ООО «Саткомсервис» ООО «Саткомсервис»
На Главную Написать письмо Карта сайта
О компании Технические решения для... Спутниковая связь Спутниковый Интернет (VSAT) Телевидение
Чем мы занимаемся
Наши работы
Заказчики
Партнеры
Статьи, переводы
Консультации, обучение
Контакты
 провайдеров Интернет
 месторождений нефти и газа
 сети магазинов
 операторов связи
 FM-радиостанций
 коттеджных поселков
 учебных заведений
 частных лиц
Выделенные каналы SCPC
Спутниковый интернет для провайдеров
MESH - Полносвязные сети VSAT
 
Спутниковый Интернет (DVB-IP)
Доступ в Интернет
Трансляция видео
Рассылка файлов
О технологии
Примеры использования
Как установить VSAT
Выбор места и способа монтажа
Тарифные планы
Аренда мобильной VSAT
 
Наши разработки
Гостиничные системы
HDTV - Телевидение высокой четкости
Коллективные системы
 
Опоры для монтажа антенн
На плоскую кровлю
На стену
Универсальные

Статьи, переводы:

Эволюция сетей спутниковой связи VSAT: от SCPC к TDM/MF-TDMA

«Классический» пример системы спутниковой связи - это канал SCPC (Single Channel per Carrier - один канал на несущую). Технология SCPC используется для организации выделенного спутникового канала »точка-точка«. На спутнике выделяются две полосы частот: одна - для работы станции »1« в направлении станции »2«, вторая - для работы станции »2« в направлении станции »1«. В такой системе каналообразующими устройствами являются спутниковые модемы: они осуществляют преобразование последовательных данных в радиочастотный сигнал и обратно, а также помехозащитное кодирование передаваемых данных. Каналы SCPC в настоящее время активно используются, в основном, операторами »традиционной« связи. Например, используя модемы с интерфейсами G.703, можно через спутник подключить удаленную базовую станцию сотовой сети.

Выделенный спутниковый канал точка-точка. Справа условно показаны частотные полосы, занимаемые на спутнике.
Рисунок 1. Выделенный спутниковый канал »точка-точка«. Справа условно показаны частотные полосы, занимаемые на спутнике.

Основное преимущество технологии SCPC - гарантированная скорость и высокая готовность канала. Выделенные на спутнике полосы частот »монопольно« занимаются парой модемов, поэтому в любой момент времени им доступна вся полоса канала. Недостаток - низкая эффективность использования спутникового ресурса. Независимо от того, имеется ли в данный момент потребность в передаче, выделенные полосы частот зарезервированы за станциями »1« и »2« и не могут быть использованы кем-то другим. Оператор связи будет платить за аренду полос на спутнике независимо от реальной загрузки канала. Поэтому операторы стараются арендовать полосы минимально необходимой ширины. Для работы с узкополосными сигналами оборудование должно соответствовать специфическим требованиям, поэтому стоит оно довольно дорого. Кроме того, на каждую арендуемую полосу на спутнике оператор должен получить частотное присвоение. В результате стоимость решения SCPC »под ключ« для самых скромных задач составит от 30-35 тысяч USD на один конец.

Реальные задачи связи, как правило, предполагают построение не отдельных каналов, а сетей. Наиболее востребованная топология сети - »звезда«, потому что она в наибольшей степени соответствует структуре управления в бизнесе или государственных структурах: центральный офис - филиалы, офис - производственные площадки, провайдер - абоненты и т.п.

Сеть спутниковой связи звезда, построенная на основе выделенных каналов SCPC
Рисунок 2. Сеть спутниковой связи »звезда«, построенная на основе выделенных каналов SCPC.

В принципе, спутниковую сеть с топологией »звезда« можно построить на базе каналов »точка-точка« по технологии SCPC. Абонентские станции А1, А2 и А3 в такой сети ничем не будут отличаться от станций »1« и »2« в примере, рассмотренном выше. На центральной станции вместо одного модема потребуется набор модемов - по одному на каждое направление связи. При большом количестве периферийных станций на центральной станции может быть установлено несколько шкафов с модемами.

