станцией. Пакет содержит системные параметры для модемов, только что начавших работу в сети. При получении этого пакета новый модем оповещает о своем появлении по одному из исходящих каналов. В ответ на это головная станция назначает для него входящий и исходящий каналы. Позже она может их переназначить, если это понадобится для балансировки нагрузки.

В исходящем направлении радиочастотного шума больше, чем во входящем, поскольку система изначально не была рассчитана на передачу данных. Помехи от множества абонентов направляются к головной станции, поэтому в модемной связи используются более консервативные подходы от QPSK до QAM-128, в которых часть символов используется для защиты от ошибок с помощью треллис-модуляции. Благодаря меньшему числу битов на символ в исходящем направлении асимметрия входящей и исходящей скоростей оказывается намного сильнее, чем на илл. 2.46.

Современные DOCSIS-модемы запрашивают временные слоты для передачи, а CMTS выделяет один или несколько слотов в зависимости от загруженности. Одновременные пользователи конкурируют за входящий и исходящий доступ. Для совместного использования исходящей полосы пропускания сеть применяет TDM. Время делится на мини-слоты; каждый абонент производит обмен данными в свой мини-слот. Периодически головная станция объявляет о начале нового цикла мини-слотов. Однако модемы получают это оповещение в разное время по мере распространения сигнала по кабелю. Каждый модем сам вычисляет начало первого мини-слота, исходя из своей удаленности от головной станции.

Для правильного расчета времени модему важно определить точное расстояние до головной станции. Для этого он отправляет специальный пакет и засекает время получения ответа. Этот процесс называется пристрелкой (ranging). Любой исходящий пакет при достижении головной станции должен попасть в один или несколько последовательных мини-слотов. Длительность мини-слотов в разных сетях различается. Полезная нагрузка обычно составляет 8 байт.

Во время инициализации головная станция выделяет каждому модему мини-слот для запроса исходящей полосы пропускания. Чтобы отправить пакет, компьютер передает его модему и тот запрашивает необходимое число мини-слотов. Если головная станция одобряет запрос, она посылает по входящему каналу оповещение, сообщающее модему о зарезервированных для его пакета мини-слотах. Далее начинается отправка пакета в выделенном для него мини-слоте. Посредством специального поля в заголовке можно запросить передачу дополнительных пакетов.

Как правило, нескольким модемам назначается один и тот же мини-слот, что приводит к конфликту (несколько модемов пытается отправить данные одновременно). CDMA разрешает нескольким абонентам совместно использовать один и тот же мини-слот, хотя в результате доступная каждому из них скорость снижается. Можно не использовать CDMA, но тогда подтверждение запроса, вероятно, не будет получено из-за конфликта. В этом случае модем просто ждет некоторое время и повторяет попытку. После каждой последующей неудачи время ожидания удваивается. Для читателя, знакомого с теорией компьютерных сетей: этот алгоритм представляет собой слотированную версию ALOHA c двоичной экспоненциальной задержкой. Использовать Ethernet в кабельной системе не получится, поскольку станции не могут прослушивать такую среду передачи. Мы вернемся к этому вопросу в главе 4.

Входящие каналы работают иначе, чем исходящие. Данные отправляет только головная станция, так что никакой конкуренции и необходимости в мини-слотах нет. Объем входящего трафика обычно намного больше, чем объем исходящего, поэтому размер пакетов фиксирован — 204 байта. Часть этих 204 байт составляет код коррекции ошибок Рида — Соломона и еще некоторые служебные данные. Для пользовательских данных остается 184 байта. Эти значения были выбраны из соображений совместимости с цифровым телевидением, использующим MPEG-2, так что формат телевизионных и входящих каналов данных одинаков. Общая логика соединений показана на илл. 2.47.

Илл. 2.47. Типовой вид исходящих и входящих каналов в Северной Америке

2.8. Спутники связи

В 1950-х и начале 1960-х годов предпринимались попытки построения систем связи путем отражения сигналов от покрытых металлом метеозондов. К сожалению, принимаемый сигнал был слишком слаб. Затем ВМФ США обратили внимание на своеобразный метеозонд, который постоянно находится в небе, — Луну. В итоге была создана действующая система связи «корабль — берег», основанная на отражении сигналов от естественного спутника Земли.

Продвинуться в этой сфере дальше стало возможно только после запуска первого спутника связи. Ключевое отличие между искусственным и естественным спутником в том, что искусственный способен усиливать сигналы перед отправкой назад на землю, в результате чего эта диковинная технология превращается в мощную систему связи.

Спутники связи обладают интересными свойствами, делающими их заманчивыми для многих прикладных задач. Проще всего представить спутник связи как своего рода большой повторитель микроволн, висящий в небе. Он содержит несколько транспондеров (transponder), каждый из которых прослушивает свою долю спектра и усиливает полученные сигналы с последующей их ретрансляцией на другой частоте во избежание взаимных помех со входящим сигналом. Подобный режим работы называется прямой ретрансляцией (bent pipe)24. Чтобы управлять отдельными потоками данных в общем диапазоне и перенаправлять их, можно добавить цифровую обработку. Кроме того, спутник может получать цифровую информацию и ретранслировать ее. Такой способ восстановления сигналов повышает эффективность работы по сравнению с прямой ретрансляцией, ведь при этом спутник не усиливает содержащийся в сигнале шум. Пучки сигналов от спутника могут быть довольно широкими и покрывать значительную долю земной поверхности или узкими, охватывая область лишь в несколько сотен километров в диаметре.

Согласно законам Кеплера, период обращения спутника пропорционален радиусу его орбиты в степени 3/2. Чем выше находится спутник, тем больше период обращения. Близ поверхности Земли он составляет около 90 минут. Следовательно, находящиеся на низкой орбите спутники довольно быстро пропадают из виду (поскольку движутся). Для непрерывного покрытия необходимо множество спутников и наземных антенн для их отслеживания. На высоте примерно 35 800 км период составляет 24 часа, на высоте в 384 000 км — около 1 месяца, в чем может убедиться любой желающий, понаблюдав за Луной.

Период обращения спутника важен, но это не единственный нюанс, который необходимо учитывать, выбирая место его размещения. Еще одна проблема: радиационные пояса Земли (пояса Ван Аллена). Это слои заряженных частиц, удерживаемых магнитным полем Земли и способных довольно быстро разрушить любой спутник, попавший внутрь пояса. С учетом всех факторов остается три области для безопасного размещения спутников. Эти области и некоторые их свойства приведены на илл. 2.48. Ниже мы вкратце опишем спутники, расположенные в каждой из них.

Илл. 2.48. Спутники связи и некоторые их характеристики: высота над земной поверхностью, длительность прохождения сигнала туда и обратно, а также число спутников, необходимое для полного покрытия поверхности Земли

2.8.1. Геостационарные спутники

В 1945 году писатель-фантаст Артур Кларк вычислил, что спутник, находящийся на высоте 35 800 км