Разработка сети передач данных со спутниковыми каналами связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотации

В данной работе представлен обзор и анализ существующих технических решений в области передачи данных в спутниковом и наземном сегментах сети передачи данных, выполнено сравнение основных концепций и технологий беспроводных каналов связи. Проведено проектирование сети передачи данных со спутниковыми каналами связи, сделан выбор архитектуры сети, ее частотного диапазона и оборудования с учетом требований, предъявляемых к работе объектов с высокой автономностью в удаленном районе с отсутствием коммуникационной инфраструктуры. Проведено практическое тестирование спутникового канала связи, предложены варианты использования разработанного проекта и направления дальнейших исследований.

В ходе выполнения работы было использовано 10 источников технической литературы. Текст работы имеет объем 47 страницы, включая 20 рисунков и 2 таблицы. сеть спутниковый беспроводный

This project presents an overview and analysis of existing technical solutions in the field of data transmission in the satellite and terrestrial segments of the data network, compares the basic concepts and technologies of wireless communication channels. The design of the data transmission network with satellite communication channels, the choice of network architecture, its frequency range and equipment, taking into account the requirements for the operation of objects with high autonomy in a remote area with no communication infrastructure. Practical testing of the satellite communication channel is carried out, variants of the developed project use and directions of further researches are offered.

During the work, 10 sources of technical literature were used. The text of the work has a volume of 45 pages, including 20 figures and 2 tables.

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор и анализ существующих технических решений

1.1 Обзор и анализ технических решений в наземной (беспроводной) части сети передачи данных

1.2 Обзор и анализ технических решений в спутниковых каналах передачи данных

Глава 2. Выбор технических решений в сегментах сети на основе проведенного анализа

2.1 Выбор технологии и частотного диапазона для спутникового сегмента сети

2.2 Выбор технологии и частотного диапазона для наземного беспроводного сегмента сети

Глава 3. Проектирование сети передачи данных со спутниковыми каналами связи для удаленных районов

Заключение

Литература

Введение

В современном мире растет необходимость в получении информации от автономных объектов, находящихся в отдаленных районах, не имеющих развитой коммуникационной и энергетической инфраструктуры. При организации эксплуатации указанных объектов учитывается возможность их периодического, не постоянного, контроля и обслуживания, наличие автономных источников питания. Существует всего несколько вариантов обеспечения с ними связи - это использование мобильных и радиорелейных сетей, а также спутниковых каналов связи. Однако, первые два варианта сильно ограничены в дальности использования, энергетической автономности и требовательны к окружающей среде. Одним из перспективных решений задачи по организации связи с автономными объектами является использование спутниковых сетей передачи данных.

На данный момент основным направлением использования спутниковых сетей является обеспечение доступа в интернет через спутниковые терминалы VSAT (VSAT - Very Small Aperture Terminal). В настоящее время они активно используются для предоставления каналов связи в условиях, где прокладка и эксплуатация наземных сетей не представляется возможной. Однако, запросы об использовании спутникового канала в целях передачи малого объема технической информации от систем мониторинга и обслуживания начали поступать от компаний совсем недавно. Одновременно с этим промышленность начала искать способы обеспечения данных потребностей.

Объектом исследования данной работы являются сети передачи данных со спутниковыми каналами связи, предметом исследования - сети передачи данных систем мониторинга и малого объема информации для удаленных объектов с высокой автономностью, где невозможно постоянное присутствие технических специалистов.

Целью работы является создание сети передачи данных, включающей спутниковые каналы связи, возможной к использованию в отдаленных районах с высокой автономностью и низкой доступностью для сбора и передачи информации малого объема.

Для достижения поставленных целей необходимо выполнить следующие задачи: исследовать спутниковые сети и каналы передачи данных, их назначение и составные части, изучить современные средства передачи малого объема данных с оконечных устройств, используемое оборудование, частоты, технологии, подобрать и согласовать наземный и спутниковый сегменты сети, спроектировать и оценить разработанную систему.

Практическая значимость разрабатываемой системы заключается в возможном ее использовании для сбора и передачи критически важной информации о состоянии удаленных объектов мониторинга в районах, не имеющих развитой коммуникационной и энергетической инфраструктуры.

Глава 1. Обзор и анализ существующих технических решений

1.1 Обзор и анализ технических решений в наземной (беспроводной) части сети передачи данных

Сеть передачи данных (СПД) есть совокупность терминалов, или оконечных устройств, соединенных в одну сеть каналами связи и коммутирующими (маршрутизирующими) устройствами. Отличие разрабатываемой сети заключается в том, что каналы передачи - спутниковые, а оборудование, расположенное в удаленном районе, использует проводные и радиолинии.

Сети передачи данных имеет несколько топологий, под которыми понимают физическое построение и расположение ее элементов, а также их функциональное предназначение. Существуют следующие топологии:

Общая шина - характерно использование одного общего канала множеством устройств, что влечет за собой низкую стоимость одновременно с низкой защищённостью и малой масштабируемостью. Кольцо - в данной топологии пользователи объединены в кольцо одним или несколькими независимыми каналами передачи данных. Данная схема часто используется как метод резервирования и при больших расстояниях между узлами. Полносвязная - каждый узел сети соединен друг с другом, что влечет увеличение стоимости организации и эксплуатации каналов передачи. Однако, зачастую используется на АТС уровня городской телефонной сети. Звезда - является элементом иерархической топологии. Дает возможность построения эффективных ЛВС, радио- и сотовых сетей. Иерархическая - усовершенствованный вариант топологии Звезда с возможностью сокращения длины каналов передачи данных, структурирования системы, что уменьшает их стоимость и трудоемкость обслуживания. Последовательная - узлы соединены последовательно. Зачастую применяется в каналах большой протяженностью, где необходимо применение ретрансляции и усиления - радиорелейные и беспроводные линии. Сложная топология - представляет собой совокупность типовых топологий. Используется в крупных сетях, где в зависимости от сегмента необходимо использование наиболее подходящего варианта структуры.

