VSAT

1. VSAT Joe Montana IT 488 - Fall 2003

2. Použité zdroje Leila Z. Ribeira Class Handouts VSAT aktuálny materiál bol prebratý zo stránok internetových poskytovateľov

3. Dôležitá poznámka Autorské práva pre niektoré obrázky uvedené v tejto prednáške sú vlastníctvom INTELSAT, ITU-R

4. Obsah: Úvod Aplikácie Implementácia Riadenie prístupu Metódy prístupu Interferencia, modulácia a kódovanie Pozemské stanice

5. Úvod

6. Úvod VSAT = very small aperture terminal (zariadenia s veľmi malou parabolickou anténou, veľkosť 0,55m až 3,7 m) Prvé pozemské stanice pre komerčné systémy (účely ) boli veľmi veľké a drahé (rozmer 30m) Bolo nutné aby sa systémy cenovo sprístupnili pre koncových používateľov a to: zvýšením vysielacieho výkonu zo satelitu použitím vyšších frekvecnií výsledok: požiadavka na menšie antény pre pozemské stanice

7. Systémy s veľkou anténou Bod zlomu medzi veľkou a malou anténou je približne 100-násobok vlnovej dĺžky Nad “bodom zlomu” sú ešte tzv. „BACK-FED“ konfigurácie ako Cassegrain alebo Gregorian - sú ekonomicky a technicky priateľnejšie (sub-reflektor musí mať min. 10 vlnových dĺžok). terminály s anténou pod tzv. „bodom zlomu“ sú Very small aperture terminals. Menšie antény  nižší zisk linky (energetický)

8. Typické veľkosti antén V pásme C: pod 5 metrov (100 násobok λ pri 6 GHz). Ďalšia terminológia: USAT = Ultra Small Aperture Terminal – terminál s extrémne malou parabolickou anténou Štandardné VSAT antény ( INTELSAT – tabuľka na ďalšej strane) Menšie antény sa tiež zahrňujú do konceptu VSAT alebo USAT (DTH, MSS, atď.). Tieto systémy budú oddelene skúmané v tomto materiáli.

9. Tab.9.1 Štandard INTELSAT pre VSAT antény Sumár charakteristických vlastností pre INTELSAT VSAT IBS antény Prebrané od INTELSAT Earth station Standards (IESS)207(pásmo – C) a208(pásmo – Ku)[2]

10. VSAT Aplikácie VSAT, Joe Montana, IT 488 - Fall 2003, G. Mason Univ. preložil: M. Škára, 2010

11. Systémy VSAT • Hlavný cieľ VSAT Systémov:doručiť službu priamo koncovému užívateľovi • Hlavné dôvody: • Zredukovať hierarchiudistribučnejsiete (zefektívniť a zrýchliť – napríklad POS credit) • Zredukovať náklady na prenos • Technológia „náhodného testovania“ v rozvojových krajinách (napríklad VSAT/WLL) Point of Service

12. VSAT/WLL - 1 • Telekomunikácie a cesty sú dve hlavné požiadavky na ekonomický rast v rozvojových krajinách • V mnohých rozvojových krajinách neexistujú hlavné telekomunikačné infraštruktúry • RIEŠENIE • Distribuovať linky do obcí prostredníctvom satelitov/VSAT • Použitie miestnej bezdrôtovej slučky (WLL- WirelessLocal Loop) z VSAT

13. VSAT/WLL - 2 • Geostacionárne družice slúžia na prepojenie veľkého počtu VSATov s hlavnou ústredňou vo veľkomeste. • Každý VSAT funguje ako spojenies lokálnou ústredňouv obcialebona dedine, na poslednej míli telefónne spojenie prebieha cez bezdrôtové miestne slučky.

14. VSAT/WLL - 3 (obojsmerný kanál)

15. VSAT/WLL – 4Závislosť od hustoty osídlenia • Ekonomické výhody riešenia VSAT/WLL primárne závisiaod hustoty osídlenia. • Fyzické vzdialenosti hlavných dopravných trás a geografické bariéry, rovnako ako demografia jednotlivých krajín a politický vplyv, môžu rozhodovať pri voľbe systému.

