Анализ возможностей применения спутниковой сети для реализации регионального сегмента единой образовательной информационной среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Орловский государственный технический университет

Анализ возможностей применения спутниковой сети для реализации регионального сегмента единой образовательной информационной среды

Константинов И.С.

Информатизация сферы образования становится одним из приоритетных направлений государственной политики и политики большинства регионов, в том числе Орловской области. При этом мы сталкиваемся с серьезной комплексной задачей, требующей привлечения огромных материальных, людских ресурсов, и широкого спектра научных и технических решений /1/, которые должны обеспечить не только глубину проработки всех вопросов, но и полный охват системы образования, включая образовательно-воспитательные учреждения всех уровней, независимо от их территориальной расположенности. Информатизация только учреждений образования крупных городов, представляет собой однобокое, неполное решение задачи.

Одним из возможных подходов к построению инфраструктуры единого образовательного информационного пространства региона является создание сети районных консультативно-сервисных пунктов (РКСП) информатизации системы образования.

Основными задачами РКСП являются:

- оказание методической поддержки учителям, активно использующим новые информационные технологии (НИТ) в учебном процессе;

- оказание консультационных услуг учителям, школьникам, населению области по практическому использованию аппаратных и программных средств;

- обучение учителей области новым информационным технологиям и подготовка специалистов, способных самостоятельно проводить обучение и оказывать консультационные услуги в рамках федеральных и региональных образовательных программ;

- организация и поддержка дискуссий, видеоконференций, олимпиад, форумов и др.;

- сопровождение программно-аппаратных средств, используемых в учебном процессе и управлении образовательными учреждениями района;

- оказание технической поддержки при модернизации компьютеров, установке новых программных средств, обслуживании каналов доступа в Интернет в образовательных учреждениях района.

В Орловской области рамках разработки проекта «Создание инфраструктуры единого информационно-телекоммуникационного пространства области на базе районных консультационно-сервисных пунктов» был предложен ряд технических, структурных и организационно-кадровых решений /2/.

Учитывая значительную территориальную рассредоточенность районов области, оснащение их узлами доступа к единому информационному образовательному пространству имеет определенные особенности. Так, существующая кабельная инфраструктура слаборазвита и ненадежна, а создание новой - экономически неэффективно. В таких обстоятельствах зачастую единственным решением является применение беспроводных технологий связи, и в частности, технологий спутниковой связи. На сегодняшний день не существует общепринятой классификации этих технологий. Рассмотрим ряд технологий, применяемых в сетях спутниковой связи в настоящее время.

SCPC (Single Channel Per Carrier) и MCPC (Multi Channel Per Carrier). Эти технологии активно применяются для построения небольших сетей с интенсивным трафиком. Каждая земная станция (ЗС), реализующая SCPC или MCPC, имеет выделенный постоянный сегмент емкости спутникового ретранслятора и поддерживает постоянное соединение. Основное достоинство данных технологий состоит в том, что они гарантируют необходимую пропускную способность канала спутниковой связи, а главный недостаток - отсутствие возможности динамического перераспределения ресурса ретранслятора между узлами в том случае, когда необходимо передавать трафик со скоростью большей, чем скорость несущей станции сети. Стоит также отметить, что каналы SCPC просты в реализации, однако эффективность использования дорогостоящего космического сегмента в корпоративной сети на их основе, как правило, ниже, чем в любой другой системе спутниковой связи, функционирующей на базе технологии многостанционного доступа к одному и тому же частотному ресурсу (TDM, TDMA, DAMA и др.).

DAMA (Demand Assigned Multiple Access) - способ предоставления ресурса спутникового ретранслятора по требованию. В сетях DAMA канал выделяется пользователю только на время проведения сеанса связи, что обеспечивает экономное использование спутниковой емкости. В некоторых реализациях технологии DAMA предусмотрена возможность установления SCPC-соединений с разной пропускной способностью (в зависимости от потребностей пользователей). Оборудование DAMA поддерживает полносвязную сетевую топологию.

TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access) - комбинированная технология сетей с топологией типа "звезда". В сети TDM/TDMA центральная ЗС (ЦЗС) связывается со станциями пользователей с помощью одного или нескольких закрепленных каналов TDM (с временным мультиплексированием). Передача информации в обратном направлении осуществляется по каналам TDMA (с разделением по времени).

FTDMA (Frequency Time Division Multiple Access) - технология для сетей с разными топологиями (полносвязная или "звезда"), которая выбирается в зависимости от типа основного трафика (телефония или передача данных). В сети FTDMA ЦЗС организует связь для удаленных станций, предоставляя им свободные временные слоты на нескольких несущих.

