Применение спутниковой связи в компьютерной сети центра ССУЗА

Рис. 1.1 Система "Iridium"

1.7 Космический сегмент

 

Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты, в которых период орбиты равен периоду отметки на поверхности Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии 35800 км в плоскости экватора.

Большая высота, требуемая для поддержания геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками. В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76° (приблизительно; 67° по 143° западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки.

Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Спутник со стабилизацией вращения.

 

Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации (рис. 1.3). Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиям к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

 Рис. 1.3 Спутник с трехосевой  стабилизацией.

 

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование, и коррекция осуществляется.

 

1.8 Система Aloha

 

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать только один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им другого пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и «разрушают» друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом Aloha, известной под названием «чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию).

В противном случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант система Aloha состоит в разбиении времени на отрезки – окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha приведено в таблице 2.

 

 

Табл.2 Период уязвимости для системы Aloha.

Третий подход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.

Другим усовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.[6]

 

1.9 Преимущества  и ограничения спутниковых сетей связи

 

 ССС имеют уникальные  особенности, отличающие их от  других систем связи. Некоторые  особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной  для ряда приложений. Другие создают  ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

ССС имеет ряд преимуществ:

Устойчивые издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы – широковещательные. Стоимость спутниковой передачи , следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС

Широкая полоса пропускания. Малая вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

Ряд ограничений в использовании ССС:

 

1. Значительная задержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на    геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка вполне ощутим при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.
2. размеры ЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС (особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметр антенны ЗС, усложняя тем самым процедуру размещения станции.
3. Защита от несанкционированного доступа к информации. Широковещание позволяет любой ЗС, настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.
4. Интерференция. Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ка- полосах частот, крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в С-полосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ка- полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.

Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.

 

 

2 ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ЦЕНТРА ССУЗА

2.1Магистральная спутниковая связь

Изначально возникновение спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших объёмов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat, затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat, Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объёме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных. С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять спутниковую связь с рынка магистральной связи.

2.2Система VSAT

Среди спутниковых технологий особенное внимание привлекает развитие технологий спутниковой связи типа VSAT (Very Small Aperture Terminal).  
На основе VSAT оборудования возможно построение мультисервисных сетей, предоставляющих практически все современные услуги связи: доступ в Интернет; телефонную связь; объединение локальных сетей (построение VPN-сетей); передачу аудио-, видеоинформации; резервирование существующих каналов связи; сбор данных, мониторинг и удаленное управление промышленным объектами и многое другое.  
Немного истории. Развитие сетей VSAT начинается с того, что был запущен первый спутник связи. В конце 60-х годов в ходе экспериментов со спутником АТС-1 была создана экспериментальная сеть, состоящая из 25 земных станций, спутниковой телефонной связи на Аляске. Фирма Linkabit, одна из первых создавшая VSAT Ku-диапазона, слилась с фирмой M/A-COM, которая в последствии стала ведущим поставщиком оборудования VSAT. Hughes Communications приобрела отделение у М/А-СОМ, преобразовав его в Hughes Network Systems. На данный момент компания Hughes Network Systems, является ведущим мировым поставщиком широкополосных сетей спутниковой связи.  
Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три ключевых элемента: центральная управляющая станция (ЦУС), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы.

 

Центральная управляющая станция

В состав ЦУС входит приемо-передающая аппаратура, антенно-фидерные устройства и комплекс оборудования, осуществляющий функции контроля и управления работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Для обеспечения надежности связи аппаратура имеет как минимум 100% резервирование. Центральная станция сопрягается с любыми наземными магистральными линиями связи и имеет возможность коммутации информационных потоков, благодаря чему поддерживается информационное взаимодействие пользователей сети между собой и с абонентами внешних сетей (Интернет, сотовые сети, ТФоП и т. д.).

Спутник-ретранслятор

Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. В среднем, мощность передатчиков колеблется от 20 до 100 Ватт. В России в качестве примеров спутников-ретрансляторов можно привести спутники связи и вещания "Ямал". Они предназначены для развития космического сегмента ОАО "Газком" и были установлены в орбитальные позиции 49° в. д. и 90° в. д.

Абонентские VSAT терминалы

Абонентский VSAT терминал - это небольшая станция спутниковой связи с антенной диаметром от 0,9 до 2,4 м., предназначенная, главным образом, для надежного обмена данными по спутниковым каналам. Станция состоит из антенно-фидерного устройства, наружного внешнего радиочастотного блока и внутреннего блока (спутникового модема). Внешний блок представляет собой небольшой приемо-передатчик или только приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс и т. д.).

Технология VSAT

Можно выделить два основных вида доступа к спутниковому каналу: двусторонний (дуплексный) и односторонний (симплексный, асимметричный или комбинированный).

 

 

Односторонний доступ

При организации одностороннего доступа наряду со спутниковым оборудованием обязательно используется наземный канал связи (телефонная линия, оптоволокно, сотовые сети, радиоэзернет), который используется в качестве запросного канала (еще его называют обратным каналом). Спутниковый канал используется в качестве прямого канала для получения данных на абонентский терминал (используется стандарт DVB[2]). В качестве приемного оборудования используется стандартный комплект, состоящий из приёмной параболической антенны, конвертора и спутникового DVB приемника в виде PCI-платы, устанавливаемой в компьютер или внешнего USB блока.

 
 
Рис. 1. Схема одностороннего доступа с использованием DVB-карты и телефонной линии в качестве обратного канала.

Двусторонний доступ

При организации двустороннего доступа VSAT-оборудование может быть использовано и для прямого и для обратного канала. Наличие наземных линий в данном случае не обязательно, но они также могут быть использованы (например, с целью резервирования).

Прямой канал обычно формируется в соответствии со спецификациями стандарта DVB-S и транслируется через спутник связи всем абонентским станциям сети, расположенным в рабочей зоне. В обратном канале формируются отдельные относительно низкоскоростные потоки TDMA. При этом для повышения пропускной способности сети используется так называемая многочастотная технология ТDМА (MF-TDMA), предусматривающая скачкообразные изменения частоты при перегрузке одного из обратных каналов.

 
 
Рис.2. Схема двустороннего доступа с использованием оборудования HughesNet (компании Hughes Network Systems).

Сети VSAT могут быть организованы по следующим топологиям: полносвязная («каждый с каждым»), радиальная («звезда») и радиально-узловая (комбинированная) топология. У каждой топологии свои достоинства и недостатки, выбор той или иной топологии необходимо осуществлять с учетом индивидуальных особенностей проекта. Спутниковая связь является разновидностью радиосвязи. Спутниковые сигналы, особенно высокочастотных диапазонов Ku и Ка, подвержены ослаблению во влажной атмосфере (дождь, туман, облачность). Этот недостаток легко преодолевается при проектировании системы.

Спутниковая связь подвержена помехам от других радиосредств. Однако, для спутниковой связи выделяются полосы частот, не используемые другими радиосистемами и, кроме того, в спутниковых системах используются узконаправленные антенны, позволяющие полностью избавиться от помех. Таким образом, большинство недостатков спутниковых систем связи устраняются путем грамотного проектирования сети, выбора технологии и места установки антенн.  
Технология VSAT является очень гибкой системой, которая позволяет создавать сети, отвечающие самым жестким требованиям и предоставляющие широкий спектр услуг по передаче данных. Реконфигурация сети, включая смену протоколов обмена, добавление новых терминалов или изменение их географического положения осуществляется очень быстро. Популярность VSAT в сравнении с другими видами связи при создании корпоративных сетей объясняются следующими соображениями: для сетей с большим количеством терминалов и при значительных расстояниях между абонентами эксплуатационные расходы значительно ниже, чем при использовании наземных сетей

2.3 Глобальная спутниковая система связи Globalstar