Проектирование сети спутниковой сети связи на основе VSAT-технологии SkyEdge

Ниже представлен сравнительный технический анализ PES 5000 PLUS и SkyEdge (таблица 1.1)

Как показывает сравнение, SkyEdge имеет явное преимущество перед PES по наиболее важным критериям, относящимся к двунаправленным платформам спутниковой связи: набору функций, надежности, поддержке и цене.

Модульный принцип организации и возможность обновления.

Решению SkyEdge свойственна модульная гибкость. В базовую комплектацию входят два последовательных порта и один Ethernet, а также три дополнительных слота под встраиваемые карты. Подобная архитектура дает возможность модульного обновления путем добавления plug-and-play карт, подобных РС-картам, для поддержки различных интерфейсов, протоколов и приложений, включая широкий набор IP-приложений и высококачественную передачу речи. На каждом удаленном терминале plug-in карты просто вставляются в гнезда задней панели, без снятия крышки, что позволяет оптимизировать конфигурацию терминала.

В динамичной среде высоких технологий требования к приложениям быстро меняются. Разработанная корпорацией Gilat, VSAT схема “plug-and-play” дает доступные и быстро реализуемые решения - plug-in карты добавляются в количестве, требуемом для новых приложений.

Решение PES 5000 PLUS поддерживает меньшее количество интерфейсов и не имеет слотов для карт расширения.

Схема спутникового доступа.

Запатентованная Gilat схема предоставляет наиболее гибкую архитектуру доступа к спутниковым ресурсам. Эта схема объединяет технологии TDMA и FDMA, что обеспечивает стабильное использование всей полосы для каждого терминала и, как следствие, сбалансированность VSAT канала.

Входящий канал SkyEdge использует схему спутникового доступа, основанную на технологии FTDMA, которая является наиболее эффективной для приложений, ориентированных на транзакции. Разработанная Gilat схема доступа позволяет утилизировать 27% космического сегмента для трафика транзакций, в то время как схемы, разработанные другими производителями, позволяют использовать только 10-15% космического сегмента.

Динамический и выделенный доступ.

В случае, когда необходим более высокий уровень производительности (непрерывный поток данных или речи) между удаленным терминалом и HUB'ом VSAT может использовать режим выделенного доступа. В этом режиме терминалу назначается выделенная частота для передачи, избегая, таким образом, конфликтов между терминалами в динамическом режиме. Переключение между динамическим и выделенным режимом контролируется вручную при помощи NMS, либо осуществляется автоматически. Выделенный доступ и/или частичный выделенный доступ может быть предоставлен на определенный короткий промежуток времени. Переключение в выделенный режим происходит в тот момент, когда исходящий трафик терминала удовлетворяет какому-либо установленному условию.

Основным преимуществом выделенного доступа является то, что все фреймы посылаются в свободном от коллизий режиме. Это позволяет наиболее эффективно использовать полосу пропускания входящего трафика.

Данная высокоэффективная схема доступа позволяет повышать утилизацию спутникового сегмента от 27% (наиболее высокий уровень утилизации для динамического доступа) до 80% и выше в сетях с непульсирующим типом трафика и/или большими пакетами данных. Например, для приложений, использующих передачу файлов, при сохранении всех преимуществ двухмерной схемы динамического доступа (т.е. полного использования ресурса, нечувствительности к интерференции и автоматического распределения нагрузки).

DBR.

SkyEdge поддерживает DBR (dual bit rate - двойная скорость передачи), что увеличивает гибкость сетевых приложений, наряду с улучшением использования спутникового сегмента. Каждый терминал может поддерживать две установленные скорости передачи данных, в совокупности с режимами множественного доступа.

Каждый ресивер на HUB'e SkyEdge может управлять двумя скоростями, в то время как множественный ресивер может управлять множеством скоростей. Это является идеальным для частного HUB'a управляющего различными типами трафика или для ситуации с совместным использованием HUB'a, где различные клиенты имеют разный трафик и требования к скорости передачи данных.

Распределение процессов.

