Анализ технологий гибридных спутниковых систем связи, критерии эффективности спутниковых каналов сетей VSAT

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 Анализ технологий Гибридных спутниковых систем связи (ГССС), критерии эффективности спутниковых каналов сетей VSAT

1.1 Анализ технологий систем связи VSAT

Популярность использования Гибридных Спутниковых Систем Связи (ГССС) по всему миру неуклонно растет. Безусловным лидером в области предоставления фиксированной спутниковой связи являются сети VSAT (VSAT - very small aperture terminal - терминалы с очень малой апертурой антенны). Это связано как с повышением социальной активности общества, так и с расширением сферы услуг спутниковой связи для корпоративных и ведомственных пользователей. Движущей силой создания сетей VSAT является интенсификация экономического прогресса и развития сети Интернет. Причем интенсификация сегодня обусловлена не только увеличением объемов производства в промышленности и повышением его эффективности, но и тенденциями, связанными с переходом к информационному обществу [3].

В настоящее время на отечественном рынке представлена продукция практически всех известных мировых производителей оборудования VSAT-сетей, что может служить свидетельством больших потенциальных возможностей рынка. Таким образом, сегодня потребитель получил реальную возможность выбора оборудования во всем диапазоне «цена/качество».

Системы связи VSAT состоят из четырех компонентов:

- центральная земная станция (ЦЗС);

- геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР);

- центр управления сетью (обычно совмещенный с ЦЗС);

- фиксированные станции VSAT, расположенные непосредственно у пользователей.

Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети.

Обычная станция VSAT включает в себя внешний - ODU (Out-Door Unit) и внутренний - IDU (In-Door Unit) блоки (рис.1). Наружный блок (ODU) как правило, состоит из: приемника LNB (Low Noise Block), передатчика BUC (Block Up Converter) и самой антенны апертура, которой в диаметре не больше 2,4 м. Внешний и внутренний блоки связывает коаксиальный кабель (волновод). Внутренний блок (IDU) это спутниковый модем (маршрутизатор), который включает в себя преобразователь частоты, модулятор (демодулятор), кодер (декодер) и т.д. в зависимости от комплектации [2].

Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. Мощность передатчиков колеблется от 20 до 100 и более ватт [3].

Для одновременной передачи телефонии, голоса, видео и Интернет трафика в ГССС на базе VSAT в данный момент широко применяется стандарт DVB-S2.

DVB-S2 - это второе поколение стандарта для спутникового вещания, разработанное Комитетом DVB в 2003 году. В этом стандарте используются самые последние разработки в области канального кодирования (LDPC коды) в сочетании с различными форматами модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK).

DVB-S2 был разработан для работы в диапазоне частот Ku (11/14 ГГц), но его так же можно применять в диапазоне Ka (20/30 ГГц), который сейчас активно рассматривается в качестве преемника Ku диапазона.

Рисунок 1.1 - Пример ГССС VSAT работающая по стандарту DVB-S2

Для создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.

Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность земли. Спутники, работающие на одной и той же частоте, должны быть разнесены по углу на 2o. Это означает, что число таких спутников не может быть больше 180. В противном случае они должны работать в разных частотных диапазонах. При работе в ku-диапазоне угловое расстояние между спутниками можно сократить до 1o.

Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (это особенно существенно для широт более 700), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии, что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.

Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низкоорбитальных спутников (<1000 км; период обращения ~1 час). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме “запомнить и передать”). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость. Типичный спутник имеет 12-20 транспондеров, каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц. Один транспондер может обеспечить информационный поток в 50 Мбит/с или 800 64-килобитных каналов цифровой телефонии. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала и по этой причине работать на одной и той частоте. Каждый телекоммуникационный спутник снабжен несколькими антеннами. Нисходящий луч может быть сфокусирован на достаточно ограниченную область на земле (с диаметром несколько сот км), что также упрощает осуществление двунаправленного обмена [3].