Радиочастотное оборудование ЦЗССС может использоваться одновременно модемами всех направлений. Однако из-за того, что количество информации, передаваемой в единицу времени, на центральной станции больше, чем на периферийных, ЦЗССС должна иметь антенну большего размера и большую мощность передатчика.

Такая сеть будет эффективной, если все направления загружены равномерно и постоянно.

Однако трафик реальных сетей редко отвечает этим требованиям: трафик интернета - пульсирующий, телефонные разговоры могут начинаться и заканчиваться когда угодно, в рабочее и нерабочее время связь используется по-разному. В такой ситуации сеть »звезда« на основе закрепленных каналов будет работать плохо. Одно направление может быть перегружено, в это же время другое направление будет простаивать. Полосы »жестко« закреплены за каждым направлением, и использовать полосу одного направления для нужд другого невозможно. Придется арендовать и оплачивать емкость на спутнике, выбранную исходя из максимальных потребностей всех направлений, хотя фактическая загрузка может быть меньше в разы.

Сеть спутниковой связи MCPC/SCPC и полосы, занимаемые на спутнике
Рисунок 3. Сеть спутниковой связи MCPC/SCPC и полосы, занимаемые на спутнике

Частично проблема разрешается использованием технологии MCPC/SCPC. (MCPC - Multiple Channels per Carrier - несколько каналов на одну несущую). В такой сети центральная станция использует для передачи всем абонентским станциям сети единственную несущую. Разделение данных, предназначенных разным абонентским станциям, осуществляется не по частоте, а по времени. ЦЗССС передает данные для всех абонентских станций в едином цифровом потоке. Каждая абонентская станция принимает весь поток, а »свои« данные выбирает не на физическом уровне, а на уровне данных, по служебным заголовкам. В такой системе появляется возможность более эффективно использовать полосу, предназначенную для передачи от центра к периферии: центральная станция может динамически перераспределять ее в зависимости от потребностей той или иной абонентской станции. Однако на ЦЗССС сохраняется набор модемов по количеству направлений, для каждой абонентской станции требуется новая выделенная полоса на спутнике, и эти полосы по-прежнему используются неэффективно. Сети MCPC/SCPC можно использовать в случаях, когда небольшое количество периферийных станций потребляют большой и непредсказуемый (пульсирующий) трафик, а обратный трафик от этих станций невелик и более или менее стабилен.

В качестве реального примера можно привести сети DVB-S2/SCPC на оборудовании фирмы Advantech. Каждая абонентская станция принимает данные в общем разделяемом по времени канале DVB-S2 (частный случай MCPC), а передает в »персональном« выделенном канале SCPC. Платформа Advantech хороша тем, что позволяет быстро и относительно недорого построить небольшую корпоративную сеть, а с ростом числа абонентов с минимальными затратами перейти к »настоящей VSAT« - TDM/MF-TDMA.

