Nowe techniki w systemach VSAT

1. Nowe techniki w systemach VSAT Ryszard J. ZielińskiPolitechnika WrocławskaInstytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustykiwyb. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

2. Plan • Wstęp • Topologie sieci VSAT • Optymalizacja ruchu TCP/IP • Zapewnienie odpowiedniej jakości usług • Modulacja, kodowanie sygnałów i kompresja • Przykłady • Podsumowanie

3. Wstęp • Historia • sierpień 1984 roku - firma Xerox Computer Service uruchamia pierwszego VSAT-a

4. Wstęp • Historia • Greenwich • typowa antena o średnicy 1,2 m stosowana do odbioru telewizji satelitarnej. • ¼ watowy wzmacniacz mocy HPA (High Power Amplifier), • niskoszumny blok odbiorczy LNB (Low Nosie Block) stosowany typowo do odbioru telewizji satelitarnej • po raz pierwszy użyto terminu VSAT (Very Small Aperture Terminal)

5. Standaryzacja • CCIR (ITU-R) – 1992 (EMC) • Rec. 725 – definicja terminala VSAT • Rec. 726 – dopuszczalne emisje pozapasmowe • Rec. 727 – wymagania polaryzacyjne • Rec. 728 – EIRP poza główną wiązką • Rec. 729 – wymagania na parametry transmisyjne • ETSI – 1992 (EMC) • ETS 300 157 – VSAT odbiorczy • ETS 300 159 – VSAT nadawczo - odbiorczy • ETS 300 160 – system zarządzania - agent • ETS 300 161 – system zarządzania - centrala

6. System VSAT ??? • Pracuje w służbie stałej satelitarnej (FSS) • Tworzy zamknięte sieci • Pracuje w topologii gwiazdy, kraty i P-P • Instalowany bezpośrednio u klienta • Wyposażony w system zarządzania • Nadaje z szybkością < 2,048 Mb/s • Średnica anteny < 2,4 m (Ku) • Współpracuje z satelitami geostacjonarnymi • EIRP <57 dBm/40 kHz • Gr < 52 dBi

7. Obszary innowacyjności • dynamiczne dostosowanie topologii systemu • dostosowanie do obsługi ruchu TCP/IP • zapewnienie właściwej jakości świadczenia usług • zastosowanie najnowszych technik modulacji i kodowania • inne np. bezpieczeństwo

8. Topologie sieci VSAT • Topologia gwiazdy • Zalety: • Bilans energetyczny • Zarządzanie • Dołączenie do infrastruktury • Wady: • Duże opóźnienie

9. Topologie sieci VSAT • Topologia kraty • Zalety: • Mniejsze opóźnienie • Brak stacji centralnej (koszt) • Wady: • Bilans energetyczny • Topologia P - P • Zalety: • Bezpieczeństwo • Bilans energetyczny • Pasmo (BoD) • Wady: • Ograniczony obszar zastosowań

10. VSAT 3 w 1 + wiele satelitów • Zastosowanie transmisji pakietowych i zaawansowanych modemów satelitarnych umożliwia:

11. Optymalizacja ruchu TCP/IP • Podstawowe problemy: • Łącze z dużym opóźnieniem • Mechanizmy TCP/IP wrażliwe na opóźnienie: • algorytmu eksponencjalnego zwiększania rozmiaru segmentu (Probing Algorithm) • interpretacja utraty segmentu TCP jako oznaka przeciążenia • Łącze Gb/s bez błędów • Optymalna szybkość transmisji po 14,5 s

12. Spoofing • Moduł satelitarny stacji centralnej przesyła pakiety potwierdzeń do lokalnego serwera poprzez szerokopasmowe łącze naziemne - umożliwia to serwerowi przesyłanie danych do stacji centralnej poprzez szerokopasmowe łącze naziemne z maksymalną szybkością • Moduł satelitarny stacji centralnej buforuje dane i przesyła je łączem satelitarnym do terminala VSAT • Terminal VSAT przechwytuje wszystkie potwierdzenia wysyłane przez dołączony do niego komputer i przesyła do modemu satelitarnego stacji centralnej jedynie zagregowaną odpowiedź co określony czas • Na podstawie tej odpowiedzi moduł satelitarny kasuje pakiety w buforze • W przypadku wystąpienia błędnego pakietu jego retransmisja jest realizowana jedynie przez moduł satelitarny stacji centralnej do terminala VSAT