16. Motivácia pre využitie VSAT/WLL • Problém poslednej míle • Ťažko dostupné územia • Spoľahlivosť • Čas nasadenia (4-6 mesiacov vs. 4-6 týždňov) • Flexibilita • Náklady VS zdroj: www.bhartibt.com

17. ~0 Užívateľov/km2 ~10 Užívateľov /km2 ~100 Užívateľov /km2 ~1000 Užívateľov /km2 Hustota užívateľov je počet užívateľov na kilometer štvorcový Nehospodárne: Vyžaduje veľké investície na implementáciu VSAT/WLL: Javí sa ako najlepšie technologické prevedenie Fiber/Mikrovlnné FS: Tradičné pozemné pevné služby sa taktiež javia ako najlepšie prevedenie VSAT/WLL – 5Závislosť od hustoty osídlenia Približné ekonomické rozhodovacie „prahy“ pri voľbe systému pre obslúženie nových oblastí s rozdielnou hustotou populácie.

18. POS/VSAT • Malé streamovanie dát. • Prerušové streamovanie dát: vyžaduje viacnásobný prístup s pridelením podľa požiadavky (DAMA) • Správa poslaná na hlavný hub (zvyčajne žiadosť o autorizáciu), krátka správa prijatáv odpovedi. Pre užívateľov sú transakcie transparentné.

19. Implementácia

20. Implementácia VSAT - 1 • Existuje niekoľko spôsobov ako implementovať služby VSAT • Jednocestná (napríklad TV Broadcasting satellites) • Rozdelená - dvojcestná (Split-Two-Way - Split IP) implementácia (spätná linka od užívateľaneprichádza cez satelit; napr. DirecTV) • Dvojcestná implementácia (up- a down-link) Pozrieme sa iba na dvojcestnú implementáciu

21. IMPLEMENTÁCIAVSAT - 2 • Existujú 2 základné spôsoby ako implementovať VSAT Architektúru • STAR (hviezda) • VSAT-ty sú prepojené cez HUB • MESH (sieť, mreža) • VSAT-tysú spojenédohromady a neprechádzajú cez hub

22. IMPLEMENTÁCIA VSAT - 3 Vyššie oneskorenie Používajú sa v TDMA VSAT-och Vysoké investície do hlavného HUB-u Menšie VSAT antény (1,8 m štandardne) Nižšie VSAT náklady (cena) Ideálne pre interaktívne dátové aplikácie Ideálne pre veľké organizácie ako napríklad banky s centrálnym spracovaním dát Nižšie oneskorenie (250 ms) Používa sa v PAMA/DAMA VSAToch Nízke investície do hlavného HUBu Väčšie VSAT antény (typicky 3,8 m) Vyššie VSAT náklady (cena) Vhodné pri vysokých dátových tokoch Telefónne aplikáciea vysokorýchlostné linky typu bod-bod Zdroj: www.bhartibt.com

23. VSAT ARCHITEKTÚRA STAR (Hviezda)- 1 • V tejto sieťovej architektúre, celý tok dát prechádza cez hlavnú kontrolnústanicu alebo Hub. • Ak chce jeden VSAT komunikovať s iným VSATom, musí ísť cez HUB, čo vyžaduje “dvojitýskok” cez satelity. • Pokiaľ sa prevádzka šíri do všetkých smerov súčasne alebo v ľubovoľnom čase z HUB-u, táto architektúra sa nazýva STAR.

24. VSAT ARCHITEKTÚRA STAR (Hviezda)- 2

25. VSAT VSAT Satelit HUB VSAT VSAT VSAT VSAT ARCHITEKTÚRA STAR (Hviezda)- 3 Hviezdicová topológia VSAT siete z pohľadu satelitu. Príklad, ako sú komunikačné linky VSAT routované (smerované) cez hub vo vo všetkých prípadoch

26. VSAT ARCHITEKTÚRA Sieť (mesh) - 1 • V tejto sieťovej architektúre má každý VSAT možnosť komunikovať priamo s ľubovoľným iným VSATom • Pokiaľ signál smeruje do alebo z ľubovoľného VSAT-u, táto architektúra sa nazýva MESH (úplne poprepájaná sieť ). • Nie je nevyhnutné tútosieť riadiť, a funkciu HUB-u môže plniť jeden z terminálov, alebo funkcie riadiacej hlavnej stanice môžu byž zdieľané (viacerými, všetkými) terminálmi VSAT