Дальнейшее развитие технологий »звездообразных« сетей привело к созданию принципа разделения спутникового ресурса TDM/TDMA. TDM - Time Division Multiplexing, разделение по времени. Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением по времени, или, попросту, поочередный доступ. В сети TDM/TDMA независимо от количества абонентских станций (терминалов) используются только две частоты: на передачу от ЦЗССС к абонентским терминалам и на передачу от всех абонентских терминалов к центральной станции. Передача ЦЗССС осуществляется так же, как и в сети MCPC/SCPC - данные для всех абонентов передаются на одной несущей, в едином цифровом потоке с разделением по времени. Чтобы абонентские станции »не перепутали«, где чьи данные, поток делится на блоки, каждый из которых имеет »персональный« заголовок. С приемом несколько сложнее. Две абонентских станции не могут работать на передачу на одной частоте одновременно - такой сигнал невозможно принять и декодировать. Поэтому абонентские терминалы передают по очереди, не постоянно, а отдельными пачками, »вспышками«. Такой режим передачи называется burst-mode (от слова burst - вспышка). Чтобы »вспышки« разных терминалов не совпали по времени, каждый из них передает не когда попало, а только в назначенные ему »персональные« промежутки времени - тайм-слоты. Поскольку абонентские терминалы в сети TDM/TDMA »не видят« друг друга, организацией их передач занимается ЦЗССС. Кроме »персональной« информации она передает абонентским терминалам сигналы временной синхронизации и команды, которыми назначает той или иной станции те или иные тайм-слоты. Назначая разным станциям большее или меньшее количество тайм-слотов в каждом кадре, хаб гибко перераспределяет между абонентскими станциями как полосу приема, так и полосу передачи. Если абоненту необходим выделенный канал, для него может быть зарезервировано фиксированное количество тайм-слотов в каждом кадре. Тайм-слоты, оставшиеся от выделенных каналов, перераспределяются между станциями, которым гарантированная скорость не нужна. Эти абоненты получают скорость, обратно пропорциональную мгновенной загрузке канала. Если терминал выключен, »его« тайм-слоты отдаются остальным. Для вновь включаемых абонентских станций с определенной периодичностью назначаются специальные »пустые« тайм-слоты. Когда терминал включается, он принимает от ЦЗССС сигналы синхронизации и передает в таком »входном« тайм-слоте сообщение о своем присутствии в сети. ЦЗССС »замечает« новую станцию и назначает ей уже »персональные« тайм-слоты в соответствии с ее статусом. С определенной вероятностью может случиться, что две или более абонентских станции попытаются войти в сеть одновременно, используя один »входной« тайм-слот. Тогда хаб не увидит и не пустит в сеть ни одну из них. Следующую попытку входа эти станции будут предпринимать не сразу, а пропустив некоторое случайное количество последовательных »входных« тайм-слотов, чтобы снизить вероятность одновременной передачи. Подобный принцип разрешения коллизий использовался в »классическом« Ethernet (известен как CDMA/CD или »aloha«).

Поскольку абонентские станции распределены на большой площади, расстояние от них до спутника может значительно отличаться, значит, их сигналы будут приходить с разной задержкой. Чтобы этого не случилось, в управляющую систему хаба вводятся точные географические координаты всех абонентских терминалов. Система рассчитывает для каждой станции величину необходимого упреждения передачи и сообщает ее каждому терминалу.

Сеть спутниковой связи TDM/TDMA.
Рисунок 4. Сеть спутниковой связи TDM/TDMA. Справа сверху условно показаны полосы частот, занимаемые на спутнике центральной и абонентскими станциями, ниже - временная структура »нисходящего« и »восходящего« цифровых потоков.

У сетей TDM/TDMA есть ряд достоинств. Во-первых, за счет высокоинтеллектуальной центральной станции (»хаба«) с мощной энергетикой можно использовать на периферии небольшие, слабые и относительно простые (а значит - дешевые) абонентские терминалы. Во-вторых, каждому абоненту не нужно получать отдельное частотное присвоение и арендовать отдельную полосу на спутнике. Наконец, система позволяет абонентам с одним и тем же оборудованием получить каналы с разными скоростями и с разным качеством: с фиксированной скоростью (выделенный канал), с гарантированной ненулевой минимальной скоростью или без гарантированной скорости. Однако для работы сети TDM/TDMA нужен хаб с антенной 7-12 метров, мощный передатчик и надежный высокопроизводительный управляющий компьютер. Стоит все это очень дорого, поэтому сети TDM/TDMA эффективны лишь при количестве абонентских станций от нескольких десятков до тысяч. В системе можно организовать канал с гарантированной скоростью, однако степень готовности его ниже, чем в SCPC - потребность на передачу нельзя реализовать немедленно.

