Проектирование сети спутниковой сети связи на основе VSAT-технологии SkyEdge

Улучшенный, благодаря ЖКИ дисплею и кнопкам навигации, интерфейс взаимодействия с пользователем облегчает процесс установки и обслуживания терминала. Настройка терминала может быть проведена без какого-либо дополнительного оборудования, состояние терминала и результаты самотестирования могут быть представлены с помощью ЖКИ дисплея.

SkyEdge Call превосходит другие терминалы по телефонным функциям и создан для поддержки сельской телефонии (USO) и правительственных проектов. Этот терминал предлагает телефонные возможности, включающие высококачественную передачу голоса, передачу факсимильных сообщений и данных по принципу Dialup, а также ряд дополнительных возможностей. Вместе с беспрецедентным накопленным опытом и ноу-хау, унаследованным от системы DialAw@y компании Gilat, а также благодаря применению новых методов модуляции, улучшающих использование спутникового ресурса, компания Gilat создала идеальный терминал для сельских проектов и нужд телефонии.

Этот терминал поддерживает все телефонные функции продукта DialAw@y в топологии звезда «star». Он поддерживает традиционную телефонию (Native Telephony) с двумя или одной телефонной линией для передачи голоса и факсимильных сообщений и поддержки таксофонов. Вместе с очень низким энергопотреблением (типично меньше 20 Ватт) и дополнительными механизмами энергосбережения терминал SkyEdge Call может работать от солнечных панелей или дизель генераторов и идеален для сельской местности.

SkyEdge Gateway платформа предоставления транковых решений. Терминал поддерживает цифровую телефонию и передачу данных, по требованию через выделенные каналы «mesh». Терминал SkyEdge Gateway обеспечивает сопряжение с ТСОП для корпоративных клиентов и правительственных организаций. Соединяет Ваши телефонные станции, базовые станции сотовой связи, корпоративные LAN/WAN. Поддерживает видеоконференции и высокоскоростные приложения.

Терминал SkyEdge Gateway является правопреемником системы FaraWay. Он укомплектовывается набором карт расширения, которые позволяют предоставлять полный канал E1 для телефонных приложений. Для передачи данных он поддерживает IP в режиме PAMA и в режиме DAMA, с предопределенными скоростями и базируясь на IP адресе. Обычно, терминал укомплектовывается картой «MESH» для поддержки полносвязной топологии.

SkyEdge DVB-RCS- Улучшенное решение стандарта, этот терминал соответствует требованиям стандарта и предназначен для передачи широкополосных IP данных и поддержки многоадресных приложений.

Этот терминал поддерживает синхронизацию PCR и конфигурацию на основе таблиц в канале Outbound, режим резервирования RCS c короткими пакетами, модуляцию QPSK в канале Inbound. Терминал работает с линейными ODU, что позволяет использовать модуляцию QPSK. Линейный ODU может принимать любую опорную частоту от терминала. Терминал DVB-RCS также полностью совместим с системой SkyEdge таким образом, сеть использующая эти терминалы может работать в режиме собственной разработки компании Gilat, а позже переконфигурирована (путем загрузки через спутник, программного обеспечения с HUB) для работы в режиме DVB-RCS.

2.4.2 Основные компоновочные блоки

Удаленный терминал состоит из двух основных частей, антенны с внешним блоком (ODU) установленной на крыше, и самого терминала (VSAT) внутри здания - внутренний блок (IDU). Удаленный терминал имеет очень большое время наработки на отказ (MTBF) около 12 лет.

Весь комплект удаленного терминала работает от единственного источника электропитания, к которому подключен IDU. Стандартный блок питания установленный в IDU принимает напряжение 100-240 В переменного тока. Опционально терминал может быть укомплектован блоком питания от постоянного тока 12-24 В. Энергопотребление компонентов IDU и ODU вместе меньше 40 Ватт. Для работы от солнечных панелей, поддерживается множество режимов сокращающих энергопотребления до 20 Ватт.

Эти два компонента соединены между собой двумя кабелями с четырьмя разъемами (L - диапазон (IFL)). Соединение IFL обеспечивает подачу напряжения постоянного тока для питания ODU от IDU.

Внешнее оборудование:

Антенна диапазона Ku-band или C-band, обычно от 0.55 до 1.80 метра в диаметре;

Передатчик (Solid-state, high power converter (HPC)outdoor unit (ODU)) включающий RF электронику для передачи;

Малошумящий блок (Low-noise block converter (LNB)) для приема.

Внутреннее оборудование:

Внутренний блок (Single-board indoor unit (IDU)) включает модулятор, демодулятор и процессор, обеспечивающий LAN соединение и поддержку серийного порта, три слота расширения;

Интерфейс L-band (LNB) для приема (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Основные компоненты терминала

Карты расширения.

Семейство SkyEdge включает несколько типов терминалов. Два из них, это SkyEdge Pro и SkyEdge Gateway имеют шину расширения для добавления дополнительных функций.

Терминал SkyEdge Pro имеет три слота расширения, которые могут быть использованы для любой из следующих карт расширения: четырехпортовый LAN коммутатор, интерфейсы телефонных линий, серийный порт и карта приемник (MESH).

Терминал SkyEdge Gateway также имеет три слота расширения, которые могут быть использованы для карты E1 или MESH карты.

2.4.3 Межузловое соединение

Соединение IFL обеспечивает полнодуплексное соединение между ODU и IDU, состоящее из двух 75 коаксиальных кабелей, для передачи сигналов каналов Outbound и Inbound промежуточной частоты в L-band (950 до 1700 МГц) и напряжения 22-24 Вольта постоянного тока для питания компонентов ODU.

Кабель (RG 11) используется для всех сегментов IFL -передача и прием. Допустимая длина кабеля без дополнительных устройств усиления сигнала до 60 метров. Небольшой линейный L-band усилитель позволяет использовать стандартный кабель длиной до 300 метров.

Делитель сигнала. На удаленной станции может быть установлен пассивный делитель сигнала на приемном IFL кабеле для обеспечения опционального приема широкополосного видео или аудио сигнала, а также для опциональной MESH карты.