С тех пор как в SkyEdge стала использоваться скачкообразная перенастройка частоты и разделение одной входящей полосы пропускания, распределение нагрузки между VSAT терминалами происходит автоматически.

В схеме PES TDMA операторы должны постоянно следить за загрузкой входящих потоков и перемещать терминалы с одного входящего потока на другой для равномерного распределения нагрузки.

Нечувствительность к интерференции.

Во время использования механизма скачкообразной перенастройки частоты SkyEdge нечувствителен к интерференции, возникающей между одним или более частотными слотами. В случае если несколько удаленных терминалов пытаются работать на одной частоте, HUB автоматически выбирает свободные частоты и назначает их для работы удаленным терминалам и ликвидирует коллизии. Это позволяет использовать недорогую аппаратуру ODU, экономить спутниковые ресурсы и справляться с мгновенными пиками трафика в сети без значительной задержки во времени ответа. Сеть нечувствительна к нарушениям радиосвязи, вызванным интерференцией частот.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица по характеристикам решений SkyEdge и PES 5000 PLUS

В системе PES TDMA подобная интерференция блокирует все терминалы находящиеся на данном дискретном частотном слоте, так что вся группа терминалов будет блокирована до тех пор, пока интерференция не исчезнет.

Режим день/ночь.

Система SkyEdge может быть запрограммирована таким образом, чтобы распределять полосу пропускания в соответствии с изменением дневной/ночной загрузки трафика. Большой объем дневного интерактивного трафика и ночной объем передач распределяется путем автоматического разделения спутникового сегмента между динамическими и выделенными каналами.

Система PES не способна адаптироваться к изменениям типа трафика день/ночь.

Эксплуатационная характеристика связи.

Энергетика полосы пропускания спутникового транспондера Gilat ниже, чем у HNS, что способствует более низким требованиям к энергопотреблению, размеру антенны, и минимизирует общие начальные издержки и затраты на содержание системы SkyEdge.

Низкоскоростное соединение.

SkyEdge лучше чем PES поддерживает низкоскоростные приложения. Как следствие, может быть достигнута существенная экономия на основе использования низкоэнергетических передатчиков и антенн небольшого размера.

Протоколы и приложения.

SkyEdge с исходящими потоками до 8 Mbps легко поддерживает передачу любых, и в том числе высококачественных видеоданных через IP. Optibase, один из ведуших вендоров video-over-IP, оптимизировал свою технологию доставки видеоданных под работу через SkyEdge.

PES, с исходящими потоками только до 512 Kbps, не в состоянии передавать через IP даже низкокачественные видеоданные.

Надежный IP Multicast.

Надежное ПО доступно в unicast, multicast and broadcast. Программное приложение “Surecast” встроенное в систему SkyEdge, позволяет легко группировать терминалы и осуществлять полное управление всеми процессами с HUB-станции с чрезвычайно высокой надежностью и контролем.[1]

1.3 Обзор технологии VSAT

Полнофункциональные VSAT-станции. Сети на базе полнофункциональных VSAT-станций ориентированы на предоставление всех возможных услуг связи, причем основной их задачей изначально считалось обеспечение удаленных регионов телефонной связью.

В таких сетях используется несколько способов организации многостанционного доступа к спутниковым каналам по запросу - разновидности технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access). Выбор той или иной технологии доступа определяется топологией построения сети - Mesh (полнодоступные, или многосвязные сети) или Star (радиальные сети). Для подключения разнородного оконечного телекоммуникационного оборудования в полнофункциональных VSAT-станциях реализуется большое количество интерфейсов, поддерживается широкий спектр протоколов и методов сигнализации.

Таким образом, полнофункциональные станции VSAT оправдывают свое название, представляя собой универсальное средство для организации доступа любых стационарных абонентов к любым сетям связи и информационным ресурсам. Столь широкая функциональность обусловливает достаточно высокую цену пользовательских VSAT-терминалов этого класса. Вместе с тем центральная станция в таких сетях обходится владельцу в несколько раз дешевле, чем в новых интерактивных сетях.

