СПУТНИКОВЫЕ СЕТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДОСТУПА. ОБОРУДОВАНИЕ И КРИТЕРИИ РЕАЛИЗАЦИИ

July 10, 2012 by admin Комментировать »

Мельник А. М. Украинский НИИ Радио и Телевидения 65026, Одесса, ул. Бунина, 31 e-mail: melnik@uniirt.com.ua

I.  Введение

Рисунок 1 Тенденции использования станций VSAT Fig. 1. VSAT utilization tendencies

С внедрением новых информационных технологий резко возросли требования к скорости передачи информации и к ее качественным показателям. Использование существующих сетей наземных линий передачи информации проблематично, поскольку в основном они исчерпали свои возможности, и не могут предоставлять высокоскоростные каналы требуемого качества. Строительство волоконнооптические линии связи (ВОЛС) или реконструкция существующая линий может затянуться на долгие годы. Но и с применением в сетях доступа ВОЛС проблема оперативной доставка информации пользователю (особенно мобильному или удаленному) либо не решаема, либо связана с большими затратами времени и средств. Кроме того даже для городских районов с развитой структурой современных широкополосных каналов связи не возможно гарантировать прием высокоскоростной информации непосредственно на рабочее место потребителя. Оперативное, экономически целесообразное, разрешение данных проблем связано с созданием сетей доступа использующих спутниковые каналы связи.

II.  Доступ в информационные структуры по спутниковым каналам

Начиная с 90-тых годов развитие новых технологий, использование современных технических решений позволили значительно поднять энерговооруженность спутников-ретрансляторов. Многократное использование частот и освоение нового диапазона Ка (в проектах V и даже W) расширили суммарную полосу частот, выделяемую для передачи информации. Резко возросла удельная мощность спутниковых каналов, достигнув значения более 1,1 Вт/МГц, что дало возможность использовать эффективные по полосе виды модуляции. Применение современных технологий, цифровых методов формирования и обработки сигналов обеспечивают в спутниковых системах связи (ССС) предоставление каналов, гарантирующих достоверность передачи информации до 10′1 10′11. Скорость передачи информации по спутниковым каналам достигла значений приближающихся с реализуемыми на ВОЛС при существенном преимуществе ССС глобальности и оперативному предоставлению каналов независимо от времени и места нахождения абонента. Несомненный приоритет ССС в развитии мультимедийных технологий, поскольку позволяют оперативно обеспечить доставку больших объемов информации непосредственно потребителю и в места не имеющие развитой (особенно широкополосной) телекоммуникационной сети. Технология Skyplex обеспечила возможность сбора исходящих цифровых потоков на борту, их коммутации и передачи единым потоком на узел входа в информационные сети Операторы ССС создают собственные более гибкие и дешевые по отношению к наземным высокоскоростные интернет-сети.

Спутниковый сегмент стал элементом крупнейших наземных телекоммуникационных и информационных сетей (HNS, WSNet, NET-36, QSN и др.). В рамках глобальной системы Intelsat создаются четыре сети широкополосных станций VSAT, охватывающих весь мир (кроме Австралии). Сейчас до 30 % емкостей ССС ориентированы на использование в сетях Интернет для высокоскоростного доступа к базам данным, для вещания данных и предоставление других услуг мультимедиа.

Основой существующих и проектируемых земных сетей спутниковых систем доступа являются малые станции типа VSAT Существенным их преимуществом является территориальная близость узлов доступа к потребителю и возможность оперативного уп-

равления сетью. При этом отпадает необходимость выхода на каналы общего пользования или потребность в строительстве (аренде) дорогостоящих выделенных линий. Развертывание станций VSAT не требуют больших временных затрат при организации каналов с любого участка территории Земли. Обеспечение жестких требований по безопасности и к электромагнитной совместимости, широкий выбор конфигураций станций VSAT, как по техническим, так и по стоимостным критериям, позволяют устанавливать их в любом месте, включая и густонаселенные городские районы, для организации каналов доступа в информационные и телекоммуникационные сети для предприятий, школ, институтов и любых других учреждений, а также частных лиц. Использование современных технологий и новых методов передачи и обработки информации в станциях VSAT достаточно просто реализует высокоскоростной доступ абонентов. Эти факторы обуславливают быстрый рост их количества в мире (рис. 1) и в Украине (с 700 в 2002 г. до 10000 в 2010 г.).

Существует три основных конфигурации сетей станций, которые накладывают определенные требования к методам доступа и соответственно к оборудованию станций. Топология типа «звезда» включает центральную станцию (ЦС), которой приписаны функции управления, периферийные станции (ПС) могут быть приемопередающими или только приемными. Передача информации от одной ПС к другой организуется только через ЦС: от ПС к ЦС в режиме частотного разделения; от ЦС к ПС по общему каналу с временным разделением. В конфигурации «каждая с каждой» все станции приемо-передающие. Любой паре земных станций выделен свой канал и связь между ними осуществляется непосредственно. Управление сетью может осуществляться одной из станций сети. Наиболее простой тип «точка точка» является вырожденным случаем упомянутых выше конфигураций, сеть состоит из двух станций, одна из них является ведущей.