Топология системы связи VSAT бывает различной: точка-точка (SCPC), точка-многоточка (star) и полносвязная (mesh). Данные системы связи получили свое развитие благодаря совместному использованию спутникового и наземного каналов связи [1, 4].

Система SkyEdge II Access, благодоря методу мультиплексирования DVB-RCS и DVB-S2, рассматривает все обратные каналы как единый пул: любой VSAT терминал может использовать любой тайм-слот любого обратного канал, если он обладает достаточной для этого антенной и передатчиком.

Доступны следующие варианты адаптивности:

· Адаптивная регулировка мощности на передачу;

· Адаптивный выбор канала с символьной скоростью;

· Адаптивный выбор модуляции и кодирования;

· Динамический частотный план.

Рассмотрим вариант, когда на сети используется динамический частотный план. В этом случае канал с пропускной способностью 1 Мбит/с может быть разделен на 2 канала по 512 кбит/с или на 4 канала по 256 кбит/с (см. рисунок). И, наоборот, при необходимости, 4 канала могут объединиться в два или один. Это изменение производится системой автоматически на основе потребностей VSAT терминалов в пропускной способности сети, причем частота изменений происходит на уровне тайм-слотов.

Рассмотрим работу терминала SkyEdge II при ухудшении погодных условий. Сначала терминал попытается увеличить изучаемую мощность. Если этого окажется недостаточно, то система разделит канал 1 Мбит/с на 2 канала 512 кбит/с и предложит терминалу работать с одним из этих каналов. Скорость передачи данных пользователя при этом упадет, но терминал не «выпадет» из сервиса.

Такой подход дает оператору SkyEdge II несколько преимуществ:

упрощается планирование сети: на этапе внедрения нет точных данных, какое количество каналов какого типа потребуется.

выше надежность связи.

меньше занимаемый спутниковый ресурс, так как, во-первых, меньше необходимо перезакладываться при планировании. Во-вторых, весь спутниковый ресурс разделяется между всеми пользователями сети. Это означает, что в дневное время ресурс может быть занят каналами высокой пропускной способности для корпоративных клиентов, а в вечернее время ресурс перераспределяется в пользу низкоскоростных каналов для домашних пользователей

ниже себестоимость предоставления VIP услуг. Например, если в сети есть всего один клиент, которому необходим канал 2Мбит/с, при этом он используется один раз в неделю на время видеоконференцсвязи, то в остальное время этот ресурс может быть динамически перераспределен между другими станциями и его можно «перепродать». С другими системами такой подход невозможен и ресурс фактически закрепляется за клиентом и себестоимость услуги будет высока

сокращаются капитальные затраты на антенны/передатчики удаленных сайтов, так как нет необходимости держать запас по мощности

Здесь мы видим, что технология, предлагаемая SkyEdge 2 Access выглядят привлекательней для бизнеса по сравнению с iDirect 5300 (это объясняется преимуществами которые я выделил выше).

Чем выше порядок модуляции, тем эффективнее используется частотный ресурс. Так, например, модуляция QPSK позволяет передавать 2 бит информации на 1Гц. 8PSK - 3 бит, 16APSK - 4 бит, 32APSK - 5 бит информации на 1Гц. При этом, чем выше модуляция, тем лучшими параметрами должен обладать космический аппарат, чтобы обеспечить достаточную мощность сигнала на входе демодулятора VSAT терминала. Аналогично, чем выше применяемое кодирование, тем эффективнее передача, но и требуется большая энергетика радиолинии. Существующие космические аппараты позволяют использовать модуляции 16APSK в прямом канале и QPSK в обратных. Современные спутники, покрывающие РФ и выведенные на орбиту в прошлом году и планируемые к запуску в ближайшие годы, обладают достаточной энергетикой для работы систем VSAT с 32APSK в прямом канале и 8PSK в обратном, и задействовать при этом очень эффективные модуляции.