13. Przyspieszenie TCP - spoofing

14. Spoofing TCP Kolejki Retransmisja Zmiana sekwencji Satelita Serwer Terminal VSAT Sesja TCP Rozszerzona Sesja TCP Sesja TCP Przełacznik/hub klienta Stacja centralna Internet Ruter • Zarządza procesem akceleracji TCP • Utrzymuje sesję TCP z serwerem • Utrzymuje sesję TCP z terminalem Klient

15. Przyspieszanie usług Web (HTTP) • procedura nawiązania sesji TCP (transakcja web) wymaga trzykrotnej wymiany pakietów. • na żądanie połączenia SYN serwer przesyła do komputera PC pakiet SYN – ACK potwierdzający otrzymanie pakietu SYN i gotowość do nawiązania połączenia. • komputer PC przesyła pakiet ACK – REQUEST, który żąda rozpoczęcia transmisji przez serwer.

16. Przyspieszanie usług Web (HTTP) • Ze względu na opóźnienie w geostacjonarnym łączu czas potrzebny do przesłania przez serwer pierwszego pakietu danych do komputera PC przekracza jedną sekundę. • Jeśli ilość transmitowanej informacji jest mała, np. jest to tylko żądanie (Web request), to czas na przeprowadzenie procedury nawiązania sesji stanowi istotną część całego czasu wymiany informacji.

17. Przyspieszenie usługi Web (HTTP) • Mechanizm przyspieszania realizacji usług klient - serwer: • Wysłane przez aplikację klienta do serwera żądanie (pakiet SYN) jest przechwytywane przez terminal VSAT. • Terminal ten udziela natychmiastowej odpowiedzi komputerowi PC (wysłanie pakietu SYN-ACK) oraz transmituje żądanie poprzez łącze satelitarne do stacji centralnej. • Od tego momentu stosuje się procedurę synchronicznego oszukiwania komputera PC i serwera. • Serwer nie musi czekać na pakiet SYN-ACK, by znać drogę do komputera PC, • Komputer PC nie musi opóźniać wysłania pakietu ACK-REQUEST. • Dzięki temu powstaje połączenie, w którym obie strony „myślą”, że komunikują się bezpośrednio ze sobą poprzez łącze o bardzo małym opóźnieniu.

18. Przyspieszenie usługi Web (HTTP)

19. Jakość usług QoS - dostęp • Rozwiązanie klasyczne – zastosowanie protokołu ATDMA

20. Jakość usług QoS - dostęp • S-ALOHA • Najmniejsze opóźnienie • Prosta implementacja • Mała skuteczność (<37%) • Brak gwarancji jakości • DAMA • Duża skuteczność (<90%) • Gwarancja jakości • Większe opóźnienie • Złożona implementacja

21. Jakość usług QoS - dostęp • Rozwiązanie gwarantujące jakość (minimalne CIR)i małe opóźnienie • Odpytywanie bardzo krótką sekwencją • Rezerwacja zasobów • Obsługa ruchu • Odpytywanie bardzo krótką sekwencją • Rezerwacja zasobów • Obsługa ruchu • …

22. Jakość usług QoS - dostęp • Czas trwania procedury odpytywania można zminimalizować poprzez minimalizację wielkości pakietów odpytujących i pakietów odpowiedzi, w których zawarte są informacje o pakietach czekających na obsługę w kolejkach w każdym terminalu. • Można dynamicznie zmieniaćwielkość pasma przypisanego każdemu terminalowi wielokrotnie w czasie 1s. • Pasmo (liczbę szczelin czasowych ramki) można związać z: • wielkością kolejki w każdym terminalu, • wymaganiami CIR, • wymaganiami jakościowymi QoS (Quality of Service), • priorytetami kolejek, • ograniczeniami związanymi z szybkościami transmisji każdego terminala VSAT.

