Проектирование сети спутниковой сети связи на основе VSAT-технологии SkyEdge

Побочным продуктом использования NAT является то, что адрес хоста не остается незащищенным от внешней сети (Интернет), делая невозможным для хоста во внешней сети инициировать с ним связь. Это улучшает безопасность сети; фактически, NAT часто используется в межсетевых экранах, но обычно он используется в граничном маршрутизаторе и является прозрачным для пользователей.

Реализация поддержки в системе SkyEdge.

Терминал SkyEdge может работать как маршрутизатор NAT. Он использует “частные” адреса для связи с хостами пользователя и «публичный» адрес для связи с DPS и IP-сетью клиентов или с сетью Интернет

Преимуществом использования функции NAT SkyEdge вместо граничного маршрутизатора третьей стороны является его гибкость:

NAT может независимо конфигурироваться для каждого терминала или группы терминалов так, что пользователи с приложениями, которые требуют внешнего IP-адреса могут использовать один публичный адрес, в то время, как остальные пользователи могут использовать частные адреса;

Каждый терминал может конфигурироваться с парами публичных и частных адресов (статический NAT) или адресным пулом (динамический NAT);

Для динамического NAT различные пулы публичных адресов могут быть выделены для различных групп терминалов.

Функционирование NAT в терминале системы SkyEdge объединено с технологией ускорения Интернет-страницы (IPA) компании Gilat. Если терминал конфигурируется с NAT, RPA (терминальная часть IPA) может связываться с HPA (HUB часть IPA) с использованием частных адресов. Преимуществом этого является то, что веб-браузинг (самое общее приложение в некоторых сетях) не использует частных адресов, предусматривая меньшие адресные пулы.

Протокол DHCP.

DHCP - это протокол, который облегчает динамическое конфигурирование хостов без административного вмешательства. DHCP в настоящее время повсеместно используется в сетях организаций. Терминал VSAT SkyEdge может работать как сервер DHCP, уменьшающий административную нагрузку, и открыто объединяющийся с существующими корпоративными сетями.

С увеличением популярности IP-сетей в 90-х годах стало очевидным, что основной помехой для широкого использования была необходимость административного вмешательства для каждого хоста, что требовало включения его в сеть или изменения его конфигурации. Каждый хост должен был вручную приписываться к единственному IP-адресу администратором сети, который также должен был контролировать ограниченный пул IP-адресов. Как правило, хост необходимо физически посетить для того, чтобы сконфигурировать адрес с адресом для шлюза по умолчанию и маской подсети.

В 1997 IETF опубликовал RFC 2131, в которой описывается механизм, используемый для хостов, для автоматического получения IP-адреса и других конфигурационных параметров на основе их адреса 2 уровня. Механизм представляет собой протокол динамического конфигурирования хоста: он построен на модели клиент-сервер, где соответствующий сервер DHCP выделяет сетевые адреса и может предоставлять многочисленные прочие конфигурационные параметры (описанные в RFC 2132) для динамически сконфигурированных хостов (клиентов DHCP).

В сравнении с предыдущими протоколами DHCP не присваивает адреса “постоянно”, вместо этого он использует ограниченную по времени “аренду”, в течение которой IP-адрес является действительным для хоста (время аренды конфигурируется администратором сети).

DHCP может быть особенно полезным в окружении с частой сменой пользователей. Используя аренду на очень короткие сроки, DHCP может динамично переконфигурировать сети, в которых больше компьютеров, чем доступных IP-адресов.

Реализация поддержки в системе SkyEdge.

Терминал VSAT SkyEdge может работать как сервер DHCP или агент DHCP.

Как сервер DHCP, терминал SkyEdge может предоставлять информацию о конфигурации, максимум, 32-ум хостам, которые затребуют ее (количество поддерживаемых хостов может ограничиваться при помощи NMS). Любой законный запрос DHCP будет выполняться до тех пор, пока будут доступные адреса, фильтрации на основе MAC-адреса нет.

Оператор NMS может конфигурировать следующие параметры, которые затем присваиваются сервером DHCP компьютеру пользователя:

IP-адрес хоста: Пул адресов может базироваться на произвольном IP-адресе или собственном адресе терминала VSAT;

Шлюз по умолчанию: собственный IP-адрес терминала VSAT;

Сервер DNS: IP-адрес для основного и вторичного сервера DNS;

WINS Сервер: IP-адрес для основного и вторичного сервера WINS.

Как передающий агент DHCP, SkyEdge направит запросы DHCP в сеть клиента, находящейся за DPS (запрос DHCP может иметь исходный адрес 0.0.0.0, который может предотвратить отправку маршрутизатором). В сети клиента с этими запросами должен работать сервер DHCP. Необходимо принять во внимание, что при функционировании в качестве передающего агента DHCP терминал будет направлять запросы DHCP от каждого хоста. Все управление пулом IP-адреса должно конфигурироваться на сервере DHCP, предоставленном клиентом.

ARP Proxy.

ARP - низкоуровневый протокол, используемый для преобразования IP-адресов в специальные адреса сети. Терминал SkyEdge может работать как агент ARP, который используется некоторыми устаревшими унаследованными приложениями.

TCP/IP - это набор межсетевых протоколов; это означает, что он может использоваться в хостах, подсоединенных к сетям различного типа, которые могут использовать различные схемы адресации.