III.  Критерии эффективной организации сетей

При проектировании и строительстве экономически и технически оправданной сети высокоскоростного доступа на основе станций VSAT необходимо учитывать пять основных факторов:

1.Зона покрытия спутника-ретранслятора

2.  Стоимость аренды (использования) ресурсов спутникового канала;

3.Стоимость оборудования земных станций (ЗС);

4. Техническую возможность дальнейшего развития сети;

5. Соответствие параметров станции требованиям действующих в Украине нормативных документов.

Желательно, чтобы в зону покрытия одного спутника попадали точки передачи и приема. При разработке следует учитывать что основные расходы при организации сетей связаны с оплатой за предоставление полосы частот спутникового канала. В настоящее время их величина колеблется в пределах от 2 до 4 тыс. долл. в месяц за 1 МГц полосы. Нижняя граница определяет стоимость ресурсов на «падающих» спутниках, но при работе через них необходимы более дорогие следящие антенны. Эффективность использования полосы частот и энергетики канала определяются заложенными в оборудовании методами передачи информации. Применение многопозиционных сигналов, высокоскоростных кодов, сигнально-кодовых конструкций позволяет при заданных качественных характеристиках реализовать в той же полосе большую скорость передачи информации или при той же скорости передачи уменьшить необходимую полосу тем самым снизить расходы на использование ресурсов канала.

Следующая задача проектирования состоит в выборе оборудования исходя из необходимого качества информации, требуемой скорости передачи, метода доступа, определяемого конфигурацией сети, перспектив расширения возможностей сети, параметров арендуемых ресурсов ретранслятора (мощность, полоса) и стоимости оборудования. Вопросы эффективного использования ресурсов решаются применением сверточных кодов (СК), позволяющих получить дополнительный энергетический выигрыш в обмен на расширение занимаемой полосы частот, и внедрением многопозиционных сигналов (восьмипозиционной фазовой модуляции ФМ-8, и квадратурной амплитудной модуляции КАМ-16) и высокоскоростных кодов, сужающих требуемую для передачи информации полосу частот. Коэффициенты выигрыша по полосе для типичных сочетаний вида модуляции и скорости кода приведены в табл. 1. Наиболее эффективное использование ресурсов спутниковой линии обеспечивается за счет оптимального согласования способов модуляции и кодирования (сигнально-кодовые конструкции) и применения в качестве внешних кодов Рида-Соломона (PC). Последующим этапом является внедрение более эффективных алгоритмов кодирования и декодирования, так называемых турбо-кодов. Однако стоимость более эффективного оборудования гораздо выше. Необходим поиск оптимума между постоянными затратами на аренду полосы частот и единовременными затратами на стоимость оборудования, который может быть найден в результате анализа возможностей производимого оборудования станций. Здесь же надо учитывать и перспективы развития в сторону увеличения объемов информации и повышения ее достоверности.

В соответствии с имеющимися нормативными актами ни одна станция VSAT не может быть ввезена в страну и в дальнейшем эксплуатироваться если не удовлетворяет требованиям действующих в Украине регламентирующих документов по электромагнитной совместимости, по безопасности, по стойкости к влиянию мешающих факторов, по стыку (если он предусматривается) с наземными сетями общего пользования и не получит соответствующего сертификата. Поэтому во избежание приобретения несоответствующего оборудования и связанных с этим расходов необходима предварительная оценка его параметров, которая может осуществляться на основе экспертизы технических документов.

IV. Реализация наземного сегмента

В состав станция типа VSAT входит внешний блок, содержащий антенную систему и радиочастотное оборудование (преобразователи частоты, малошумящие усилители, усилители мощности), устанавливаемое совместно с антенной вне помещений, и внутреннего блока, располагаемого в помещении, и содержащего модем и, по необходимости, узел стыка с наземными сетями телекоммуникаций. Эффективность использования ресурсов спутникового канала в значительной мере зависит от методов модуляции и помехоустойчивого кодирования, которые задаются при выборе модема станции. Возможность реализации метода доступа закладываются на этом же этапе. Структура современного модема включает интерфейсы данных и управления, скремблер дескремблер, кодек каскадного кода (внешний код PC и внутренний СК), модулятор демодулятор, дополнительные блоки, расширяющие возможности модема и позволяющие конфигурировать его для работы в определенной спутниковой службе. Большинство модемов предоставляет оператору широкий набор возможностей, позволяющих адаптировать его к

различным условиям применения и контролировать работу в процессе эксплуатации. К наиболее важным общим параметрам относятся: выбор значения частоты приема/передачи; выбор скорости передачи; выбор скорости помехоустойчивого кода; выбор вида модуляции; установка уровня сигнала; наличие информационного буфера. Контроль состояния модема, установка всех существенных параметров модема осуществляется с помощью клавиатуры на передней панели модема или с удаленного терминала, используя отдельный канал, в качестве которого может быть и спутниковый канал. В большинстве модемов предусматривается режим тестирования, а в некоторых самотестирования. Все сообщения об авариях и ошибках передаются местному или удаленному оператору.