MF-TDMA (Multi Frequency-Time Division Multiple Access). Данная технология предоставляет множеству станций динамический доступ к общим частотным каналам с временным разделением. При этом может использоваться совокупность каналов с разной пропускной способностью, т. е. станция перестраивается не только по частоте, но и по скорости информационного потока. Технология MF-TDMA обладает двумя важными особенностями. Первая - возможность динамического переназначения всего спутникового ресурса определенному соединению или даже направлению передачи трафика. Вторая - схожесть конфигураций и рабочих характеристик (диаметр антенны и мощность приемопередатчика) ЦЗС и периферийных терминалов. От последних ЦЗС отличается наличием системы управления сетью, обеспечивающей мониторинг ее работы и возможность ее переконфигурации. При необходимости эту систему можно развернуть на любом терминале. Таким образом, земной сегмент сети имеет высокую степень отказоустойчивости, однако цена этому - более высокая стоимость терминалов. спутниковый информационный сеть терминал

Выбор той или иной технологии зависит от типа создаваемой корпоративной сети. Поскольку все многообразие потенциальных приложений систем спутниковой связи довольно полно отражается в режимах работы их периферийных, или абонентских, терминалов, мы будем классифицировать сети по уровню средней рабочей нагрузки (в дневное время и в рабочие дни) этого терминала, поддерживающего передачу данных, телефонию и/или другие приложения (например, видеоконференцсвязь). При асимметричном трафике в расчет принимается средняя скорость передачи данных по обратному каналу.

К сетям с низкой нагрузкой относятся сети, в которых терминалу достаточно иметь пропускную способность не более 32 Кбит/с, причем организовывать телефонную связь не требуется или же пользователям терминала необходима только одна телефонная линия. Как привило, в них насчитывается от 50 до 10 тыс. терминалов. Центральный узел сети в основном обрабатывает информацию, поступающую от терминалов. Для сетей с низкой нагрузкой типичными являются протоколы передачи данных Х.25 и IP.

Для организации сетей с топологией типа "звезда" и большим числом абонентских терминалов с низкой нагрузкой наиболее эффективными считаются технологии TDM/TDMA и FTDMA. В таких сетях все терминалы напрямую (в один спутниковый скачок) взаимодействуют только с ЦЗС. Благодаря этому появляется возможность применять маломощные и недорогие терминалы, скомпенсировав низкие значения их энергетических характеристик установкой на ЦЗС антенны большого диаметра (5 м и более) и мощного передатчика. Таким образом удается существенно снизить стоимость реализации проектов с большим числом терминалов. Помимо высоких энергетических характеристик, ЦЗС должна иметь и высокий уровень надежности, так как от состояния этой станции зависит функционирование сети. Все это, плюс наличие средств управления сетью, обуславливает высокую стоимость ЦЗС.

Для построения больших сетей с низкой нагрузкой, предназначенных для передачи данных и организации телефонной связи между периферийными терминалами, целесообразно использовать систему, сочетающую в себе технологии TDM/TDMA (для передачи данных) и DAMA (для телефонии), или систему на базе технологии FTDMA, обеспечивающую связь типа "каждый с каждым". Терминалы этих систем стоят дороже (чем терминалы сетей с топологией типа "звезда"), поскольку в них реализован дополнительный режим работы DAMA. К тому же для взаимодействия друг с другом они должны обладать более высокими энергетическими характеристиками.

Отдельную группу образуют спутниковые сети, обеспечивающие широкополосный доступ в Интернет. Они характеризуются значительной асимметрией трафика: объем информации, пересылаемой со всех абонентских терминалов на ЦЗС в 3-10 раз меньше объема информации, передаваемой самой ЦЗС. В этих сетях для передачи высокоскоростного (до 40 Мбит/с) потока данных от ЦЗС к абонентским терминалам используется широко применяемая в цифровом телевидении технология DVB, а доступ терминалов к спутниковому сегменту (для передачи данных на ЦЗС) осуществляется по технологии TDMA или FTDMA.

В принципе технологии сетей широкополосного доступа в Интернет применимы и для дистанционного обучения, но только в том случае, если видеоизображение требуется транслировать лишь в одном направлении - от ЦЗС, а связь в обратном направлении может быть ограничена передачей текстовых запросов или телефонных сообщений.

Пользователями сетей со средними нагрузками являются банки, производственные и торговые компании с разветвленной инфраструктурой филиалов и отделений, которым для передачи данных и организации нескольких телефонных каналов (а возможно, и видеоконференцсвязи) требуются ЗС с пропускной способностью 32-256 Кбит/с. Сети такого класса могут применяться и для организации дистанционного обучения и телемедицины. Здесь широко используются протоколы Frame Relay или IP, а их топологии ("звезда" или "иерархическая звезда" с числом станций от 10 до 100) отражают структуру предприятий.

Для реализации сетей со средней нагрузкой и числом удаленных терминалов до 15 часто применяются выделенные каналы SCPC и технология MCPC. Эти сети могут иметь любую топологию, причем на 3С каждое направление связи обеспечивается отдельным каналообразующим модулем.

Для организации сетей со средней нагрузкой и числом терминалов более 10 целесообразно использовать системы спутниковой связи, реализованные на базе технологии MF-TDMA, которая, когда необходимо построить полносвязную сеть с большой пропускной способностью и неравномерным трафиком, является оптимальной.

Средняя рабочая скорость станции в сети с высокой нагрузкой - 256-2048 Кбит/с, а сами эти станции используются для передачи смешанного трафика (данные, Интернет, телефония, видеоконференцсвязь). Как правило, в сети с высокой нагрузкой насчитывается от 5 до 25 ЗС, между которыми организуется связь типа "каждый с каждым" (с использованием технологии ATM или Frame Relay). Основные пользователи этих сетей - крупные общероссийские холдинги или телекоммуникационные компании, применяющие спутниковые каналы с целью объединения крупных региональных офисов в единую сеть или для резервирования основной наземной сети.

Когда нужно построить сеть с высокой нагрузкой, технологии MF-TDMA практически нет альтернативы (поскольку организация многочисленных высокоскоростных каналов SCPC/MCPC экономически не эффективна). Сети такого типа можно реализовать на основе MF-TDMA-систем SkyWAN, LinkWay 2000 и VSAT Plus II.

На рисунке 1 представлены рациональные зоны использования для упомянутых выше технологий в зависимости от средней рабочей нагрузки абонентских терминалов и их числа в корпоративной сети.

Рисунок 1 - Оптимальные зоны использования спутниковых технологий

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы, что представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Сеть спутниковой связи на базе VSAT

Недостатком данной архитектуры является наличие двойного скачка при связи между терминалами сети, что приводит к заметным задержкам сигнала. Аналогично строятся сети телефонной связи для обслуживания удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС. Функции контроля и управления в сети данного типа обычно централизованы и сосредоточены в центральной управляющей станции (ЦУС) сети. ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети (как наземными, так и спутниковыми терминалами) и поддержания рабочего состояния всех периферийных устройств.

Обычно функции ЦЗС/ЦУС совмещены в одном комплексе, который выполняет роль коммутатора трафика и интерфейса спутниковой сети с наземными каналами. В сетях представленного типа, создаваемых крупными операторами, ресурсу одой ЦУС могут предоставляться нескольким автономным подсетям VSAT. Такое решение оказывается экономически выгодным, поскольку одна ЦУС/ЦЗС может обслуживать до 10 тысяч и более терминалов, а средняя сеть одного клиента редко превышает 100 терминалов.

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, областной центр в региональной сети.

В соответствии с проведенным анализом, мы видим, что рационально будет осуществлять подключение РКСП к единому информационному пространству области на базе технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal -- станции с очень малой апертурой антенн). Такая сеть обеспечивает многонаправленный радиальный трафик между центральной земной станцией и удаленными периферийными станциями (терминалами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС - большая ЦЗС, оснащенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком.

Литература

1. Голенков В.А. Развитие единой образовательной информационно-телекомуникационной среды Орловской области / В.А. Голенков, И.С. Константинов, А.В. Коськин, О.Б. Гаценко // «Современная образовательная среда» / Труды Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2002». - С-Пб.: ВВЦ, 2002. - С. 180-181.

2. «Создание инфраструктуры единого информационно-телекоммуникационного пространства области на базе районных консультационно-сервисных пунктов» / Отчет о НИР 1528. - Орел: ОрелГТУ, 2003. - 64 с.

3. Пехтерев С.В., Андреев А.В., Ермакова Е.Ю. Выбор технологии и системы спутниковой связи для корпоративной или ведомственной сети // Журнал «Сети и системы связи», №2, 2002

Аннотация

В статье рассмотрены особенности различных спутниковых технологий передачи данных применительно к единому образовательному информационному пространству региона. Показаны диапазоны их рационального применения.

Размещено на Allbest.ru