2.5 Разработка модели процесса функционирования сети

2.5.1 Уровни соединений

Платформа SkyEdge поддерживает телефонию (голосовая связь с коммутацией каналов, телефония на базе IP), передачу сигналов (сигнализация по выделенному каналу и SS7), Интернет-протоколы, интеллектуальные стратегии ускорения и различные существующие данные в одной интегральной сети. На рисунке 2.9 отображено, как большинство таких стеков протоколов отображается в многоуровневой модели ISO, и показано, где были задействованы собственные знания инжиниринга компании Gilat для улучшения эффективности и уменьшения требований пропускной способности (и затрат на эксплуатацию).

Рисунок 2.9 - Стеки SkyEdge, отображенные в 7-уровневой модели ISO

2.5.2 Модуляция и кодирование

Модуляция и кодирование канала Inbound.

Схемы спутниковой модуляции и кодирования во входящем канале должны учитывать импульсный характер передаваемых пакетов, энергетический потенциал линии связи, гибкость и реализацию.

Схемы модуляции и кодирования системы SkyEdge оптимизируются как для пропускной способности, так и выхода по энергии (ресиверы коммутирующего узла (HUB), используют когерентное детектирование и современную декодировку). Схема турбокодирования входящего канала SkyEdge делает возможным оптимизацию скорости кодирования на основе особых ограничений энергетического потенциала линии связи и типовых требований применения. Результатом этого является высокоэффективная система, оптимизированная для транзакций, и позволяющая операторам связи настроить параметры функционирования к изменяющимся условиям.

Данные, кодирование и символьные скорости.

За исключением терминала DVB-RCS, все терминалы SkyEdge используют модуляцию гауссовской манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK) и высокоскоростное турбо кодирование. Эта комбинация снижает затраты на ввод в эксплуатацию в дополнение к преимуществам, уже упомянутым ранее.

Турбо кодирование канала Inbound - это передовая технология, позволяющая эффективно использовать спутниковый сегмент и обеспечивающая высокое соотношение бит/сек на Гц, а также оптимизацию использования энергии и спутникового сегмента.

Предлагается две скорости прямой коррекции ошибок (FEC) -Fast (быстро) и Strong (интенсивно). При использовании турбо кодировки Fast пропускная способность высокая, но требуется, чтобы соотношение Eb/N0 составляло приблизительно 6.5 дБ. При использовании турбо кодировки Strong пропускная способность ниже, а соотношение Eb/N0 опускается приблизительно до 5.0 дБ.

Модуляция GMSK используется, когда два канальных бита передаются за один канальный символ, достигая улучшения эффективности определенной полосы пропускания при манипуляции с минимальным сдвигом (MSK). Как двухмерная модуляция, битовая скорость передачи данных по каналу до применения прямого исправления ошибок (FEC) (не кодированная передача) в два раза больше, чем символьная скорость.

Поскольку прямая коррекция ошибок (FEC) используется для улучшения параметра Eb/N0 в отношении интенсивности ошибочных битов (BER), скорость передачи информационного бита также уменьшается на значение меньше битовой скорости передачи данных по каналу, их отношение является кодовой скоростью прямой коррекции ошибок. Отношение прямой коррекции ошибок при использовании турбо кодировки зависит от размера пакета, благодаря способу использования турбо блочного кода. Для пакетов стандартного размера (несколько сотен байтов) эффективная кодовая скорость прямой коррекции ошибок (FEC) составляет приблизительно 0.87 для «Fast» турбо кодировки и 0.78 для «Strong» турбо кодировки.

При использовании турбо кода крупность разбиения размера блока представляет собой один байт, поэтому на размер пакета особых ограничений не налагается.

Модуляция и кодировка DVB-RCS.

Терминал DVB-RCS полностью соответствует стандарту. Он использует модуляцию QPSK, которая немного улучшает эффективность пропускной полосы по сравнению с гауссовской манипуляцией с минимальным частотным сдвигом (GMSK), но увеличивает стоимость исполнения (а именно, линейного наружного блока (ODU)). Он также задействует одобренные турбо коды RCS с коэффициентами прямой исправления ошибок (FEC) 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 6/7.

Терминал с очень малой апертурой (VSAT) DVB-RCS способен использовать как режим SkyEdge, так и режим DVB-RCS путем загрузки программной конфигурации.

Исходящий канал (Outbound).

Исходящий канал SkyEdge имеет три режима модуляции, каждый с особым улучшением по сравнению с прежними терминалами:

Полная совместимость со стандартом DVB-S (ETS-300421). Для пакетов данных, передаваемых от коммутирующего узла (HUB) до группы терминалов с очень малой апертурой (VSAT), используется один и тот же исходящий канал. Диапазон скорости передачи битов исходящего канала: 340 Кбит/с-52.5 Мбит/с, модуляция QPSK, коэффициент прямой коррекции ошибок (FEC): от 1/2 до 7/8, связанное кодирование по алгоритму Viterbi и Reed-Solomon. Низкая минимальная скорость особенно подходит для малых сетей;

Более высокие скорости, высокоэффективный режим - задействуется 8PSK (3 бита на символ в сравнении с 2 битами на символ при QPSK) и турбо кодировка с коэффициентом от 2/3 до 8/9. Эта схема модуляции требует использования минимальной символьной скорости при использовании в терминале нормального LNB. Использование 8PSK обеспечивает улучшение примерно на 30% в сравнении с режимом DVB-S при том же требовании к значению Eb/N0;

Продвинутая QPSK - для средних скоростей, можно использовать подобное DVB-S решение, но задействовать турбо кодирование. Это позволяет достигнуть улучшения в соотношении Eb/N0 около 1.8 dB по сравнению с DVB-S.

Система SkyEdge может использовать транспондер 36 МГц в режиме насыщения, что обеспечивает очень высокое соотношение бит/сек. на Гц. При использовании QPSK в таком транспондере может передаваться совокупная скорость около 48 Мб/сек. При использовании 8PSK можно достигнуть скорости около 66 Мб/сек.

Синхронизация временного интервала.

В канале Outbound с использованием TDMA, чрезвычайно важна поддержка синхронизации всех компонентов сети. Эта синхронизация обеспечивает эффективную обработку пакета данных терминала, что экономит ценный спутниковый сегмент. Компания Gilat использует запатентованную технологию для синхронизации через канал DVB-S (номер заявки на патент 10/658,416).

