25 июля 2018

Обзор спутниковых сетей VSAT различных топологий

Сети VSAT SCPC, MCPC, TDM/TDMA, TDM/MF-TDMA, топологии Point-to-Point, STAR, MESH

Спутниковые сети VSAT: от SCPC до Mesh

Сети спутниковой связи VSAT (Very Small Aperture Terminal) представляют собой эффективный инструмент передачи информации по спутниковым каналам, позволяя организовать привычное информационное пространство в регионах с неразвитой инфраструктурой в отсутствие высокоскоростных наземных каналов связи. Прежде всего, VSAT интересен бизнесу, поскольку с его помощью можно реализовать полноценную корпоративную сеть вне зависимости от местоположения, а также государственным структурам, некоторым категориям частных пользователей и, конечно же, морскому флоту (морской VSAT), в частности, VSAT крайне востребован на круизных судах, обеспечивая надлежащий уровень комфорта как пассажирам, так и экипажу.

Топологии сетей спутниковой связи VSATДля работы с оборудованием VSAT пользователю требуется выбрать соответствующего оператора исходя из предлагаемой им зоны охвата и тарифной политики. Также необходимо четко сформулировать решаемые с помощью VSAT задачи в контексте структуры будущего трафика. Например, в случае спутникового телевидения входящий трафик будет значительно превышать исходящий, его величина будет более или менее постоянной и прогнозируемой. В случае корпоративной сети трафик абонентов будет совершенно иным, учитывая всевозможные нужды корпораций, такие как проведение видеоконференций, организация связи между филиалами и т.п.

Так называемый спутниковый ресурс, вмещающий максимальный объем возможной информации, передаваемой по спутниковым каналам, в целом очень дорог и делится между различными операторами, каждый из которых получает соответствующие частотные полосы той или иной ширины. Повышение эффективности использования спутникового ресурса является движущей технологической силой отрасли, поскольку покупающим его операторам необходимо заполнить полосы трафиком таким образом, чтобы получить максимальную отдачу от продажи своих услуг.

В спутниковой отрасли, как и во многих других высокотехнологичных отраслях, любое техническое решение приводит к выигрышу в одном направлении, компенсируемому в другом. Так, например, сужение полосы, которое, казалось бы, позволит оператору сэкономить на предоставляемом спутниковом ресурсе, неизменно влечет за собой усложнение и удорожание абонентского оборудования, поскольку работа в более узкой полосе требует большей точности и мощности передатчиков. То есть, сэкономив на цене трафика, оператор VSAT теряет неготовых покупать более дорогое оборудование абонентов.

Вопрос баланса цены и возможностей в спутниковой отрасли проявляется наиболее остро, поэтому здесь нет универсального решения. По мере развития VSAT появлялись сети различных топологий и совершенствовались алгоритмы кодирования информации. Каждая конфигурация имеет свои плюсы и минусы, правильно оценивая которые, можно извлечь максимум выгоды за уплаченные средства.

Спутниковая сеть VSAT SCPC, топология Point-to-Point (точка-точка)

VSAT-Network-Topologies Point-to-PointСамый простой вариант сети VSAT – с одним каналом на несущей частоте. Этот пример можно считать классическим, поскольку он наиболее прост как технически, так и для понимания. Для передачи информации между двумя абонентскими терминалами (точками) через спутник выделяется два канала – туда и обратно, каждому из которых соответствует своя несущая частота. Эта технология называется SCPC (Single Channel Per Carrier) и позволяет всегда иметь готовый канал передачи с гарантированной скоростью. Нетрудно увидеть, что при таком подходе спутниковый ресурс будет использоваться неэффективно за редким исключением, когда обеспечивается постоянная полная загрузка канала, например, при модемном подключении через спутник инфраструктурной единицы сотовой связи.

При такой конфигурации сети VSAT (топология «точка-точка») оператор, арендующий частотные полосы, сталкивается с различными сложностями – от необходимости их полной загрузки, до выполнения требований регулятора. Очевидно, что выделенный спутниковый канал связи – чрезвычайно дорогое решение, имеющее смысл только для решения специфических задач подключения удаленного крупного потребителя трафика.

