Технология VSAT (спутниковая связь)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология VSAT (спутниковая связь)

Спутниковая связь -- это вид радиосвязи, использующий искусственные спутники в качестве ретрансляторов. Она осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и передвижными. VSAT - технология, позволяющая организовать систему, независимую от наземных каналов связи. Термин VSAT (Very Small Aperture Terminal - терминал с очень малой апертурой) был введен компанией Hughes Network Systems в 1983 году для того, чтобы отделить от больших земных станций спутниковых систем связи пользовательские станции с антеннами относительно малых размеров. Диаметры самых крупных из них не превышают 2,4 м.

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента (рис. 1):

Рис. 1 - Элементы спутниковой сети

1) ЦУС. Работа спутниковой сети координируется центральной управляющей станцией (ЦУС), которая одновременно является шлюзом между спутниковой и наземной сетями. ЦУС состоит из приемо-передающей аппаратуры, антенно-фидерных устройств и комплекса оборудования для контроля и управления работой всей сети. Самая выдающаяся часть ЦУС -- большая антенна (4,5-11 м) с мощным приемопередатчиком до 400 Вт. Также в состав ЦУС входят устройства, контролирующие двусторонние передачи через антенну, преобразования между спутником и наземными протоколами, выявление неисправностей и управляющие тарификацией услуг сети и сопряжением с наземными линиями связи и другими техническими вопросами. Сеть работает по принципу радиорелейной связи. Только в данном случае ретранслятор вынесен на многокилометровую высоту и зона его охвата значительно шире. Передаваемый с земли сигнал модулируется, усиливается, переносится на выделенную для спутниковой связи частоту. Работу всей сети поддерживает центральный сервер спутникового оператора (HUB). Он соединяет клиентский VSAT-терминал с мировыми информационными ресурсами.

Обычно ЦУС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть главный офис, вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или крупный город в региональной сети.

2) Спутники ретрансляторы сети VSAT - строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите (36000 км -- она уникальна тем, что любой объект на этой высоте движется вокруг Земли с той же скоростью, с которой вращается сама Земля, т.е. он становится неподвижным относительно Земли). Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов на нем. Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт.

3) Абонентские терминалы VSAT (или МЗССС - малая земная станция спутниковой связи). Станция состоит из (рис. 2): антенной системы (АС), блока наружной установки (БНУ), размещенного непосредственно на АС и блока внутренней установки (БВУ), который размещен в помещении пользователей. В состав антенной системы входит параболический рефлектор офсетного типа с облучающей системой и антенно-волноводным трактом (АВТ). Спутниковая антенна служит для приема сигналов со спутника. Отраженный от поверхности антенны спутниковый сигнал фокусируется на облучателе конвертора, где преобразуется в первую промежуточную частоту.

Рис. 2 - Комплект абонентского VSAT-терминала

Антенна диаметром от 0,9 до 2,4 м с опорно-поворотным устройством, выполняется по схеме офсет (со смещенным центром), что позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи. Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора. Работает на приём и передачу, крепится на крышу, стену или просто ставится на землю (рис.3). БНУ размещается непосредственно на антенне (рис.4).

Рис. 3 - Офсетная антенна

Рис. 4 - Радиочастотный блок наружной установки на антенне

Функциональная схема терминала для телефонии, работающего в спутниковой телефонной сети представлена на рис.5.

Рис. 5 - Функциональная схема терминала VSAT: АПКТ - аппаратура предоставления канала по требованию, МШУ - малошумящий усилитель, ПРД - передатчик, ПРМ - приёмник, ПрЧ - преобразователь частоты, ПЧ - промежуточная частота, УМ - усилитель мощности, УАТС - учрежденческая автоматическая телефонная станция (Мини АТС); ПК - персональный компьютер; ГГС - громкоговорящая связь

Блок наружной установки БНУ, реализующий функции приемопередатчика, обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу “вверх” и прием высокочастотного сигнала со спутника, его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку.

БНУ состоит из двух основных частей. В тракте приема - из малошумящего усилителя (МШУ) и преобразователя частоты (ПрЧ "вниз"). В тракте передачи - из усилителя мощности (УМ) и преобразователя частоты (ПрЧ "вверх"), выполненными в герметичном всепогодном корпусе. Приемная часть БНУ (МШУ и ПрЧ "вниз") обычно располагается непосредственно на облучателе антенны с целью уменьшения потерь в приемном СВЧ (сверхвысоких частот) тракте до МШУ.

Передающая часть БНУ (УМ и ПрЧ "вверх") монтируется на конструкциях АС (антенной системы), подключается к передающей СВЧ части АВТ и соединяется с внутренним блоком коаксиальным соединителем, по которому передаются сигналы ПЧ приема и передачи, электропитания наружного устройства постоянным током, сигналы контроля и управления БНУ.