Существует три механизма, поддерживающих синхронизацию временного интервала терминала:

Первый механизм является всеобщим, он компенсирует разницу задержек в оборудовании HUB. Для синхронизации резервируется отдельный PID и в системе наивысший приоритет отдается PID синхронизации. Обратная подача синхронизационного канала используется для постоянного измерения задержек оборудования HUB;

Второй используется для компенсации изменения задержки распространения сигнала, вызванного движением спутника;

Третий механизм используется для регулирования временного цикла всех терминалов вне зависимости от их географического расстояния от HUB. Эта автоматическая коррекция временного цикла упрощает процесс инсталляции, так как нет необходимости измерения и конфигурации географического местоположения;

Для режима DVB-RCS используется другая синхронизационная модель на основе NCR, распределяемой через PCR PID в пакеты DVB / MPEG2.

2.5.3 Методы доступа

Система SkyEdge обладает комплектом из нескольких режимов коллективного пользования канала Inbound, а именно: случайный доступ, контролируемый случайный доступ, резервирование (т.е. - распределение емкости или имеющегося количества временных интервалов, согласно запросу) и частичный/полный выделенный доступ (выделение части канала, например, подходящей для протокола передачи файлов (FTP) и телефонного вызова). Для DVB-RCS в соответствии с требованием стандарта используются режимы доступа VBDC и RBDC. В исходящем канале Outbound имеется механизм с мультиплексной передачей в структуру DVB-S как для голосовых сообщений, так и для передаваемых блоков данных. Центральный модуль управления ресурсами (CSRM), находящийся в спутниковом процессоре (HSP) HUB, является ответственным за выделением ресурсов для всех типов трафика и механизмов доступа.

2.5.4 Передача данных

Система SkyEdge поддерживает основные IP-приложения (как протокол TCP/IP, так и протокол UDP), а также серийные протоколы. Система включает несколько механизмов, обеспечивающих достоверность данных, высокую производительность и отличную работу пользователя несмотря на свойственную спутниковую задержку. Общей топологией является топология STAR.

Фактически VSAT использует способности полного маршрутизатора и включает присваивание приоритетов и другие механизмы для поддержки необходимого качества обслуживания QoS.

В дополнение к ускорению TCP/IP для высокоскоростного просмотра данных в сети Интернет используется ускорение протокола передачи гипертекстовых данных (HTTP).

2.5.5 Телефонные приложения

Система SkyEdge поддерживает как традиционную телефонию, так и передачу голоса по IP -сетям (VoIP). SkyEdge Pro VSAT может включать до 12 телефонных линий. Путем использования (стандартизированного) сжатия речевого сигнала (6.4 kbps или 8 kbps), а также ряда других средств оперирования трафиком, манипуляции номера и т.п., система приобретает высокое качество функционирования и эффективность. Для сельских зон система включает несколько режимов энергосбережения. Фактически система обладает возможностями полного телефонного коммутатора и поддерживает топологии «Star», «Multi-Star» «Mesh». Система собирает всю информацию о вызовах в системе управления сетью (NMS), которая может обслуживать (внешнюю) систему составления счетов.

2.5.6 Поддержка передачи данных в топологии Mesh

Терминалы SkyEdge Pro и SkyEdge Gateway, которые оснащены платой расширения Mesh, могут поддерживать соединение в топологии MESH между несколькими терминалами (VSAT).

Система SkyEdge поддерживает передачу данных IP в топологии MESH, в режиме ориентированном на соединение (с коммутацией каналов). Два терминала (VSAT), которые используются в топологии MESH, должны открывать прямое соединение.

Система управления сетью (NMS) определяет, какие терминалы могут использовать MESH соединение и должны быть предопределены следующие параметры:

Скорость передачи данных между двумя VSAT:

Оптимальная / минимальная для каждого направления.

IP-триггер - определяет, когда должно быть инициировано MESH соединение. В качестве триггеров может использоваться следующее:

IP-адрес назначения;

IP-адрес назначения с номерами портов UDP / TCP.

Фиксированное MESH соединение (PAMA) - Фиксированное IP-связь между двумя терминалами.

В случае срабатывания одного из MESH триггеров, VSAT запросит у коммутирующего узла MESH ресурсы путем использования схемы гарантированного доступа (GA) или выделенного доступа (DA). По получению терминалом ресурса, он откроет MESH соединение со вторым VSAT.

Терминал SkyEdge может иметь несколько соединений MESH одновременно с различными терминалами. Количество MESH соединений зависит от используемого размера мульти-слота и размера (количество временных интервалов) каждого MESH соединения. Терминал может также направлять трафик на HUB (звездообразная топология) параллельно с трафиком MESH, в различные временные интервалы.

Ресурсы MESH контролируются через систему управления сетью (NMS), поэтому оператор может ограничить ресурсы MESH для терминала, на основе SLA которое определено для данного терминала.

Адаптируемая полоса пропускания MESH трафика - размер “трубы” MESH между двумя терминалами, может автоматически увеличиваться и уменьшаться в зависимости от объема трафика, проходящего через трубу [этап II].

Трафик TCP ускоряется через MESH соединение подобно тому, как это происходит с трафиком VSAT-HUB. Таким образом, уменьшается использование спутникового сегмента и задержка сигнала.

Для поддержки MESH необходимо следующее оборудование для HUB и терминала:

Терминалы:

SkyEdge Pro / SkyEdge Gateway терминал с установленной картой MESH.

Hub:

Модуль синхронизации MESH сети (Mesh Synchronization Module);

DCAS.

2.6 Спутниковый доступ

Система SkyEdge использует комбинацию методов спутникового доступа для входящей и исходящей передачи данных. Этот усовершенствованный набор режимов доступа обеспечивает оптимизацию системы для потребностей и приложений клиента.