Основными элементами СПД являются оконечные устройства, в наземном сегменте - датчики сбора информации с объектов в отдаленных районах; шлюз - спутниковый модем или шлюз Интернета Вещей для систем сбора информации мониторинга, узлы - спутниковый HUB и маршрутизаторы внутренней СПД. [1]

Обзор способов передачи информации от удаленных объектов.

На данный момент в мире широко распространены несколько видов беспроводных систем передачи информации - это радиорелейные линии, сотовые сети и технология LPWAN (Low-Power and Wide-Area Network - сети передачи малого объема информации маломощным сигналом на большие дистанции). Недостатками радиорелейных линий является необходимость прямой видимости, низкая проникающая способность диапазона частот, используемых в радиорелейных линиях, а также высокая стоимость и сложность эксплуатации оборудования. Схожими проблемами обладает и сотовая связь, т.к. сложность оборудования базовых станций, необходимость большого их количества для обеспечения связи и использование широкого канала связи отрицательно сказывается на возможность их использования для организации сетей передачи малого объема данных в удаленных районах. Одновременно с этим новая технология передачи малого объема данных на большие расстояния LPWAN предоставляет возможности для организации разрабатываемой сети. Ниже рассмотрим основные технологии, соответствующие концепции LPWAN.

Обзор технологий LPWAN (IoRT) - LoRaWAN, SigFox, "Стриж".

Место технологии LPWAN среди других беспроводных технологий передачи данных представлено на графике (рис.1) с рассмотрением таких показателей как Скорость передачи данных и Дальность передачи сигнала:

Рис. 1 Сравнение скорости передачи данных от дальности для различных беспроводных технологий передачи данных

Наиболее важным вопросом, который необходимо решить в наземном сегменте сети, является выбор технологии беспроводной передачи данных сетей дальнего радиуса действия LPWAN непосредственно с объекта мониторинга. На данный момент на рынке представлено несколько решений концепции LPWAN: LoRaWAN, SigFox, "Стриж" и Cellular Internet of Things (CIoT), в том числе EC-GSM, LTE-M, NB-IoT, а также большое множество технологий, не получивших дальнейшего развития. [2]

Преимущества, характерные для LPWAN:

· Максимальная дальность передачи сигнала, заявленная производителем, достигает 40 км;

· Низкое энергопотребление оконечных приемо-передатчиков и микросхем, в том числе за счет передачи пакетов и сообщений малого размера при кратковременном включении устройства;

· Высокая проникающая способность сигнала в городской среде при использовании частот диапазона до 1 ГГц;

· Сеть имеет возможность большой масштабируемости;

· Отсутствие необходимости получения разрешения на применение частот, так как имеется возможность использования частот, не требующих сертификации в ответственных органах власти.

Недостатками же являются малые размеры передаваемой информации и увеличенная задержка передачи сигнала, однако с использованием спутниковых каналов с задержкой до 1000 мс данный недостаток нивелируется. Наиболее же существенным недостатком является отсутствие единого принятого стандарта, наиболее развитые технологии используют собственные проприетарные протоколы, тем самым вынуждая использовать оборудование только одной фирмы-производителя при проектировании и дальнейшем развитии сети. Таким образом на данный момент существует несколько стандартов, использующих свое специализированное ПО, частоты, модуляции и шлюзы.

1.2 Обзор и анализ технических решений в спутниковых каналах передачи данных

Спутниковые каналы связи как сегмент сети передачи данных, возможный для использования в негосударственных компаниях, получили широкое распространение в конце 20 - начале 21 века. По прошествии нескольких десятилетий невозможно представить сеть для удаленного района или объекта без использования спутникового сегмента.

Обзор орбит и их характеристик.

Одной из главных составляющих спутникового канала связи является космический аппарат, находящий на одной из трех используемых для спутников связи орбите:

Низкоорбитальная (LeO) - от 170 до 2100 км над поверхностью земли с периодом обращения 90-120 минут;

Среднеорбитальная (MeO) - высота орбиты от 2100 (нижний предел по LeO) до 35000 км с периодом обращения от 2 до 23 часов.

Геостационарная (GeO) - с уровнем над поверхностью земли, а именно над экватором, 35786 км. Особенностью данной орбиты является то, что время обращения объектов на ней совпадает с длительностью сидерических суток (23 часа 56 минут 4,1 секунд), в связи этим они имеют постоянную точку стояния на Землей (0 гр. широты и различный градус по долготе).

По состоянию на 2019 год на различных орбитах находится более 15000 космических аппаратов, из них порядка 5-7% являются активными, выполняющими свои задачи в полном или частичном объеме. Наиболее выгодной орбитой для решения задач разного рода является геостационарная, в связи с этим количество спутниковом на ней от общего числа составляет до 80%, учитывая гражданские и военные борта.

Так как наибольшую популярность получило использование спутников связи, находящихся в точке стояния, за счет круглосуточной и круглогодичной доступности и ширины канала, возьмем их в качестве спутника ретранслятора в разрабатываемой сети передачи данных со спутниковыми каналами связи для удаленных районов Земли.

Обзор и сравнение двух основных технологий спутниковой двусторонней связи VSAT и SCPC.

Рассмотрим две основные разновидности технологий спутниковой связи, используемых для геостационарных спутников-ретрансляторов - VSAT и SCPC:

VSAT (Very Small Aperture Terminal) - данная технологий была создана в конце 20 века, дав возможность использовать терминалы с малой апертурой (от 0,74 до 2,5 метров в диаметре) в различных целях, снизив стоимость оборудования и дав доступность широкому кругу лиц к двустороннему каналу связи с удаленным объектом.

Диапазон частот, используемый в спутниковых каналах, их физические характеристики.