Блок внутренней установки БВУ (рис. 5) состоит из модема и компьютеризированного управляющего устройства (контроллера АПКТ). БВУ производит преобразование информации, проходящей между аналоговыми коммуникационными устройствами на спутнике и устройствами, которые находятся на Земле (телефоны, персональные компьютеры, компьютерные сети, телевизор и др.). В варианте телефонной сети VSAT в составе БВУ находится речевой кодек, обеспечивающий преобразование аналогового телефонного сигнала в цифровую форму.

VSAT системы подразделяются на односторонние (абонентский терминал только принимает данные со спутника, эти системы называют также асинхронными) и двусторонние (абонентский терминал может как принимать, так и передавать данные через спутник). Асинхронные системы используют спутниковый канал совместно с наземными линиями связи (через которые осуществляется передача данных). Двусторонние системы могут обходиться только спутниковым каналом, но, при желании, можно использовать и существующие наземные линии связи.

Рассмотрим работу двусторонней VSAT-системы. В техническом плане при передаче информации происходит следующее (рис.6): запрос от компьютера пользователя через VSAT-терминал передается на спутник связи, находящийся на геостационарной орбите и далее в центр управления сетью (ЦУС) спутникового оператора, который отправляет сигнал сеть Интернет. Получив ответные данные из сети, оператор передает информацию на абонентский VSAT-терминал через спутник. Обмен данными происходит на частотах в диапазоне Ku или Ка. Оператор через свой центр управления сетью обеспечивает организацию спутниковых каналов для передачи данных, а также контролирует сопряжение с наземными сетями.

Рис. 6 - Передача информации через VSAT-терминал

Российские системы спутниковой связи и вещания работают, в основном, в C-диапазоне (3,5-4,2 ГГц) и Ku-диапазоне (12-18 ГГц). В последние годы происходит переход спутниковой связи технологии VSAT на более высокочастотный Ka-диапазон (26,5-40 ГГц), при котором антенны имеют меньшие размеры и цену.

Типы сетей VSAT

Сети VSAT принято классифицировать по двум основным признакам: по конфигурации трафика и по структуре системы управления сетью.

По конфигурации трафика сети VSAT могут быть организованы по следующим топологиям (рис.7): радиальная («звезда»), полносвязная («каждый с каждым»).

Рис. 7 - Построение сети по типу: радиальная Star («звезда»), полносвязная Mesh («каждый с каждым»)

спутниковый связь телефония радиосвязь

В случае построения сети по типу Star (звезда) сигнал от одной станции к другой проходит через спутник дважды, в результате чего сигнал чувствительно запаздывает -- на 0,6 с. Такой формат не годится для передачи голоса, но он хорош для передачи данных. Схема сети по типу Star подходит для работы в сети центр-филиалы: для обмена информацией между головным офисом и филиалами, для ведения мониторинга за технологическими процессами (например, за обслуживанием банкоматов). В сети по типу Mesh (соты) один терминал передает данные другому терминалу сразу через спутник без посредничества оператора. Это уменьшает время задержки сигнала (он запаздывает на 0,3 с) и позволяет создавать собственные закрытые сети. Данный формат пригоден для приёмопередачи голоса и иных данных в режиме реального времени (например, видеоконференции). Станции подобного рода стоят дороже. Топология типа «Star» и «Mesh» могут использоваться совместно друг с другом.

По структуре системы управления сеть VSAT может быть централизованная и децентрализованная.

Функции контроля и управления в сети типа Star обычно централизованы: ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети связи и поддержания рабочего состояния всех периферийных терминалов VSAT сети. Но сущесатвуют реализации сетей VSAT без ЦУС с децентрализованной распределенной системой управления, элементы которой входят в состав каждой станции VSAT.

При централизованной схеме управления сети типа Mesh ЦУС выполняет только служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети VSAT, но не участвует в передаче трафика. В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции.

Обеспечения безопасности передачи информации

Спутниковые каналы VSAT широко применяются при построении распределённых корпоративных и государственных сетей. Для таких каналов предусматривается достаточно высокий уровень шифрования и защиты данных.

Основными методами обеспечения безопасности передачи информации в беспроводном спутниковом канале от абонента к абоненту являются:

ограничение физического доступа к каналу связи;

применение аппаратно-программных средств защиты информации: обеспечивается благодаря кодированию и шифрованию данных.

Кодирование информации - процесс преобразования передаваемых данных из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической обработки (например, двоичный код).

Шифрование данных - процесс преобразования информации с помощью ключа (шифра) так, чтобы её не мог прочитать посторонний. Кроме уже разработанных открытых протоколов необходимых для передачи данных с одного компьютера и приёма их другим компьютером, были разработаны стандарты защищённых протоколов, например, протокол IPsec (набор протоколов), который обеспечивает безопасность на сетевом уровне.

Шифрование данных в спутниковом канале осуществляется при участии как спутниковых терминалов на стороне клиента, так и специализированных высокопроизводительных серверов на ЦУС оператора. Главным инструментом обеспечения безопасности спутниковых абонентских терминалов и защиты подключенных к ним сетей является сетевой фильтр, помогающий исключить большинство атак по портам и протоколам на сети клиентов через спутниковые каналы связи. Расширенные возможности по регистрации различных ошибок, попыток несанкционированного доступа и взлома предоставляет сервис генерации событий. Информация о событиях автоматически передается на центральный пульт управления ЦУС оператора.

Спутниковая связь через VSAT позволяет работать там, где других видов связи не существует:

Банкам (удалённые транзакции);

Новостным компаниям (включения в прямом эфире), транспортным компаниям (поезда, самолёты, автомобильный транспорт);

Нефтегазовому сектору (Интернет, телеметрия, видеонаблюдение);

Государственным структурам (ведомственная связь);

Дистанционному обучению;

Службам МЧС (видеонаблюдение, телефония);

Все устройства интернет-коммуникации морских и речных судов.

С помощью технологии VSAT решаются такие задачи:

В удаленных районах для предприятий обеспечивается оперативная телефонную связь (рис. 8) на объектах через абонентский терминал VSAT средствами IP-телефонии. На удаленном объекте устанавливается голосовой шлюз, через него к абонентскому терминалу подключаются один или несколько телефонных аппаратов или небольшая АТС. На центральной станции спутниковой сети установлено «ответное» оборудование, например, виртуальная телефонная станция, которая обеспечивает подключение клиентских телефонов на удаленном объекте к телефонной сети общего пользования.

Рис. 8 - Телефон и интернет на удаленном объекте

Использование VSAT для видеонаблюдения за удаленными объектами (рис. 9). К цифровому видеорегистратору подключаются несколько камер, изображение от которых записывается на встроенный жесткий диск. DVR оборудован встроенным webсервером, зайти на который можно с персонального компьютера через локальную сеть или через интернет и просмотреть картинку любой камеры в режиме онлайн либо запись, сделанную в определенное время. DVR ведет «журнал событий», в котором фиксирует срабатывания программных датчиков движения в зоне наблюдения и внешних датчиков.

Рис. 9 - Видеонаблюдение за удаленным объектом

- С помощью VSAT организовывают каналы связи для систем диспетчерского управления и сбора данных: аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие централизованное дистанционное управление технологическим оборудованием. Например, на подстанциях электросетей VSAT успешно заменяют небезопасную советскую аппаратуру для передачи данных телемеханики по высоковольтным проводам ЛЭП ( рис 10).

Рис. 10 - Технология VSAT в системах телемеханики

- Внутрикорпоративная связь (рис. 11).

Рис. 11 - Связь с удаленными филиалами

Абонентские линии офисной АТС выносятся через спутник. Компьютеры филиала подключаются к сети офиса через VPN «прозрачно», как если бы они были физически подключены к ней. Таким образом, сотрудники филиала получают доступ к основным корпоративным ресурсам -- базам данных, серверам обновлений, системам управления проектами и т.п.

- VSAT используются для проведения видеоконференций. (рис. 12).

Рис. 12 - Видеоконференцсвязь через VSAT

- Использование VSAT для удаленного доступа к научным и образовательным ресурсам (рис 13).

Рис. 13 - Удаленный доступ к учебным и научным ресурсам

- Использование VSAT в торговых центрах, банках для аварийного резервирования основных каналов связи. (рис. 14)

Рис. 14 - VSAT в качестве резервного канала связи

- Использование мобильных станций VSAT: станции, перевозятся в транспортировочных футлярах, либо крепятся на крыше автомобиля. Передвижной узел связи на базе мобильного VSAT обеспечивает телефонную связь, передачу факсов, текстовых и графических документов, видеоконференцсвязь и трансляцию видео (рис. 15). Такие передвижные узлы используются структурами МЧС и другими службами.

Рис. 15 - Пример использования мобильного VSAT для нужд МЧС

Поколения VSAT

Существует несколько типов земных станций VSAT. Их можно условно разделить на три поколения. Появление каждого нового поколения VSAT становилось возможным по мере появления новых технологий, создания более мощных спутников связи и освоения новых диапазонов частот.

VSAT первого поколения работали в С-диапазоне и использовались только в сетях вещательного типа, т.е. абонентские терминалы могли лишь принимать потоки данных от ЦЗС и режим передачи в них не предусматривался. Сети вещательного типа до сих пор широко используются для распределения финансовой и деловой информации, биржевых сводок, передачи газетных полос, в системах асимметричного доступа в Интернет.

Второе поколение земных станций VSAT характеризуется тем, что они могут поддерживать двустороннюю (дуплексную) связь. Эти терминалы используются банковскими и финансовыми организациями в различных компьютерных сетях для обмена данными, сетями розничной и оптовой торговли, промышленными предприятиями для связи с филиалами и поставщиками. Большинство из них работает в Ku-диапазоне, хотя в некоторых странах в сетях по-прежнему используется С-диапазон.

Терминалы третьего поколения, с антеннами диаметром 1,2 м и менее используются в больших сетях, отличающихся низким уровнем трафика между ними. При этом трафик носит спорадический (непостоянный) характер. Такие терминалы просты по конструкции, отличаются низкой ценой и работают исключительно в Ku-диапазоне.

Четвертое поколение VSAT для мультимедийных приложений. Они работают в Ku- и Ка-диапазонах и обеспечивают скорость до нескольких мегабит в секунду. При этом размер их антенн (в Ка-диапазоне) составляет, примерно, 70 см.

Преимущества сетей VSAT:

Системы связи технологии VSAT максимально защищены от повреждений и сбоев. Передача цифровой информации в сетях VSAT характеризуется низким уровнем ошибок - не более одной на 10 млн. переданных бит информации (примерно одна ошибка на 500 страниц текста) и надёжной работой - до 100 тыс. часов (более 10 лет круглосуточной бесперебойной связи).

Скорость работы по спутниковому каналу для терминала VSAT составляет от 16 Кбит/с до 10 Мбит/с и более (до 100 Мбит/с), что сопоставимо со скоростью передачи данных в наземном канале.

Скорость установки и ввода в эксплуатацию. На монтаж и инсталляцию терминала профессионал тратит от 4 до 6 часов.

Установка имеет относительно низкие первоначальные инвестиции и эксплуатационные расходы.

Масштабируемость и управление сетью. Если необходимо добавить в сеть новые терминалы или переместить существующий терминал, то это никак не сказывается на работе сети. Установка выполняется независимо от существующей сети, что уменьшает задержки и вероятность возникновения неполадок.

Резервные каналы. Технология VSAT обеспечивает надежную архитектуру для построения резервных сетей. Если наземная сеть становится недееспособной по любой причине, резервные каналы мгновенно вводятся в эксплуатацию.

Покрытие. Внедрение доступных VSAT-решений позволяет организовать простой и эффективный обмен информацией между удаленными филиалами.

Безопасность. Системы VSAT гарантируют высокую степень защиты информации клиента, благодаря использованию встроенных аппаратных и программных средств шифрования трафика, передаваемого через спутниковые каналы.

Недостатки сетей VSAT:

Задержка сигнала. VSAT-технология использует спутники на геостационарной орбите. Поэтому, передача данных имеет задержку 500-600 мс для приема/передачи в оба конца.

Условия окружающей среды. Радиосигнал чувствителен к плотным образованиям в атмосфере. Для беспрепятственной установки связи антенны со спутником необходимо, чтобы в месте ее монтажа было четкое направление на спутник, здания и высокие деревья, находящиеся между спутником и антенной, могут стать проблемой.

Технология VSAT используется несколько десятков лет и спутниковая связь стала неотъемлемой частью мировой телекоммуникационной инфраструктуры.

Таким образом, VSAT - технология спутниковой связи c использованием малых земных спутниковых станций связи. Спутниковая связь VSAT не имеет ограничений по привязке к местности, позволяет организовать телекоммуникационные каналы связи там, где построение других систем связи нерентабельно или невозможно: малозаселенные или незаселенные регионы, территории без наземной инфраструктуры, морские транспортные пути. Таким образом, установив VSAT, пользователь получает практически в любой точке планеты: телевещание, доступ в Интернет, IP-телефония c предоставлением номера или нескольких номеров, каналы для аудио и видеоконференций.

Литература

1.Высоцкий Г. Услуги сетей VSAT и их потребители // Теле-Спутник, № 3, 2011. - С. 20-28.

2.Гладченков А. Спутниковые технологии VSAT и информационная безопасность сети // Журнал сетевых решений / LAN, № 9, 2007. - C. 40-44.

3. Колюбакин В. Что такое VSAT // Теле-Спутник, № 7, 2015. - С. 6-8.

4.Мальцев Г.Н. Сетевые информационные технологии в современных спутниковых системах связи // Информационно-управляющие системы, № 1, 2007. - С. 33-39.

5.Степанов О.А. О перспективах использования информационных технологий в рамках государственного строительства в российском обществе // Труды Академии управления МВД России, № 2 (34), 2015. - С. 39-41.

6.https://altegrosky.ru/upload/iblock/Docs_equipment/AltegroSky_Satellite_Networks_2020.pdf

7. https://studwood.ru/1609942/tehnika/konfiguratsiya_tipovogo_terminala_vsat

Размещено на Allbest.ru