Спутниковая сеть VSAT топологии STAR (звезда), технология MCPC - усовершенствование SCPC

VSAT-Network-Topologies-StarСледующий шаг развития сетей VSAT - топология «звезда» с закрепленными каналами. По сути это SCPC с одной центральной и несколькими периферийными станциями. Точно также за каждым направлением закрепляется несущая частота и спутниковый модем. Чем больше периферия, тем больше будет модемов и тем мощнее должна быть центральная станция. Если каналы закреплены, предполагается, что все они будут равномерно загружены, в противном случае спутниковый ресурс снова окажется неэффективно используемым – например, некоторые каналы могут вообще оказаться незадействованными, в то время как один – перегруженным. То есть, для оператора VSAT сложится ситуация, когда ему придется постоянно платить за максимальную загрузку по всем каналам, а в реальности большую часть времени каналы будут недозагружены или вообще простаивать.

Логичным усовершенствованием стала технология MCPC, предлагающая использовать несколько каналов на одной несущей частоте, разделяя потоки информации по времени. При таком подходе базовая станция транслирует весь поток, а абонентские станции выделяют из него предназначенную для них информацию по так называемым служебным заголовкам - меткам принадлежности трафика. То есть, спутниковый ресурс эффективно используется в направлении от центральной станции к базовым. Однако во встречном направлении сохраняется необходимость резервирования отдельной частотной полосы и наличия отдельного спутникового модема со всеми минусами неравномерной загрузки или простоя. Тем не менее звездообразная сеть VSAT MCPC вполне приемлема для реализации проектов спутникового телевидения, и в подтверждение этому современный стандарт DVB-S2 является одним из вариантов MCPC.

Спутниковая сеть VSAT топологии STAR (звезда), технология TDM/TDMA и TDM/MF-TDMA

Следующим этапом развития технологий VSAT топологии «звезда» стал разделяемый спутниковый ресурс TDM/TDMA – Time Division Multiplexing (Access). Данный подход отличается от предыдущего одной несущей в направлении от всех абонентских станций к центральной и разделением по времени поступающей от них информации. То есть, теперь разделение по времени происходит в обоих направлениях. Центральная станция выделяет периферийным так называемые таймслоты, благодаря чему исключается одновременная передача на одной несущей частоте. Из таймслотов складываются кадры. Наполнение кадров таймслотами происходит в соответствии с потребностями абонентских станций в передаче, что, наконец, позволяет достичь приемлемого уровня эффективности заполнения спутникового ресурса в обе стороны.

Если в сети VSAT TDM/TDMA возникает необходимость в выделенном канале, базовая станция фиксирует количество таймслотов в кадре, предоставляя трафик другим станциям по остаточному принципу. Если некоторые периферийные станции выключены, спутниковый ресурс под них вообще не расходуется, поскольку перераспределяется между работающими. Разумеется, реализация такой схемы предполагает значительные усложнения. В частности, периферийные станции находятся от центральной на различных расстояниях, а значит, временные задержки сигнала от каждой станции не равны. Следовательно, центр должен располагать информацией о геопозиции каждой станции и рассчитывать для каждой свою временную поправку.

VSAT-Network-Topologies-Star_TDM_TDMA

Сеть VSAT TDM/TDMA из всех перечисленных наиболее эффективна и дружественна абонентам, поскольку благодаря такой конфигурации требования к абонентским терминалам снижены, а вся «интеллектуальность» возложена на центральную станцию. Абонент может выбирать характеристики требуемого канала, например, выделенный канал или канал с определенной гарантированной скоростью или без нее и т.п. То есть, появляется та гибкость, благодаря которой оператор может подключить максимум абонентов с различными предпочтениями.