Чтобы направить пакет в сеть (или сетевой комплекс), хост должен иметь доступ в фактическую физическую сеть, к которой он подсоединен в соответствии с физическими уровнями и уровнями управления передачей данных, используемыми им. Протокол разрешения адресов (ARP) используется для установления соответствия между IP-адресами и адресами MAC, используемыми в локальной сети хоста.

ARP предполагает построение соответствий IP с исходными адресами для ряда сетевых технологий; его использование специфично для сети. SkyEdge использует ARP для Ethernet (IEEE 802.3), единственной физической сети, поддерживаемой в настоящее время.

Когда хост, подсоединенный к сети Ethernet, требует направить IP-пакет, он посмотрит IP-адрес в таблице ARP для того, чтобы найти адрес Ethernet предполагаемого хоста. В Ethernet эти адреса известны под именем MAC-адреса. MAC (“Medium Access Control”) означает “управление доступом к среде”, что является подуровнем в пределах уровня управления передачей данных, который контролирует доступ к физической среде.

Если IP-адрес предполагаемого получателя не включен в таблицу ARP, хост разошлет ARP-запрос. ARP-запросы включают также IP- и MAC-адреса отправителей, поэтому все хосты, получающие это широковещательное сообщение, могут обновить свои таблицы ARP. Хост, использующий соответствующий IP-адрес, ответит при помощи ARP-сообщения с указанием своего IP- и MAC-адреса.

Реализация поддержки в системе SkyEdge.

Терминал VSAT SkyEdge по умолчанию, как и любой другой IP-объект, использует APR. Он также предлагает набор функциональных возможностей агента (Proxy) ARP . При использовании агента ARP IP-сеть может быть сегментирована в различные физические подсети без необходимости осведомления об этом хостов. Эта характеристика редко используется, за исключением некоторых унаследованных приложений.[2]

2.7.4 Поддержка серийных протоколов

Сеть SkyEdge может поддерживать протоколы Х.25 или Async, наряду с РРР через резервное коммутируемое соединение (dial back-up).

Система SkyEdge поддерживает одновременно несколько протоколов. Это позволяет пользователям запускать одновременно несколько различных приложений посредством одного терминалаSkyEdge. VSAT поддерживает следующие протоколы:

Async: X.3/X.28/X.29 PAD;

PPP через резервное коммутируемое соединение;

X.25.

Система SkyEdge позволяет осуществлять спуфинг протоколов TCP/IP и серийных протоколов, сохраняя таким образом пропускную способность и ускоренную производительность.

Протокол Х.25 соответствует рекомендациям ITU-T 1984/1988 X.25 «Сети передачи данных: Сервисы и Оборудование, Интерфейсы - Рекомендации Х.1 - Х.32», CCITT ISBN 92-61-03671, 1984/1988. SkyEdge реализует Х.25 через IP. Интерфейс к хосту со стороны HUB - IP.

Протоколы Х.3/Х.25/Х.29 со стороны VSAT обеспечивают поддержку PAD для асинхронных устройств удаленного узла в соответствии с рекомендациями 1984 ITU-T для SVC «Сети передачи данных: Сервисы и Оборудование, Интерфейсы - Рекомендации Х.1 - Х.15» и «Сети передачи данных: Сервисы и Оборудование, Интерфейсы - Рекомендации Х.20 - Х.32».

Коммутируемый виртуальный канал (SVC) - эта соединение, устанавливаемое исключительно для передачи специальной группы сообщений. Для передачи другой группы сообщений cсоединение устанавливается повторно (необязательно через такой же путь). SVC поддерживается большинством устройств благодаря своему динамическому характеру и/или свойствам согласования.

Запросы с быстрой выборкой - это однократная передача информации с подтверждением приема, когда данные объединяются с запросом на соединение и соответствующим точным указанием. Следует учесть, что в контексте коротких транзакций использование SVC не очень эффективно. Используя механизм быстрой выборки сеть SkyEdge делает возможными быстрые интерактивные запросы, и с номинальными, и с ускоренными возможностями передачи, инициированные и на удаленном терминале, и на HUB.

Закрытая пользовательская группа (Closed User Group (CUG)).

Закрытая пользовательская группа (CUG) позволяет DTE (порты Async. X.3 PAD), принадлежащему особой CUG, связываться друг с другом, блокируя при этом соединение с другим DTE за пределами CUG.[6]

DTE принадлежащее CUG, которому разрешен исходящий доступ, может отправлять запросы к DTE за пределами закрытой пользовательской группы.

Подписка пользователя группы включает несколько опций:

Включение/отключение подписки CUG;

CUG с исходящим доступом;

CUG с входящим доступом.

Кроме того, CUG поддерживает следующие атрибуты:

Входящие запросы, запрещенные внутри CUG;

Исходящие запросы, запрещенные внутри CUG.



3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СПУТНИКОВОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

3.1 Особенности энергетики спутниковой линии. Цели и задачи расчета

Линия спутниковой связи состоит из двух участков: Земля-спутник и спутник-Земля. В энергетическом смысле оба участка весьма напряженные.

Первый - из-за тенденции к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земной станции, второй - из-за ограничений на массу, габаритные с размеры и энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующие его мощность.

Основная особенность спутниковых линий - наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ, равной 36 тыс. км, затухание сигнала может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания в пространстве, сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов. Таких как поглощение в атмосфере, рефракция, влияние дождевых осадков и т. д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех фактории позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу в наиболее трудных условиях и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.

Нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (например, отношение сигнал-шум) имеют статистический характер. Это заставляет оценивать возмущающие факторы также статистически, т. е. при расчетах вводить не только количественную меру воздействия того или иного фактора, но и вероятность (частоту) его появления. Необходимо учитывать характер и число передаваемых сигналов, а также характер их преобразования (обработки) в спутниковом ретрансляторе. При передаче телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте, времени или форме и оказывающих взаимное влияние, которое должно учитываться при расчете энергетики спутниковых линий.[3]

3.1.1 Исходные данные для расчета

Таблица 3.1 - Географическое расположение

ЗС	Алматы	Астана	Атырау	Шымкент	Усть-Каменогорск
Координаты
Широта (Север)	43°15'	51°10'	47°07'	42°20'	49°58'
Долгота (Восток)	76°57'	71°30'	51°56'	69°38'	82°35'

На рисунке 3.1 приведен частотный план ИСЗ NSS-6

Таблица 3.2 - Техническая спецификация ИСЗ NSS-6

1. Разработчик / производитель	Lockheed Martin Astro Space
2. Модель	Astro Series 7000
3. Масса при запуске	4,5 тонны
4. Планируемый срок службы	14 лет
5. Стабилизация	Стабилизирован по 3 осям
6. Орбитальная позиция	95° в.д.
7. Число транспондеров	50
8. Частота трансляции (вверх/вниз)	14 / 11 ГГц
9. Ширина полосы частот транспондера	20 по 54 МГц, 30 по 36 МГц
10. Поляризация	Линейная
11. Максимальная ЭИИМ	54 дБВт
12. Зона покрытия	Средняя Азия, Южная Африка, Индия, Китай, Юго-Восточная Азия, Северо-Восточная Азия, Австралия
13. Мощность передатчика на ЛБВ	120 Вт
14. Плотность потока насыщения (SFO)	Max:-80 ± 1 дБ·Вт/м2
	Min: -95 ± 1 дБ·Вт/м2
15. Приемная командная частота	6423,5 МГц - вертикально поляризованная
16. Передаваемые частоты телеметрии	TF1: 11198,0 МГц горизонт TF2: 11199,5 МГц горизонт

3.2 Расчет энергетики спутниковой линии

3.2.1 Расчет спутникого линка Алматы - Астана

Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле:

,(3.1)

где ,

где о - широта наземной станции,

в- разность долгот спутника и земной станции,

d - расстояние от земной станции до спутника, км.

Рисунок 3.1 - Частотный план ИСЗ NSS-6: а)Uplink frequencies; б) Downlink frequencies

Подставляя исходные данные в формулу (4.1), получим:

для Алматы:

для Астаны:

Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по следующим формулам:

(3.2)

(3.3)

где ,

- долгота подспутниковой точки, грд;

- долгота земной станции, грд;

- широта земной станции, грд.

Подставляя исходные данные в формулы (3.2) и (3.3), получим:

для Алматы:

,

,

для Астаны:

,

.

Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого необходимо выбрать конкретный транспондер, через который будет работать сеть, чтобы знать частоты приема и передачи, необходимые для расчетов (рисунок 4.3).

Выберем для расчетов транспондер ME HA1/ME VA1, центральные частоты этого транспондера - 14029 МГц на прием и 10977 МГц на передачу.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле:

(3.4)

где L - затухание энергии, дБ;

d - расстояние между ИСЗ и ЗС, м;

- длина волны, м;

с =3·108 м/с - скорость света;

f - частота сигнала, Гц.

Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 14029 МГц, л= 0,021 м) будет равно:

а на пути распространения спутник - Земля (f = 10977 МГц, л =0,027 м) равно:

Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Астане. Подставляя в формулу (3.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:

а на линии спутник - Земля:

Для дальнейших расчетов необходимо воспользоваться некоторыми техническими характеристиками станции. Технические характеристики центральной и удаленной станций и бортового ретранслятора сведем в таблицы 3.3, 3.4, 3.5.



Таблица 3.3 - Параметры центральной станции

Параметр	Величина	Обозначение
Диаметр антенны, м	3,7	Dцс
Коэффициенты усиления антенны: на передачу, дБ на прием, дБ	53 51,6
Затухание в ВЧ-части: на передачу, дБ на прием, дБ	4 2,4
Выходная мощность передатчика, Вт	16
Эквивалентная шумовая температура, К	38	Тцс
Требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника при вероятности ошибки 10-6, дБ	7,5

Таблица 3.4 - Параметры удаленной станции

Параметр	Величина	Обозначение
Диаметр антенны, м	1,8	Dус
Коэффициенты усиления антенны: на передачу, дБ на прием, дБ	36,3 36,3
Затухание в ВЧ-части: на передачу, дБ на прием, дБ	1 1
Эквивалентная шумовая температура, К	30град 42	Тус
Требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника при вероятности ошибки 10-6, дБ	7,5

Таблица 3.5 - Параметры бортового ретранслятора

Параметр	Величина	Обозначение
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность в центре зоны, дБ	50	ЭИИМ
Мощность бортового передатчика, Вт	16	Рб
Мощность бортового передатчика, дБ	24,1	Рб
Затухание в ВЧ-части на передачу, дБ на прием, дБ	2 2
Эквивалентная шумовая температура, К	1200

Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Астане.

Воспользуемся формулой:

,(3.5)

где Рпер - эффективная мощность сигнала на выходе передатчика, дБ;

з - затухание в ВЧ-части, дБ.