27. VSAT Komunita VSAT ARCHITEKTÚRA Mesh - 2

28. VSAT VSAT VSAT VSAT Satelit VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT ARCHITEKTÚRA Mesh- 3 • Topológia MESH (Sieť)VSAT z pohľadu satelitu • Príklad, ako všetky VSATy komunikujú navzájom priamo cez satelit bez prechodu cez HUB – hlavnú kontrolnú stanicu

29. Výhody STAR-architektúry • Nízka hodnota EIRP uplinku pri VSAT (tým môže byť vreckový telefón) je kompenzovaná veľkým pomerom G/T hubu zemskej stanice • Nízky G/T downlinku používateľského terminálu je kompenzovaný veľkým EIRP hubu zemskej stanice • Môže byť veľmi výkonná, keď používateľská činnosť je časovo relatívne malá .

30. Nevýhodyarchitektúry STAR • VSAT terminal nemôže priamo komunikovať navzájom s ostatnými, musí komunikovať cez hub • komunikácia VSAT - VSAT je nevyhnutne dvojskoková • GEO STAR siete vyžadujúce dvojskok, nespĺňajú používateľské požiadavky vzhľadom na dobu oneskorenia

31. VÝHODY MESH • Používatelia môžu komunikovať priamo s každým bez potreby smerovania cez zemskú Hub-stanicu • Komunikácia VSAT - VSAT je jednoskoková • GEO MESH siete môžu spĺňať používateľské požiadavky s vzhľadom na dobu oneskorenia

32. Nevýhody MESH • Nízke hodnoty EIRP a G/T používateľského terminálu spôsobuje relatívne nízku obsadenosť transpondéra. • Pro veľkom počte potenciálnych požiadaviek na spojenie typu používateľ-používateľ, požiadavky na spojovanie na transpondéri budú určite predstavovať použitie technológie On Board Processing (OBP). • OBP je náročné z pohľadu hmotnosti užitočného nákladu a z pohľadu napájania.

33. Riadenie prístupu

34. Protokoly na riadenie prístupu • Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO) špecifikovala referenčný OSI model - ISO/OSI • ISO-OSI je abstraktný, na vrstvách založený opis návrhu štruktúry komunikačných a počítačových sieťových protokolov pre komunikáciu medzi 2 terminálmi • Satelitná linka používa fyzickú vrstvu (prenos bitov) • VSAT sieť musí mať kontrolór terminálu na každom konci linky (sieťová a linková vrstva) • Sieťové riadiace centrum je zodpovedné za zvyšné vrstvy.

35. Protokoly na riadenie prístupu Obrázky sú pod autorským právom. Reprodukcia len s povolením.

36. Protokoly na riadenie prístupu V tomto príklade, používateľ 1 a používateľ 2 vedú navzájom dvojcestnú komunikáciu. Každý používateľ interaktívne pôsobí na svoje lokálne zariadenie (napr. počítač klávesnica/displej) na aplikačnej vrstve ISO-OSI modelu. Ich transakcie sú potom smerované cez rozličné vrstvy s vhodnou konverziou atď., až pokiaľ ich obsah nie je pripravený na to, aby bol prenesený cez fyzickú vrstvu (satelitnú linku).

37. Problém oneskorenia • Scenár satelitu: • Typická šikmá dráha dosahu GEO satelitu: 39,000 km • Jednocestný prenos: ESSatelitES: 2 x vzdialenosť • Jednocestné oneskorenie: 2 x (vzdialenosť/rýchlosť) = 260 ms • Optická vláknová transkontinentálna linka: • 4000 km alebo cca 13 ms-onesk. • Navyše v oboch prípadoch: oneskorenie spôsobené z spracovaním: Niekoľko desiatok až vyše100 ms.

38. ÚVAHA MEŠKANIA - 1 10 ms jednosmerné meškanie Typické pre pozemné linky Obrázky sú pod autorským právom. Reprodukcia len s povolením.

