Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

1

Nowe techniki w systemach VSAT

Ryszard J. Zieliński

Politechnika Wrocławska

Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki

wyb. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

1.

Wstęp

W sierpniu 1984 roku firma Xerox Computer Service przeprowadziła wstępne testy

połączenia poprzez satelitę swojego komputera centralnego IBM 3090 i procesora czołowego
FEP IBM 3725 zainstalowanych w Hawthorne w Kaliforni ze sterownikiem IBM 3274
zlokalizowanym w Greenwich w stanie Connecticut. Szybkość transmisji do komputera
centralnego (inbound) wynosiła 2400 b/s a szybkośc transmisji do sterownika (outbound)
9600 b/s. Połaczenie zostało zestawione poprzez transponder pracujący w paśmie Ku na
satelicie SPACENET 1. Stacja w Greenwich wyposażona była w typową antenę o średnicy 1,2
m stosowaną do odbiory telewizji satelitarnej. Integrując ¼ watowy wzmacniacz mocy HPA
(High Power Amplifier), niskoszumny blok odbiorczy LNB (Low Nosie Block) stosowany
typowo do odbioru telewizji satelitarnej z anteną stworzono pierwszy terminal z małą anteną.
Wtedy również po raz pierwszy do określenia tego typu rozwiązania użyto stosowanego do
dnia dzisiejszego skrótu VSAT (Very Small Aperture Terminal) [1]. Od tego czasu systemy
VSAT znajdują się w nieustannym rozwoju. Swoją dojrzałość techniczną osiągnęły one na
początku lat 90 ubiegłego stulecia. Przyczynił się do tego rozwój technologiczny urządzeń
oraz prace normalizacyjne prowadzone w CCIR (Comité Consultatif International des
Radiocommunication) (obecnie ITU-R) oraz w ETSI (European Telecommunications
Standards Institute), które doprowadziły do opracowania Zalecenia 725 oraz odpowiednich
norm europejskich. W świetle tych norm [2] systemy VSAT pracują:

•

w satelitarnej służbie stałej FSS (Fixed Satellite Service),

•

zwykle w zamkniętych sieciach,

•

w topologii gwiazdy (star), kraty (mesh) oraz punkt-punkt.

Terminale VSAT są zazwyczaj instalowane bezpośrednio u użytkownika, są monitorowane i
sterowane przez system zarządzania, spełniający wymagania Zalecenia ITU-R 729, nadają z
szybkością nie przekraczającą 2,048 Mb/s, średnica anteny nie może przekraczać 2,4 m
(pasmo Ku), współpracują z satelitami geostacjonarnymi. Ponadto normy nakładają na
terminale dodatkowe ograniczenia związane z maksymalną wartością zastępczej mocy
promieniowanej izotropowo EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power), która nie może
przekraczać 57 dBm w paśmie 40 kHz oraz zyskiem anteny podczas odbioru, który musi być
mniejszy od 52 dBi.

Producenci dostosowali się do tych wymagań i stworzyli w latach dziewięćdziesiątych

szereg systemów, które zapewniały właściwe parametry transmisyjne, m.in.: szybkość
transmisji i jakość świadczenia usług dostosowaną do eksploatowanych wtedy różnych
systemów naziemnych. Wraz z rozwojem naziemnych systemów telekomunikacyjnych, a
szczególnie wraz z rozwojem technik stosowanych w sieci Internet okazało się, że ze względu
na duże opóźnienie propagacyjne w łaczu do satelity geostacjonarnego bezpośrednie
zastosowanie protokołu TCP/IP nie jest łatwe. Przez długi okres czasu podstawową metodą
przenoszenia pakietów IP było ich kapsułkowanie w komórkach ATM (Asynchronous

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

2

Transfer Mode) lub kapsułkowanie w kontenerach strumienia transportowego DVB-S.
Ostatnia z metod stosowana jest z powodzeniem w najnowszych rozwiązaniach VSAT do
dnia dzisiejszego. Wraz z rozwojem technik etykietowania pakietów pojawiły się również
inne, skuteczne rozwiazania. Zastosowanie technik pakietowych we wszystkich elementach
systemu VSAT umożliwia znaczne zwiększenie funkcjonalności tego typu systemów przy
realizacji różnorodnych usług multimedialnych, znacznie upraszcza architekturę systemu i
zwiększa możliwości operatora w świadczeniu określonych typów usług w sposób optymalny.

