول تردد من نوع (Up Converter) الذي يحول التردد من (70 – 140 ميكاهيرتز) إلى تردد الإرسال المطلوب قبل مرورها على مكبر عالي القدرة (High Power Amplifier (HPA الذي يقوم بدوره بتقوية الإشارة القادمة من المحول (Up Converter) قبل تغذية الهوائي، وتتراوح القدرة الخارجة من هذا المكبر ما بين 0.1 – 6 وات في حالة الإرسال بحزمةKu-band  بينما تتراوح ما بين 2 – 16 وات في حالة الإرسال بحزمة C-band.

الوحدة الداخلية IDU :

تمثل هذه الوحدة بالمودم الداخلي والمعروف لدى الكثير ومن أهم وظائف هذا الجزء عند الإرسال هو عملية (Multiplexing) والترميز (Encoding) والتضمين (modulation) أما عند الاستقبال فالعكس تماما أي فك التضمين الذي ذكرناه سابقا (Demodulation) ثم عملية فك التشفير (Decoding) ثم عملية إعادة توزيع الإشارات (Demultiplexing) ، بالإضافة إلى التزامن مع باقي وحدات الشبكة بشكل عام.

وكما موضح في الصورة يحتوي هذا المودم على منافذ الإرسال والاستقبال من والى الهوائي ومن ثم القمر وكذلك منافذ الايثرنت لتوزيع الإشارة المستقبلة ومنافذ أخرى مثل RS-232, RS-422.

هيكلية الشبكة في هذا النظام VSAT Network Topology:

تعتمد عملية الربط بين هذه الشبكات على حجمها ووظيفتها ويتم الاتصال إما بين محطةTerminal وأخرى ويسمى الربط بالـ (Point to Point)، أو بين محطةHub  وعدة محطات أخرى Terminals ويسمى بالـ (Point to Multipoint). واهم أنواع الربط :

Star :

هذا الربط من نوع Point to Multipoint ويتكون من جزء مركزي Hub وأجزاء موزعة أخرى Terminals حيث إن عملية النقل تكون مركزية كما في السيرفر أي يكون الاتصال بين محطة صغيرة وأخرى عن طريق المحطة المركزية.

طبق الهوائي في الجزء المركزي يتراوح قطره بين 6 إلى 11 متر لهذا فهو أكثر تعقيدا وبالتالي أغلى ثمنا مقارنة بالمحطات Terminals حيث يتراوح سعرها ما بين 0.5 مليون دولار إلى 3 مليون دولار ويتوقف ذلك على التقنيات المستخدمة والخدمات المطلوبة.  أما نظم الـ VSAT الصغيرة والتي تستخدم في خدمات نقل البيانات ذات المعدلات المنخفضة فتتميز المحطات الأرضية المركزية بانخفاض أسعارها والتي يصل سعرها مابين 35 ألف إلى 70 ألف دولار فقط.

 Mesh:

هذا الربط من نوع Point to Point ويتكون من جزء مركزي Hub كذلك ولكن بحجم اصغر من الجزء المركزي الخاص بالربط الـ star ويقتصر عملها على وظائف المراقبة والسيطرة وتنظيم الفواتير، إضافة إلى أجزاء موزعة أخرى Terminals. يختلف هذا الربط عن الـ star كون عملية النقل بين محطة صغيرة وأخرى تكون بشكل مباشر من غير المرور على المحطة المركزية. يستعمل هذا الربط غالبا في خدمات الهاتف.

 Hybrid:

هذا الربط هو خليط بين الـ star و الـ mesh، حيث يأخذ مميزات كل ربط من الاثنين للحصول على أفضل خدمة.