39. ÚVAHA MEŠKANIA - 2 Predchadzajúci slide:Ilustrácia linky komunikujúcej 10 ms jedným smerom s meškaním a 60 ms okno V tomto príklade sa paket alebo rámec okamžíte posiela A1 od používateľa 1 k používateľovi 2. Používateľ 2 dostane prenos bez chýb a posiela späť potvrdenie, ktoré dostane v čase A2, 20 ms po počiatočnom prenose od používateľa 1. To je vnútri časového okna 60 ms. Časové okno sa posúva po každom úspešnom potvrdení. Prenos od používateľa 1 v čase B1 dostane používateľ 2, a potvrdenie dostane používateľ 2 v čase B2, počas nového okna 60 ms. V tomto príklade je každý paket alebo rám úspešne prijatý.

40. 260 ms one-way delay ÚVAHA MEŠKANIA - 3 Obrázky sú pod autorským právom. Reprodukcia len s povolením.

41. ÚVAHA MEŠKANIA - 4 Predchadzajúci slide:Ilustrácia linky komunikujúcej 260 ms jedným smerom s meškaním a 60 ms okno V tomto príklade sa paket alebo rámec A1 od používateľa 1 k používateľovi 2 posiela okamžite. Používateľ 2 dostane prenos bez chýb a odošle späť potvrdenie, ktoré je okamžite prijaté A2, 260 ms po prvom prenose od používateľa 1. Bohužiaľ, A2 končí po 60ms okne. Prenos od používateľa 1 je automatický ukončený protokolom, keď príde k prekročeniu limitu 60ms. Ignorujúc meškanie pri spracovaní v tomto príklade, používateľ 1 prenáša len po dobu 60 ms každých 260 ms, čo výrazne znižuje priepustnosť. Opäť sa nepredpokladá, že nastanú chyby.

42. Protokolové zmeny - 1 • VSAT protokol slúži vyrovnávacej pamäti na separáciu satelitnej siete od pozemnej. (spoofing). • VSAT siete sú normálne udržiavané ako nezávislé, súkromne siete, s manipulíciou na jednotky užívateľského rozhrania terminálov VSAT. • Satelitný prístupový protokol (s vyšším timeout oknom) je riešený VSAT/Hub jadrom siete, ktoré spracováva aj paket riešenia, kontroly zahltenia, smerovanie a prepínanie paketov a funkcie na správu siete. • Ak je potrebná protokolová konverzia, jej emuláciu ovláda gateway zariadenie.

43. PROTOKOLOVÉ ZMENY Obrázky sú pod autorským právom. Reprodukcia len s povolením.

44. Dizajnové úvahy • Použitím zakladných konceptov predstavených v TCOM507: Rozpočet linky, Viac prístupov, Modulačné schémy • Pridelenie frekvencií: Považované pevnou satelitnou službou (FSS), alokuje frekvencie: • C pásmo (4/6 GHz) • Ku pásmo (14/11 GHz) dnes čoraz bežnejšie • Ka pásom (30/20 GHz) do budúcnosti • Malé antény  Malá citlivosť (malé G/T). • Obmedzené odovzdávanie hustoty toku energie zo satelitu na uspokojenie regulačných obmedzení vzhľadom na zdieľanie pozemných frekvencií pásma C. Bežným riešením je použitietechniky rozprestretia spektra.

45. Prístupové metódy VSAT, Access Methods, Joe Montana, IT 488 - Fall 2003 preložil: J. Vereb, 2009/10

46. Viac možností prístupu • Výber zameraný na maximalizovanie použitia bežného satelitu a iných zdrojov medzi všetkými stanicami VSAT. • Posudzované metódy: • Vopred priradený viacnásobný prístup Pre-Assigned Multiple Access (PAMA) • Viacnásobný prístup priradený podľa požiadaviek Demand Assigned Multiple Access (DAMA) • Viacnásobný prístup s frekvenčným delením Frequency Division Multiple Access(FDMA) • Viacnásobný prístup s časovým delením Time Division Multiple Access (TDMA) • Pevne priradený TDMA • ALOHA a prideľovaná ALOHA • Dynamické rezervovanie • Viacnásobný prístup s kódovaným rozdelením Code Division Multiple Access (CDMA)

47. FDMA– viacnásobný prístup s frekvenčným delením • Všetky terminály VSAT zdieľajú satelitný zdroj len vo frekvenčnej doméne. • Umožňuje menšiu šírku pásma prijímača (menej šumového výkonu) • Požiadavky na nižší maximálny výkon prenosu. • Pracuje v topológii zapojenia do hviezdy i v topológii mesh (mreža). • Príklad: • QPSK (M=2), 64 kbps (Ri), FEC (k/n= ½), roll-off 0.5 (a) • Rb = Ri/r = 128 kbps • Rs = Rb/M = 64 kbaud • Pásmo prenosu = Bt = (1 + a) * Rs = 96 kHz • (umožňuje ochranné pásmo pre posúvanie kmitočtu : 120 kHz) • Pásmo príjmu = Br = Rs = 64 kHz

48. 300 FDMA kanály Príklad:hviezda – prichádzajúce prepojenie -FDMA Schéma hlasového kanála 64 kbit/s získavajúceho prístup na satelit pomocou FDMA Prichádzajúce prepojenie: terminály VSAT  Satelit  Hub stanica “Prichádzajúce kanály“ zo staníc VSAT f2 f1 36 MHz družicový transpondér Vzostupný prenos zo stanice VSAT rýchlosť prenosu informácií = 64kbit/s prenosový rozsah = 96 kHz Modulácia QPSK plus ½ - rozsahu FEC Pozemný kanál zo zariadenia používateľa 64 kbit/s ekvivalentný hlasový kanál prepojenie pozemných sietí/sietí VSAT

49. Príklad:hviezda – prichádz. prepojenie –FDMA(pokrač.) • Rýchlosť prenosu informácií 64 kbit/s je obsiahnutá v šírke pásma 96 kHz pri prenose do satelitu. • Šírka pásma satelitného transpondéra (od kmitočtu f1 do kmitočtu f2) je rozdelená do kanálov širokých 96 kHz tak, aby mnoho staníc mohlo súčasne získať prístup k transpondéru. • Každý 96 kHz-ový kanál vyžaduje určité množstvo spektra na každej strane na ochranu pred posunom kmitočtu, slabému filtrovaniu VSAT, atď. 96 kHz-ové kanály plus ochranné pásma na každej strane znamenajú pridelenie kanálov 120 kHz na terminál VSAT. • Z pohľadu pridelenia spektra by tak typický 36 MHz-ový satelitný transpondér umožňoval súčasný prístup 300 terminálov VSAT, pričom každý z nich prenáša ekvivalent hovorového kanála o rýchlosti 64 kbit/s. • Pretože každý terminál VSAT používa nepretržite jediný kanál na uplinku, často sa uvádza ako SCPC - Single Channel Per Carrier (jediný kanál vysielanýna frekvencii) - FDMA.

50. FDMA – Možnosti implementácie • PAMA (vopred priradený viacnásobný prístup) – znamená, že terminály VSAT majú vopred priradený určený kmitočet. Ekvivalent riešení pozemných prenajatých vedení, riešenia PAMA neustále používajú satelitné zdroje. Preto neexistuje omeškanie pri vytváraní spojenia, vďaka čomu sú najvhodnejšie pre interaktívne aplikácie dát alebo vysoké objemy prenosov. Ako taký, prístup PAMA sa bežne používa na pripojenie lokalít rýchleho prenosu dát v rámci organizácie. SCPC (jediný kanál na nosnú) sa vzťahuje na použitie jedinú satelitnú nosnú (frekvenciu) na prenos jedného kanála používateľského prenosu. V prípade terminálu VSAT SCPC je frekvencia pridelená na základe priradenia vopred. Pojem SCPC VSAT sa často používa striedavo s PAMA VSAT. • DAMA (Demand Assigned Multiple Access - viacnásobný prístup priradený podľa požiadaviek) – sieť používa súbor satelitných kanálov, ktoré sú k dispozícii na používanie ktoroukoľvek stanicou v danej sieti. Na požiadanie sa priradí dvojica dostupných kanálov, takže môže vzniknúť hovor. Po ukončení hovoru sa kanály vrátia do „fondu/zdroja“ na priradenie k inému hovoru. Keďže sa satelitný zdroj používa len v pomere k aktívnym okruhom a ich dobám obsadenia, ideálne sa to hodí pre hlasové prenosy a dátové prenosy v režime spracovania v dávkach. DAMA ponúka hovor, fax a prenos dát medzi dvoma stanicami (bod-bod), a podporuje videokonferenciu.