Вся территория Казахстана находится в зоне ЭИИМ = 50 дБ. Преобразуем формулу (3.5).

(3.6)

Вычислим усиление антенны спутника в направлении

на Алматы:

на Астану:

Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере:



(3.7)

где - дополнительное затухание, дБ;

- поглощение энергии сигнала в атмосфере, дБ;

- потери в гидрометеорах, дБ;

- потери из-за несогласованности поляризации антенн, дБ.

для Алматы (азимут = 154,662°, угол места = 32,045°):

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

тогда:

для Астаны (азимут = 150,936°, угол места = 24,42°)

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину, которой можно, пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем .

3.2.2 Расчет спутниковой линии Алматы - Атырау

Аналогично расчитаем спутниковую линию Алматы - Атырау.

Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле (3.1):



для Алматы:

для Атырау:

Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по формулам 3.2 и 3.3. Подставляя исходные данные в формулы (3.2) и (3.3), получим:

для Алматы:

,

,

для Атырау:

,

.



Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого выберем для расчетов транспондер ME HA1/ME VA1, центральные частоты этого транспондера - 14029 МГц на прием и 10977 МГц на передачу.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле 3.4.

Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 14029 МГц, л= 0,021 м) будет равно:

а на пути распространения спутник - Земля (f = 10977 МГц, л =0,027 м) равно:

Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Атырау. Подставляя в формулу (3.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:

а на линии спутник - Земля:



Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Атырау.

Вычислим усиление антенны спутника в направлении

на Алматы:

на Атырау:

Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере по формуле 3.7.

для Алматы (азимут = 154,662°, угол места = 32,045°):

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

тогда:

для Атырау (азимут = 128,178°, угол места = 19,09°)

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

3.2.3 Расчет спутниковой линии Алматы - Шымкент

Аналогично расчитаем спутниковую линию Алматы -Шымкент.

Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле (3.1):

для Алматы:

Для Шымкента:

Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по формулам 3.2 и 3.3. Подставляя исходные данные в формулы (3.2) и (3.3), получим:

для Алматы:

,

,

для Шымкента:

,



.

Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого выберем для расчетов транспондер ME HA1/ME VA1, центральные частоты этого транспондера - 14029 МГц на прием и 10977 МГц на передачу.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле 3.4.

Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 14029 МГц, л= 0,021 м) будет равно:

а на пути распространения спутник - Земля (f = 10977 МГц, л =0,027 м) равно:

Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Шымкенте. Подставляя в формулу (3.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:



а на линии спутник - Земля:

Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Шымкент.

Вычислим усиление антенны спутника в направлении

на Алматы:

на Шымкент:

Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере по формуле 3.7.

для Алматы (азимут = 154,662°, угол места = 32,045°):

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

тогда:

для Шымкента (азимут = 144,84°, угол места = 30,14°)



La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину, которой можно, пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем .

3.2.3 Расчет спутниковой линии Алматы - Усть-Каменогорск

Аналогично расчитаем спутниковую линию Алматы - Сарышаган.

Рассчитаем расстояния от земных станций до бортового ретранслятора по формуле (3.1):

для Алматы:

для Усть-Каменогорска:

Далее рассчитаем угол места и азимут на спутник с земных станций по формулам 3.2 и 3.3. Подставляя исходные данные в формулы (3.2) и (3.3), получим:

для Алматы:

,



,

Для Усть-Каменогорска:

,

,

Далее рассчитаем затухание энергии сигнала, в свободном пространстве: для этого выберем для расчетов транспондер ME HA1/ME VA1, центральные частоты этого транспондера - 14029 МГц на прием и 10977 МГц на передачу.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве рассчитывается по формуле (3.4).

Для Алматы затухание энергии сигналов в свободном пространстве за счет расхождения фронта волны на пути распространения Земля - спутник (f = 14029 МГц, л= 0,021 м) будет равно:

а на пути распространения спутник - Земля (f = 10977 МГц, л =0,027 м) равно:



Аналогично рассчитываем затухание для ЗССС в Усть-Каменогорске. Подставляя в формулу (3.4) исходные данные, получаем затухание на линии Земля спутник:

а на линии спутник - Земля:

Для дальнейших расчетов необходимо, вычислить коэффициенты усиления антенны спутника в направлении на ЗС Алматы и Сарышагане.

Вычислим усиление антенны спутника в направлении

на Алматы:

на Усть-Каменогорск:

Произведем расчет дополнительного затухания при распространении радиоволн в атмосфере по формуле 3.7.

для Алматы (азимут = 154,662°, угол места = 32,045°):

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;



тогда:

для Усть-Каменогорска (азимут = 163,98°, угол места = 28,16°)

La = 1 дБ; Ln = 1 дБ; Lg=7 дБ; LН = 2 дБ;

Дополнительное затухание при распространении вниз будет отличаться от затухания при распространении луча вверх на малую величину, которой можно, пренебречь, поэтому для удобства расчетов примем .

3.3 Расчет мощности для передатчиков ЗС

Так как мощности передатчиков ЦС и ИСЗ нам известны, приведем расчет мощности для удаленной станции, исходя из условий минимизации мощности передатчика удалённой станции.

Расчитаем мощность центральной станции в г.Алматы, подставляя все вышеуказанные величины в формулу (3.8) получим:

Переведем в ватты, получаем:

.



Для реальной станции Ku-диапазона предлагается использование передатчика мощностью 16 Вт.

Рассчитаем мощность, требующуюся при работе удаленной станции на центральную станцию по формуле (3.8).

Для Астаны:

Переведем Рпер.З в ватты:

.

При работе удаленной станции в Астане на центральную в Аламты требуется мощность 1,9 Вт, что показывает работоспособность станции с мощностью передатчика 16 Вт.

Для Атырау:

Переведем Рпер.З в ватты:

.

При работе удаленной станции в Атырау на центральную в Алматы требуется мощность 1,9 Вт, что показывает работоспособность станции с мощностью передатчика 16 Вт.



Для Усть-Каменогорска:

Переведем Рпер.З в ватты:

.

При работе удаленной станции в Усть-Каменогорске на центральную в Алматы требуется мощность 1,5 Вт, что показывает работоспособность станции с мощностью передатчика 16 Вт.

Для Шымкента:

Переведем Рпер.З в ватты:

.

При работе удаленной станции в Сарышагане на центральную в Алматы требуется мощность 2,2 Вт, что показывает работоспособность станции с мощностью передатчика 16 Вт.



4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СИСТЕМЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИЗС KAZSAT-1

Расчет электромагнитной совместимости системы основан на представлении, что по мере возрастания уровня мешающего излучения, увеличивается шумовая температура системы, подвергающейся помехам.

Согласно этому методу рассчитывается кажущееся увеличение эквивалентной шумовой температуры линии, обусловленное помехами, создаваемыми мешающей станцией и отношение этого увеличения к эквивалентной шумовой температуре спутниковой линии, выраженное в процентах. Для конкретного случая выберем земную станцию, находящуюся на территории Казахстана в Астане; эта станция является мешающей станцией для проектируемой системы и наоборот. Данные по этой станции приведены в таблице 4.1. Мешающая система работает на тех же частотах, что и проектируемая и использует искусственный геостационарный спутник NSS-6, находящийся на 95° в.д.

Таблица 4.1 - Параметры мешающей системы для расчета электромагнитной совместимости

Параметр	Величина
Широта, ° с.ш.	51°10'
Долгота, ° в.д.	71°30'
Диаметр антенны, м	6
Максимальная плотность мощности, подводимая к антенне, усредненная к наихудшей полосе, шириной 4 кГц, дБ·Вт/Гц	-34
Коэффициент передачи спутниковой линии на пути вниз	0,032
Шумовая температура, К	350

Методика расчета сводится к определению приращения шумовой температуры по следующим формулам:



,(4.1)

где - приращение шумовой температуры на пути вверх, дБ;

- максимальная плотность мощности в полосе 1 Гц, подводимая к антенне передатчика станции мешающей, усредненная в наихудшей полосе, шириной 4 кГц, -43,53дБ;

- усиление антенны, работающей на передачу земной станции ЗС1, в направлении спутника С2, дБ;

- усиление приемной антенны спутника С2 в направлении ЗС1, дБ;

k - постоянная Больцмана;

Lu - затухание при распространении волны вверх, дБ.

,(4.2)

где - приращение шумовой температуры на пути вниз, дБ;

- максимальная плотность потока мощности в полосе 1 Гц, подводимая к антенне спутника С1, усредненная в наихудшей полосе шириной 4 кГц, -51,77дБ;

- усиление передающей антенны спутника С1 в направлении земной станции ЗС2;

- усиление антенны приемной станции ЗС2 в направлении спутника С1, дБ;

Ld - затухание при распространении волны вниз.

,(4.3)



где - кажущееся увеличение эквивалентной шумовой температуры всей спутниковой линии, К;

=0,032К=-15дБ - коэффициент передачи конкретной спутниковой линии.

На рисунке 5.1 приведены все расстояния и углы, определенные в расчете. Система А1, связанная со спутником С1 и земной станции ЗС1 является мешающей для системы А2, состоящей из спутника С2 и земной станции ЗС2.

Рисунок 5.1 - Пояснение к расчетам ЭМС

Определим неизвестные величины:

Расстояние от станции до спутников по формуле (5.1):

для Алматы:



для Астаны:

Далее определим расстояние между земными станциями:

,(4.4)

где ;

;

;

;

;

,

где R - радиус Земли (R = 6370 м);

- широта Алматинской станции;

- долгота Алматинской станции;

- широта Астанинской станции;

- долгота Астанинской станции.



Определим топоцентрические углы и :

;(4.5)

где - расстояние от земной станции до первого спутника, км;

- расстояние от земной станции до второго спутника, км;

- геоцентрический угловой радиус, грд,

где .

;

.

Далее определим экзоцентрические углы д и з:

;(4.6)

;(4.7)

;



.

Рассчитаем усиление антенн по направлению на мешающую систему. Так как на этих спутниках используются узконаправленные лучи, то усиление антенн по направлению, расходящемуся с главным, лепестком на угол можно определить, по формуле:

.(4.8)

Таким образом, вычисляем:

;

;

;

.

Необходимо вычислить потери при распространении сигнала на трассе вверх и вниз по формуле:

,(4.9)

где f - частота, МГц;

d - расстояние, км.

;

.



Оценим мешающее влияние Алматинской станции на Астанинскую. Подставив данные, полученные выше, в формулы (5.1), (5.2) получим:

;

;

Переведем TкВ, Tзс в Кельвины

К

К

Тогда

.

Таким образом,

.

Процентное увеличение эквивалентной шумовой температуры составляет 0,002%, что меньше порогового уровня - 6%, следовательно, координация не требуется и работа системы не вносит помех работе Алматинской системы.



5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРАФИКА

5.1 Характеристика трафика

При анализе звонков используем следующие параметры:

- диапазон звонков

- длительность звонка Т

Когда осуществляется звонок, ресурсы сети проверяются системой управления сетью NMS, как форма соединения проводов, с требуемой пропускной способностью. Вероятность отказа - результат загруженности пропускной способности, может быть определена из формулы Эрланга. Отказанные звонки не сохраняются (NMS не обладает памятью отказанных звонков).

Рисунок 5.1 - Диаграмма постоянного и пульсирующего трафика

Формула Эрланга:

, (5.1)

Где А - интенсивность трафика



(5.2)

Отказ звонка происходит когда n=C, поэтому вероятность отказа определяется:

(5.3)

Формула (5.3) может быть рассчитана при помощи приближенной формулы:

, (5.4)

спутниковый линия трафик

где

Рисунок 5.2 - Показывает требуемое количество соединений С, при котором произойдет соединение, при данной вероятности отказа, при данной интенсивности трафика



В таблице 5.1 представлены параметры пульсирующего и постоянного трафика.

Таблица 5.1 - Параметры постоянного и пульсирующего трафика

5.2 Расчет количества абонентский линий на проектируемой станции

Возникающую нагрузку создают вызовы (заявки на обслуживание), поступающие от абонентов (источников) и занимающие на некоторое время различные соединительные устройства станции. При этом интенсивность местной возникающей нагрузки может быть определена, если известны следующие ее основные параметры:

N	-число телефонных абонентов;
C	-среднее число вызовов в ЧНН от одного источника i;
T	-средняя продолжительность разговора абонентов i;
P	-доля вызовов закончившихся разговором;



Структурный состав источников, то есть число аппаратов различных категорий определяется изысканиями, а остальные параметры (Ci, Ti, Pp) - статистическими наблюдениями на действующей станции VSAT Sky Edge

Рассчитаем интенсивность возникающей нагрузки источников i-ой категории, выраженная в Эрлангах:

, (5.5)
t i = i .Pp.( tсо+ n.tн+ tу+ tпв+It ); (5.6)
A i . Pp . ( tсо + n. tн + tу + tпв + T I ); (5.7)

Продолжительность отдельных операций по установлению связи, входящих в формулу (3.2), принимают следующей:

-время слушания сигнала ответа станции tсо =3с;

-время набора n знаков номера с тастатурного ТА n. tн =0,8*n c;

-время посылки вызова с учетом спутниковой задержки к вызываемому абоненту при состоявшемся разговоре tпв = 7-8 с.

Время установления соединения tу с момента окончания набора номера до подключения к линии вызываемого абонента зависит от вида связи, способа набора номера и типа станции, в которую включена требуемая линия. Учитывая спутниковую задержку примем tу=2с.

Коэффициент учитывает продолжительность занятия приборов вызовами, не закончившихся разговором (занятость, не ответ вызываемого абонента, ошибки вызывающего абонента). Его величина в основном зависит от средней длительности разговора Ti и доли вызовов закончившихся разговором Pp , и определяется по графику.

Таким образом, возникающая местная нагрузка от абонентов различных категорий, включенных в проектируемую станцию, определяется равенством:

Средняя продолжительность одного занятия, определяемая по формуле:

t = .Pp.( tсо+ n.tн+ tу+ tпв );	(5.8)

Учитывая особенности спутниковой станции, примем Pp = 0.58, а T=120.

t = 1,175. 0,58. (3 + 6. 0,8 + 3 + 8 + 120 ) = 95.95 с;

Нагрузка, поступающая на вход от всех абонентов:

Y п= 480. 3,0*95.95/ 3600 = 38.18 Эрл;

Известно, что на распределение исходящих потоков нагрузки по направлениям оказывают влияние много факторов: величины нагрузок, создаваемые абонентами проектируемой станции и всеми станциями сети, расстояние между АТС, удельный вес и взаимоотношение разных секторов района, а также другие факторы. Из этих факторов выделяют один или несколько основных, имеющих наибольшее влияние на распределение потоков сообщения и косвенно учитывающих влияние других факторов. В рассматриваемом способе в качестве основных факторов приняты нагрузка проектируемой станции и общая нагрузка телефонной сети.

Согласно этому способу сначала находят нагрузку на входе проектируемой станции, подлежащую распределению между всеми центральными станциями. В нашем случае у нас всего одна центральная станция. С этой целью из возникающей нагрузки вычитают нагрузку, направляемую к узлу спец. служб, которая принимается равной 3% от возникающей нагрузки.



Y'п = Y”п*Y'сп, (5.9)
где Y'сп = 0,05Y”п, тогда Y'п = 0,95Y”п.

Одна часть нагрузки Yп замыкается внутри станции Yп, п ; а другая часть образует потоки к действующим центральным станциям. Так как у нас одна центральная станция то вся нагрузка будет замыкаться внутри станции. Т.е значении внутристанционной нагрузки будет совпадать со значением возникающей нагрузки.

Y'п = 0,95*38.18= 36.27 Эрл;
Y'сп = 0,05Y”п=0.05*38.18=1.9 Эрл;

Посчитаем теперь нагрузку от абонентов на шлюз подключенный к СТОП(Сеть Телекоммуникаций Общего Пользования).

Yмг	=	0.03*480	=	14.47 Эрл;
Yмн	=	0.06*480	=	7.27 Эрл;
Yобщ	=	Yмг+Yмн	=	14.47+7.27 =21.7 Эрл; (5.10)

Исходя из значений телефонной нагрузки на центральную станцию рассчитаем необходимое количество тайм слотов и полезных частот для нормальной работы данного количества абонентов.

Uисх=Е(Yп. р)=Е(36.27, 0.001)=57 каналов;

Так как для установления полнодуплексного канала необходимо две разных частоты с одинаковыми тайм слотами нам необходимо иметь

Nт=57*2=114 тайм слотов;



Теперь рассчитаем необходимое количество тайм слотов для установления постоянных каналов передачи данных PAMA.

Количество терминалов использующих постоянный канал PAMA со скоростью 128 кбит/с равно 8.Пропускная способность одного тайм слота 8 кбит/с.Таким образом для одного шасси необходимо 128/8=16 тайм слотов, а учитывая что для установления канала РАМА между абонентами необходимо два шасси и число каналов равно 4, то количество тайм слотов равно Np=16*8=128.

Общее количество тайм слотов для канала РАМА и телефонного трафика равно:

N=Nт+Np=114+128=242 тайм слота; (5.11)

Определим количество несущих необходимое для обслуживания такой нагрузки. Количество тайм слотов на одной частоте составляет 18. Учитывая, что один тайм слот отводится для служебных каналов, получаем 17 тайм слотов на одной частоте. Отсюда количество несущих, равно: N/17=242/17=16. Исходя из количества несущих, определим емкость спутникового сегмента. Учитывая, что ширина одной несущей составляет S=153.9 кГц, необходимая емкость спутникового сегмента равна 16*153.9=2463 кГц.

Таблица 5.2 - Значения центральных частот пула несущих

Центральная частота несущей, Гц (ПЧ)	Ширина несущей, Гц(ПЧ)
70671950	153900
70825850	153900
70979750	153900
71133650	153900
71287550	153900
71441450	153900
71595350	153900
71749250	153900
71903150	153900
72057050	153900
72210950	153900
72364850	153900
72518750	153900
72672650	153900
72826550	153900
72980450	153900

Определим количество тайм слотов необходимое для шлюза подключенного в СТОП.

Uисх=E(Yобщ ;p)=E(21.74;0.001)=36 каналов; (5.12)

Так как одно шасси может поддерживать только 16 каналов, то для получения полноценного потока E1, мы скаскадируем шасси используя адаптер. А для получения двух потоков нам понадобится четыре шасси .

Так как данное оборудование мы стыкуем с телефонной станцией SI-320 нам необходимо посчитать количество ИКМ линий.

Uисх=36 каналов, отсюда Uикм=36/30=2 ИКМ линии. В результате конечная схема соединения SI 320 c шасси Sky Edge, будет такая:

Рисунок 5.4 - Схема стыковки SI-320 c шасси Sky Edge



Рассчитаем необходимое количество оборудования на клиентской стороне:

-	количество станций использующих телефонную связь Nт=4;
-	количество станций использующих выделенный спутниковый канал PAMA Nр=1.

Определим перечень оборудования необходимый для работы одной удаленной станции.

-	спутниковая антенна 1.8 метра;
-	приемо-передающая часть (передатчик 4 Вт и LNB-приемный малоумящий блок);
-	шасси Sky Edge ( удаленный терминал);
-	голосовые модули UIM- 4 модуля (каждый имеет два телефонных порта;
-	кабель марки RJ 11 (200 метров на станцию).

Таблица 5.3 -Оборудование удаленной станции использующих телефонную связь

Тип оборудования	Количество
Антенна 1.8 метра	1
Приемо-передающая часть	1
Шасси Sky Edge	1
Голосовой модуль VOICE UIM	4
Кабель RJ 11, м	200

Таблица 5.4 -Оборудование удаленной станции использующих канал PAMA.

Тип оборудования	Количество
Антенна 1.8 метра	1
Приемо-передающая часть	1
Шасси Sky Edge	1
Модуль передачи данных DATA UIM	1
Кабель RJ 11, м	200

Таблица 5.5 -Общее количество оборудования для удаленных станций

Тип оборудования	Количество
Антенна 1.8 метра	3
Приемо-передающая часть	3
Шасси Sky Edge	11
Голосовой модуль VOICE UIM	12
Модуль передачи данных DATA UIM	8
Кабель RJ 11, м	800

Определим перечень оборудования необходимый для работы центральной станции:

-	спутниковая антенна 3.8 метра;
-	приемо-передающая часть(передатчик 8 Вт и LNB) ;
-	NCC(центр управления сетью);
-	АТС SI-320;
-	шасси Sky Edge (терминал для концентрации междугороднего и международного трафика);
-	модуль Е1;
-	модуль VPM.