Входящий спутниковый сегмент сети, может быть поделен на отдельные и независимые секции, называемые «Inbound Bands». Каждый терминал может принадлежать одному и только одному Inbound Band. Для любого Inbound Band пользователь может работать либо с комбинацией случайного доступа (RA), доступа с ограничением конфликтов (CRA), выделенного доступа (DA) для трафика передачи данных, и голосового выделенного доступа (VDA: HUB VDA и MESH VDA) для передачи голоса (рисунок 2.9). Каналы MESH VDA также используются для передачи данных в режиме MESH; либо задействовать GA (гарантированный доступ - режим резервирования), выделенный доступ DA для данных в сочетании с голосовым выделенным доступом (VDA: HUB VDA и MESH VDA) для голосового трафика (рисунок 2.10). Все эти методы подробно описаны в следующих секциях.

Рисунок 2.10 - Схемы доступа RA/CRA

Рисунок 2.11 - Схемы доступа RRA/GA

Программный модуль центрального управления ресурсами (CSRM), расположенный в HSP, несет ответственность за выделение частотных /временных интервалов для всех типов трафика (данные или голос) во всех режимах доступа, упомянутых выше.

2.6.1 Схемы доступа RA и DA

Запатентованная компанией Gilat схема доступа к спутниковому сегменту, предоставляет самую гибкую архитектуру доступа в индустрии. Эта схема сочетает множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA) и множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA), что обеспечивает возможность увеличения трафика в определенном узле без необходимости использования обширного анализа нагрузки трафика в канале и последующей балансировки канала VSAT.

Архитектура входящего канала системы SkyEdge базируется на запатентованной двухмерной (время и частота) схеме доступа. Полоса пропускания разделена на частотные интервалы. Временная область разделена на временные интервалы. Удаленные терминалы передают на выбранных по случайной схеме частотных каналах, при каждой передаче. Каждая передача начинается в начале временного интервала. Это называется “frequency hopping”.

Несколько терминалов используют одну и ту же входящую полосу пропускания спутникового канала на основе множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) с использованием модифицированной схемы сегментированного протокола произвольного доступа (ALOHA). Это конкурентная схема доступа, в которой каждый VSAT передает пакет на произвольно выбранной частоте в пределах имеющейся предопределенной полосы пропускания. Если происходит конфликт, пакеты данных передаются повторно (при отсутствии подтверждения получения через определенный промежуток времени) на произвольно выбранной частоте в последующий временной интервал для целей максимального уменьшения вероятности второго конфликта. Этот режим работы с использованием произвольного доступа (RA) (рисунок 2.11) хорошо подходит для интерактивного трафика, который характеризуется короткими сообщениями и небольшой загрузкой канала.

Узлы с иногда имеющим место интенсивным трафиком автоматически освобождаются от совместно используемых ресурсов и имеют частотные каналы выделенного доступа (DA), специально предназначенные для них (рисунок 2.12).

Эта комбинация позволяет одной сети одновременно поддерживать как приложения непрерывно передающие данные, так и транзакционные приложения, и позволяет оператору HUB конфигурировать соотношение между ними в соответствии с поведением сети в какое-либо время.

Система включает механизмы для контроля ошибок и контроля потока для обеспечения надежной, эффективной связи в сети.

Полоса пропускания, выделенная для сети, первоначально основывается на анализе трафика и пересматривается по мере необходимости в целях соответствия новой нагрузки сети или требованиям производительности.

При использовании схемы входящего доступа канала Inbound компании Gilat, все терминалы сети имеют доступ к полностью выделенному спектру частот и времени. Схема сегментированного протокола произвольного доступа (ALOHA) используется со значительной модификацией; канал Inbound не только разбивается на различные временные интервалы, но также и на произвольные частотные интервалы. Этот подход двухмерного (время и частота) доступа обеспечивает естественную балансировку загрузки входящего трафика VSAT.

В дополнение, этот механизм увеличивает пропускную способность и обеспечивает ее превосходство, в пропускной способности, над другими схемами доступа благодаря устранению времени ожидания после коллизии. Другие преимущества включают высокую надежность вследствие меньшего внутреннего блока (IDU) и внешних блоков (ODU), а также лучшую защищенность от спутниковых помех вследствие постоянно меняющейся частоты передачи.

Рисунок 2.12 - Режим случайного доступа (RA) терминала SkyEdge

Рисунок 2.13 - Выделенный доступ (DA) терминала SkyEdge

При использовании схемы доступа компании Gilat, входящие каналы, которые доступны для всех терминалов в сети, разделяются на каналы случайного доступа (RA) и выделенного доступа (DA) (рисунок 2.13).

Рисунок 2.14 - Частотный план RA/DA



Компания Gilat поддерживает ряд символьных скоростей. Они являются программно-конфигурируемыми и могут динамически изменяться для соответствия новым моделям трафика. Эта характеристика обновления входящих параметров позволяет операторам связи менять распределение входящей полосы пропускания с небольшим воздействием на возможность доступа к сети. Система управления сетью (NMS) периодически передает набор входящих параметров на все терминалы в каждой отдельной рабочей группе. Когда VSAT получает обновленные параметры, параметры переписываются во флэш-память VSAT, и терминал самостоятельно осуществляет перезагрузку.

Автоматический выделенный доступ (Automatic Dedicated Access (ADA)).

В случае, когда между удаленным узлом и HUB (например, загрузка файла FTP) требуется высокая пропускная способности (непрерывный поток трафика), VSAT может быть переведен в режим выделенного доступа (DA). В этом режиме терминалу задается выделенная частота для передачи данных, таким образом, предотвращаются коллизии с терминалами, работающими в режиме случайного доступа (RA). Поскольку VSAT переключается на выделенный доступ (DA), он пользуется согласованной скоростью передачи данных и гарантированной полосой пропускания в течение необходимого периода. Переключение между режимом случайного доступа (RA) и режимом выделенного доступа (DA) контролируется вручную в системе управления сетью (NMS) или запускается автоматически на базе следующих конфигурируемых триггеров:

Согласно номеру порта TCP / UDP (обычно ассоциируется со специальными приложениями, например, VoIP или FTP);

Согласно IP адресу источника или IP адресу назначению;

На основе нагрузки трафика:

Скорость входящего (IB) трафика - всякий раз, когда количество пакетов входящего канала превышает установленный предел;

Размер очереди Backbone - всякий раз, когда количество пакетов, ожидаемых передачи в очереди Backbone, превышает установленный предел.