Система SkyEdge II (стандарт DVB-RCS + MF-TDMA) поддерживает в обратном канале модуляции QPSK и 8PSK и помехоустойчивое кодирование с FEC от 1/2 до 6/7. Доступны следующие варианты FEC:

QPSK -1/2, QPSK -2/3, QPSK -3/4, QPSK -4/5, QPSK -6/7, 8PSK -2/3, 8PSK -3/4, 8PSK -4/5, 8PSK -6/7.

Как видно, система обладает богатым выбором настроек и может быть гибко подстроена под любую радиолинию для эффективного использования ресурса. Максимальная плотность бит на Герц достигает при использовании модуляции 8PSK 6/7 - 2,4 бита/Гц.

Система iDirect поддерживает модуляции BPSK, QPSK, 8PSK и кодирования 0,431, 0,533, 0,66 и 0,793, однако на эффективной модуляции 8PSK можно использовать только неэффективный FEC 0,66, который фактически нивелирует преимущества использования эффективной модуляции.

Максимально достижимая плотность полезной информации на Гц в обратных каналах системы iDirect ~1,9 бит/Гц. То есть потенциальная утилизация спутникового ресурса обратными каналами ниже, чем у SkyEdgeII.

Каждая из этих топологий имеет свои преимущества и недостатки. В реальных ситуациях часто требуется предоставление широкого спектра услуг, каждая из которых лучше реализуется в разных топологиях. Поэтому многие сети строятся по смешанным топологиям.

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

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

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

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

обслуживание бензозаправочных станций, банкоматов;

мониторинг и управление технологическими процессами на электростанциях;

организация сервисного обслуживания автомобилей и их аренды;

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

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

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

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

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

При централизованном управлении такой сетью центр управления сетью (ЦУС) выполняет служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети, но не участвует в передаче трафика. Обычно ЦУС устанавливается на одной из абонентских станций сети, на которую приходится наибольший трафик.

В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой управления отличаются повышенной "живучестью" и гибкостью за счет усложнения оборудования, расширения его функциональных возможностей и удорожания VSAT терминалов. Эта схема управления целесообразна лишь при создании небольших сетей (до 30 терминалов) с высоким трафиком между абонентами [4].

Корпоративная сеть MF-TDMA (Multi-Frequency Time Devision Multiple Access) Технология предоставляет множеству станций динамический доступ к одному или нескольким общим каналам на основе временного разделения. Каждому активному в данный момент соединению выделяется часть ресурса, пассивным соединениям ресурс не выделяется.

На физическом уровне MF-TDMA сети обеспечивают связь «каждый с каждым»: любые станции могут связываться друг с другом непосредственно, в один спутниковый скачок. Это минимизирует время передачи и позволяет организовывать передачу «real-time» трафика (телефония, видеоконференции). Тем не менее, с помощью виртуальных каналов (PVC) можно организовать любую другую логическую структуру сети.

* Оптимальное количество узлов сети: более 20

* Топология сети: физически - полносвязная, логически - произвольная

* Скорость передачи данных от каждой станции: до 2048 Кбит/с

* Транспортные протоколы: Frame Relay, ATM, IP

* Возможность обеспечения гарантированной скорости (CIR) путем организации PVC-каналов

* Состав терминала: приемно-передающая антенная система 0.9-2.4 м, спутниковый TDMA-модем, маршрутизатор или FRAD (могут предоставляться заказчиком)

Для построения спутниковых корпоративных сетей среднего и крупного масштаба (на 20-250 узлов) с мультисервисными возможностями (данные, голос, видео) успешно применяется телекоммуникационные платформы, использующие технологию TDMA (Time Division Multiple Access). технология система связи спутниковый

Описание сети

На физическом уровне в TDMA-сети обеспечивается связь «каждый с каждым»: любые станции могут связываться друг с другом непосредственно, в один спутниковый скачок. Это минимизирует время передачи и позволяет организовывать передачу «real-time» трафика (телефония, видеоконференции). Тем не менее, с помощью виртуальных каналов (PVC) можно организовать любую другую логическую структуру сети. Общая пропускная способность спутниковой сети TDMA может достигать 70 Мбит/с.