Обратной стороной технологии VSAT TDM/TDMA является повышение требований к оборудованию центральной станции – производительности ее суперкомпьютера, размеру антенны, мощности передатчика и т.п., что в итоге приводит к точке рентабельности всей системы при наличии только значительного числа абонентских станций. В соответствии с параметрами центральной станции их могут быть десятки, а могут быть и тысячи. Кроме того, абонентские терминалы сети звездообразной сети VSAT TDM/TDMA работая не постоянно, а в выделенных таймслотах, должны успевать передать больше информации, что влечет за собой увеличение мощности их передатчиков и размера антенных полотен.

Технология VSAT TDM/MF-TDMA – многочастотного доступа – позволяет раздробить полосу абонентских станций на узкие каналы, по которым они могут работать одновременно. Таким образом, снижаются требования по мощности, но возрастают по интеллекту, поскольку теперь абонентским станциям приходится работать в более узких полосах, переходя с одной на другую по мере необходимости.

Современные сети VSAT – это звездообразные сети VSAT TDM/MF-TDMA, использующие кадры таймслотов, различные виды модуляций, помехозащищенное кодирование информации, пришедшее из стандарта спутникового телевидения DVB сжатия MPEG-2/4. Все эти технологические преимущества позволяют получить высочайшую помехозащищенность кодированного сигнала, а это, в свою очередь, позволяет снизить требования к точности оборудования. Правда, защищенность кода предполагает большое количество контрольных битов, что приводит к избыточности информации, загружая полосу еще почти на двадцать процентов. Это, например, не подходит Интернет-провайдерам, поскольку в сети VSAT TDM/MF-TDMA они будут постоянно переплачивать за избыточный трафик соответствующую сумму.

Но даже у такой совершенной схемы как сеть VSAT TDM/MF-TDMA есть слабые места, а именно невозможность связи между абонентскими станциями напрямую, минуя центральную. Прохождение сигнала через спутник приводит, во-первых, к задержкам, во-вторых, к оплате двойного трафика, которого могло бы и не быть, если отправлять сигнал напрямую. По причине задержек звездообразный VSAT, например, не подходит для организации корпоративной телефонии в федеральном масштабе, если через спутник работают и центр и периферия. Такой подход оправдывает себя, только если центр подключен по наземным каналам, а через спутник работают только филиалы.

Полносвязные сети VSAT, технологии MESH и Hybrid

VSAT-Network-Topologies-MeshПоследнее слово в технологиях VSAT – это полносвязные сети топологии Mesh. В этой конфигурации реализуется связь между абонентскими станциями как напрямую, минуя центр, так и классическим образом – через спутник. Выигрывая во времени и исключении двойного трафика, такая сеть проигрывает по сложности и размерам абонентского оборудования. Ведь теперь каждый абонентский терминал должен не только работать на передачу, но и на прием кадров других абонентских станций. Это означает увеличение его интеллектуальных способностей, мощности передатчиков и размеров антенного полотна (порой до 240 см).

Платформа VSAT Mesh сохраняет звездообразность и присущие ей свойства. Оператор, управляющий такой конфигурацией, может предлагать услуги различным категориям абонентов, например, подключить удаленного абонента к сети, либо предложить каналы связи между разнесенными объектами.

VSAT-Network-Topologies-HybridЦентр эффективно оперирует наполнением кадров передающих абонентских терминалов нужными таймслотами, а также в соответствии с технологией VSAT Mesh – синхронизирует передачу от одного терминала к другому. 

Вот так, вкратце, можно описать развитие сетей VSAT с точки зрения усложнения используемых при этом технологий оборудования, шифрования и т.п. Специалисты компании Маринэк реализовали множество проектов подключения стационарных и подвижных объектов к спутниковым сетям связи, поэтому могут применять этот опыт при решении новых задач. Обращаясь в компанию Маринэк, вы можете быть полностью уверены в конечном результате, поскольку инженеры компании имеют экспертное представление о возможностях реализации того или иного подхода. Компания Маринэк предлагает качественные решения задач организации спутниковой связи и интеграции таких систем в наземные системы связи любых типов.