Согласно классу пропускной способности X.25 или адресу назначения (подобно IP-триггерам);

Опрос UDP - получение пакета UDP в канале Inbound с IP-адресом VSAT-а в качестве адреса назначения и предварительно сконфигурированным номером порта при предварительно установленной скорости потребует от VSAT представить запрос и остаться в режиме выделенного доступа (DA);

Фиксированный выделенный доступ (DA) - после установления связи на уровне Backbone протокола, VSAT автоматически запросит выделения ресурсов DA.

Особая комбинация каналов случайного (RA) и выделенного (DA) доступов определяется оператором. Настройка условий перехода на DA может производиться для каждого VSAT.

Очень высокий уровень эффективности передачи поддерживается автоматической адаптацией к изменениям в типе трафика и загрузке (без вмешательства оператора). Этот механизм адаптации также помогает поддерживать стабильность канала TDMA, несмотря на увеличение загрузки трафика. Как только условия, которые запустили режим выделенного доступа (DA) престают действовать, VSAT автоматически переключается в режим произвольного доступа (RA).

Частичный выделенный доступ (Partial Dedicated Access (PDA)).

Для максимального увеличения эффективности, слот (канал) выделенной частоты может использоваться для, максимум, 16-ти терминалов. Например, та же самая частота может использоваться для приложений в 16 терминалах с низким уровнем генерируемого трафика, таким образом, сохраняя 15 частотных каналов DA. Эта возможность приводит к значительной экономии ресурсов всей полосы пропускания. Этой особенностью режим PDA отличается от режима ADA, в котором все временные интервалы одной частоты выделяются одному VSAT.

Схема частичного выделенного доступа (PDA), показанная на рисунке 2.14, назначает полный выделенный доступ (DA) для VSAT 17, в то время как VSAT 32 и 15 получают 1/3 канала выделенного доступа (DA). Схема доступа может быть настроена таким образом, чтобы VSAT запрашивал выделения определенного частичного выделенного доступа (PDA), например, 1/3, и затребовал дополнительные ресурсы PDA согласно трафику/номеру порта/IP-адресу. В этом смысле, система очень динамична, она автоматически подстраивается к требованиям пользователя. После того, как условие, задействовавшее частичный выделенный доступ (PDA), прекращает свое существование (например, загрузка файла кончилась), VSAT освобождает место, занятое под частичный выделенный доступ (PDA), позволяя, таким образом, другим терминалам использовать этот ресурс.

Рисунок 2.15 - Частичный выделенный доступ (PDA) системы SkyEdge

PDA позволяет сети SkyEdge обеспечивать различные диапазоны гарантированной скорости согласно требованию приложения. Сеть SkyEdge представляет два важных улучшения в схемах ADA/APDA. Для каждого терминала или группы терминалов оператор связи может определить различные максимальные и минимальные количества запрашиваемых временных интервалов DA. Например, для передачи одной сессии VoIP, терминал может использовать, по меньшей мере, ј канала и ему не требуется большего, однако загрузка FTP может потребовать от ? до Ѕ канала для того, чтобы не «замораживать» другие узлы.

Кроме того, частичный выделенный доступ (PDA) может распространяться на несколько частот, т.е. каждый слот PDA может выделяться на разных частотах. Эта возможность значительно увеличивает гибкость распределения, и соответственно использование и доступность DA ресурсов.

Использование спутникового сегмента и пропускная способность.

Среди всех имеющихся режимов доступа, режим выделенного доступа (DA) предоставляет максимальную пропускную способность (следовательно, максимально возможное использование спутникового сегмента для каждого канала) входящего канала. При назначении канала выделенного доступа (DA) для VSAT, его пропускная способность может достигать почти 100% теоретической пропускной способности канала. Использование совокупного спутникового сегмента очень сильно зависит от модели трафика определенной сети. Общее количество каналов DA определяется согласно средним предполагаемым характеристикам трафика сети.

Выделенный доступ для голосовых каналов (Voice Dedicated Access (VDA)).

Выделенный доступ для голосовых каналов (тип режима доступа DA) используется для передачи голосовых данных по выделенным каналам при гарантированной постоянной битовой скорости. Имеется два типа каналов VDA:

Hub VDA каналы-используются для передачи голосового трафика на HUB;

Mesh VDA каналы-используются для передачи голосового трафика или передачи данных напрямую между двумя MESH терминалами.

Со стороны HUB определяются два отдельных пула каналов - один для каналов HUB VDA, а другой для каналов MESH VDA (если требуется). Выделение каналов на VSAT контролируется центральным модулем управления ресурсами (CSRM) через сервер обработки вызова (DCAS) по требованию инициализации голосового вызова, либо со стороны HUB, либо со стороны VSAT.

Взаимное использование полосы пропускания каналами Hub VDA и DA.

В случае, если для передачи трафика данных и голоса используется несущие с одинаковой символьная скоростью, неиспользованная полоса DA и HUB VDA каналов может быть использована совместно, либо каналами DA либо HUB VDA. Со стороны HUB может конфигурироваться три типа каналов:

Только каналы DA (DA Only)-используются только для передачи данных через каналы DA;

Только каналы Hub VDA (HUB VDA Only) -используются только для выделения ресурсов HUB VDA;

DA/Hub VDA-используются либо для выделения ресурсов DA либо HUB VDA.

В случае необходимости выделения ресурсов DA или HUB VDA, первыми всегда используются ресурсы пулов DA Only и HUB VDA Only соответственно, и толь в случае отсутствия свободных ресурсов в этих пулах, используются ресурсы пула DA/HUB VDA.

Эта гибкость обеспечивает более высокую эффективность использования полосы путем лучшего разделения ресурсов между приложениями данных и голосовыми приложениями; в то же самое время обеспечивается гарантированное минимальное число одновременных вызовов, поддерживаемых системой.



2.6.2 Схема уменьшения коллизий (Collision Reduction Application (CRA))

Схема уменьшения коллизий, запатентованная компанией Gilat предназначается для увеличения пропускной способности канала Inbound путем уменьшения количества коллизий.