Эффективность использования полосы частот характеризуется удельной скоростью передачи информации у. Для сигналов ФМ-4 частотная эффективность у=1 бит на измерение, для сигналов ФМ-8 у =1,5, КАМ16 у = 2,0. Увеличение числа позиций сигнала приводит к необходимости увеличения его мощности для получения требуемой величины вероятности ошибки, избыточность, вводимая при кодировании уменьшает значение у. Эффективность использования энергетики канала можно характеризовать величиной Еб/No необходимой для достижения заданного уровня вероятности ошибки Р0, где Еб энергия сигнала на один бит информации, No спектральная плотность мощности шума в канале Чем меньшее требуется значение Еб/No, тем эффективней используется энергия сигнала. Использование кодирования позволяет работать при меньших отношениях E6/N0, но, как сказано выше, при этом снижается скорость передачи информации. Задачей проектирования сети является компромиссный выбор между данными параметрами эффективности. Лучшей считается система модуляции кодирования, позволяющая, по сравнению с ФМ-4, достигнуть улучшения по обеим параметрам. Для сравнения производимых модемов можно воспользоваться диаграммой на рис. 2, где отмечены значения требуемой величины Еб/No и коэффициента у для случаев использования только сверточного кода с алгоритмом декодирования Витерби (• рис 2) и использования каскадного кода с кодом PC (о рис. 2). Дополнительный выигрыш при каскадном кодировании и модуляции ФМ-4 составляет 2 2,5 дБ при незначительном проигрыше по скорости. Использование ФМ-8, СК со скоростью 2/3 с внешним кодом PC обеспечивает вероятность ошибки Ро=10′7 при отношении сигнал/шум E6/No почти на 5 дБ меньше, нежели при использовании некодированной ФМ-4, при сохранении той же удельной скорости Использование турбо-кода позволяет по сравнению с ФМ-4 и каскадным кодированием (СК 1/2, PC) при вероятности ошибки Ро=10′7 в той же полосе увеличить скорость передачи информации в 1,7 раза при незначительном улучшении энергетических показателей (0,2 дБ) или по сравнению с ФМ-8 (СК 2/3, PC) при снижении скорости передачи информации в 1,2 раз получить энергетический выигрыш 2,7 дБ.

Если вид модуляции, способы кодирования, методы доступа задаются модемной частью станции, то возможность их применения зависит от ее высокочастотных узлов. Например, отношение сигнал/шум зависит от параметров антенны и малошумящего усилителя или преобразователя; возможность использования многопозиционных сигналов связана с характеристиками АМ-ФМ преобразования усилителя. Большинство из требований нормативных актов по электромагнитной совместимости, по безопасности, по стойкости к влиянию мешающих факторов и т.д. относятся к антенной системе и высокочастотному блоку.

I.      К выбору конфигурации станции и оценке ее эффективности

В качестве заключения приведем итоги анализа выпускаемого каналообразующего оборудования, результаты которого представлены на рис. 2, сведенные в табл. 2 в виде данных по некоторых эффективным высокоскоростным модемам и оценим на примерах каким будет итог от использования в ЗС ССС более эффективного оборудования.

Аренда 1 МГц полосы на нестабильном («падающем») спутнике обходится примерно в 2000$ в месяц. К примеру украинский оператор Sattelcom предлагает ресурсы спутника NewSat-1 по цене 2100$ в месяц. Стоимость 1 МГц полосы стабильных ретрансляторов в среднем выше в 1,5-2 раза. Таким образом затраты на передачу не очень высокоскоростного потока Е1 (2048 кбит/с) с использованием ФМ-4, СК 3/4 (например, модем SM3000) составят за 10 лет работы примерно 330000$.