2.

Topologie sieci VSAT

Jeszcze do niedawna systemy VSAT, w zależności od przeznaczenia, budowane były

w oparciu o jedną z trzech podstawowych topologii: gwiazdy, kraty i punkt - punkt. Topologie
te różniły się w zasadniczy sposób pod względem swoich własności.

W systemach o topologii gwiazdy informacja przesyłana pomiędzy terminalami

przechodzi przez tzw. stację centralną (hub station). Stacja ta jest zazwyczaj wyposażona w
dużą antenę, przez co poprawia się bilans energetyczny łącza a terminale VSAT mogą być
wyposażone w mniejsze anteny i transmitować większe strumienie danych. W tego typu
systemach łatwiej jest również nadzorować pracę całego systemu oraz organizować dostęp do
publicznych naziemnych systemów łączności poprzez stację centralną (rys.2.1). Wadą tego
typu rozwiązania jest duże opóźnienie transmisji związane z propagacją.

Stacja centralna - hub

Terminal VSAT

Terminal VSAT

Satelita

Rys. 2.1. Transmisja informacji w systemie VSAT o architekturze gwiazdy

W systemach VSAT o architekturze kraty informacja przesyłana jest bezpośrednio

pomiędzy terminalami (bez pośrednictwa innych stacji). W zależności od wybranego sposobu
organizacji systemu jedna ze stacji (dowolnie wybrana) może pełnić funkcje stacji centralnej
ale tylko w zakresie zarządzania systemem. Zajmuje się ona zestawianiem oraz zwalnianiem
łączy, monitorowaniem jakości łączy, billingiem itp. W systemach o architekturze kraty
terminale wyposażone są w relatywnie większe anteny i przenoszą mniejszy ruch. Opóźnienie
jest w tym przypadku mniejsze niż dla topologii gwiazdy.

VSAT C

Satelita

VSAT B

VSAT A

(a)

(b)

VSAT A

VSAT B

VSAT C

£¹cze

satelitarne

Rys. 2.2. System VSAT o architekturze kraty (a) przykład z trzema terminalami VSAT (strzałki

reprezentują przepływ informacji w łączach pomiędzy. (b) uproszczony schemat

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

3

W systemach typu punkt - punkt nie jest wymagana stacja centralna hub, gdyż nie

występują problemy związane z zestawieniem połączenia. Funkcje zarządzania i
monitorowania systemu realizowane są zazwyczaj poza nim na poziomie podstawowym,
wymaganym przez normy ETS 300 160 i ETS 300 161 [3, 4]. Systemy tego typu są
szczególnie przydatne do realizacji usług wymagających dużych, szybkości i umożliwiają
łatwe dopasowanie pasma transmisyjnego oraz zagwarantowanie bezpieczeństwa.

Operator, który zamierzał świadczyć usługi różnego typu musiał stosować trzy systemy

pracujące w różnych topologiach. Przejście do transmisji i komutacji pakietów umożliwiło
zbudowanie systemu, który umożliwia konfigurację i jednoczesną pracę terminali VSAT w
wymienionych wcześniej topologiach. Przy użyciu jednego systemu operator ma możliwość
wyboru optymalnej dla danej grupy terminali konfiguracji. Można również realizować
transmisję pomiędzy terminalami pracujacymi w różnych konfiguracjach. Znacznie ułatwione
jest również budowanie systemów, które jednocześnie mogą stosować do transmisji kilka
satelitów i to pracujących w różnych pasmach.