Статистика показывает, что свыше 80% трафика в любой промежуток времени в спутниковой сети генерируется относительно небольшим числом терминалов - как правило, менее 20%. Эти терминалы считаются “занятыми” терминалами и несут ответственность за большую часть всего трафика. Занятые терминалы, как правило, остаются занятыми от десятка секунд до нескольких минут.

Коллизии в режиме случайного доступа (RA) подразделяются на три типа:

«Занятый» терминал с «Занятым» терминалом;

«Занятый» терминал с «Незанятым» терминалом;

«Незанятый» терминал с «Незанятым» терминалом.

Наиболее часто возникают коллизии между «Занятыми» терминалами.

Механизмы CRA определяют «Занятые» терминалы и распределяет их по входящей полосе так, что конфликты между занятыми терминалами устраняются. Это сокращает общее количество конфликтов (отсюда название «схема уменьшения коллизий» (CRA)) и пропускная способность увеличивается для каждой данной несущей.

2.6.3 Режим гарантированного доступа (Guaranteed Access (GA))

Гарантированный доступ (GA) - это схема доступа, основанная на резервировании (рисунок 2.16).

Гарантированный доступ (GA) состоит из двух различных режимов доступа, работающих в двух отдельных полосах в частотной области: случайный доступ для запросов (RRA) и сам гарантированный доступ (GA). RRA - это доступ с разделяемой полосой (очень похоже на случайный доступ (RA)), используемый для передачи терминалами начальных контрольных сообщений и запросов на выделение ресурсов. Гарантированный доступ (GA) используется терминалами, главным образом, для передачи данных по уже выделенной полосе пропускания, но также и для запросов на выделение ресурсов «piggy-back». Само выделение состоит из частотного и непрерывного диапазона временных интервалов. Два терминала никогда не получают одного и того же ресурса - поэтому конфликты и повторные передачи при гарантированном доступе не происходят.

Механизм выделения простой. Критерии выделения базируются на требованиях терминала по передаче: терминал затребует выделения согласно длине очереди передачи. Коммутирующий узел выделяет частотные и временные интервалы для использования терминалом в ближайший возможный момент времени.

HUB выделяет частоту, начальный временной интервал и продолжительность (во временных интервалах) для какого-либо запроса VSAT. Выделение состоит из трех параметров:

Выделенная частота;

Начальный временной интервал;

Количество выделенных временных интервалов.

Следующие указания позволяют контролировать выделение:

Постарайтесь выделить полный запрос (во временных интервалах) или ближайшее количество, которое может быть выделено в это время;

Постарайтесь выделить временные интервалы в ближайшее время (для максимального уменьшения задержки передачи).



Рисунок 2.16 - Схема выделения ресурсов GA

GA - утилизация спутникового сегмента и пропускная способность.

Как и любой режим на основе резервирования, гарантированный доступ (GA) предназначается для обеспечения режима передачи без коллизий в сети, а также достижения высокой утилизации частотно - временной области. Поскольку каждое выделение должно быть изначально затребовано терминалом и предоставлено спутниковым процессором (HSP), имеется свойственная задержка установления соединения при работе в этом режиме доступа. Общее воздействие этих задержек сводится к минимуму для долгих передач или приложений потокового типа, где запросы на выделение ресурсов совмещаются с пакетами данных.

2.6.4 Схема доступа входящего канала DVB-RCS

DVB-RCS - это стандарт ETSI (Европейского института стандартов по телекоммуникациям) для схемы входящего доступа. Предполагается, что наиболее подходящими схемами для большинства приложений, являются две схемы - VBDC (динамическая емкость на основе объема) и RBDC (динамическая емкость на основе скорости). Обе схемы доступа основываются на резервировании с перескоком частоты. VBDC - эквивалент схеме доступа GA, а RBDC - эквивалент схеме доступа VDA или PDA компании Gilat.

VBDC - это механизм, где выделение для терминала (RCST) основывается на объеме. RBDC - это механизм, где выделение для терминала основывается на требуемой скорости. Приложение VoIP, например, будет задействовать RBDC, протокол передачи файлов (FTP) будет задействовать VBDC.

2.6.5 Центральное управление спутниковыми ресурсами (Central Satellite Resource Management (CSRM))

CSRM - это единый источник выделения спутниковых ресурсов (частотные/временные интервалы) как для входящего трафика данных, так и для голосового трафика, во всех имеющихся режимах доступа. Модуль центрального управления спутниковыми ресурсами (CSRM) выполнен в виде резидентной службы HSP, в то время как клиенты находятся в терминалах и в DCAS. Выделения спутниковых ресурсов обеспечивается сервером CSRM либо как ответ на запрос клиента CSRM (как правило, в режимах DA, HUB VDA и GA), либо на основе решения сервера CSRM (в режиме доступа CRA).

Концепция единственной точки выделения ресурсов предотвращает противоречащие выделения ресурсов для трафика данных и трафика голоса и позволяет, когда это возможно, перераспределять спутниковый ресурс (DA и HUB VDA с одинаковой символьной скоростью несущей), таким образом, оптимизируя использование полосы пропускания для всех типов трафика и во всех режимах доступа.

CSRM предоставляет единую платформу, которая улучшает характеристики использования полосы пропускания для сетей передачи данных и телефонии и выступает как компоновочный блок во всеобщей системе качества обслуживания (QoS) в сети SkyEdge.



2.7 Разработка поддержки протоколов передачи данных

2.7.1 Введение

В то время как HSP / RSP обеспечивают эффективный доступ к спутниковому сегменту и функциональность протокола канала передачи данных (LAPU), пара компонентов DPS / DRPP (HUB/VSAT) обеспечивает надежную связь для приложений клиента с использованием запатентованного протокола сетевого уровня, называемого Backbone.

Компоненты DPS / DRPP используют протокол Backbone для преодоления «вялой» производительности некоторых приложений данных работающих в спутниковой среде. Это осуществляется при помощи двух методов компании Gilat: ускорение TCP трафика и ускорение HTTP трафика.

DPS / DRPP также используют некоторые внутренние служебные протоколы, позволяя системе SkyEdge быть «хорошим гражданином»в среде TCP/IP.

Поддержка протокола.

Система SkyEdge поддерживает широкий диапазон протоколов связи. Протоколы TCP/IP поддерживаются как на уровне HUB, так и на уровне VSAT. Терминал SkyEdge имеет встроенный “акселератор TCP”, который служит прозрачным локальным шлюзом для межсетевого обмена всего трафика TCP/IP. Акселератор TCP увеличивает пропускную способность путем устранения контрольных сообщений по спутниковому каналу связи, сжатия заголовков протоколов и местного подтверждения получения TCP пакетов (спуфинг).

Терминал SkyEdge включает все возможности маршрутизатора, поддерживающие общие протоколы маршрутизации подобно RIP v1 и v2, протокол DHCP, NAT, IGMP и IRDP. Он также включает набор IP функций позволяющий работать в среде с несколькими IP-устройствами, включая установление приоритетов IP, входящее/исходящее QoS, IP Access Lists и логическую группировку IP.

При использовании VSAT SkyEdge с последовательным портом, VSAT может поддерживать, одновременно с IP, следующие протоколы:

Async;

X.3/X.28/X.29;

PAD;

X.25.

Функции DPS/DRPP.

Сервер DPS представляет собой интерфейс между IP-сетью клиента и спутниковой сетью SkyEdge. Он базируется единственной карте PowerPC, установленной в шасси cPCI, вместе с остальными компонентами HUB. С одной стороны он подсоединен к IP-сети заказчика и, по выбору, к сети Интернет, с другой стороны - к HSP/IPE.

DRPP, со своей стороны, взаимодействует с компьютерами пользователя и RSP. Это программный модуль, работающий на процессоре PowerQuicc терминала (рисунок 2.17).

спутниковый линия трафик

Рисунок 2.17 - Функциональность DPS/DRPP

Сервер DPS обеспечивает функциональность HUB части протокола Backbone, протокол собственной разработки компании Gilat, оптимизированный для спутниковых передач. В отличии от общих протоколов связи, протокол Backbone компании Gilat предназначается для использования в очень специфичной среде: асимметричная спутниковая линия связи с использованием протокола канала передачи данных (LAPU) на канальном уровне (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - LAPU/Backbone

Производительность основных коммуникационных протоколов в спутниковой среде не очень велика, из-за большой спутниковой задержки. Простое инкапсулирование этих протоколов в спутниковый протокол не решит проблемы производительности, поскольку данные протоколы содержат сквозные таймера, которые продолжают работать и препятствуют функционированию.

Для преодоления этой проблемы DRPP локально генерирует протокольные подтверждения для протокола пользователя (например, TCP), удаляет протокольные заголовки и инкапсулирует в протокол Backbone только пользовательские данные. Сервер протокола данных (DPS) выполняет обратную процедуру на другом конце канала связи (HUB). Этот метод обычно называется «спуфинг».

Путем обеспечения TCP спуфинга, DPS/DRPP улучшает работу большинства приложений. Дополнительные манипуляции проводятся, когда протоколом “поверх” протокола TCP является протокол передачи гипертекста HTTP. Терминал локально обрабатывает HTTP запросы от компьютера заказчика, в то же время передавая данные от коммутирующего узла с использование протокола Backbone.

Эта функция называется «ускорение Интернет-страницы» (Internet Page Acceleration (IPA)); она значительно улучшает реакцию и опыт пользователя в сравнении с “сырым” HTTP, проходящим через спутник (даже со спуфингом TCP).

Поддерживаемые протоколы.

Как уже упоминалось ранее, основной задачей DPS/DRPP является TCP-спуфинг и ускорение Интернет-страницы. В следующем разделе подробно описывается их функционирование. В дополнение, поддерживается ряд вторичных (служебных) протоколов: протокол IGMP, RIP, IRDP, DHCP, NAT и ARP. Эти протоколы также обсуждаются вкратце.

2.7.2 Поддержка TCP/IP

Обзор TCP/IP.

Сеть Интерент базируется на “наборе протоколов TCP/IP”. Фактически, его популярность может быть объяснена наличием этих разнообразных протоколов. Разрабатываемый в течение последних трех десятков лет TCP/IP позволяет различным компьютерам (называемым «хосты» на языке TCP/IP), подсоединенным к различным сетям, поддерживать связь друг с другом и обмениваться информацией.

Для поддержания всех этих различных сетей, TCP/IP состоит из нескольких протоколов (вот почему он называется набором протоколов), которые работают в модульном режиме. Например, для поддержания сети нового типа должен быть разработан только такой модуль, который имеет прямой доступ в аппаратное обеспечение сети. Также могут быть разработаны новые приложения, обеспечивающие подсоединение к другим модулям. Эта модульность частично несет ответственность за широкое использование TCP/IP.

Обзор поддержки IP.

Терминал SkyEdge действует как IP-маршрутизатор, обеспечивающий соединение IP-сетей пользователя. Любой отдельный хост сети может устанавливать связь с другим хостом в другой сети на HUB или другом терминале. IP-маршрутизатор используется как на сервере протокола данных (DPS), так и терминалах.

Физическое соединение.

Интерфейсы DPS и терминала поддерживают IP с использованием подключения к локальной сети Ethernet. В DPS соединение представляет собой интерфейс 100 Base T. В терминале встроенный RJ-45 обеспечивает соединение 100BaseT. Опционально, в некоторые модели терминалов, может быть установлена плата расширения 4-портовый LAN коммутатор, обеспечивающий 4 соединения 100Base T RJ-45.

Управление IP адресом.

IP-адрес назначается для DPS и для каждого терминала. Эти адреса назначаются через NMS. По всей сети должны поддерживаться условные обозначения IP-адресов. Каждый сегмент локальной сети должен иметь единственный идентификационный адрес подсети. Сегменты локальной сети могут иметь смесь IP-адресов класса A, B или C.

Маршрутизация.

Каждый маршрутный компонент, т.е. DPS или терминал, инициирует свою таблицу маршрутизации при запуске. Для каждого маршрутизатора таблицы маршрутизации могут конфигурироваться статически или динамически с использованием протокола RIP. Статическая маршрутизация и динамическая маршрутизация не являются взаимно исключающими.

Обзор поддержки TCP.

Протоколом в наборе протоколов TCP/IP, ответственным за надежную сквозную передачу данных, является протокол TCP.