Организация абонентского доступа с использованием полнофункциональных VSAT-станций наиболее приемлема для корпоративных клиентов, которые либо создают собственные выделенные сети, либо используют уже развернутую сеть, созданную в интересах другого заказчика.

В таблица 1.2 представлены основные типы полнофункциональных VSAT-станций для организации абонентского доступа путем создания сетей с относительно небольшим числом станций.

Интерактивные VSAT-станции. Сегодня в области VSAT-технологии активно развивается отдельный класс технических решений, ориентированных в первую очередь на предоставление услуг передачи данных и доступа в Интернет, - интерактивные VSAT-сети (часто их называют сетями типа DVB-RCS). Меньшая по сравнению с полнофункциональными сетями стоимость абонентских интерактивных VSAT-терминалов достигается благодаря перемещению значительной части функций в центр сети.

Общей отличительной особенностью интерактивных VSAT-сетей является топология "звезда": в центре сети располагается центральная высокопроизводительная станция, обеспечивающая работу множества (до нескольких тысяч) интерактивных VSAT-станций, устанавливаемых непосредственно у абонентов. Центральная станция сопрягается с любыми наземными магистральными линиями связи и имеет возможность коммутации информационных потоков, благодаря чему поддерживается информационное взаимодействие пользователей сети между собой и с абонентами других сетей.

Однако в некоторых случаях жесткая централизация сетевых ресурсов становится недостатком интерактивной технологии VSAT. Например, при необходимости создания выделенной сети (внутри общей интерактивной) с центром, географически удаленным от центральной станции общей сети, иногда целесообразнее использовать полнофункциональные VSAT-станции, несмотря на их более высокую стоимость. Правда, уже появляются технологии (например, SkyEge от Gilat), способные устранить этот недостаток, но при этом стоимость интерактивного терминала увеличивается.

В недалекой перспективе развитие интерактивных VSAT-технологий может получить новый импульс за счет создания спутников связи с обработкой и коммутацией информационных потоков на борту. В этом случае преимущества централизации сети будут сочетаться с возможностью произвольного создания выделенных небольших подсетей без строительства дорогостоящей центральной станции. В связи с этим рассматриваются и уже внедряются открытые стандарты на оборудование интерактивных VSAT-сетей, например EN 301 790 (DVB-RCS) и др. Выбор стандарта, по-видимому, будет определяться практической реализацией спутника связи.

Технологии. Для организации многостанционного доступа в прямом канале (от ЦС к VSAT) используется метод временного мультиплексирования (TDM). Единый IP-поток обычно формируется в соответствии со спецификациями стандарта DVB-S и транслируется через спутник связи всем абонентским станциям сети, расположенным в рабочей зоне.

В обратном канале формируются отдельные относительно низкоскоростные потоки TDMA. При этом для повышения пропускной способности сети используется так называемая многочастотная технология ТDМА (MF-TDMA), предусматривающая скачкообразные изменения частоты при перегрузке одного из обратных каналов. При определении на центральной станции соединения IP-телефонии происходит автоматический переход в режим закрепленного доступа.

В табл. 1.3 представлены наиболее распространенные на сегодняшний день технологии интерактивных VSAT-сетей и приведен краткий перечень основных параметров VSAT-станций.

Среди указанных технологий выделяется ArcLight, принципиальное отличие которой заключается в том, что обратные каналы организуются в той же полосе частот, которую занимает прямой канал.

Таблица 1.2 - Оборудование и технологии спутниковых сетей с использованием полнофункциональных VSAT-станций

Разделение каналов осуществляется путем использования свойств шумоподобных сигналов с кодовой модуляцией. Пока эта технология не имеет широкого практического применения.

Еще одна технология - Web-Sat - также не укладывается в общую схему для интерактивных сетей VSAT. Например, она не использует метод скачкообразного изменения частоты и рассчитана на организацию относительно небольших сетей, стоимость которых минимальная.

Потенциальные пользователи.

Стоимость интерактивной VSAT-станции в настоящее время составляет примерно 2000-2300 дол., но существует тенденция к ее сокращению. Что, несомненно, расширит круг потенциальных пользователей.

Если в недавнем прошлом в качестве потенциальных пользователей VSAT-сетей рассматривали прежде всего крупных и средних корпоративных заказчиков, то с развитием интерактивных VSAT-технологий пользователями могут стать не только малые компании и предприятия, но и физические лица.

Таблица 1.3 - Основные параметры интерактивных станций и сетей VSAT

Реализуемые услуги.

Таким образом, имея в своем распоряжении небольшую спутниковую станцию, пользователь получает практически все современные услуги:

доступ в Интернет со скоростью до нескольких сотен килобит в секунду при запросах к до нескольких десятков мегабит в секунду в ответном канале;

IP-телефонию с предоставлением номера или нескольких номеров, а также нескольких каналов, обеспечивающих выход в ТфОП (при необходимости);

каналы для централизованных видеоконференций со скоростью обычно до 384-512 кбит/с (этого вполне достаточно для качественного изображения).

Кроме того, можно организовать и такие услуги, как распространение видео по заказу и даже телевещание.

Перспективы применения.

Преимущества абонентского доступа с использованием спутниковой связи в Казахстана трудно переоценить. Единственным препятствием для широкого внедрения спутниковых технологий является неадекватность существующей нормативной базы, которая не предусматривает никаких мероприятий по стимулированию и приоритетному развитию перспективных для нашей страны.

1.3.2 Основные топологические схемы VSAT-сети и способы многостанционного доступа

Топологическая схема типа Star и Mesh.

По существу имеются две топологические разновидности: Star (звезда) и Mesh (полносвязная схема соединения “каждый с каждым”). Сеть Star (рис. 1) построена таким образом, что информация от любой VSAT-станции поступает на центральную станцию (ЦС).

Рисунок 1.1 - Топологические схемы а)Star, б) Mesh

В результате сигнал от VSAT1 до VSAT2 проходит следующий путь: VSAT1-MC3-UC-MC3-VSAT2. Это “двойной скачок”, и время распространения достигает 0,6 с, что неприемлемо для передачи голоса, но допустимо для многих приложений, связанных с передачей данных.

Сеть Mesh (рисунок 1.1) предусматривает соединение VSAT-станций за один “скачок”, а ЦС (или выделенная станция сети) в данном случае обеспечивает организацию вызова и соединения. Соответственно, задержка сигнала уменьшается в два раза и составляет не более 0,3 с, что практически не ощущается даже при передаче голоса, не говоря уж о других приложениях, требующих режима реального времени.

Организация передачи информации в спутниковых сетях VSAT базируется на трех основных методах разделения каналов при многостанционном доступе: FDMA (частотное разделение), TDMA (временное разделение), CDMA (кодовое разделение). Для оптимизации пропускной способности и стоимости сети в каждом конкретном случае используется сочетание этих методов. Отметим, что далее будут рассматриваться методы, которые применяются только при использовании ретрансляционной аппаратуры ИСЗ с прозрачными стволами.

Сеть типа Star ориентирована, в первую очередь, на обеспечение услуг, связанных с передачей данных, для которых задержка сигнала не столь принципиальна. Наиболее распространенный способ для решения этих задач - TDM/TDMA. Исходящие потоки от каждой VSAT-станции разделены во времени и транслируются на ЦС. С целью минимизации арендуемой полосы частот используются различные протоколы Aloha. Основная задача - исключить коллизии, то есть наложение информации, передаваемой разными VSAT-станциями в данный момент времени на одной частоте. При этом, чем совершеннее протокол Aloha, тем больше задержка информации.

На ЦС сигналы коммутируются и мультиплексируются в единый цифровой поток TDM (транслируемый через спутник-ретранслятор), который доступен для приема любой абонентской станцией сети.

В случае если трафик достаточно устойчив во времени, используется технология SCPC/PAMA. Такое решение обеспечивает в реальном масштабе времени не только передачу данных, но и телефонную связь между VSAT и ЦС. Сочетание SCPC/PAMA и TDM/TDMA позволяет реализовать сеть по схеме двухуровневой звезды, в которой закрепленные каналы РАМА являются магистральными.

