Сети VSAT: обзор технологий и сфер применения.

Основные топологические схемы VSAT-сети и способы многостанционного доступа.

По существу имеется две топологические разновидности: Star (звезда) и Mesh (полно связная схема соединения 'каждый с каждым').

Сеть Star построена таким образом, что информация от любой VSAT станции поступает на центральную станцию (ЦС). В результате сигнал от VSAT1 до VSAT2 проходит путь VSAT1-ИСЗ-ЦС-ИСЗ-VSAT2. Это "двойной скачок" и время распространения достигает 0,6с, что неприемлемо для передачи голоса, но допустимо для многих приложений связанных с передачей данных.

Сеть Mesh (рис.2) предусматривает соединение VSAT станций за один 'скачок', а ЦС (или выделенная станция сети) в данном случае обеспечивает организацию вызова и соединения. Соответственно, задержка сигнала уменьшается в два раза и составляет не более 0.3с, что практически не ощущается даже при передаче голоса, не говоря уже о других приложениях требующих режима реального времени.

Организация передачи информации в спутниковых сетях VSAT базируется на трех основных методах разделения каналов при многостанционном доступе: FDMA (частотное разделение), tdMA (временное разделение), CDMA (кодовое разделение). Для оптимизации пропускной срособности и стоимости сети в каждом конкретном случае используется сочетание этих методов. Отметим, что далее будут рассматриваться только методы, которые применяются при использовании ретрансляционной аппаратуры ИСЗ с прозрачными стволами.

Сеть типа Star ориентирована в первую очередь на обеспечение услуг связанных с передачей данных, для которых задержка сигнала не столь принципиальна. Наиболее распространенный способ для решения этих задач tdM/tdMA. Исходящие потоки от каждой VSAT станции разделены во времени и транслируются на ЦС. С целью минимизации арендуемой полосы частот используются различные протоколы Aloha. Основная задача исключить коллизии, т.е. наложение информации передаваемой разными VSAT станциями в данный момент времени на одной частоте. При этом, чем совершеннее протокол Aloha, тем больше задержка информации.

На ЦС сигналы коммутируются и мультиплексируются в единый цифровой поток tdM, который транслируется через спутник ретранслятор и доступен для приема любой абонентской станцией сети.

В случае, если трафик достаточно устойчив во времени используется технология SCPC/PAMA. Такое решение позволяет обеспечить в реальном масштабе времени передачу не только данных, но и телефонную связь между VSAT и ЦС. Сочетание SCPC/PAMA и tdM/tdMA позволяет реализовать сеть по схеме двух уровневой звезды, в которой закрепленные каналы PAMA являются магистральными.

При организации сети Mesh актуальна другая задача. Необходимо обеспечить связь каждого абонента с каждым за один скачок. Наиболее распространенной технологией является технология DAMA, которая предусматривает выделение ресурсов сети каждому абоненту только на время их активного взаимодействия. Здесь возможно два основных варианта. Первый и наиболее распространенный SCPC/DAMA, который предусматривает выделение частотного канала по требованию абонента. Второй tdMA/DAMA более прогрессивен и предусматривает динамическое распределение временных слотов в кадре tdMA по запросу абонента.

Запрос выделения канала для абонентской станции может быть реализован различными методами. Например, на ЦС формируются дежурные каналы, которые обеспечивают только режим запроса и назначения информационного канала для абонента, что обычно имеет место при использовании SCPС/DAMA. Другой метод предусматривает организацию выделенного канала работающего в режиме tdM/tdMA. Число дежурных каналов либо пропускная способность канала tdM/tdMA выбираются в зависимости от допустимой вероятности отказа в соединении в часы наибольшей нагрузки сети.

Области применения VSAT технологий

В период зарождения VSAT технологий основной сферой их приложения считалась организация телефонных сетей в трудно доступных регионах. Однако уже в 80-х, начале 90-х годов, акценты начали смещаться в сторону преимущественного решения задач связанных с передачей данных, а задачи голосовой связи постепенно стали переходить на второй план. Этот процесс особенно ускорился в середине 90-х годов в связи с развитием промышленных приложений VSAT сетей и бурным ростом сети Internet. Более того, сегодня уже практически сформировался самостоятельный класс VSAT технологий , ориентированный на решения задач в интересах обеспечения доступа к сети Internet.

Несмотря на естественное желание унифицировать VSAT оборудование, рынок диктует свои условия, среди которых основным является минимизация стоимости, как самого оборудования, так и обслуживания сети.

Если сегодня обратиться к любой рекламе, то окажется, что VSAT-технологии могут обеспечить любые виды услуг связи: и телефон , и данные и видео , и Internet и т.д. На самом деле это и так и не так. Конечно, хотелось бы иметь универсальную абонентскую станцию и сеть VSAT, но стоимость такого решения, по крайней мере, сегодня (да и в ближайшем будущем), будет зашкаливать за любые разумные значения. Хотя потенциально (технически) здесь нет никаких фантазий, но существует вполне определенный круг функциональных задач свойственных определенной базовой технологии. Для исходного, функционального, разделения базовых технологий можно принять в качестве критерия топологию VSAT сети: Star или Mesh. Выбор топологии сети в первую очередь зависит от задач заказчика.

Star. Очевидно, что топология Star подразумевает соединение всех удаленных станций с единым центром. При этом их соединение между собой возможно, но только через центр. Это условие в первую очередь накладывает ограничение на организацию телефонных каналов и других видов информации, чувствительных к задержке сигнала. Соответственно, приоритетными задачами являются задачи сбора и двухсторонней передачи данных между удаленными станциями и центром. При этом качественная телефонная связь является дополнительной услугой реализуемой только между центром и отдельной удаленной станцией ( выход в сети общего пользования и, тем более, организация международных соединений приведет к трудно предсказуемому ухудшению качества речи).

Наиболее характерные задачи, решаемые с помощью сети, выполненной по топологии Star: обслуживание бензозаправочных станций, банкоматов , мониторинг и управление технологическими процессами на электростанциях, организация сервисного обслуживания автомобилей и их аренды, обмен платежными документами между региональными отделениями и центральным отделением банка и т.п. Общим для всех этих задач является относительно низкая канальная скорость и неравномерность трафика, создаваемого удаленными VSAT станциями. Наиболее характерным примером является оборудование компании Teacom (табл. 1 ). С другой стороны в сетях типа Star часто в качестве дополнительного сервиса предлагаются решение задач по организации распределения ТВ информации. Например, подобное решение предлагается компанией Shiron.

Mesh. Сеть типа Mesh в общем случае подразумевает равноправную связь удаленных станций между собой. Естественно, по сравнению с топологией Star резко возрастает число направлений связи. Если в сети Star число направлений связи равно числу станций сети N, то в данном случае число связей N*(N-1)/2. Это дань за организацию одного скачка при установление связи. Соответственно, сеть типа Mesh обладает большими функциональными возможностями. Кроме задач решаемых в сети типа Star имеется возможность организовать качественную телефонную связь, видео телефон и даже сеть видео конференций. Конечно, и стоимость сети существенно выше. Построение такой сети обычно актуально для организации работы большой корпарации, имеющей территориально разнесенные отделения. Например, собрать всех региональных руководителей в центральном офисе может оказаться дороже, чем организация регулярных видеоконференций. Конечно для сетей типа Mesh сохранятся актуальность развития телефонных сетей в удаленных и труднодоступных регионах.

Как уже упоминалось, для сетей типа Mesh характерны различные модификации технологии многостанционного доступа DAMA. В табл.2 Приведен перечень зарубежных системных интеграторов предлагающих базовые технологии для организации сети типа Mesh и краткие технические данные.

Зарубежные системные интеграторы и базовые технологии, предлагаемые для организации VSATсетей типа Star

Компания Базовая технология Многостанционный доступ Исходящие потоки ЦС--- VSAT, кбит/с Входящие потоки ЦС--- VSAT, кбит/с Gilat Satеllite Networks (Израиль) SkayStar Advantage tdM/tdMA Модифицированная Aloha со случайным доступом 64/128/192/256/ 512/1024/2048 BPSK или QPSK 9.6/19.2/38.4/56/64/128 DPSK 38.4/76.8 MCK Globecomm Systems, Inc. CES-2001 Н.д. 64 – 2048 BPSK или QPSK 9.6 – 384 BPSK или QPSK Hughes Network Systems (США) PES/ISBN tdM/tdMA 128/512 BPSK 64/128/256 BPSK NEC* (Япония) Nextar-V tdM/tdMA Адаптивная tdMA 64/128/256/512/ 768/1536/2048 BPSK или QPSK 64/128/256 BPSK или QPSK ViaSat,Inc., (Scientific Atlanta) SkyRaley tdM/tdMA 64/128/256 BPSK, QPSK, CPFSK 64/128/256 BPSK, QPSK, CPFSK STM Wireless, Inc. (США) X.Star tdM/tdMA Aloha с динамаческим резервированием 64/128/256/512/1024/1544 BPSK 96/192/384 BPSK Teacom (Норвегия) TSAT-2100 TSAT-2000 tdM/tdMA Aloha с резервированием 2.4/4.8/9/6/14.4/16.8O QPSK 2.4/4.8/9/6/14.4/16.8O QPSK Telesat Canada(Канада) Anicom 200 tdM/tdMA 1.2 – 64/128/256 128/512 Shiron Satellite Communications (Израиль) InterSky DAMA 1500-72500 tdM QPSK Прием до 15000 16-384/2048 QPSK

Примечание: * имеется технология Nextar-AA/tdMA (адаптивный вариант tdMA)

Зарубежные системные интеграторы и базовые технологии, предлагаемые для организации VSAT-сетей типа Mesh

Компания Базовая технология Многостанционный доступ Краткие характеристики Alcatel Telespace (Франция) td-MAX Н.д. Основное назначение – создание телефонных сетей с высокой пропускной способностью.Абонентские станции имеют 1-6 каналов. ACT Networks (США) SkyPerformer* SCPC/DAMA Технология позволяет обеспечить эффективное сопряжение с наземными сетями Frame Relay.Телефон до 64 кбит/с, факс до14.4 кбит/c. Gilat Satеllite Networks (Израиль) DialAway SCPC/DAMA Имеет приемственность с технологией SkyStar.Выход в наземные сети осуществляется через центральную или узловую станцию. Число каналов абонентской станции 1-3.Телефон G723(6.4кбит/с),Факс-модем 4.8кбит/с, Данные 2.4 кбит/с.Применяется для организации связи в труднодоступных регионах. FaraWay  tdMA/DAMA Центральная станция не требуется. Выход в наземнык сети врзможен с лубой станции сети. Число телефонных каналов абонентской станции до 256 ( до 8 на один модем).Максимальная канальная скорость до 128 кбит/сТелефон G.728 (16 кбит/с) и G.729A (8 кбит/с),Факс-модем 9.6 кбит/с, Данные 9.6 кбит/с. Hughes Network Systems (США) TES Quantum, TES Quantum Direct tdMA/DAMA Используется модифицированная технология DAMA. Каждая станция имеет выход в наземные сети общего пользования. Математическое обеспечение позволяет подддерживать практически любые виды сигнализации.Телефонный канал G.721 (32 кбит/с) и G.728 ( 16 кбит/с),Факс-модем 14.4 кбит/с,Данные14.4 кбит/с.Максимальная канальная скорость 56 кбит/с.Технология TES Quantum Direct ориентирована на обеспечение телефонной связи в трудно дрступных регионах. Телефоный канал G.729 (8 кбит/с) Linkabit Wireless DAMALink SCPC/DAMA Основное назначение – организация телефонных сетей. Абонентская станция поддерживает 32 кбит/с.Телефон 4.8 кбит/с, ,факс и данные 4.8 кбит/с. Loral CyberStar GmbH (международная компания) VISN+ tdMA/DAMA Технология предназначена для организации выделенных сетей связи крупных корпараций. Основой является протокол frame relay. Предоставляются услуги передачи данных, видеоизображения и голосовых приложений между несколькими станциями сети.Канальная скорость до 512 кбит/с.Телефон 8 и 16 кбит/с, факс до 9.6 кбит/с. NEC (Япония) Nextar-BOD SCPC/DAMA Технология предназначена для организации выделенных сетей связи крупных корпараций.Телефрн 32 кбт/с и 16 кбит/с, данные 19.2 кбит/с.Возможна организация закрепленных каналов PAMA. Nera SuperViSAT SCPC/DAMA Технология обеспечивает организацию телефонных сетей. Абонетская станция поддерживает1 канал 64 кбит/с. NSI Communications (Канада) VSAT Plus II tdMA/DAMA Технология позволяет организовать полносвязную сеть и обеспечить любые услуги связи, но в первую очередь ориентирована на обеспечение телефонной связи. Предусмотрена возможность организации закрепленных каналов PAMA. Абонентская станция поддерживает работу до 32 каналов. ParraGea Communications (США) TerraSat SCPC/DAMA Технология позволячет дополнительно организовать сеть Типа Star.Абонентские станции поддерживают скорость до 64 кбит/с, Число каналов 1-13. Телефон G.728 (16 кбит/с) и G.729 (8 кбит/с), Факс и данные до 9.6 кбит/с. Sattel Technologies (США) WorldNet SCPC/DAMA Технология позволячет дополнительно организовать сеть типа Star.Типовые станции имеют один канал.Телефон G.728 (16кбит/с), факс 9.6/14.4 кбит/с,данные 19.2 кбит/с STM Wireless, Inc.(США) X.DAMA MCPC/DAMA Технология имеет приемственность с X.Star. Возможна организация гибридных сетей.Телефон G.728 (16 кбит/с) и G.729 (8 кбит/с), Факс 14.4 кбит/с, данные 14.4 кбит/с.Число каналов 2-4 ViaSat,Inc., (ScientificAtlanta) SkyLinx SCPC/DAMA Технология предусматривает организацию телефонных сетей, сопрягаемых с наземными сетями , например Frame Relay. Обычная абонентская станция поддерживает телефон 8 или 16 кбит/c. Факс и данные 14.4 кбит/с. для SkyLinx SL6000 , а для SkyLinx8000 повышено качество телефона (32/40/64 кбит/с).