Результат сведем в таблицу3.4

Таблица 5.6 - Оборудование необходимое для работы центральной станции

Тип оборудования	Количество
Антенна 3.8 метра	1
Приемо-передающая часть	1
Шасси Sky Edge	4
Mодуль E1	4
Mодуль VPM	4
Кабель RJ 11, м	200
ATC SI-320	1
NCC	1

5.3 Расчет требований к надежности проектируемой сети

В соответствии с документами МСЭ-Т качество обслуживания (Quality of Service-QoS) - общее понятие, характеризующее степень удовлетворения пользователя предоставляемым ему обслуживанием. Это определение уточнено в рекомендации Е.860: “качество обслуживания - степень соответствия обслуживания , предоставляемого пользователю поставщиком, соглашению между ними ”. таким образом, соглашения между пользователями поставщиками услуг, регламентирующими предоставление услуг, приобретают большое значение. Их называют соглашениями об уровне обслуживания(Service Level Agreements-SLA ). Кроме того давая гарантии качества, поставщик получает возможность повысить цены на свои услуги. В целом SLA представляет собой сложный документ, включающий технические, организационные, юридические и финансовые аспекты. Он гарантирует определенный уровень QoS по установленной цене и предусматривает и предусматривает финансовые санкции, применяемые к поставщикам услуг в случае нарушения SLA.

Важнейшей частью SLA является набор показателей качества и установленных для них гарантируемых значений. Все показатели можно разделить на два класса: специфические - для применения технологий или данного вида услуг, и общие - не зависящие от услуг и технологий. Основные общие показатели, включаемые в SLA, относятся к надежности. Это неслучайно, поскольку надежность - один из основных факторов влияющих на QoS.

Прежде чем предлагать клиентам SLA, поставщик должен тщательно проанализировать свои возможности, организовать сбор и обработку данных, характеризующих качество предоставляемых услуг. Только на основании результатов этой работы можно рационально выработать перечень и гарантируемые значения показателей качества, вид и размеры компенсаций для клиентов в случае нарушения требований.

Общий принцип выбора показателей надежности основаны на следующих положениях:

-минимум общего числа показателей;
-простой физический смысл показателей;
-нежелательность сложных комплексных показателей, выражаемых -например, в виде взвешенных сумм;
-возможность количественного задания норм, априорной и опытной оценкой.



Для поставщика услуг важно уметь оценить вероятность или частоту нарушений каждого требования, которое предполагается включить в SLA, чтобы убедиться, что они достаточно малы. Если же параметры оказываются неприемлемо большими , то придется или ослабить требования, или принять меры по повышению надежности. В данной работе будут предложены методы оценки вероятности или частоты нарушения требований для выбранных показателей надежности как специфические так и и общие.

5.3.1 Требования к готовности.

Готовность важнейшая и наиболее часто используемая в SLA составляющая надежности. В то же время гарантированной готовностью более всего неудовлетворенны клиенты.

В качестве показателей готовности могут использоваться:

-коэффициент готовности Kr;
-коэффициент простоя Kп;
-среднее суммарное время простоя .Тп? за заданный период времени t.

Эти показатели связаны между собой простыми соотношениями:

Кr+Kп=1;
Тп? = Кп*t=(1-Kr)*t; (5.13)

Коэффициенты готовности и простоя наиболее удобны для проведения расчетов надежности. Для SLA целесообразно время задавать готовность, устанавливая допустимое суммарное время простоя за некоторый период времени (месяц, квартал, год). При таком задании ясно, каким должен быть период оценки и правило принятия решения. Если суммарная длительность простоев tп? за установленный период t не превышает заданной величины t*п? то требование выполнено, если превышает нет.

Для расчета вероятности выполнения требования к готовности можно воспользоваться известными в теории надежности результатами, относящимися к распределению суммарной наработки за данное календарное время. Действительно, если H(s,t) вероятность того, что суммарная наработка за календарное время t будет меньше s, то:

P{ tп? ? t*п? }= 1-H(tп? - t*п?,,t); (5.14)

Вероятность H(s,t)- выражается через функции распределения времени безотказной работы F(t) и длительность восстановления G(t);

; (5.15)
, (5.16)

Если время t невелико по сравнению со средней наработкой на отказ, то ряд сходится достаточно быстро и можно ограничиться небольшим числом его членов, хотя и в этом случае расчеты оказываются довольно громоздкими. Если же t велико, то потребуется много членов ряда. Ситуация не может быть существенно упрощена даже для показательных распределений. Поэтому более реальный путь воспользоваться тем обстоятельством, что при t > ? суммарная наработка за время t асимптотически нормальна. Математическое ожидание и дисперсия , предельного распределения определяется по формулам:

; (5.17)
; (5.18)



где	-	средняя наработка на отказ;
	-	среднее время восстановления;
и	-	Коэффициенты вариаций(отношение среднеквадратического отклонения к математическому ожиданию) и времени восстановления.

Оценки средних математических ожиданий и коэффициентов вариации времени безотказной работы и времени восстановления могут быть получены на основе эксплуатационных данных с помощью стандартных статистических методов. Таким образом, при больших t (на практике достаточно чтобы t/Tо~5…10):

(5.20)

5.3.2 Требования к времени простоя

Помимо суммарного времени простоя, характеризующего готовность клиенту бывает важно ограничить продолжительность каждого отдельного простоя. С этой целью целесообразно задавать гарантированное время восстановления.

Иногда для ограничения длительности простоев предлагается нормировать среднее время восстановления. Однако этот показатель имеет серьёзный недостаток, присущий многим средним характеристикам: длительный простой может быть скомпенсирован большим числом коротких. Более того, нормирование среднего времени восстановления может спровоцировать поставщика услуг на то чтобы специально один или несколько коротких перерывов для подобной компенсации уже происшедшего простоя.

Для оценки вероятности выполнения требования к времени простоя также удобно использовать асимптотическую формулу. В соотве...