Кроме того, у технологии TDM/TDMA в »чистом виде« есть еще один серьезный недостаток - повышенные требования к энергетике абонентских станций. Раз терминал работает в burst mode, во время »вспышки« он должен передавать со скоростью в несколько раз большей, чем если бы он передавал постоянно. Во столько же раз возрастают требования к размеру антенны и мощности передатчика. Чтобы решить проблему, была создана технология TDM/MF-TDMA - Multi-Frequency TDMA, многочастотный поочередный доступ. Иногда используется обозначение TDM/FTDMA. В TDM/MF-TDMA весь »обратный« канал, предназначенный для передачи от абонентских терминалов к ЦЗССС, поделен на несколько узких »канальчиков«. Несколько абонентских станций могут одновременно работать на разных »канальчиках«. Скорость передачи при этом уменьшается пропорционально количеству таких »канальчиков«. Увы, ничего в технике не дается даром - чтобы снизить требования к энергетике абонентских терминалов, пришлось увеличить »интеллектуальность« оборудования. Во-первых, в распоряжении хаба теперь оказался уже не »одномерный&lraquo; кадр, а »двумерная таблица«: »по горизонтали« - тайм-слоты кадра, »по вертикали« - частотные »канальчики«. И теперь перераспределяются уже не тайм-слоты, а ячейки таблицы »тайм-слот - частота«. Во-вторых, »поумнел« и абонентский терминал: ему пришлось »научиться« быстро »прыгать« с одной частоты на другую от »вспышки« к »вспышке«.

Сеть спутниковой связи VSAT (TDM/MF-TDMA)
Рисунок 5. Сеть спутниковой связи VSAT (TDM/MF-TDMA). Полосы частот, занимаемые на спутнике передачами центральной станции и абонентских станций. Временная структура сигнала TDM, передаваемого центральной станцией. Принцип распределения частотных каналов/тайм-слотов для передач абонентских станций (для упрощения разрывы между »вспышками« не показаны).

Ну, вот мы и подошли вплотную к появлению таких спутниковых сетей VSAT, которые существуют сейчас. Это сети спутниковой связи с топологией »звезда«, которые использует принцип разделения спутникового частотного ресурса TDM/MF-TDMA, и, кроме того, структуру кадров, схемы модуляции и помехоустойчивого кодирования, разработанные когда-то для цифрового телевидения DVB. В DVB (Digital Video Broadcasting - цифровое телевизионное вещание) передается цифровое видео, сжатое по алгоритму MPEG-2 (в последнее время все больше - в MPEG-4). Это приложение, очень чувствительное к ошибкам в канале связи: прием одного ошибочного бита может привести к неправильному декодированию или потере целого кадра или даже нескольких кадров изображения. Поэтому для передачи цифровых телевизионных программ через спутники используются очень устойчивые к помехам схемы модуляции и эффективные помехозащитные коды. В результате сигнал получается очень хорошо защищенным от ошибок и для его приема можно использовать небольшие антенны и дешевое электронное оборудование. Оборудование VSAT некоторых производителей прямо соответствует телевизионному стандарту DVB-S (DVB-S2): например, платформа LinkStar фирмы Viasat. Данные »прямого« канала в такой сети VSAT на оборудовании могут передаваться на одной несущей с цифровыми программами телевидения и радио. Их можно принимать на бытовое оборудование - DVB-PC карточку или внешний USB-ресивер. Это означает, что оператор сети может на одной аппаратной платформе предоставлять одновременно услуги как »двустороннего« (VSAT), так и »одностороннего« спутникового интернета (DVB-IP).

У других производителей (Gilat, iDirect, Hughes) в оборудовании реализованы те же схемы модуляции и защитные коды, что и в DVB, однако, с некоторыми модификациями, позволившими существенно повысить эффективность использования полосы. Такое оборудование несовместимо с бытовыми приемниками данных, »однонаправленный« доступ в сетях VSAT на этих платформах не предусмотрен.

»Скрещивание« спутникового телевидения DVB и технологии спутниковой связи TDM/MF-TDMA позволило сделать абонентский терминал еще компактнее и еще дешевле. Опять-таки, не бесплатно. Мощные помехозащитные коды предполагают большую избыточность передаваемой информации - кроме полезных данных передаются специальные контрольные биты, по которым обнаруживаются и исправляются ошибки. Избыточность в сетях VSAT составляет до 17% полосы. По этой причине VSAT плохо пригодны для крупных потребителей трафика - провайдеров интернет и операторов связи. Для их задач больше подходят решения SCPC. Крупному потребителю лучше один раз купить дорогое оборудование, чем ежемесячно переплачивать за трафик.