Примечание: ^* на базе этой технологии развернута VSAT сеть в Косово для обеспечения связью войск НАТО.

Космический сегмент

Космический сегмент VSAT сетей основан на использовании геостационарных спутников связи , работающих в C- или Ku- диапазонах частот ФСС. Большинство современных сетей работают в Ku-диапазоне. Основным требованием к спутнику является повышенный уровень ЭИИМ и G/T в рабочей зоне при соблюдение линейности ствола ретрансляционной аппаратуры. Например, спутники серии Intelsat-7, обеспечивая максимум ЭИИМ в насыщении 49.4дБВт, имеет рабочую точку ствола с полосой 72 МГц в линейном режиме всего на 3.5 дБ ниже, т.е ЭИИМ в линейном режиме на границе рабочей зоне луча Spot достигает примерно 43дБВт. Качественным показателем для сравнительной оценки эффективности спутника для организации VSAT сети может служить cотношение:

Кроме того, необходимо учитывать и допустимый диапазон уровней сигнала на входе ствола, при котором сохраняется его линейность. В качестве примера в табл.3 приведены значения параметра P для некоторых зарубежных и отечественных спутников.

Спутник ЭИИМ в рабочей зоне по уровню –3дБ,дБВт Эффективность, Р в разах Примечание Intelsat 6 49.1 18.2 Луч Spot East, полоса ствола 150 МГц Intelsat 7 46.4 26.9 Луч Spot 1,полоса ствола 72 МГц Eutelsat-2 47.0 13.2 26.3 Широкий луч: полоса ствола 72 МГц полоса ствола 36 МГц Экспресс-А(Экспресс) 40.5 8.9 Луч 3.5х7.0,полоса ствола 36 МГц

Чем выше значение Р, тем меньший размер антенн может быть применен в станциях VSAT. Соответственно, станции дешевле и функционально привлекательнее для потребителя. Обычно компании интеграторы предоставляют возможность применения антенн от 0.9 до 2.5 м в Ku - диапазоне частот в зависимости от энергетики спутника и объема передаваемой информации.

Российские системные интеграторы и базовые технологии.

На российском рынке VSAT в основном представлены базовые технологии зарубежных компаний (табл.4) . Например, особую активность и известность имеют компании Gilat , NEC и Hughes, которые являются мировыми лидерами в области VSAT сетей. Эти компании в совокупности контролируют не менее 70% мирового рынка VSAT. Проявляют активность и менее известные компании ( Sattel, Globecomm и другие). Российские компании- интеграторы VSAT сетей (табл.4 ) в основном используют базовые технологии зарубежных компаний, иногда включая в состав VSAT станции антенны отечественного производства. Исключением, пожалуй, является базовая технология VSAT станций "Стела", разработанная по инициативе Центрального Банка Российской Федерации для организации выделенной спутниковой сети связи "Банкир-2". Производство этих станций налажено в России, хотя элементная база частично зарубежная.

Востребованность сетей спутниковой связи в России сегодня можно оценить как высокую. Достаточно активно развиваются сети крупных монополистов : сеть "Уголь- Телеком", сеть SpaceStar PAО "ЕЭС", на базе спутника Ямал-100 развертывается сеть Газпрома.

Тем не менее, VSAT технологии в Ku -диапазоне еще развиты довольно слабо. Основная причина конечно отсутствие средств для их внедрения у заинтересованных заказчиков. Но уже достаточно очевидно для всех, что без современных видов связи развитие крупных и даже средних компаний сегодня невозможно.

Компания Поставщик оборудования Базовая технология Краткие характеристики сети и станций Московский-Телепорт ACT Networks (США) SkyPerfomer Используется техенология Frame Reley. Метод доступа SCPC/DAMA.Число каналов абонентской станции до 8.Телефоп 8 кбит/с. Nortel DAS Network Systems (Германия) SkyWan Используется техенология Frame Reley. Метод доступа tdMA/DAMA.Телефоп 8 и 4.8 кбит/с, фокс 9.6 кбит/с,Данные до 48 кбит/с.Число каналов абонентской станции до 8. Сат-Тел Hughs Network Systems TES Quantum Сеть РОСВИТКосмический сегмент-ИСЗ Горизонтили Экспрессдиапазон Стопология сети Meshабонентские станции:данные 64кбит/стелефон 14.4кбит/счисло каналов 2имеется система автосопровождения Ст.-Петербургский телепорт Nera SuperVSAT Космический сегмент-ИСЗ LMI-1Диапазон Ku Топология сети Mesh с выделенными магистральными каналами SCPC/PAMA Центральная станция с антенной 7.3м Сеть рассчитана на 115 одноканальных абонентских станций ВИСАТ-ТЕЛ Ижевский радиозавод, Элсов СТЕЛА Сеть "Банкир-2" Космический сегмент-ИСЗ Intelsat704 или Экспресс Диапазон Ku Топология сети Mesh с выделенными магистральными каналами SCPC/PAMA Центральная станция с антенной 7.4м Узловые станции с антенной 3.7м Абонентские станции с антенной до 2.4м, канальная скорость 64/128кбит/cчисло каналов 2 Сеть рассчитана на 550 абонентских станций и 36 магистральных направлений Сирена-Телеком ViaSat, Satellite Networks* CL-400 SkyLinx Сеть "Сирена-3" Космический сегмент-ИСЗ Intelsat 604 или ЭкспрессДиапазон C и KuАбонентские станции с канальной скоростью 128кбит/сСеть рассчитана на 250 станций   Центр обслуживания земных станций Globecom Systems, Inc. CES2001 Н.д. Элсат Gilat Sattllite Networks Н.д. Н.д. ROILCOM Comsat Lab. Linkway Сеть Роснефть Космический сегмент-ИСЗ Intelsat, 83 град.в.д.диапазон С в составе сети более 50 станций ГАЗКОМ NEC Nextar-AA/tdMA Nextar-BOD Сеть на основе ИСЗ Ямал-100, С-диапазон частот. Построение сети по схеме Star и/или Mesh.Канальная скорость 35 или 17.5 кбит/с ГП "Космическая cвязь" NEC Nextar Сеть ГПКС Космический сегмент-ИСЗ Горизонт или ЭкспрессДиапазон C и Ku

Примечание: ^*ViaSat представляет продукцию компании Sientific Atlanta.

Стоимость станций, сети и обслуживания.

Ответ на вопрос стоимости всегда неоднозначен. Существует естественное противоречие - продавец хочет продать дороже , а покупатель купить дешевле. Причем компромисс, как правило, всегда в пользу продавца.

Cтоимость VSAT станции, а тем более сети зависит от многих факторов, среди которых основным является функциональная задача создаваемой сети. Для упрощения можно сказать, оборудование станции для организации сети типа Star примерно в два раза дешевле , чем для сети Mesh. Однако, это не означает , что сеть Star всегда будет дешевле. Довольно значительные затраты необходимы для создания и обслуживания центральной земной станции ( они могут достигать 1 -2 млн. долл.). По результатам анализа обзорных зарубежных публикаций и некоторых данных отечественных компаний примерные абсолютные значения стоимости только оборудования VSAT станции составляет: для сети типа Star от 8000 до 12000 дол., а для сети типа Mesh от 16000 до 30000 дол.(в специальных случаях и более).

Заметную дополнительную лепту в общую стоимость вносят затраты на аренду космического сегмента. Например, стоимость долговременной аренды ствола Ku- диапазона с полосой 36 МГц на ИСЗ Intelsat примерно 1.2-1.4 млн. дол. в год ( каждые 100кГц полосы обойдутся в 3.5-4.0 тыс. долл. в год).

Минимальные общие затраты необходимые для создания VSAT сети типа Star с учетом только этих факторов можно выразить следующим соотношением Со=Сц + N* Сст + Саst, а для сети типа Mesh Со=2 N* Сст + Саms, где Саst и Саms стоимость аренды ресурсов ИСЗ.

Не следует забывать и об узаконенном рэкете, связанным с получением разрешений, сертификации, лицензирования ……Россия как всегда в таких вопросах занимает лидирующее положение в мире. Эти процессы связаны не только с дополнительными финансовыми затратами, но требуют и ,большого временя для их решения. , лишая спутниковые технологии одного из главных преимуществ - развернуть станции и создать сеть "в чистом поле".

Все приведенные выше составляющие стоимости лежат на поверхности, менее очевидны затраты, которые несет заказчик в процессе создания сети и, тем более, после начала ее эксплуатации. Дело в том, что существуют как минимум два подхода. Первый заключается в том, что намеренно занижается стоимость VSAT станции, но в последующем это с лихвой окупается за счет повышенной стоимости инстоляции станций и услуг по техническому обслуживанию сети. Второй предусматривает реальную стоимость станции с учетом будущих затрат по гарантийному обслуживанию и меньшую стоимость по техническому обслуживанию.

В любом случае минимизировать затраты, связанные с инсталляцией станций, гарантийным и послегарантийным обслуживанием станций и, тем более, сети в целом довольно проблематично. Например, иногда свои услуги по продаже станций и созданию VSAT сети предлагают компании, которые не обладают службой сервисной поддержки. В результате может оказаться, что купив VSAT станции, Вы в итоге окажетесь один на один с проблемой инсталляции и обслуживания, а уж если случится поломка, то ее устранение обойдется Вам не только дорого, но и потребует массу организационных усилий. По международным оценкам затраты на создание и обслуживание VSAT сети соизмеримы со стоимостью оборудования.

Конечно в рамках одной статьи невозможно дать полные сведения о всех аспектах ,связанных с VSAT технологиями. Однако даже те данные, которые приведены, показывают, что на мировом рынке предлагается достаточно большое многообразие VSAT станций для любых видов услуг связи. К сожалению, российские компании - интеграторы вынуждены в основном предлагать решения для организации VSAT сетей, базирующиеся на зарубежной технологии. Исключением является технология "Стела", которая сегодня в основном ориентирована на организацию VSAT сетей подобных сети " Банкир-2" (или ее фрагментов). Существенным фактором, сдерживающим развитие VSAT технологий в России, является и отсутствие подходящих по энергетике российских геостационарных спутников Ku -диапазона. Можно надеяться , что после запуска cпутников новой серии "Экспресс-АМ" ситуация постепенно улучшится, поскольку потенциальные возможности разработки и производства VSAT станций в России еще сохранились.