В единовременные затраты входят стоимость оборудования, инсталляции ЗС, получения разрешительных документов. Простой вариант ЗС в составе антенны Prodelin 2,4 м, трансивера Anacom 2 Вт, модема SM3000 и другого вспомогательного оборудования стоит около 12000$. Стоимость ЗС с антенной 3,7 м, передатчиком до 8 Вт, на поток 8 Мбит/с до 30000$ На рис. 4 приведена зависимость между размерами антенны и ее ценой. Эффективность приведенных выше критериев проектирования сети малых станций. Приобретение станции VSAT модификации, позволяющей реализовать передачу сигналами КАМ-16 обойдется на 7-8 тыс. долл. дороже в основном за счет более сложного модема. При использовании КАМ-16, СК 3/4 затраты на аренду канала для передачи такого же потока Е1 за тот же срок составят 165000$, то есть приобретение более дорогостоящего оборудования окупится за первый год эксплуатации ЗС.

HIGH-SPEED ACCESS SATELLITE NETWORKS: HARDWARE AND INSTALLATION CRITERIA

Melnik A. M.

Ukrainian Radio & Television Research Institute 31 Bunina St., Odessa, Ukraine, 65026 e-mail: melnik@uniirt.com.ua

The introduction of new information technologies has toughened requirements imposed on data transmission speeds and their qualitative performance. The utilization of the existing land data transmission links is problematic, since they are mostly outdated and cannot provide the required high-speed high-quality channels. The construction of new fiver-optic links or modernization of the existing ones may take many years. A fast and feasible solution for this problem lies in the deployment of access networks using satellite communications channels.

Small VSAT-type stations form the basis for the existing and developing land links of satellite communications systems (SCS). Their major advantage lies in the proximity of access hubs to customers and fast network control. There is no need to engage common-access channels or develop (rent) expensive dedicated links. The deployment of VSAT stations does not require much time to set up channels anywhere on the Earth surface. The compliance of VSAT stations with strict demands imposed on safety and EM compatibility, wide choice of their architecture both in terms of financial and technological criteria enable their installation almost anywhere, including densely populated urban areas, which offers access to data and telecommunications networks for businesses, schools, colleges and private customers. The implementation of new technologies and state-of-the-art techniques for data processing and transfer provides high-speed access for VSAT subscribers simply enough. These factors explain the rapid growth of VSAT statistics globally (see Fig. 1) and in Ukraine (from 700 in 2002 to projected 10,000 in 2010).

Five basic criteria have to be taken into account in the VSAT feasibility studies:

■                  relay satellite footprint;

■                  fees for renting the resources of a satellite link;

■ price of the surface segment hardware;

■                  prospects of technical expansion of the network;

■ compliance of the station parameters with applica

ble rules and regulations.

Таблица 2. Модемы Table 2. Modems

Название

Фирма

Скорость, кбит/с

Модуляция

Внеш. код

Внутр. код

SDM-300A

Comtech

2,4 5000

ФМ-2, 4, 8

PC

1/2, 3/4, 7/8, 2/3

SDM-8000

Comtech

9,6-9312

ФМ-2,4,8, КАМ-16

PC

1/2, 3/4, 7/8, 2/3

SLM-8650

Comtech

4,8-9312

ФМ-2, 4, 8, КАМ-16

PC

1/2, 3/4, 7/8, 2/3

M5000

Vitacom

1,2 4920

ФМ-2, 4

Турбо, PC

1/2, 3/4, 7/8,

DMD2401

ComStream

4,8 5000

ФМ-2, 4, 8

Турбо, PC

1/2, 3/4, 7/8

P-300

Paradise

4,8 5000

ФМ-2, 4, 8

PC

1/2, 3/4, 7/8, 2/3

CM-701A

ComStream

4,8-4375

ФМ-2, 4

Турбо, PC

1/2, 3/4 , 4/5, 7/8

DD-240

ComStream

1000144000

ФМ-4, 8, КАМ-16,

PC

1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

DMD-20

ComStream

2,4 20000

ФМ-2, 4, 8, КАМ-16

Турбо, PC

1/2, 3/4, 7/8

CDM-600

Comtech

2,4-20000

ФМ-2, 4, 8, КАМ-16

Турбо, PC

5/16-1 с шагом 0,95

DD160

ComStream

6000 160000

ФМ-4, 8, КАМ-16

PC

1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

Рисунок 2 Эффективность использованимя канала с разными типами модемов Fig. 2. Efficiency of channel utilization for various modem types

According to the current legislative norms, no VSAT station may be imported into Ukraine and subsequently operated if it

does not meet the requirements stipulated by the applicable rules and regulations on the EM compatibility, safety, robustness, interface with the common-access surface links (if such interface is necessary).

A VSAT station comprises an outdoor unit containing antenna and RF equipment (frequency converters, low-noise amplifiers, power amplifiers) and an indoor unit containing a modem and (if required) an interface with the common-access land channels. The efficiency of the satellite link largely depends on the modulation and antinoise coding techniques determined by the type of a modem. This dependence is shown in Fig. 2.

A simple VSAT hardware option is estimated at approx. $12,000, while more advanced solutions approach $30,000 (channel rent not included).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты