Мельник А. М. Український НДІ Радіо і Телебачення 65026, Одеса, вул. Буніна, 31 e-mail: melnik@uniirt.com.ua

I. Вступ

Рисунок 1 Тенденції використання станцій VSAT Fig. 1. VSAT utilization tendencies

З впровадженням нових інформаційних технологій різко зросли вимоги до швидкості передачі інформації і до її якісними показниками. Використання існуючих мереж наземних ліній передачі інформації проблематично, оскільки в основному вони вичерпали свої можливості, і не можуть надавати високошвидкісні канали необхідної якості. Будівництво волоконнооптичні лінії зв’язку (ВОЛЗ) або реконструкція існуюча ліній може затягнутися на довгі роки. Але і з застосуванням в мережах доступу ВОЛЗ проблема оперативної доставка інформації користувачеві (особливо мобільному або віддаленого) або не вирішувана, або пов’язана з великими витратами часу і коштів. Крім того навіть для міських районів з розвиненою структурою сучасних широкосмугових каналів зв’язку не можливо гарантувати прийом високошвидкісний інформації безпосередньо на робоче місце споживача. Оперативне, економічно доцільне, дозвіл даних проблем пов’язано зі створенням мереж доступу використовують супутникові канали зв’язку.

II. Доступ в інформаційні структури по супутниковим каналам

Починаючи з 90-тих років розвиток нових технологій, використання сучасних технічних рішень дозволили значно підняти енергоозброєність супутників-ретрансляторів. Багаторазове використання частот і освоєння нового діапазону Ка (в проектах V і навіть W) розширили сумарну смугу частот, що виділяється для передачі інформації. Різко зросла питома потужність супутникових каналів, досягнувши значення більш 1,1 Вт / МГц, що дало можливість використовувати ефективні по смузі види модуляції. Застосування сучасних технологій, цифрових методів формування і обробки сигналів забезпечують у супутникових системах зв’язку (ССС) надання каналів, що гарантують достовірність передачі інформації до 10 ‘1 10′11. Швидкість передачі інформації по супутниковим каналам досягла значень наближаються з реалізованими на ВОЛЗ за істотної переваги ССС глобальності і оперативному наданню каналів незалежно від часу і місця знаходження абонента. Безсумнівний пріоритет ССС у розвитку мультимедійних технологій, оскільки дозволяють оперативно забезпечити доставку великих обсягів інформації безпосередньо споживачеві і в місця не мають розвиненої (особливо широкосмугового) телекомунікаційної мережі. Технологія Skyplex забезпечила можливість збору вихідних цифрових потоків на борту, їх комутації та передачі єдиним потоком на вузол входу в інформаційні мережі Оператори ССС створюють власні більш гнучкі і дешеві по відношенню до наземних високошвидкісні інтернет-мережі.

Супутниковий сегмент став елементом найбільших наземних телекомунікаційних та інформаційних мереж (HNS, WSNet, NET-36, QSN та ін.) У рамках глобальної системи Intelsat створюються чотири мережі широкосмугових станцій VSAT, що охоплюють весь світ (крім Австралії). Зараз до 30% ємностей ССС орієнтовані на використання в мережах Інтернет для високошвидкісного доступу до баз даних, для мовлення даних і надання інших послуг мультимедіа.

Основою існуючих і проектованих земних мереж супутникових систем доступу є малі станції типу VSAT Істотним їх перевагою є територіальна близькість вузлів доступу до споживача і можливість оперативного уп-

равленія мережею. При цьому відпадає необхідність виходу на канали загального користування або потреба в будівництві (оренду) дорогих виділених ліній. Розгортання станцій VSAT не вимагають великих часових витрат при організації каналів з будь-якої ділянки території Землі. Забезпечення жорстких вимог з безпеки і до електромагнітної сумісності, широкий вибір конфігурацій станцій VSAT, як з технічних, так і за вартісними критеріями, дозволяють встановлювати їх в будь-якому місці, включаючи і густонаселені міські райони, для організації каналів доступу в інформаційні та телекомунікаційні мережі для підприємств, шкіл, інститутів і будь-яких інших установ, а також приватних осіб. Використання сучасних технологій і нових методів передачі та обробки інформації в станціях VSAT досить просто реалізує високошвидкісний доступ абонентів. Ці фактори зумовлюють швидке зростання їх кількості в світі (рис. 1) і в Україну (з 700 в 2002 р. до 10000 в 2010 р.).

Існує три основних конфігурації мереж станцій, які накладають певні вимоги до методів доступу і відповідно до обладнання станцій. Топологія типу «зірка» включає центральну станцію (ЦС), якою приписані функції управління, периферійні станції (ПС) можуть бути приемопередающим або тільки прийомними. Передача інформації від однієї ПС до іншої організується тільки через ЦС: від ПС до ЦС в режимі частотного поділу; від ЦС до ПС по загальному каналу з тимчасовим поділом. У конфігурації «кожна з кожною” всі станції приймально-передавальні. Будь парі земних станцій виділений свій канал і зв’язок між ними здійснюється безпосередньо. Управління мережею може здійснюватися однією зі станцій мережі. Найбільш простий тип «точка точка» є виродженим випадком згаданих вище конфігурацій, мережа складається з двох станцій, одна з них є провідною.

III. Критерії ефективної організації мереж

При проектуванні і будівництві економічно і технічно виправданою мережі високошвидкісного доступу на основі станцій VSAT необхідно враховувати п’ять основних факторів:

1.Зона покриття супутника-ретранслятора

2. Вартість оренди (використання) ресурсів супутникового каналу;

3.Стоімость обладнання земних станцій (ЗС);

4. Технічну можливість подальшого розвитку мережі;

5. Відповідність параметрів станції вимогам діючих в Україні нормативних документів.

Бажано, щоб в зону покриття одного супутника потрапляли точки передачі і прийому. При розробці слід враховувати що основні витрати при організації мереж пов’язані з оплатою за надання смуги частот супутникового каналу. В даний час їх величина коливається в межах від 2 до 4 тис. дол на місяць за 1 МГц смуги. Нижня межа визначає вартість ресурсів на «падаючих» супутниках, але при роботі через них необхідні більш дорогі стежать антени. Ефективність використання смуги частот і енергетики каналу визначаються закладеними в обладнанні методами передачі інформації. Застосування багатопозиційних сигналів, високошвидкісних кодів, сигнально-кодових конструкцій дозволяє при заданих якісних характеристиках реалізувати в тій же смузі велику швидкість передачі інформації або при тій же швидкості передачі зменшити необхідну смугу тим самим знизити витрати на використання ресурсів каналу.

Наступне завдання проектування полягає у виборі обладнання виходячи з необхідної якості інформації, необхідної швидкості передачі, методу доступу, що визначається конфігурацією мережі, перспектив розширення можливостей мережі, параметрів орендованих ресурсів ретранслятора (потужність, смуга) і вартості обладнання. Питання ефективного використання ресурсів вирішуються застосуванням сверточних кодів (СК), що дозволяють отримати додатковий енергетичний виграш в обмін на розширення займаної смуги частот, і впровадженням багатопозиційних сигналів (восьмипозиційний фазової модуляції ФМ-8, і квадратурної амплітудної модуляції КАМ-16) і високошвидкісних кодів, які звужують необхідну для передачі інформації смугу частот. Коефіцієнти виграшу по смузі для типових поєднань виду модуляції і швидкості коду наведені в табл. 1. Найбільш ефективне використання ресурсів супутникової лінії забезпечується за рахунок оптимального узгодження способів модуляції і кодування (сигнально-кодові конструкції) та застосування в якості зовнішніх кодів Ріда-Соломона (PC). Подальшим етапом є впровадження більш ефективних алгоритмів кодування і декодування, так званих турбо-кодів. Однак вартість більш ефективного обладнання набагато вище. Необхідний пошук оптимуму між постійними витратами на оренду смуги частот і одноразовими витратами на вартість обладнання, який може бути знайдений в результаті аналізу можливостей виробленого обладнання станцій. Тут же треба враховувати і перспективи розвитку в бік збільшення обсягів інформації та підвищення її достовірності.

Відповідно до наявних нормативними актами жодна станція VSAT не може бути ввезена в країну і надалі експлуатуватися якщо не задовольняє вимогам діючих в Україні регламентують документів щодо електромагнітної сумісності, з безпеки, по стійкості до впливу чинників, що заважають, по стику (якщо він передбачається) з наземними мережами загального користування і не отримає відповідного сертифіката. Тому щоб уникнути придбання невідповідного обладнання та пов’язаних з цим витрат необхідна попередня оцінка його параметрів, яка може здійснюватися на основі експертизи технічних документів.

IV. Реалізація наземного сегмента

До складу станція типу VSAT входить зовнішній блок, що містить антенну систему і радіочастотне обладнання (перетворювачі частоти, малошумні підсилювачі, підсилювачі потужності), що встановлюється спільно з антеною поза приміщеннями, і внутрішнього блоку, наявного в приміщенні, і містить модем і, за потребою, вузол стику з наземними мережами телекомунікацій. Ефективність використання ресурсів супутникового каналу значною мірою залежить від методів модуляції і завадостійкого кодування, які задаються при виборі модему станції. Можливість реалізації методу доступу закладаються на цьому ж етапі. Структура сучасного модему включає інтерфейси даних і управління, скремблер дескремблер, кодек каскадного коду (зовнішній код PC і внутрішній СК), модулятор демодулятор, додаткові блоки, що розширюють можливості модему і дозволяють конфігурувати його для роботи в певній супутникової службі. Більшість модемів надає оператору широкий набір можливостей, що дозволяють адаптувати його до

різних умов застосування і контролювати роботу в процесі експлуатації. До найбільш важливим загальним параметрів відносяться: вибір значення частоти прийому / передачі; вибір швидкості передачі; вибір швидкості завадостійкого коду; вибір виду модуляції; установка рівня сигналу, наявність інформаційного буфера. Контроль стану модему, установка всіх істотних параметрів модему здійснюється за допомогою клавіатури на передній панелі модему або з віддаленого терміналу, використовуючи окремий канал, в якості якого може бути і супутниковий канал. У більшості модемів передбачається режим тестування, а в деяких самотестування. Всі повідомлення про аварії і помилки передаються місцевим або віддаленого оператору.

Ефективність використання смуги частот характеризується питомою швидкістю передачі інформації у. Для сигналів ФМ-4 частотна ефективність у = 1 біт на вимірювання, для сигналів ФМ-8 у = 1,5, КАМ16 у = 2,0. Збільшення числа позицій сигналу призводить до необхідності збільшення його потужності для отримання необхідної величини ймовірності помилки, надмірність, що вводиться при кодуванні зменшує значення у. Ефективність використання енергетики каналу можна характеризувати величиною Еб / No необхідної для досягнення заданого рівня ймовірності помилки Р0, Де Еб енергія сигналу на один біт інформації, No спектральна щільність потужності шуму в каналі Чим менше потрібно значення Еб / No, тим ефективніше використовується енергія сигналу. Використання кодування дозволяє працювати при менших відносинах E6/N0, Але, як сказано вище, при цьому знижується швидкість передачі інформації. Завданням проектування мережі є компромісний вибір між даними параметрами ефективності. Кращою вважається система модуляції кодування, що дозволяє, в порівнянні з ФМ-4, досягти поліпшення по обох параметрах. Для порівняння вироблених модемів можна скористатися діаграмою на рис. 2, де відзначені значення необхідної величини Еб / No і коефіцієнта у до випадків використання тільки згортальної коди з алгоритмом декодування Вітербо (• рис 2) і використання каскадного коду з кодом PC (о рис. 2). Додатковий виграш при каскадному кодуванні і модуляції ФМ-4 становить 2 2,5 дБ при незначному програші по швидкості. Використання ФМ-8, СК зі швидкістю 2/3 із зовнішнім кодом PC забезпечує ймовірність помилки Рпро=10′7 при відношенні сигнал / шум E6/ No майже на 5 дБ менше, ніж при використанні некодованій ФМ-4, при збереженні тієї ж питомої швидкості Використання турбо-коду дозволяє в порівнянні з ФМ-4 і каскадним кодуванням (СК 1/2, PC) при ймовірності помилки Рпро=10′7 в тій же смузі збільшити швидкість передачі інформації в 1,7 рази при незначному поліпшенні енергетичних показників (0,2 дБ) або в порівнянні з ФМ-8 (СК 2/3, PC) при зниженні швидкості передачі інформації в 1,2 раз отримати енергетичний виграш 2,7 дБ.

Якщо вид модуляції, способи кодування, методи доступу задаються модемного частиною станції, то можливість їх застосування залежить від її високочастотних вузлів. Наприклад, ставлення сигнал / шум залежить від параметрів антени і малошумні підсилювача або перетворювача; можливість використання багатопозиційних сигналів пов’язана з характеристиками АМ-ФМ перетворення підсилювача. Більшість з вимог нормативних актів з електромагнітної сумісності, з безпеки, по стійкості до впливу чинників, що заважають і т.д. відносяться до антеною системі і високочастотному блоку.

I. До вибору конфігурації станції та оцінки її ефективності

В якості висновку приведемо результати аналізу випускається каналоутворюючого обладнання, результати якого представлені на рис. 2, зведені в табл. 2 у вигляді даних по деяких ефективним високошвидкісним модемам і оцінимо на прикладах яким буде підсумок від використання в ЗС ССС більш ефективного обладнання.

Оренда 1 МГц смуги на нестабільному («падаючому») супутнику обходиться приблизно в 2000 $ в місяць. Приміром український оператор Sattelcom пропонує ресурси супутника NewSat-1 за ціною 2100 $ в місяць. Вартість 1 МГц смуги стабільних ретрансляторів в середньому вище в 1,5-2 рази. Таким чином витрати на передачу не дуже високошвидкісного потоку Е1 (2048 кбіт / с) з використанням ФМ-4, СК 3/4 (наприклад, модем SM3000) складуть за 10 років роботи приблизно 330 000 $.

У одноразові витрати входять вартість обладнання, інсталяції ЗС, отримання дозвільних документів. Простий варіант ЗС у складі антени Prodelin 2,4 м, трансивера Anacom 2 Вт, модему SM3000 і іншого допоміжного обладнання коштує близько 12000 $. Вартість ЗС з антеною 3,7 м, передавачем до 8 Вт, на потік 8 Мбіт / с до 30000 $ На рис. 4 наведена залежність між розмірами антени і її ціною. Ефективність наведених вище критеріїв проектування мережі малих станцій. Придбання станції VSAT модифікації, що дозволяє реалізувати передачу сигналами КАМ-16 обійдеться на 7-8 тис. дол дорожче в основному за рахунок більш складного модему. При використанні КАМ-16, СК 3/4 витрати на оренду каналу для передачі такого ж потоку Е1 за той же термін складуть 165 000 $, тобто придбання більш дорогого обладнання окупиться за перший рік експлуатації 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.

Таблиця 2. Модеми Table 2. Modems

Назва

Фірма

Швидкість, кбіт / с

Модуляція

Зовн. 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 з кроком 0,95

DD160

ComStream

6000 160000

ФМ-4, 8, КАМ-16

PC

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

Рисунок 2 Ефективність іспользованімя каналу з різними типами модемів 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).

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.