В каждый отдельный момент времени спутниковый ресурс используется только активными приложениями. Если приложение не активно, ресурс освобождается для других соединений. При появлении активности ресурс вновь выделяется «по требованию» менее чем за одну секунду.

Выделение ресурса по запросу совместно с режимом статистического мультиплексирования передаваемых данных определяет еще одно достоинство сети - высокую утилизацию (эффективность использования) спутникового ресурса. Таким образом, значительно снижается стоимость аренды необходимой емкости спутника.

Сеть TDMA обладает высокой масштабируемостью и надежностью. Сеть не содержит центральной станции - все станции равноправны, аинтеллект» сети распределен между ними. Управление каналами TDMA производится с одной основной (и одной резервной) мастер-станции, отличающейся от других наличием платы генератора фрэйм-плана. Поэтому изменение количества станций и структуры сети происходит без внесений изменений в конфигурацию оборудования.

Области применения сети TDMA

* Объединение локальных сетей компании через Ethernet («Ethernet in the sky») или Frame Relay интерфейсы

* Телефонная и факсимильная связь, передача видеоконференций через прозрачные каналы, Frame Relay или по IP

* Доступ в Интернет и другие наложенные приложения

* SAP и прочие клиент-серверные приложения

* Объединение real-time и non-real-time приложений в архитектуре пакетной передачи

Основные достоинства сети TDMA

* Построение сети любой топологии: полносвязной, звездообразной или гибридной

* Высокая транзакционная пропускная способность передачи данных - до 8 Мбит/сек и более

* Очень динамичное (менее 1 секунды) выделение спутникового ресурса для передачи данных IP и Frame Relay

* Общая пропускная способность сети до нескольких десятков Мбит/сек

* Экономичная схема использования частотного ресурса сети

* Обеспечение QoS для нескольких классов приложений реального времени

* Обслуживание до нескольких сот голосовых каналов

* Пропускная способность порта Frame Relay - до 2 Мбит/сек

* Пропускная способность порта Ethernet / Fast Ethernet - до 8 Мбит/сек

* Мощная и удобная система управления сетью (NMS)

* Возможность резервного дублирования мастер-станции

Технология работы MCPC

Аббревиатура MCPC (Multi Channel Per Carrier) означает «множество каналов на несущую (на физический канал)». Каждая станция сети передает одну несущую, которую могут принимать одна или несколько других станций. Количество несущих, принимаемых станцией, ограничено числом установленных на ней демодуляторов (поэтому при проектировании сети важно предусмотреть наличие дополнительных рокадных связей). В рамках несущей организуются один или несколько виртуальных каналов. Для этого используются транспортные протоколы пакетной передачи данных (обычно Frame Relay или TCP/IP). Пакетная адресация позволяет передавать информацию в одном физическом канале (несущей) множеству получателей. Для каждого из адресатов выделяется определенный ресурс несущей (гарантированная скорость передачи информации). Протоколы приложений пользователя инкапсулируются в транспортный протокол, используемый сетью.

Чем выше порядок модуляции, тем эффективнее используется частотный ресурс. Так, например, модуляция QPSK позволяет передавать 2 бит информации на 1Гц. 8PSK - 3 бит, 16APSK - 4 бит, 32APSK - 5 бит информации на 1Гц. При этом, чем выше модуляция, тем лучшими параметрами должен обладать космический аппарат, чтобы обеспечить достаточную мощность сигнала на входе демодулятора VSAT терминала. Аналогично, чем выше применяемое кодирование, тем эффективнее передача, но и требуется большая энергетика радиолинии. Существующие космические аппараты позволяют использовать модуляции 16APSK в прямом канале и QPSK в обратных. Современные спутники, покрывающие РФ и выведенные на орбиту в прошлом году и планируемые к запуску в ближайшие годы, обладают достаточной энергетикой для работы систем VSAT с 32APSK в прямом канале и 8PSK в обратном и задействовать при этом очень эффективные модуляции.

Размещено на Allbest.ru