Основными диапазонами, с которыми работают терминалы VSAT, являются KU (11 ГГц в прямом и 14 ГГц в обратном канале) и KA (18 ГГц и 30 ГГц соответственно). [10] Данные диапазоны частот чувствительны к погодным условиям. [3] По данным подразделения радиокоммуникаций Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU-R) [4] различают следующие факторы, способствующие ослаблению электромагнитного сигнала (классификация ITU-R): дождь (Р.618, Р.837, Р.839), снег или лед (Р.618), облака (Р.840), различные виды газов в атмосфере (Р.676, Р.1510), песчаные бури (Р.618), явления в тропосфере (солнечная интерференция [5]) (Р.618, Р.453). Наиболее значимым и частым фактором, учет которого обязателен, являются осадки, в независимости от их проявления, а именно дождь, снег и туман. При увеличении диапазона используемых частот в канале уменьшается длина волны, соответственно Ka-диапазон наиболее подвержен затуханию при осадках, что и отражено в исследованиях и рекомендациях ITU-R (рис.2). Затухание в Ka-диапазоне по сравнению с Ku может быть до 2-4 раз сильнее, что делает Ku-диапазон более предпочтительным при проектировании сетей передачи данных для удаленных районов, где важность безошибочной и гарантированной передачи информации слишком велика ввиду ее редкой передачи, но критичной значимости, так как зачастую погодные условия в них зачастую плохие.

Рис. 2 Ослабление сигнала в зависимости от угла места установленного АП на разных частотах

Символьная скорость.

Характеристикой, напрямую зависящей от частоты и ширины канала связи, является символьная скорость (symbol rate), то есть количество символов возможных к передаче для канала на установленной частоте передачи при стандартной ширине канале. Средние значения символьной скорости при стандартной ширине полосы частот для объектов на диапазонах частот Ka и Ku представлена ниже:

KA-диапазон:

67 млн символов/с - прием

2,48 млн символов/с - передача

KU-диапазон:

1,58 млн символов/с - прием

700 тыс символов/с - передача

1.2.5 Модуляция и помехоустойчивое кодирование, их комбинация (ModCod).

Параметр, используемый в спутниковых сетях для обозначения комбинации модуляции и помехоустойчивого кодирования (прямой коррекции ошибок, FEC), является ModCod.

На данный момент во всех спутниковых каналах и устройствах используются различные формы фазовой манипуляции [6] (PSK - phase-shift keying). Такие как двоичная (BPSK), квадратурная (QPSK), восьмеричная (8PSK), шестнадцатеричная (16PSK) и более высоких порядков. Фазовая манипуляция является одной из форм фазовой модуляции, в которой фаза несущей изменяется скачкообразно в соответствии с ходом передачи информации. Тем самым изменение формы манипуляции напрямую влияет на возможную символьную скорость, а соответственно и на битовую скорость канала. Можно сделать и следующий вывод: максимальная скорость потока информации возможна только при минимальных затратах на помехоустойчивость, то есть при отсутствии значимых влияний на электромагнитный сигнал. На практике в спутниковых системах используется адаптивный подбор ModCod (ACM - адаптивное кодирование и модуляция), что обеспечивает оптимальный подбор модуляции и помехоустойчивого кодирования. Фазовые созвездия для фазоманипулированного сигнала изображены на изображении ниже (рис. 3), где мы можем наблюдать положение фаз и их значения при передаче сигнала. Соответственно, при модуляции BPSK возможно передавать один бит информации на символ, QPSK - 2 бит/символ, 8PSK - 3 бит/символ, 16PSK - 4 бит/символ, что также отчетливо отображено на фазовых созвездиях.

Рис.3 Фазовое созвездие в фазоманипулированном сигнале разного порядка

Значения FEC (Forward Error Correction) [7] при передаче информации по стандартам спутникового вещания (для спутниковых сетей связи - DVB-S) используются следующих видов:

1. 1/2

2. 2/3

3. 3/4

4. 5/6

5. 7/8

6. 15/16

В данном значении формата "X/Y" указывается, что в переданном цифровой сообщении длинной "Y" будет содержаться "X" бит информации и "Y-X" контрольных битов. Соответственно, чем выше значение FEC, тем меньше потерь, искажений и стабильнее канал. И наоборот, чем ниже значение FEC, тем более высокое требование к качеству канала связи и больший процент бит расходуется на контроль передачи информации.

Пример использования сочетания значений - ModCod в спутниковых сетях в зависимости от отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности представлен на графике 1 (рис.4). [8] Подбор оптимального сочетания модуляции и кодирования на современных спутниковых терминалах происходит посредством программно-аппаратного метода - ранжирования. В ходе которого с ЦЗССС (центральной земной станции спутниковой связи) подается команда на перебор возможных ModCod для данной станции и соответствие FEC заданным условиям. После прохождения данного процесса выдается команда на начальные значения исследуемого сочетания, с которым станция продолжает работу до следующего периодического ранжирования или ухудшения параметров качества канала передачи.

Рис. 4 Использования ModCod в зависимости от отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности

Физические характеристики антенного поста.

Основными частями спутникового терминала являются: зеркальная антенна, облучатель, приемо-передатчик, спутниковый модем и соединительные кабели. В спутниковых терминалах используется разновидность зеркальных антенн, называемая параболическая спутниковая зеркальная антенна. Выбор лег в ее стороны за счет наилучшего усиления сигнала. Подбор диаметра и мощности передатчика для каждой станции высчитывается в зависимости от ее расположения (для расчета удаленности от космического аппарата и угла места над поверхностью земли) и эффективной изотропно излучаемой мощности транспондера соответствующего диапазона в рассматриваемых координатах. Примеры зон покрытия различных частей России спутником связи Ямал-402, принадлежащим ОАО "Газпром космические системы", приведен на изображении ниже (рис.5):

Рис. 5 Зона покрытия транспондерами спутника связи Ямал-204

Пропускная способность.

Следующим важным вопросом является возможная пропускная способность технологии VSAT на разных диапазонах. На данный момент компании производители с учетом используемых модуляций и кодировок, а также при наивысших уровнях сигналов заявляют возможность предоставления следующих скоростей передачи данных в спутниковом канале для удаленного объекта:

KU-диапазон - 8 Мб/с в прямом и 2 Мб/с в обратном канале;

KA-диапазон - 45 Мб/с в прямом и 10 Мб/с в обратном канале.

Топология и разделение каналов.

Топологией сети VSAT является звезда с использованием временного и частотного разделения каналов (TDMA и FDMA).

SCPC (Single channel per carrier, один канал на несущую) - технология, особенностью которой является использование единственного канала на несущую и передача данных только между двумя спутниковыми SCPC-модемами в оконечных точках канала, тем самым возможно предоставление широкого канала для передачи частной/закрытой информации, так как выделенный диапазон частот будет предоставляться только для выделенных модемов на концах канала передачи. Топология данной сети точка-точка.

Основной диапазон частот C (3-8 ГГц), отличительной особенностью которого является низкое затухание сигнала при плохих погодных условиях (сильный дождь, облачность, снег и туман), которые в одинаковых ситуациях могут оказывать влияние на KU и KA-диапазоны. Пропускная способность данных каналов, невзирая на низкий диапазон частот, может достигать значений в несколько сот Мбит/с, т.к. для отдельного канала может предоставляться большая ширина полосы, с полным постоянным доступом, без использования временного или частотного разделения каналов. Это отчетливо показано на изображениях ниже (рис. 6):

Рис. 6 График распределения полос частот в SCPC-каналах

Использование выделенных полос для каналов в дорогостоящем C-диапазоне, большой апертуры малых земных станций спутниковой связи (МЗССС), абонентских терминалов на двух точках канала приводит к большой стоимости SCPC-технологии и, соответственно, невозможность использования повсеместно, в том числе для малых корпоративных проектов.

На основе представленных ваше данных можно сделать вывод о целесообразности использовании для построения сети передачи данных в удаленных районах технологии VSAT, т.к. именно она удовлетворяет требованиям доступности, масштабируемости, цены спутникового ресурса и оборудования, простоты в обслуживании малоподготовленным персоналом на отдаленном объекте.

Вывод по главе 1.

По результатам проведенного обзора существующих технических решений можно сделать выбор вида канала передачи данных в спутниковом и наземном сегментах. Наиболее подходящим по техническим характеристикам, пропускной способности, стоимости, возможности автономной работы и малой сложности обслуживания является VSAT. Одновременно, концепция LPWAN выбрана как основная при проектировании наземной беспроводной части разрабатываемой сети по показателям большой дальности передачи сигнала, низкого энергопотребления и малого объема информации в пакете передачи, что требуется для организации сетей передачи данных телеметрии для отдаленных областей и районов.

Глава 2. Выбор технических решений в сегментах сети на основе проведенного анализа

2.1 Выбор технологии и частотного диапазона для спутникового сегмента сети

Технология VSAT, выбранная для использования в проектируемой спутниковой сети, имеет широкое распространение среди малых предприятий и частных лиц за свою относительную простоту в обслуживании и малую стоимость. Она имеет возможность не только принимать сигнал от центральной земной станции спутниковой связи (ЦЗССС, или HUB, Хаб), но и передавать его, тем самым иметь полноценную связь с удаленным объектом.

Данная технология построена по схеме звезда, в центре корой находится ЦЗССС, а по краям малые земные станции спутниковой связи (МЗССС, также именуемые VSAT). В одной сети, построенной на основе одного HUB и спутника-ретранслятора может обслуживаться от нескольких сотен до нескольких тысяч абонентских станций.

Состав центральной земной спутниковой станции связи (ЦЗССС).

ЦЗССС состоит из нескольких основных частей: антенна большого диаметра (9-15 метров), мощный приемопередатчик (25-100 Вт), центр управления сетью (ЦУС), а также большим количеством элементов обработки данных, отвечающих за различные задачи (спутниковый HUB). Задачи основных из них будут описаны ниже.



Рис. 7 Архитектура спутникового HUB Gilat SkyEdge

Спутниковый HUB состоит из 3 основных частей (рис. 7):

· IBSS - Inbound subsystem (подсистема, отвечающая за исходящий от ЦЗССС сигнал);

· HSP - Hub Satellite Processor (процессор спутникового HUB. Берет на себя следующие функции: прием информации из входящего канала, согласование частотного плана, распределение временных интервалов, распределение каналов, управление сочетанием ModCod на основе полученных данных от удаленных терминалов, управление компонентом MCR);

· MCR - Multichannel Receiver (многоканальный программный приемник, отвечающий за прием входящего сигнала, его демодуляцию и декодирование, обработанную информацию он передает на вышестоящий процессор);

· OBSS - Outbound subsystem (подсистема, отвечающая за входящий для ЦЗССС сигнал. На данный момент практически все спутниковые системы в передающем канале используют стандарт DVB-S2);

· IPM - IP encapsulator and Modulator (IP-инкапсулятор и модулятор. Именно этот компонент изменяет модуляцию и помехоустойчивое кодирование для каждого канала в отдельности, получая команду на изменение от компонента HSP);

· AppSS - Application subsystem (подсистема уровня приложений по модели OSI);

· DPS - Data Protocol Server (сервер обработки информации, работает по модели стека протоколов TCP/IP, поддерживает передачу информации (Data), телефонии (VoIP), трафика общего назначения (multicast). Поддерживает большинство стандартов и протоколов, является ядром сети передачи данных в спутниковой части сегмента).

Пример реальной структуры спутникового HUB приведен на рисунке ниже, где наблюдаются все перечисленные выше компоненты и их взаимосвязь, указанная соединительными линиями (рис. 8).

Рис. 8 Структура и состав спутникового HUB

Состав малой земной станции спутниковой связи (МЗССС) VSAT.

VSAT - терминал с малым диаметров антенны, состоит из нескольких основных компонентов:

· Антенна малого диаметра от 0,74 до 2,4 м;

· ODU (Outdoor unit) - оборудование, размещенное в месте установке на направляющих антенного поста:

· LNB (Low Noise Block, или Downconverter) - малошумящий усилитель - приемник, также конвертирующий сигнал до L-диапазона, на котором сигнал передается по коаксиальным проводам и обрабатывается информация спутниковым терминалом.

· BUC (Block Up Converter) - конвертер-передатчик мощностью 1-8 Вт, повышающий частоту сигнала до диапазона на котором построен спутниковый канал (C, Ku или Ka-диапазон) и повышающий его мощность.

· Облучатель - состоящий из волновода, поляризатора для ортогональных стволов и фильтра для частот приема-передачи.

· IDU (Indoor Unit) - оборудование находящиеся на объекте за приемопередатчиком. Зачастую этот объект можно обобщить до понятия спутниковый модем, который включает в себя функции модема (прием, обработка и передача сигналов для спутникового сегмента сети) и маршрутизатора (передача данных по сетевым протоколам).

Разделение каналов.

Все спутниковые каналы используют один спутниковый ресурс транспондера/спутника-ретранслятора, то одновременный совместный доступ предоставляется раздеделением каналов. Основный способом разделения каналов в спутниковых сетях является временной (TDMA) и частотный (FDMA). Каждый их них имеет свои преимущества и недостатки при использовании, в следствии чего они используются для разных целей и при разных условиях. Для предоставления услуг некритичных к задержкам и разнице во времени передачи используется временное разделение, т.к. при увеличении требуемой ширины канала в таблице распределения возможэно выделение дополнительных временных промежутков (TimeSlot), что будет негативно сказываться на скорости услуг для других каналов. При использовании канала для телефонии или видеообмена оптимальным решением будет переход на частотное разделение, в котором возможно предоставления отдельной полосы частот для канала, тем самым гарантируется скорость передачи и ширина канала связи. Способ разделения назначается оператором спутникового HUB, но количество предоставляемого времени/частотного ресурса определяется программно в соответствии установленным параметрам предоставляемого канала. Пример использования TDMA/FDMA в спутниковой связи приведен в таблице ниже (рис. 9):

Рис. 9 Разделение каналов в сетях VSAT с помощью TDMA/FDMA

Сравнение самых популярных и массовых технологий Gilat SkyEdge и Hughes Jupiter.

На данный момент на рынке предоставления спутниковых каналов связи через искусственные спутники Земли (ИСЗ) на геостационарной орбите наиболее широкое распространение получили технологии и решения нескольких компаний, таких как Gilat - технология SkyEdge I, II и Hughes - технология Jupiter.

Ниже (рис. 10) представлено сравнение наиболее развитых и представляющих наилучшее соотношение цена/качество систем - Gilat SE II и Hughes Jupiter:



Рис. 10. Сравнение технологий спутниковых терминалов Gilat SkyEdge и Hughes Jupiter

По проведенному сравнению было принято решение о выборе технологии для разрабатываемого проекта - технология SkyEdge II компании Gilat (рис. 11), так как она предоставляет широкий функционал и большие возможности:

· Принцип расширения функционала - компанией-производителем предусмотрена модульная система работы спутникового терминала "Plug-and-play", что позволяет подобрать лучшие решения по стоимости и поставленным задачам. На модеме присутствует несколько свободных слотов (от 1 до 3), в которые без дополнительного воздействия на удаленный терминал возможно вставить различные карты, например, для организации mesh-сетей.

· Организация спутникового доступа - в технологии SkyEdge используется наилучшее сочетание разделения каналов, а именно совместное адаптивное использование TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени) и FDMA (Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по частоте). Данное решение позволяет наиболее эффективно использовать полосу частот в зависимости от загруженности канала и необходимой ширины полосы для абонента.

· Предоставление выделенного канала - рассматриваемая технология поддерживает 2 режима выделенного спутникового канала связи CIR (Committed Information Rate - предоставление гарантированной скорости передачи данных) и CBR (Constant Bit Rate - предоставление постоянной выделенной полосы частот, что обеспечивает полную гарантию передачи трафика).

· Функция DBR (dual bit rate - двойная скорость передачи) - позволяет настраивать на спутниковом терминале двойную скорость передачи данных для разных пользователей, протоколов, оконечных устройств. Данная функция может позволить использовать спутниковый терминал для организации двух раздельных каналов - одного для рабочего использования сотрудниками на удалённом объекте, другого для передачи информации от систем мониторинга.

Рис. 11 Архитектура технологии Gilat SkyEdge

На рисунке 10 представлена коммутация спутникового HUB с телефонными сетями (общего доступа) и различными удаленными сетями и терминалами. Также изображены некоторые компоненты HUB, не являющиеся обязательными при построении сети и выполняющие особые функции: сервер ускорения трафика HTTP (Internet Page Accelerator), сервер резервирования соединений (Dial Backup), сервер настройки и функционирования качества предоставляемого сервиса (QoS - quality of service (FairShare)).

2.2 Выбор технологии и частотного диапазона для наземного беспроводного сегмента сети

Рассмотрим характеристики для основных технологий, использующих концепцию LPWAN: LoRaWAN, SigFox, "Стриж".

Используемый диапазон частот.

Отличительной особенностью рассматриваемых технологий передачи данных является используемый диапазон частот, а именно частоты до 1 ГГц (169 МГц, 315 МГц, 433 МГц, 868 МГц, 915МГц), не требующие лицензирования в ГКРЧ (Государственной комиссии по радиочастотам). Тем самым упрощается проектирование и сокращается время построения сети. Эти частоты имеют более высокую проникающую способность по сравнению с частотами L и Ku-диапазона, используемыми в радиорелейных и некоторых сотовых сетях, а также в спутниковой связи.

Модуляция.

Основным типом модуляции в рассматриваемых технологиях является FSK (Frequency Shift Key) - частотная манипуляция. Однако, модуляция, используемая в стандарте LoRa является собственной разработкой компании SemTech. CSS (Chirp Spread Spectrum) - несколько вариантов линейной частотной модуляции, выбираемых адаптивно устройством в зависимости от состояния среды распространения, а также подбор частоты несущей по линейному закону. Модуляция в сетях LoRa также является канальным уровнем передачи в модели OSI.

Разделение каналов.

В связи с тем, что концепция передачи малого объема информации с удаленных объектов построена также и на кратковременном выходе на устройства на связь, использование частотного разделения каналов не является оптимальным. В соответствии с этим используется TDMA, при этом само устройство между сеансами связи может находиться в режиме ожидания до следующего запрограммированного выхода на связь с шлюзом.

Топологии.

Основной топологией сети является звезда, но возможно частичное применение mesh-сетей для увеличения рабочего радиуса действия каналов связи. Также, архитектура сетей LPWAN представлена на рисунке ниже (рис. 12):

Рис. 12 Архитектура сети LPWAN

Стоимость удаленных устройств (EndNode) и базовых станций в рассматриваемой технологии.

Немаловажным параметров рассматриваемых устройств является стоимость базовых станций и оконечных устройств сбора и передачи информации (EndNode). Так как LoRaWAN является технологией свободного доступа (проприетарны только чипы, предоставляемые компанией SemTech), то уточнения стоимости ее элементов не составляет труда. Так, стоимость базовой станции варьируется в пределах 30-50 тыс. рублей, оборудования для оконечного объекта - 1-5 тыс. рублей, в зависимости от используемых компонентов. В отличие от LoRaWAN, представляющую концепцию свободного доступа к оборудованию, компания "Стриж" предоставляет доступ к своему одноименному оборудованию только для крупных компаний и государственных организаций. Таким образом, уточнить стоимость оборудования для малого коммерческого проекта не представляется возможным. Схожим взглядом на распространение технологии обладает и компания разработчик технологии SigFox.

Пропускная способность:

Пропускная способность технологий передачи данных на дальние расстояния довольно малая, точные значения приведены в сравнительной таблице. Средний диапазон скорости передачи информации составляет от 10 Бит/с до 50 Кбит/с.

Сравнительная таблица (таблица 1) решений и протоколов для технологии LPWAN:

Характеристика	LoRaWAN	SigFox	Стриж
Дальность прохождения сигнала	До 10-20 км в зоне свободной видимости без помех и преград сигналу	До 20 км в зоне свободной видимости без помех и преград сигналу	До 20 км в зоне свободной видимости без помех и преград сигналу
Взаимодействие с устройствами	Двусторонняя связь со шлюзом	Односторонняя связь сенсор-шлюз	Используется с совместимыми устройствами
Модуляция	Широкополосная	Широкополосная	Узкополосная
Разделение канала	CDMA, TDMA	CDMA	FDMA
Скорость передачи данных	От 300 бит/с до 50 Кбит/с	10-1000 бит/с	100 бит/с
Частотный диапазон	169/315/433/868/915МГц	868/902 МГц	868,8 МГц
Ширина полосы канала связи	125/250/500 кГц (наибольшее распространение получила полоса 125 кГц)	125 кГц	100 Гц
Шифрование	В пределах подсети	Отсутствует	Двойное
Возможность удаленного обновления ПО	Присутствует	Отсутствует	Отсутствует
Характеристика	LoRaWAN	SigFox	Стриж
Дуплекс	Присутствует	Присутствует	Отсутствует
Закрытость технологии	Сеть принадлежит клиенту, чип устройств проприетарен	Ядро сети принадлежит компании разработчику	Ядро сети принадлежит компании разработчику
Mesh-сети	+	-	-
Количество развернутых в мире сетей	>50	>20	>5

Таблица 1. Сравнение решений и протоколов для технологии LPWAN

Также стоит отметить отличительную характеристику использования узкополосного сигнала с увеличенной амплитудой на субгигагерцовых частотах, который применяется в технологии LPWAN, что гарантирует высокую проникающую способность и большую дальность распространения сигнала.

Рис. 13 Архитектура сети LoRaWAN

СПД LoRaWAN состоит из нескольких основных элементов (рис. 13): базовой станции (шлюза), конечных устройств (EndNode), удаленного сервера сети, состоящего из нескольких обрабатывающих информацию серверов и NMS (Network Management System, центр управления сетью). Доступ к полученным данным может быть предоставлен сотрудникам, ответственным за системы мониторинга через тонкий клиент либо WEB-приложения. Между всеми компонентами используется двунаправленная связь (дуплекс), тем самым обеспечивается возможность не только передачи информации с удаленных терминалов на БС, но и приема для дальнейшей обработки, расширяя спектр возможных задач сети и возможности по использованию и диагностике системы, а именно корректная настройка, получение важной информации, использование обратной связи для передачи команд. Данным свойством (двусторонняя связь) LoRaWAN выделяется среди технологий-конкурентов. В качестве адреса используются уникальные идентификаторы устройств (оконечных узлов) и уникальные идентификаторы приложения на сервере приложений. Стоит отметить, что LoRaWAN, как передовая разработка в области Интернета Вещей поддерживает использование протокола IPv6.

Вывод по главе 2.

По анализу полученных данных можно сделать вывод о необходимости использования при проектировании в спутниковом сегменте сети передачи данных технологию Gilat SkyEdge II, так как ее возможности и характеристики наиболее подходят под цели разрабатываемой системы.

На основе проведённого исследования существующих технологий передачи малого объема данных и телеметрии с удаленных объектов мониторинга концепции LPWAN можно сделать вывод о необходимости выбора LoRaWAN, так как она является наиболее перспективной по показателям дальности прохождения сигнала, помехоустойчивости, отсутствия необходимости в использовании лицензируемых в органах власти частотах, а также немаловажный фактор - открытая архитектура и продажа компонентов системы передачи данных в открытом доступе.

Глава 3. Проектирование сети передачи данных со спутниковыми каналами связи для удаленных районов

На основе проведенного анализа были отобраны технологии передачи данных, для спутникового сегмента сети - это Gilat SkyEdge II, для наземного - LoRaWAN, описана структура и выбран состав спутникового HUB.

Рис.14 Схема сети передачи данных со спутниковыми каналами связи

Далее представим выбранные элементы в единой сети, для этого подберем топологию и разработаем архитектуры сети. Так как топология спутниковой и наземной части сети - Звезда, то выберем ее. Архитектура сети отображена на изображении ниже, где отчетливо видна структура сети (рис.14):

Рассмотрим использование спутникового модема на объекте. По результатам, полученным в ходе анализа, были выбраны модемы, работающие по технологии Gilat SkyEdge II. На данный момент наилучшим модемом по предоставляемым функциям и цене среди рассматриваемой линейки является Gilat SkyEdge II IP, которые обладает минимальными необходимыми параметрами для передачи IP-пакетов по СПД, поддерживает множество протоколов стека TCP/IP, но обладает ограниченными возможностями в организации голосовых или видео-сессий, тем самым сокращая издержки на закупку более дорогих терминалов. Данный модем имеет единственный интерфейс 100Base-T Ethernet. Со стороны приемопередатчика имеет два разъема типа F, к которому подключаются два коаксиальных кабеля: один для приемника (LNB), второй для передатчика, по которому также проходит питание для ODU напряжением 12 В. Настройка и обслуживание программной части модема происходит через web-интерфейс или консоль, так как внешнего управления через клавиши данный модем не имеет. Целью разрабатываемой сети является периодическая передача малого объема информации, соответственно организация описанных выше выделенных каналов в спутниковом ресурсе не требуется. В данном случае выбор ложится на каналы MIR (рис.15)без выделенных частотных каналов и гарантированной скорости, ведь передача малого объема информации этого не требует, что было доказано в ходе экспериментов на основе сети передачи данных со спутниковыми каналами связи компании АО "РТКомм. РУ", которая обладает наибольшей сетью спутниковых включений на территории России.

Рис. 15. Использование канала MIR на тестовой станции

Для проверки возможности работы спутникового шлюза на удаленном объекте был развернут тестовый терминал с подключенным питанием напряжения 12 В для проверки работоспособности спутникового модема и приемо-передатчика на данном напряжении. Антенный пост был отъюстирован на спутник связи Ямал-402. Для территориальных областей Москвы и Московской области ориентировочные значения для юстировки составляют 24,6 град. - угол места (иными словами угол возвышения над горизонтом), и 159 град. - магнитный азимут. При выставлении данных значений был пойман минимальный сигнал, относительно которого происходило дальнейшее наведение. В процессе юстировки удалось достигнуть следующих энергетических значений: энергетика принимаемого сигнала - 15,67 дБ (рис.16); передаваемого сигнала - 12,25 дБ (рис.17), запас в канале передачи - 6,65 дБ.

Рис. 16. Значения телеметрии энергетических значений сигнала в прямом канале на спутниковом HUB спутника связи Ямал-402

Рис. 17. Значения телеметрии энергетических значений сигнала в обратном канале на спутниковом HUB спутника связи Ямал-402

После проведения процедуры юстировки необходимо настроить кросс-поляризационную развязку (КПР) для данной станции. КПР является отношением двух сигналов принимемых и передаваемых спутниковой станцией связи - кополярного (сигнала совпадающей поляризации) и кроссполярного (сигнала ортогональной поляризации). Данное действие необходимо для предотвращения передачи сигнала терминалом VSAT в поляризации, не совпадающей с поляризацией используемого транспондера, что может привести к "засветке" других транспондеров спутника-ретранслятора. Данная процедура заключается в регулировке приемопередатчика в продольной оси для выставления необходимого угла поляризации облучателя. Процесс проведения кроссполяризационной развязки представлен на изображении (рис.18), где отчетливо видно сигнал передаваемый от VSAT к ЦЗССС (находятся на одной частоте) и немного смещенный в меньшую сторону по частоте сигнал, который находится в другой поляризации.

Рис. 18. Настройка КПР через спектроанализатор на ЦЗССС

После окончания настройки и наведения малой земной станции спутниковой связи необходимо проверить ее доступность, а следственно и работоспособность спутникового канала связи. Для этого была настроена маршрутизация на внутренней сети передачи данных и проведено обследование (рис.19). Анализ проведенного тестирования позволяет подтвердить возможность передачи данных с удаленных объектов при помощи спутникового канала связи с использованием технологии VSAT и спутников связи на геостационарной орбите. Задержки в передачи сигнала от ЦЗССС к удаленному VSAT и в обратную сторону в среднем составили 720 мс, что при условии хороших погодных условий и малой загруженности спутникового HUB является хорошим показателем и не влияет на работы систем передачи данных у удаленных объектов сбора телеметрии.

Рис. 19. Тестирование работоспособности спутникового канала связи

В наземном сегменте разрабатываемой сети была выбрана технология LoRaWAN с чипом от компании SemTech. На данных устройствах будет использоваться диапазон частот нелицензируемый в России 868 МГц. В данном диапазоне разрешен для нерегистрируемого использования промежуток 868,7-869,2 МГц и 864-865 МГц - в сумме равный 1,5 МГц - с условием мощности передатчика не более 25мВт, что соответствует технических характеристикам устройств LoRa (рис.19). Для нашей сети возьмем минимально возможную ширину канала в технологии LoRaWAN - 125 кГц, так как объем передаваемой нами информации не требует большой ширины полосы. Таким образом, с учетом рекомендаций построения сетей от компании-разработчика, а именно расположение между каналами защитного промежутка частот в 75 кГц, в нашем диапазоне удается установить 7 каналов.