При организации сети Mesh актуальна другая задача. Необходимо обеспечить связь абонентов “каждого с каждым” за один скачок. К наиболее распространенной технологии относится DAMA. Она предусматривает выделение ресурсов сети каждому абоненту только на время их активного взаимодействия. Здесь возможны два основных варианта. Первый и наиболее распространенный - SCPC/DAMA, который выделяет частотный канал по требованию абонента. Второй - TDMA/DAMA -более прогрессивен и предусматривает динамическое распределение временных слотов в кадре TDMA по запросу абонента.

Запрос выделения канала для абонентской станции может быть реализован различными методами. Например, на ЦС формируются дежурные каналы, которые обеспечивают только режим запроса и назначения информационного канала для абонента, что обычно имеет место при использовании SCPC/DAMA. Другой метод предусматривает организацию выделенного канала, работающего в режиме TDM/TDMA. Число дежурных каналов либо пропускная способность канала TDM/TDMA выбираются в зависимости от допустимой вероятности отказа в соединении в часы наибольшей нагрузки сети.

Область применения VSAT-технологий.

Несмотря на естественное желание унифицировать VSAT-оборудование, рынок диктует свои условия, среди которых основным является минимизация стоимости как самого оборудования, так и обслуживания сети.

Если сегодня обратиться к любой рекламе, то окажется, что VSAT-технологии могут обеспечить любые виды услуг связи: и телефон, и передачу данных, и видео, и Интернет, и т.д. С одной стороны, это так, а с другой - не совсем так. Конечно, иметь универсальную абонентскую станцию и сеть VSAT - неплохо, но стоимость такого решения, по крайней мере, сегодня (да и в ближайшем будущем) будет зашкаливать за любые разумные значения. Хотя потенциально (технически) здесь нет никаких фантазий, однако существует вполне определенный круг функциональных задач, свойственных определенной базовой технологии. Для исходного, функционального разделения базовых технологий в качестве критерия можно принять топологию VSAT-сети - Star или Mesh. Выбор топологии сети, в первую очередь, зависит от задач заказчика.

Очевидно, что топология Star подразумевает соединение всех удаленных станций с единым центром. Однако их соединение между собой возможно лишь через центр. Это условие, в первую очередь, накладывает ограничение на организацию телефонных каналов и других видов информации, чувствительных к задержке сигнала. Соответственно, приоритетными становятся задачи сбора и двухсторонней передачи данных между удаленными станциями и центром. При этом качественная телефонная связь является дополнительной услугой, реализуемой только между центром и отдельной удаленной станцией (выход в сети общего пользования и, тем более, организация международных соединений приведет к труднопредсказуемому ухудшению качества речи).

К наиболее характерным задачам, которые решаются с помощью сети, выполненной по топологии Star, относятся:

обслуживание бензозаправочных станций, банкоматов;

мониторинг и управление технологическими процессами на электростанциях;

организация сервисного обслуживания автомобилей и их аренды;

обмен платежными документами между региональными отделениями и центральным отделением банка и т.п.

Сеть типа Mesh в общем случае подразумевает равноправную связь удаленных станций между собой. По сравнению с топологией Star здесь резко возрастает число направлений связи. Если в сети Star число направлений связи равно числу станций сети N, то в данном случае число связей n x (N-1)/2. Это дань за организацию одного скачка при установлении связи. Таким образом, сеть типа Mesh обладает большими функциональными возможностями. Кроме задач, решаемых в сети типа Star, имеется возможность организовать качественную телефонную связь, видеотелефон и даже сеть видеоконференций. Построение такой сети (естественно, и стоимость ее будет существенно выше) обычно актуально для организации работы большой корпорации, имеющей территориально разнесенные отделения. Например, собрать всех региональных руководителей в центральном офисе может оказаться гораздо сложнее и дороже, чем организация регулярных видеоконференций. Конечно, для телефонизации удаленных и труднодоступных регионов актуальность сетей типа Mesh сохранится.

Как уже упоминалось, для этих сетей характерны различные модификации технологии многостанционного доступа DAMA.

2. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕТИ