CC BY
323
Современные технологии И системы спутникового доступа в сеть Интернет
Обсуждаются вопросы построения и развития спутниковых систем широкополосного доступа. Рассматриваются характеристики стандартов ОУВ-ИСБ, !РоБ( ШМ-А документы МСЭ, относящиеся к спутниковому ШПД Приводятся примеры построения систем в рамках фиксированной спутниковой службы в диапазонах частот Ки и Ка. Оцениваются параметры систем в перспективе до 2015 г.
Ключевые слова:
шутник широкополосный доступ системы VSAT радиоинтерфейс интернет протокол стандарт связи.
Тарасов С.С.,
доцент кафедры С и СРТ МТУСИ
Современные цифровые сети способны обеспечить пользователю доступ к услугам на гигабитных скоростях. Однако это справедливо для подключений по оптическому волокну. В крупных городах для этого создают распределительные сети доступа PON, в которых любые услуги (телефония, HD видео и т.д.) могут быть получены ПО протоколу ]р. В то же время значительная часть населения Земли (в том числе и в России) проживает в труднодоступных и малонаселённых районах, где очень не скоро, а может быть и никогда не будет создано такой инфраструктуры.
Вопросы развития сетей ШПД находятся в центре внимания МСЭ. На сайте МСЭ [1] опубликованы цели, согласно которым к 2015 году:
- все страны должны иметь национальный план или национальную политику в области широкополосной связи, либо включить широкополосную связь в свои определения универсального доступа/обслуживания;
- услуги широкополосной связи начального уровня следует сделать приемлемыми в ценовом отношении в развивающихся странах при помощи соответствующего регулирования и рыночных сил (стоимость ие должна превышать 5% среднемесячного дохода);
- 40% домашних хозяйств в развивающихся странах должны иметь доступ к интернету;
- уровень проникновения пользователей интернета должен составить 60% в мировом масштабе, 50% в развивающихся странах и 15% в НРС.
На сегодняшний день качественные услуги связи в любой точке Земли можно получить только через спутниковые системы. Это обеспечивается большими полосами частот радиоканалов, напичием прямой видимости, малым уровнем отражённых сигналов и достаточной энергетикой радиолиний при использовании направленных антенн. При использовании малых земных станций (VSAT), устанавливаемых у пользователей исчезает проблема "последней мили", что позволяет подключаться к глобальной сети с любого объекта - фиксированного или подвижного (частный дом, автомобиль, самолёт, поезд, судно).
Не так давно Google объявил о создании спутниковой сети ОЗЬ ("остальные 3 миллиарда") для подключения к глобальной сети индивидуальных, корпоративных пользователей и провайдеров, находящихся в развивающихся странах в поясе +/-45° по широте от экватора.
В России для ликвидации "цифрового неравенства" правительством реализуется программа, предусматривающая запуск геостационарных спутников связи нового поколения с широкополосными ретрансляторами Ка диапазона и многолучевыми антеннами, на базе которых будут построены сети цифрового ТВ вещания и высокоскоростного доступа (ВСД) к сети Интернет. Для обслуживания всей территории России, включая приполярные области, ОАО «Газпром космические системы» ведет разработку перспективной космической системы мобильного широкополосного доступа «Полярная звезда» с ретрансляторами на высокой эллиптической орбите.
Следует отметить, что строгого определения термина ШПД не существует. В различных документах широкополосным называют доступ (как по кабелю, так и беспроводный) на скоростях от 64 кбит/е до сотен Мбит/с. Это можно объяснить тем, что характеристики каналов для разных сред передачи имеют существенные отличия и физические ограничения. Для спутниковой радиосвязи
- это ограниченность ширины выделенных полос частот, большое расстояние между земными (ЗС) и космическими (КС) станциями, ограничения Регламента Радиосвязи по электромагнитной совместимости (ЭМС).
Сегодня услуги спутниковой широкополосной связи предлагаются в рамках следующих служб радиосвязи;
- фиксированная спутниковая служба (ФСС) в диапазоне С (4-6 ГГц);
- ФСС в диапазоне Ки -(11 -14 ГТц);
- ФСС в диапазоне Ка (20-30 ГГц) прямая ретрансляция (без обработки на борту спутника);
- ФСС в диапазоне Ка (20-30 ГГц) с обработкой на боргу спутника;
- подвижная спутниковая служба (ПСС) в диапазоне Ь (1,5-1,б ГГц).
В Рекомендации МСЭ-Л 3.1709-1 [2] приводятся общая архитектура сети и технические характеристики радиоинтерфейсов современных и перспективных стандартов для глобальных спутниковых систем ШПД. Эти стандарты кратко представлены в табл. 1.
Стандарты DVB-R.CS [3] и [Рой близки по характеристикам и применяются сегодня наиболее широко. Стандарт ОУВ-Э2 [4] является вторым поколением ОУВ-Э, имеет значительно больший, набор режимов передачи (схем и скоростей кодирования, методов модуляции), обеспечивая спектратьную эффективность от 0,5 до 4,45 бит/1 ц и адаптацию к изменению отношения сигнал/шум в канале (АСМ). Модемы этого стандарта па символьную скорость до 64 Мбод (информационная скорость до 300 Мбит/с) недороги и серийно выпускаются многими производите-
лями. С техническими описаниями модемов одной из крупнейших компаний можно ознакомиться на сайге [5]. Сегодня выпускаются пользовательские модемы для коммерческих и военных систем С-, Ки- и Ка-диапазонов на скорости до 1500 Мбит/с.
Таблица I
Сравнительная таблица стандартов спутникового ШПД
Наименова- ние ЕТ81 ЕЛ 301 790 РУВ-КСЗ TIA-1008-A IPoS ETSI TS 102 188 RSM-A
Топология сети Звездообразная или полносвязная Звездообраз- ная Звездообразная или полносвязная
Метод доступа исходящего трафика ОУВ-8, Г)УВ-52 DVB-S, DVB-S2 Высокоскоростной ВРК (временное разделение каналов)
Скорость передачи данных исходящего трафика 1-45 Мбит/с 1 -45 Мбит/с 100 Мбит/с. 133,33 Мбит/с. 400 Мбит/с
Формат доступа входящего трафика МЧ-МДВР (многочастотный с временным разделением) МЧ-МДВР (многочастотный с временным разделением) МДЧР-МДВР
Модуляция КФМН (квадратурная фазовая манипуляция) CE-OQPSK (КФМН со сдвигом и ограничением по амплитуде) CE-OQPSK (КФМН со сдвигом и ограничением по амплитуде)
Скорость передами данных входящего трафика Без ограничений 64 кбит/с, 128 кбит/с, 256 кбит/с, 512 кбит/с, 1024 кбит/с, 2048 кбит/с 128 кбит/с, 512 кбит/с, 2 Мбит/с, 16 Мби г/с
Протоколы Исходящий: Г)УВ/МРЕС2- входящий: 1Р/АА15/АТМ Многоуровневый протокол Сетевые протоколы IPJETF
В 2012 ['. опубликован стандарт ETSI EN 301 545-2 VI. 1.1 (2012-01) второго поколения DVB-RCS2 [6]. В этом стандарте для обратного канала введень] в дополнение к QPSK схемы модуляции СРМ (модуляция с непрерывной фазой), 3PSK. и 16QAM, а также новая схема прямого исправления ошибок, называемая Turbo-phi, включена поддержка протокола случайного доступа для пользовательского трафика и др. Для прямого канала добавлен протокол инкапсуляции GSK [7]. Стандарт более детально описывает стек протоколов нижних уровней и протоколов сигнализации спутниковой системы, что обеспечит прозрачность для IP,
Спутниковые системы (СС) ШПД па базе стандартов DVB-RCS существуют более 10 лет и имеют хорошую перспективу на ближайшее десятилетие. На базе этих стандартов можно создавать сети с различной топологией (звезда или полносвязная в один скачок) в Ка- и Ки-диапазонах, с несколькими ретрансляторами, прозрачными или с полной обработкой на борту.
Стандарт RSM-A опубликован ETSI в виде технических характеристик ETSI TS 102 188(-1.,.-7) и ETSI TS 102189 (-1...-3), рассчитан на использование Ка- диапазона, однако новые системы Ка-диапазона создаЕотся пока на основе DVB-RCS и IPoS. В качестве примера можно привести европейскую систему на базе спутника KA-SAT
9А (Eutelsat), предоставляющую услуги под торговой маркой TooWay™ (оператор Sky logic S.P. А) [8]. Зона покрытия формируется 82 лучами, 1 луч может обслуживать 20 тыс. подключенных терминалов. Суммарная пропускная способность спутника составляет до 90 Гбит/с. Абонентское оборудование выпускает ViaSal и оно сертифицировано в России (рис. Г). Диаметр антенны 75 см.
Рис. 1. Комплект абонентского оборудования tooway
Имеется первый опыт применения этой системы в России [9]. 12 узких лучей спутника частично или полностью попадают на территорию РФ. Его некоторые результаты:
- самыми быстрыми темпами развивается абонентская база в Московской и Ленинградской областях;
- на втором месте с большим отрывом идут Смоленская и Воронежская:
- 35% активных пользователей генерируют 78,5% от всего объема потребляемого трафика;
- средний трафик на абонентское устройство - 4 Гб в месяц;
- наибольшее число пользователей (38,5%) потребляют от 1 до 3 Гб трафика в месяц;
- ЧНН приходится на 22:30 - 00:30.
Среди других примеров реализации современных спутниковых систем ШПД можно отметить SPACEWAY® 3 (Северная Америка), HYLAS 1 (Европа), HYLAS 2 (Европа), Африка Ближний Восток), YAHSAT (Африка, Ближний Восток, JUPITER™ (Северная Америка). Эти системы полностью совместимы с !PoS (DVB-S2/ACM и AIS) [10].
Всё более широкое распространение во всём мире получают ЗС VSAT, устанавливаемые на мобильных платформах (ESOMP) - судах, самолётах, поездах и автомобилях. Для таких ЗС серийно выпускаются специальные само наводящиеся антенны (в том числе и низкопрофильные), способные отслеживать спутник во время движения. Основная проблема состоит в обеспечении условий ЭМС. Решением ГКРЧ России от 2 октября 2012 г. № 12-15-05-6 для подвижных абонентских ЗС на территории РФ отведены полосы частот в Ku-диапазоне и определены условия: их использования. Поскольку оборудование для ESOMP серийно выпускается, его можно было бы использовать для фиксированных ЗС при работе с негеостационарными Спутниками (причём существенно снизить требования по скорости слежения антенны, а, следовательно, и стоимость).
Системы подвижном спутниковой службы. К сожалению, низкочастотные диапазоны L и S имеют весьма ограниченные полосы частот для спутниковой связи. Первая глобальная сеть 3G BGAN, развернутая через геостационарные спутники [nmarsat-4 предоставляет услуги пакетной и потоковой передачи данных на портативные носимые терминалы со скоростью не превышающей 500 кбит/с. В августе 2010 г. Инмарсат заключил с Боингом контракт на изготовление трёх геостационарных спутников Inmarsat-5 под названием Inmarsat-Global Xpress. Первый спутник ожидается в 2013 г., а завершение работ к концу 2014 г. Спутники будут работать в Ка- диапазоне 20-30 ГГц, Каждый спутник будет иметь 89 узких лучей и, кроме того, шесть полностью перенацеливаемых лучей для обслуживания транспортных горячих точек. Global Xpress обеспечит скорости доступа более 60 Мбит/с на ЗС с антенной 60 см.
Другие операторы - Иридиум и Глобалстар объявили
0 обновлении своих орбитальных группировок. С конца 2008 года абонентам Иридиум стала доступна услуга OpenPort, позволяющая с помощью специального устройства . включающего антенну диаметром 57 см и весом
1 I кг, а также модем организовать в любой точке земного шара один канат передачи данных на скорости до 128 Кбит/с и три канала голосовой спутниковой связи. Старт программы Иридиум NEXT намечен на 2014 год, После чего, начиная с 2016 года, абоненты должны получить возможность обмениваться данными на скоростях до 1 Мо/сек.
Среди прочих факторов, влияющих на характеристики СС ШГ1Д, немаловажным является большая протяжённость радиоканала и связанная с этим задержка в передаче сигнала. Этот вопрос рассматривается в [11]. Учитывая, что в пакетных сетях часто используется протокол TCP, неправильная его настройка может существенно замедлить скорость передачи данных. При стандартном значении окна протокола 64 кбайт и задержке в подтверждении приёма 1000 мс скорость передачи будет ограии-чена величиной 0,51 Мбит/с. Избежать этого ограничения можно применяя расширение TCP с опцией масштаба окна, и правильно настраивая другие параметры протокола. Для ускорения работы протокола рекомендуется использование метода расщепления сегментов. Сквозная сессия TCP расщепляется на два или три сегмента таким образом, чтобы сегмент спутниковой линии с большой задержкой передачи не ухудшал сквозные характеристики TCP-протокола. В МСЭ-R данный метод расщепления был тщательно изучен, и результаты данного исследования изложены в [12].
В заключение приведём таблицу с прогнозируемыми параметрами СС ШПД Ка -диапазона на период до 2015 г. [Ю].
Таблица 2
Прогноз параметров СС ШПД Ка-диапазона
Год 2011 2012-2013 2015+
Спут- II ПКИ Масса (кг) 5000- 6000 6000 - 6500 8000+
Мощное! ь( кВт) 10-15 15-18 20-25
Емкость 10 Гбит/с 100 Гбит/с I50+? Гбит/с
Шлюзы Емкость 1 Гбит/с 6-7 Гбит/с 10+ Гбит/с
Станции VS л г Модем (Мбит/с) 100 Мбит/с 200-400 Мбит/с 400-700 Мбит/с
Спектральная эффективность 8PSK (3 бит/Гц) 16 APSK (4 бмт/Г ц) 32 APSK (5 бит/Гц)
Литература
1. http://www.itu.snt/ru/Pages/default.aspx.
2. Рекомендация МСЭ-R S.1709-1. Технические характеристики радиоинтерфейсов для глобальных широкополосных спутниковых систем.
3. ETS1 EN 301 740: "Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for satellite distribution systems".
4. F.TSI F.N 302 307: "Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2)".
5. httpy/www. viasat.com/dvb-b2-teclmology.
6. ETSI EN 301 545-2: "Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2); Pan 2: Lower Layers for Satellite standard",
7. ETSI TS 102 606: "Digital Video Broadcasting (DVB); Generic Stream Encapsulation (GSE) Protocol".
IS. Колюбакин В. Новый спутник Ka-Sat. «Телеспутник», февраль, 2011. — С. 128-129.
9. Ка-диапазон - первые шаги в России. Фролов Я.В., директор департамента инновационных проектов ФГУП "Космическая свял,". Доклад на 13 международной конференции «Состояние п перспективы развития IP-коммуникаций и IP-ссрвисов в России», http://www.rans.ru/torum2012/te7is.htmi,
10. Тенденций и перспектив!,I развития сетей спутниковой связи VSAT. Ланин К.В.. глава представительства, региональный директор Представительства "Хыоч Нетворк Системе Интернэйшл Сервис Компании". http://www.rans.ru/forum2012 /tezis.html.
11. Рекомендация МСЭ-R М.1741. Методика установления требуемых рабочих характеристик и ее оптимизация для пакетных приложений 1Р в подвижной спутниковой службе.
12. Рекомендация МСЭ-R S.1711. Улучшение качественных показателей протокола управления передачей по спутниковым сетям.
Modern technologies and systems of satellite access to the internet Tarasov Sergey, MTUCI, Russia
Abstract
In the work questions of construction and development of broadband access satellite systems are discussed. Characteristics of the standards DVB-RCS, IPoS, RSM-A, the documents ITU relating to broadband access satellite systems are considered. Examples of creation of systems wthin the fixed satellite service in the ranges of frequencies of Ku and Ka are given. Parameters of systems in the long term till 2015 are estimated.
Keywords: Satellite broadband access VSAT systems radio interlace Internet protocol communication standard.