В принципе, сети VSAT и были придуманы на Западе, как »спутниковая последняя миля« - решение для конечных пользователей: частных лиц и небольших предприятий. Но в России - свои реалии. Возможность за 2…4 тысячи долларов »на пустом месте« получить полноценный двунаправленный канал связи, приземленный в Москве, открыла новые горизонты как раз не для граждан (для них, увы, это пока дорого), а для бизнеса. Сегодня опробованы и успешно тиражируются решения на базе терминалов VSAT, которые позволяют организовать для удаленного подразделения не только доступ в Интернет и IP-телефонию, но и видеоконференцсвязь, видеонаблюдение и многие другие услуги, для которых VSAT до недавнего времени считались малопригодными. Изменилось и отношение к VSAT операторов связи: практически все крупные сотовые операторы имеют собственные спутниковые сети VSAT, которые активно используются для подключения удаленных базовых станций - раньше такая задача решалась только средствами SCPC.

Существенное повышение эффективности сетей VSAT связано с появлением нового стандарта спутникового цифрового ТВ - DVB-S2. Применительно к VSAT у нового стандарта две особенности: более »плотные« схемы модуляции и возможность адаптивного изменения схем модуляции и помехозащитных кодов (ACM). Если »уплотнение« было востребовано, в первую очередь, операторами платного спутникового телевидения (в связи с началом трансляций ТВ высокой четкости), то функция ACM предназначена исключительно для сетей VSAT. В старом DVB-S схема модуляции и избыточность помехозащитного кода единожды выставляются на передающем оборудовании и неизменны в процессе работы. DVB-S2 позволяет изменять эти параметры »на лету«, в каждом следующем кадре цифрового потока. Таким образом, можно динамически изменять соотношение эффективность/помехозащищенность канала в зависимости от внешних условий - например, погоды. В телевидении это, в общем случае, невозможно, поскольку передающая станция одновременно работает на множество приемных станций, находящихся в разных условиях и не имеющих »обратного канала«. А в сетях VSAT хаб каждый кадр передает адресно той или иной конкретной станции, а благодаря обратной связи с ней, постоянно имеет актуальную информацию о качестве приема своего сигнала. Качество отличное - хаб дает команду абонентскому терминалу перейти на более плотную модуляцию или снизить избыточность кодозащиты. В результате абонентская станция получает большую скорость при той же занимаемой полосе. Испортилась погода, качество снизилось - хаб восстановит его, несколько уменьшив доступную скорость.

У сети VSAT, которая поддерживает только топологию »звезда« (VSAT Star), есть существенный недостаток - в ней невозможны прямые связи между абонентскими станциями. Разумеется, можно передавать данные от одной абонентской станции другой, раз обе они подключены к Интернету. Но физически путь этих данных неизменно будет пролегать через центральную станцию, а значит, данным придется дважды пройти через спутник. На один спутниковый »скачок« уходит около 0,24 секунды - это время, которое требуется сигналу на путь от Земли до геостационарной орбиты (36565 км) и обратно. Двойной »скачок« удвоит задержку. При задержке 0,5 секунды IP-телефония, например, будет восприниматься не слишком хорошо. А главное, клиенту придется дважды оплачивать один и тот же трафик. Поэтому сети VSAT Star удобны для построения корпоративных сетей федерального масштаба, когда центральный офис соединен с ЦЗССС наземными каналам связи, а абонентские VSAT используются для подключения филиалов в регионах - тогда связь осуществляется »в один скачок«. Если нужна корпоративная сеть в пределах региона, когда не только филиалы, но и центральный офис надо подключить через спутник, топология Star оказывается не лучшим решением.

Полносвязная сеть (Mesh) поверх сети спутниковой связи VSAT
Рисунок 6. Полносвязная сеть (Mesh) поверх сети спутниковой связи VSAT. На схеме станция А3 работает только в Star, станции A1 и A2 - в Star и Mesh.

Современные сети VSAT поддерживают как »звезду«, так и полносвязную топологию (Mesh). Любые данные, передаваемые абонентской станцией сети VSAT, попадают на спутник, а спутник ретранслирует их на всю зону обслуживания - он иначе не умеет. То есть физически эти данные поступают на все абонентские станции сети. Но они »не слышат« друг друга, потому что »слушают« центральную станцию на другой частоте и в другом режиме: »хаб« передает непрерывно на одной несущей, а абонентские станции - »вспышками« на множестве частотных каналов. Чтобы одна абонентская станция »услышала« другую, необходимо выполнить два условия. Во-первых, абонентский терминал должен иметь два приемника: один для приема TDM несущей от ЦЗССС и второй - для приема »вспышек« MF-TDMA от других абонентских станций VSAT. Такой приемник должен уметь быстро перестраиваться, чтобы отследить »прыгающие« по частоте передатчики VSAT. Технически второй приемник может быть реализован как опциональный блок к базовому терминалу (например, оборудование Gilat SkyEdge PRO). Другие производители предлагают разные модели терминалов - простую и дешевую только для Star и более дорогую и сложную для Star/Mesh (например, у Viasat это терминалы LinkStar и LinkWay, у iDirect - соответственно модели 3100 и 5300). Второе условие: энергетика абонентских станций должна быть выше, чем у станций, используемых только в »звезде«, потому что они должны работать не с мощным »хабом«, а друг с другом. Как правило, терминалы VSAT Mesh комплектуются антеннами от 2,4м (реже - 1,8м) и передатчиками от 4 Вт.

Таким образом, оператор сети VSAT на одной аппаратной платформе предоставляет как услуги Star (подключение удаленного объекта к глобальным сетям), так и услуги Mesh (каналы связи между удаленными объектами). »Хаб« обеспечивает единую временную синхронизацию для всех абонентских станций, динамически распределяет между абонентскими станциями доступный ресурс »прямого« канала, для всех без исключения терминалов назначает частоты и тайм-слоты на передачу, а для терминалов Mesh - на передачу и на прием (для второго приемника).

Сети VSAT очень удобны для подключения к Интернету. Центральная станция сети (хаб) устанавливается в большом городе и подключается высокоскоростными наземными каналами к крупному узлу связи, на котором »входная цена« Интернета получается очень низкой. Динамическое перераспределение полосы между абонентскими станциями позволяет максимально эффективно использовать емкость на спутнике для передачи »пульсирующего« трафика, характерного для типичных приложений Интернета. Возможно, поэтому за технологией VSAT закрепилось »народное« название »двусторонний спутниковый интернет« или »двунаправленный спутниковый интернет«. Иногда встречаются выражения »симметричный спутниковый интернет« и даже »синхронный спутниковый интернет«, что уж совершенно неправильно, поскольку в сети используется несимметричный канал (и по технологии, и по скорости) и асинхронные протоколы. На самом же деле VSAT - это технология построения сетей спутниковой связи, с помощью которой можно решать множество различных задач, в том числе не связанных с Интернетом, как таковым, например, развертывание сети таксофонов в сельской местности или видеонаблюдение за удаленными объектами.

Новости

01.06.2017 Магистральная земная станция на Восточно-Мессояхском месторождении

28.04.2017 Новые технологии коллективного приема со спутников

08.03.2017 Две системы цифрового кабельного телевидения для вахтовых общежитий на Ямале

09.11.2016 Модернизация магистральной земной станции на Ямале

09.06.2016 Четыре VSAT 1,8м на буровых в Красноярском крае

28.05.2016 Еще восемь VSAT 1,8м на буровых в Якутии

31.03.2016 Спутниковая система для гипермаркета "Карусель" в Екатеринбурге.

23.03.2016 Девять VSAT 1,8м на буровых в Якутии.

14.03.2016 Антенна VSAT 1,8м в качестве приемной для FM-радиостанции в Екатеринбурге.

22.11.2015 Пять VSAT 1,8м на буровых в Ненецком АО



    Архив новостей >>


Яндекс.Метрика

Саткомсервис | Спутниковая связь | Системы телевидения
«САТКОМСЕРВИС», г. Екатеринбург, ул. Генеральская, 7
тел./факс (343)-286-71-85, телефон технической поддержки (07.00-21.00 МСК) +7 912-288-57-72
glebv@sky.ru