Протокол TCP предназначен для предотвращения перегрузки сети, при которой сеть временно не может производить обработку всего трафика от всех хостов, требующих доступа. Для предотвращения перегрузки сети, протокол TCP исследует сеть путем отправки ограниченного количества данных и определения времени, в течение которого эти данные достигают своего места назначения, а потом отправляет дополнительные данные. TCP предполагает, что большая задержка указывает на затор в сети и для того, чтобы избежать усиления затора, он направляет новые данные в сеть с более медленной скоростью. Необязательно говорить о том, что задержка, полученная при прохождения сигнала через спутник, в несколько раз больше, чем задержка, которая может ожидаться на наземных линиях связи, и это негативно влияет на эксплуатационные характеристики TCP.

Система SkyEdge смягчает эту проблему вводя TCP в заблуждение, что данные, которые он посылает поступают в место назначения до того, как они на самом деле достигают места назначения. Этот метод называется «спуфинг».

Спуфинг также уменьшает вторую проблему, стоящую перед каналами связи TCP, которая связана с длительной задержкой; проблема контроля потока. Контроль потока - это механизм, используемый хостами для контроля скорости, на которой данные доставляются им, для того, чтобы избежать получения большего количества данных, чем они могут обработать. Это обеспечивается благодаря использованию системы разрешения на передачу очередного пакета данных. Это можно проиллюстрировать на примере, как если бы хост-отправитель был перевозчиком, а хост-получатель - его клиентом. Перевозчик имеет ограниченное число контейнеров и зависит от своего клиента, ожидая, когда он возвратит пустые контейнеры для того, чтобы перевозчик мог перевести больше товаров. В интересах обоих сторон - поддержание равномерного потока пустых контейнеров, возвращающихся к перевозчику.

К сожалению, TCP может рассматриваться как бедный перевозчик с ограниченным числом контейнеров (или может быть, клиент имеет плохое доверие) и спутниковую связь в виде очень долгой перевозки от перевозчика к клиенту. Перевозчик начнет отправку контейнеров с товарами, но путь такой длинный, что кредит на контейнеры у клиента кончатся до того, как к нему придет первый контейнер!

Терминал SkyEdge действует как агент; он извлекает товары (данные) из контейнеров и немедленно возвращает контейнеры хосту-отправителю (перевозчику). Он берет товары и направляет их по спутниковую линию связи, используя больший запас контейнеров (называется протокол Backbone). На стороне HUB товары переупаковываются в “официальные” транспортные контейнеры. Ни перевозчик, ни клиент не должны знать об этом промежуточном этапе или изменять свои методы работы.

2.7.3 Дополнительные поддерживаемые IP функции

Система SkyEdge обеспечивает поддержку всех основных IP функции. Для лучшего использования ресурсов спутника, обеспечиваются поддержка некоторых дополнительных функции.

Установление IP приоритетов.

Спутниковая емкость представляет собой имеющий ограничения и дорогой ресурс. В то время, как желательно предоставление всем пользователем в сети наилучшего качества услуг, ресурсы для этой цели могут быть не всегда доступны. В этих случаях качество ухудшается. Система SkyEdge позволяет оператору сети устанавливать приоритеты IP-трафика так, что приложения, наиболее восприимчивые к ухудшению качества (или более важные) будут иметь приоритет по сравнению с остальными приложениями.

Поддерживается два уровня приоритетов: высокий и низкий. Когда для доступа к спутниковому каналу соперничают трафик высокого и низкого приоритета, DRPP передаст вначале некоторое количество пакетов с высокой приоритетностью, а затем меньшее количество пакетов с низкой приоритетностью. Соотношение пакетов с высокой и низкой приоритетностью может конфигурироваться для каждой группы терминалов.

IP-трафик может получить высокий приоритет на основе различных критериев:

Протокол: TCP, UDP, ICMP и IGMP;

Номер порта назначения TCP или UDP, или диапазон портов;

До десяти комбинаций исходного IP-адреса и протокола.

Установление приоритетов IP работает во всех режимах доступа (RA, CRA, DA и GA), в дополнение DRPP может запустить запрос на DA (выделенный доступ) на основе подобного набора критериев и скорости трафика.

Access Lists (ACL).

Система SkyEdge позволяет оператору сети выборочно разрешать или отказывать в доступе в сеть хостам и приложениям.

IP Access List - это универсальная особенность, используемая для определения количества IP-адресов или диапазонов адресов и IP-порта или диапазонов портов, в соответствии с которыми доступ разрешается или отклоняется.

Используя IP access list, оператор может заблокировать весь трафик от терминала, за исключением определенного исходного или конечного IP-адреса (или диапазона адресов) и портов (белый список) или разрешить трафик от всех хостов и приложений, за исключением определенного адреса и/или портов (черный список).

Преобразование сетевых адресов (NAT).

NAT - это метод позволяющий хостам в частных сетях подключаться к сети Интернет и при этом все еще использовать частную схему адресации, уменьшающую потребность в редких «публичных» IP-адресах. Он уменьшает административную нагрузку и повышает безопасность, что делает его очень популярным в корпоративных и других организационных сетях. Терминал SkyEdge может функционировать как NAT-маршрутизатор.

Для подключения к сети Интернет, хосту требуется уникальный IP-адрес. IP-адреса для организаций выделяются Internet Assigned Numbers Authority (IANA). Они относительно дефицитные; особенно адреса класса «В». Первоначально, метод NAT (Network Address Translation) был предложен как решение проблемы истощения IP-адресов, но в настоящее время этот метод используется для удобства и безопасности.

NAT - это метод (не протокол) для хостов в сетях с частной схемой IP-адресов для доступа в сеть Интернет.

В этом смысле организация может контролировать свои IP-адреса внутри без необходимости координации с другими сторонами. Другое преимущество NAT - то, что отображение частных-публичных адресов может осуществляться динамически так, что ряд IP-адресов (“адресный пул”) может обслуживать большое количество хостов, предполагая, что не для всех хостов будет постоянно требоваться внешний адрес. Это аналогично корпоративному телефонному коммутатору или офисной АТС (PBX), в которой добавочные номера численно намного превосходят внешние телефонные линии.

...