Рис. 20 Разрешенные частоты в России для технологии LoRaWAN с указанием необходимости лицензирования

Рис. Фрагмент документа LoRa Alliance с указание частот, разрешенных к использованию в России [9].

В первой разрешенной нелицензируемой полосе частот 864-865 МГц:

1. 864,000 - 864,125 - 1 канал

2. 864,125 - 864,200 - 1 разделительный промежуток

3. 864,200 - 864,325 - 2 канал

4. 864,325 - 864,400 - 2 разделительный промежуток

5. 864,400 - 864,525 - 3 канал

6. 864,525 - 864,600 - 3 разделительный промежуток

7. 864,600- 864, 725 - 4 канал

8. 864,725 - 864,800 - 4 разделительный промежуток

9. 864,800 - 864,925 - 5 канал

10. 864,925 - 865,000 - 5 разделительный промежуток

Во второй разрешенной нелицензируемой полосе частот 868,7 - 869,2МГц:

1. 868,700 - 868-825 - 6 канал

2. 868,825 - 868,900 - 6 разделительный промежуток

3. 868,900 - 869,025 - 7 канал

4. 869,025 - 869,100 - 7 разделительный промежуток

Настройка использования разных каналов производится адаптивно в соответствии с местной радиоэлектронной обстановкой, загруженностью каналов, возможность и необходимостью разделения каналов.

Протоколом передачи между end-nodes и базовой станцией будет установленный стандартом модуляция LoRa, находящийся на втором уровне модели OSI - канальном. Так как БС LoRa поддерживает стек протоколов TCP/IP, то далее передача информации с нее в сторону спутникового модема будет происходить пакетами размерами не более 225 байт (по требованиям максимальных пакетов в сети LoRa и для уменьшения вероятности потери или непрохождения пакетов ввиду их больших размеров или малого размера TimeSlot в спутниковом канале).

Важным параметров сети LoRa является коэффициент распространения - SF (spreading factor), который определяет скорость передачи данных радио-модулем и размер пакета. Значение SF варьируется от 7 до 12. Значения каждого SF представлены в таблице (таблица 2) ниже. Данные показатели были достигнуты при использовании радиомодуля "СИ-11" компании "ВЕГА":

Табл.2 Сравнение SF и предоставляемых характеристик канала связи

Следующим критически важным вопросом является электропитание на удаленном объекте. Спутниковые терминалы Gilat не требовательны к питанию и зачастую работают на более низком или высоком напряжении, чем указано в технической спецификации, аппроксимированном синусе с выхода блока питания, выдерживают сильные перепады по напряжению, что часто встречается при использовании дизель-генераторных установок, в отличие от спутниковых модемов компании Hughes. В соответствии с этим возможно рассмотрение использования источников питания, не требующих постоянного человеческого обслуживания или присутствия. Таковыми являются ветрогенераторные установки и солнечные электростанции, которые нашли широкое применение на удаленных объектах России. В частности, множество спутниковых терминалов, установленных для работы базовых станций мобильной связи "большой четверки" мобильных операторов в труднодоступных районах, используют указанные выше источники питания. Общее питание, потребляемое оборудованием на удаленном объекте, складывается из потребления VSAT - 15 Вт, БС LoRa - 5Вт, в сумме около 20 Вт. Питание удаленных датчиков с объектов мониторинга слишком мало, в связи с этим их питание может обеспечиваться элементом питания форм-фактора AA длительностью до года. При инсталляции оборудования важно обратить внимание на достижение прямой видимости на космический аппарат для антенного поста спутниковой станции, а также прямой видимости между устройствами сети LoRaWAN, так как наличие преград может существенно снизить дальность распространения сигнала, что критически важно для разрабатываемой сети.

Вывод по главе 3.

В ходе проведенного обследования и разработки можно сделать вывод о возможности построения сети передачи данных со спутниковыми каналами связи для удаленных районов. Однако, при практическом построении данных сетей следует учитывать особенности местности и электромагнитную обстановку, также возможность наведения на космический аппарат - спутник-ретранслятор в прямой видимости, возможность прямой видимости между объектами мониторинга и базовой станцией для гарантированной передачи данных на максимальных расстояниях. Стоит отметить важность получения электропитания на удаленном объекте с помощью ветрогенераторных установок либо других генераторов при отсутствии сетей местного электропитания.

Проведенная работа предоставляет факты о возможности построения сетей передачи данных для удаленных районов, тем самым подтверждается актуальность исследования для современных потребностей рынка и компаний, предоставляющих свои услуги либо имеющих объекты в удаленных районах, требующих постоянного мониторинга и сбора телеметрии. В России данными районами являются не только субъекты федерации на крайнем севере либо дальнем востоке, такие районы присутствуют и в центральной и европейской части России, где находится множество нефтегазоносных районов, имеющих множество оборудования критически важного к быстрому получению информации о его состоянии.

Заключение

В ходе работы были проведены обзор и анализ предметной области - сетей передачи данных со спутниковыми каналами связи для удаленных районов. По их результатам было принято решение об целесообразности использовании технологий VSAT (Very Small Aperture Terminal) для спутникового и LPWAN (Low-power Wide-area Network) для наземного сегментов сети. На основании сравнения существующих технических решений в рассматриваемых областях были выбраны технологии для построения сети "Gilat SkyEdge II" и "LoRaWAN". По полученному в компании АО "РТКомм. РУ" опыту работы с данным оборудованием были сделаны выводы о формате работы оборудования, рассмотрены частотные планы и обозначены технические характеристики разработанной сети.

...