23. Gwarancja jakości usług • powiązanie mechanizmów gwarantujących jakość z typem usługi realizowanej przez każdy pakiet, przenoszony przez sieć VSAT • Przypisanie każdemu pakietowi poziomu obsługi (Service Level) • związanego z realizacją określonej usługi np. VoIP na określonym porcie • zwiazanego z grupą usług, np. wszystkie aplikacje stosujące TCP • na podstawie reguły lub zbioru reguł bazujących na informacjach zawartych w pakiecie:

24. Reguły klasyfikacji pakietów • Przypisanie pakietu do określonego poziomu obsługi na podstawie informacji o: • źródłowym i/lub docelowym adresie IP, • źródłowym i/lub docelowym adresie IP podsieci, • źródłowym i/lub docelowym numerze portu, • zakresie numerów portów źródłowych i/lub docelowych, • bitach DiffServ i ToS (Type of Service), • VLAN ID, • typie protokołu (UDP, TCP, HTTP, ICMP, IGMP).

25. Klasyfikator pakietów

26. Obsługa buforów danych • Koszt obsługi pakietu • Jakość obsługi x inne właściwości pakietu np. długość • Im mniejszy koszt obsługi tym większe prawdopodobieństwo wysłania pakietu • Sprawiedliwy algorytm kolejkowania pakietów(Weighted Fair Queuing Algorithm) • w określonym przedziale czasu wszystkie bufory mają możliwość wysłania swoich pakietów • W przypadku przeciążenia dla wszystkich poziomów obsługi, pojemnośćłącza będzie dzielona proporcjonalnie do kosztu pakietów znajdujących się w każdym z buforów

27. Hierarchizacja ruchu pakietowego • Wstępny podział ruchu (usług) na: • ruch w czasie rzeczywistym RT • ruch nie w czasie rzeczywistym N-RT • Możliwość występowania blokady, gdy terminal VSAT (stacja centralna) obsługuje jednocześnie strumienie RT i N-RT

28. Obsługa ruchu RT i N-RT Blokowanie pakietów RT przez długie pakiety N-RT

29. Płynne mieszanie ruchu RT i N-RT Zastosowanie segmentacji pakietów SAR SAR - Segmentation And Reassembly

30. Wygładzanie ruchu RT • Zjawisko zmienności opóźnienia (jitter) • W klasycznych systemach VSAT terminalowi VSAT przypisywano, w zależności od priorytetu realizowanych usług, określoną liczbę szczelin ramki transmisyjnej. • Szczeliny te, ze względu na sposób ich obsługi wygodnie było grupować w przylegające do siebie serie. • Powodowało to zwiększenie zjawiska zmienności opóźnienia pakietów, gdy terminal realizował usługi czasu rzeczywistego. • W najnowszych rozwiązaniach pakiety związane z usługami czasu rzeczywistego mogą być równomiernie rozpraszane (Timeslot Feathering Allocation) w ramce transmisyjnej.

31. Rozpraszanie pakietów RT Timeslot Feathering Allocation- patent

32. Modulacja • Systemy klasyczne - QPSK • zapewnia dobrą skuteczność widmową. Niewielkie są również wahania obwiedni amplitudy sygnału na skutek zmian fazy • Nowsze rozwiązania – OQPSK • Zmniejszenie wahań amplitudy - na granicy zmiany dwóch stanów faza nie może zmienić się o więcej niż90° • Mniejsze wahania amplitudy sygnału powodują, że w transponderze satelitarnym, pracującym w pobliżu punktu nasycenia, powstają mniejsze zniekształcenia

33. Modulacja • Systemy geostacjonarne – łącze ograniczone mocą • Trudności w implementacji modulacji wielowartościowych, które gwarantują uzyskanie bardzo niskiej BER • Wraz z rozwojem coraz doskonalszych odbiorników, wyposażonych w niskoszumne dekodery oraz rozwojem technik kodowania sygnału planuje się zastosowanie modulacji 8-PSK.

34. Modulacja 8-PSK • Możliwe będzie jeszcze skuteczniejsze wykorzystanie widma częstotliwościowego. • Szybkość transmisji może wzrosnąć o 50% w stosunku do szybkości uzyskanej przy użyciu modulacji QPSK. • By zapewnić taką samą stopę błędów należy zwiększyćEb/N0. • Przykładowo, by zachować taka samą stopę błedów równą 10-8, należy zwiększyć moc sygnału8-PSK o około 3,2 dB

35. Dynamiczny dobór modulacji i kodowania

36. Kodowanie protekcyjne • Systemy klasyczne • Liniowe kody blokowe • Kody splotowe • Kody kaskadowe (blokowy + splotowy) np. RSV • Błędy seryjne – kod blokowy RS • Błędy losowe pojedyncze – kod splotowy • Np. RSV o skuteczności 0,806 – DVB-S i DVB-RCS • Nowsze rozwiązania • Turbo-kody TPC (Turbo Produkt Code) o 7 skutecznościach • Kody LDPC (Low Density Parity Check) • Iteracyjne dekodowanie wymagające dużej mocy procesora

37. Kodowanie protekcyjne Granica Shannona Porównanie RSV - TPC 0,973 TPC 0,806 RSV 1,3 dB

38. Kodowanie protekcyjne Porównanie RSV – TPC - LDPC LDPC TPC RSV

39. Kodowanie protekcyjne Skuteczność widmowa - porównanie

40. Kompresja informacji Kompresja stratna • Strony sieci WWW przygotowane są do transmisji w naziemnych łączach szerokopasmowych • Moduł satelitarny przechwytuje treści HTTP, dokonuje ekstrakcji rysunków jpeg, zmniejsza ich rozdzielczość i ponownie umieszcza w strumieniu HTTP

41. Rynek VSAT – zalety i wady • Dominują dwa rozwiązania: • DVB-S, DVB-S2 i DVB-RCS (kapsułkowanie) • Rozwiązanie standaryzowane • Uniwersalna platforma transmisyjna • Możliwość wykorzystania wolnych pojemności satelitów DTH • Kapsułkowanie obniża sprawność • TCP/IP (bezpośrednia transmisja) • Rozwiązania firmowe • Doskonałość techniczna rozwiązań • Wysoka sprawność w wykorzystaniu zasobów radiowych

42. DVB-S Terminal Hughes HX100 standard IPoS • Łącze do terminali DVB-S i DVB-S2: 1 – 45 Ms/s • Łącze od terminali DVB-RCS: 128 kb/s - 3,2 Mb/s • Kodowanie – łącze do terminali: • DVB-S1: RSV ze skutecznością: 7/8, 5/6, ¾, 2/3, ½ • DVB-S2: BCH z LDPC 3/5, 2/3, 3/4, 5/6, 8/9, 9/10 (8-PSK)lub 1/2, 3/5, 2/3, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10 ( QPSK) • Modulacja: QPSK, 8-PSK • BER ‹10-10 • Łącze od terminali • Dostęp FDMA/TDMA • Modulacja OQPSK • Kodowanie: turbo-kod o sprawności ½ • Gwarancja min/max CIR • dynamiczna alokacja pasma DBA

43. TCP/IP iDirect ruter satelitarny serii 5000 5IF Infinity HUB • Wbudowane przyspieszenie TCP, HTTP, kompresja • CiR na żądanie i gwarancja QoS • Łącze do terminali • TCP/IP: 128 kb/s - 18 Mb/s • Kodowanie: TPC: 0,879; 0,793; 0,533; 0,495; (0,431) • Modulacja: QPSK, (8-PSK, BPSK) • D-TDMA (skuteczność <98%) • Łącze od terminali • TCP/IP: 64 kb/s – 4,2 Mb/s (8,4 Mb/s) • Kodowanie: TPC: 0,793; 0,66; 0,533; (0,431) • Dostęp MF-TDMA • Modulacja QPSK, (8-PSK, BPSK)

44. Nowe techniki w systemach VSAT Dziękuję za uwagę

45. Ogródek antenowy na dachu budynku ITTA PWr