Stacja

centralna

(hub)

Terminale

VSAT

Topologia kraty

Topologia

gwiazdy

Topologia P - P

Satelity na

pasmo C

lub Ku

Topologia P - P

Topologia gwiazdy

Topologia

gwiazdy/kraty

Rys. 2.3. System VSAT pracujący w różnych topolgiach z dwoma satelitami

3.

Optymalizacja ruchu TCP/IP

Protokół TCP/IP ze wzgledu na swoje specyficzne właściwości przez długi okres

czasu nie mógł być skutecznie implementowany w bezpośredni sposób w łączach
satelitarnych stosujących geostacjonarne satelity. Głównie ze względu na algorytm wolnego
startu SSA (Slow Start Algorithm) uzyskiwano bardzo niską sprawność wykorzystania
szerokopasmowego kanału satelitarnego. Algorytm ten składa się z:

•

algorytmu eksponencjalnego zwiększania rozmiaru segmentu (Probing Algorithm),

•

oraz mechanizmu interpretacji utraty segmentu TCP jako oznaki przeciążenia łącza.

Najgorsza sytuacja występuje wtedy, gdy transmisja danych jest zakończona, zanim

algorytm SSA zakończy optymalizację długości segmentu. Użytkownik w takim przypadku
nigdy nie uzyska szybkości transmisji danych zbliżonej do przepustowości łącza. Również
sposób uzyskiwania dostępu do określonych usług sieci Internet wymaga kilkukrotnej
wymiany pakietów pomiędzy terminalem użytkownika i hostem, co prowadzi do małej
skuteczności wykorzystania kanału transmisyjnego. Taka sytuacja występuje dla protokołu i
aplikacji WWW. W celu rozwiązania tych problemów w najnowszych systemach VSAT
implementujących transmisję pakietową w łączu satelitarnym zastosowano dobrze znane z
rozwiązań klasycznych techniki „oszukiwania” urządzeń końcowych tzw. spoofing.

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

4

Moduł satelitarny stacji centralnej (rys.3.1) przesyła pakiety potwierdzeń do lokalnego

serwera poprzez szerokopasmowe łącze naziemne tak, jakby to zrobił komputer znajdujący się
przy terminalu VSAT. 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. W tym samym
czasie terminal VSAT przechwytuje wszystkie potwierdzenia wysyłane przez dołączony do
niego komputer i przesyła do modemu satelitarnego stacji centralnej jedynie zagregowaną
odpowiedź co określony czas np. co 200 ms. Na podstawie tej odpowiedzi moduł satelitarny
kasuje pakiety w buforze. W przypadku wystąpienia błędnego pakietu jego retransmisja jest
realizowana przez moduł satelitarny stacji centralnej do terminala VSAT a nie przez serwer
do komputera dołączonego do terminala. Utrzymuje to średnią szybkość transmisji na bardzo
wysokim poziomie, porównywalnym z systemami naziemnymi.

Satelita

Serwer

Moduł

satelitarny

SYN

SYN - ACK

ACK

Request

ACK

ACK

ACK

ACK

ACK

ACK

Request

DANE

FIN

Akceleracja

TCP

Terminal

VSAT

Komputer

PC

HUB

Szerokopasmowa

sie

ć

naziemna

Rys. 3.1. Wymiana pakietów przy zastosowaniu przyspieszenia dla protokołu TCP [9]

Jak pokazano na rysunku 3.1 procedura nawiązania sesji TCP wymaga trzykrotnej

wymiany pakietów pomiędzy komputerem dołączonym do terminala VSAT a serwerem
dołączonym do stacji centralnej. Procedura ta nazywana jest również jako transakcja Web i
stosowana jest we wszystkich aplikacjach stosujących protokół HTTP. W odpowiedzi na
żą

danie połączenia SYN wysłane przez aplikację pracującą w komputerze klienta serwer

przesyła do komputera PC pakiet SYN – ACK potwierdzający otrzymanie pakietu SYN i
gotowość do nawiązania połączenia. Następnie komputer PC przesyła pakiet ACK –
REQUEST, który żąda rozpoczęcia transmisji przez serwer. 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. Powoduje to duże opóźnienie w
reakcji na akcję użytkownika i stwarza wrażenie powolności działania serwera.
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie w najnowszych rozwiązaniach systemów
VSAT mechanizmu przyspieszenia dla aplikacji Web.

Mechanizm przyspieszania realizacji usług Web polega na realizacji następującej serii

zdarzeń. 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 łacze
satelitarne do stacji centralnej. Od tego momentu stosuje się procedurę synchronicznego

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

5

oszukiwania komputera PC i serwera. Powstaje połączenie, w którym obie strony „myślą”, że
komunikują się bezpośrednio ze sobą poprzez łącze o bardzo małym opóźnieniu.

Satelita

Serwer

Moduł

satelitarny

SYN

SYN - ACK

ACK

Request

ACK

ACK

ACK

ACK

ACK

ACK

Request

DANE

FIN

Akceleracja

TCP

Terminal

VSAT

Komputer

PC

HUB

Szerokopasmowa

sie

ć

naziemna

SYN - ACK

ACK

Akceleracja

Web

Rys. 3.2. Przyspieszenie działania aplikacji stosujących protokół http [9]

4. Zapewnienie odpowiedniej jakości usług

System VSAT powinien świadczyć usługi z wymaganą przez klienta jakością QoS. W

celu realizacji tego zadania terminale VSAT muszą stosować odpowiednie protokoły dostępu
do łącza satelitarnego. Jedną z najczęściej stosowanych metod jest stosowanie adaptacyjnego
protokołu TDMA (Time Division Multiple Access). Jego praca polega na podziale całego
dostępnego pasma transmisyjnego na dwa podpasma. W jednym z nich system stosuje
protokół losowego dostępu szczelinowy ALOHA. Przy jego użyciu można w skuteczny
sposób przesyłać ruch interaktywny, składający się z krótkich wiadomości. Cechą
charakterystyczną tego protokołu jest najmniejsze opóźnienie transmisji wiadomości.
Optymalną skuteczność transmisyjną protokołu uzyskuje się przy natężeniu ruchu równym
jednej wiadomości przypadającej na każdą szczelinę czasową. W tym przypadku teoretyczne
maksimum przepustowości wynosi 36,7% pojemności transmisyjnej przypisanego podpasma.
W drugim podpaśmie stosuje się protokół rezerwacyjny DAMA (Demand Assignment
Multiple Access), który w optymalny sposób przenosi długie wiadomości poprzez łącze
satelitarne, rezerwując dla nich ściśle określoną liczbę szczelin w ramce transmisyjnej.
Protokół ten wprowadza jednak większe opóźnienie, spowodowane procesem rezerwacji.

Wadą stosowania protokołu ATDMA jest możliwość powiązania doboru optymalnego

protokołu dostępu jedynie z długością wiadomości, którą terminal zamierza przesłać do stacji
centralnej. Można również określonej grupie terminali przypisać jedną z wymienionych metod
dostępu na stałe, przez co w istocie przypisuje się jej określony priorytet, wyższy dla
protokołu rezerwacyjnego, niższy dla protokołu losowego. Stosowane rozwiązania nie są
jednak skuteczne w przypadku przesyłania przez system VSAT ruchu pakietowego. Nie
gwarantują one uzyskania właściwej jakości usług.

Jedynym skutecznym rozwiązaniem problemu gwarancji jakości usługi jest

powiązanie mechanizmów gwarantujących jakość z typem usługi realizowanej przez każdy,
przenoszony przez sieć VSAT pakiet. W tym celu należy na wstępie dokonać klasyfikacji
ruchu. Każdemu pakietowi przypisuje się poziom obsługi (Service Level). Poziom ten może
być związany z określoną aplikacją np. transmisja głosu przy użyciu pakietów IP - VoIP

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

6

(Voice over IP) z jednego adresu IP lub też może reprezentować szeroką grupę aplikacji,
np.wszystkie aplikacje stosujące protokół TCP. Przypisanie pakietu do określonego poziomu
obsługi może odbyć się na podstawie określonej reguły lub zbioru określonych reguł
bazujących na informacjach zawartych w każdym pakiecie.

Dla każdego poziomu obsługi tworzony jest bufor, do którego wprowadzane są

pakiety spełniające ściśle określone reguły selekcji. Kolejnym krokiem jest opracowanie
algorytmów obsługi pakietów znajdujących się w buforach.

Kolejki o ró

ż

nych

poziomach obsługi

Ł

ą

cze satelitarne

Klasyfikator pakietów

Bufory

Obsługa kolejek

Wej

ś

ciowy strumie

ń

pakietów

Wyj

ś

ciowy strumie

ń

pakietów

Rys. 4.1. Tworzenie buforów zawierających pakiety o określonym poziomie obsługi

Znanych jest bardzo dużo algorytmów kolejkowania pakietów dla ruchu

wychodzącego. Część z nich opiera się na nadaniu odpowiednich priorytetów dla pakietów
znajdujących się w oddzielnych buforach. Priorytet nadany określonemu pakietowi związany
jest z nadaną mu jakością obsługi oraz innymi cechami pakietu, np. jego długością. Dzięki
temu można stworzyć kolejny atrybut pakietu, który będzie decydował o kolejności transmisji
w łączu satelitarnym. Atrybut ten można nazwać kosztem obsługi pakietu. Koszt obsługi
pakietu może być prostym iloczynem wskaźnika jakości obsługi i długości pakietu. Im iloczyn
jest mniejszy tym większe jest prawdopodobieństwo wcześniejszego wysłania pakietu. Tego
typu algorytm określany jest jako ważony sprawiedliwy algorytm kolejkowania (Weighted
Fair Queuing Algorithm). Algorytm ten zapewnia również, że po wysłaniu pakietu o
określonej wartości kosztu z bufora o określonej jakości obsługi zwiększa się
prawdopodobieństwo wysłania pakietów umieszczonych w buforach o innej jakości obsługi.

W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach można wprowadzić hierarchiczną

strukturę priorytetów, dzieląc wstępnie ruch generowany przez terminale na ruch, który musi
być obsługiwany w czasie rzeczywistym RT (Real Time) np. VoIP i na ruch, który nie
wymaga obsługi w czasie rzeczywistym N-RT (Non Real Time). Dzieki takiemu rozwiązaniu
można zapobiec wpływowi ruchu N-RT jednego terminala na ruch RT generowany przez inny
terminal.

W przypadku mieszanego ruchu RT i N-RT pojawia się problem blokowania pakietów

realizujących usługi RT przez długie pakiety zwiazane z usługami N-RT (rys.4.2a). Może to
prowadzić do znacznego pogorszenia jakości obsługi ruchu RT, szczególnie w przypadku
przeciążenia łącza. Dobrym rozwiązaniem tego problemu jest wcześniejszy podział dużych
pakietów na mniejsze SAR (Segmentation And Reassembly). Wtedy znacznie skraca się czas
oczekiwania pakietu ze strumienia RT, gdyż blokada obejmuje jedynie czas wysłania znacznie
krótszego fragmentu pakietu strumienia N-RT (4.2b).

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

7

de-kolejkowanie

2

3

4

5

i

j

1

Pakiety VoIP (60 bajtów)

Pakiety N-RT np. FTP (1500 bajtów)

a

b

c

d

e

f

g

h

1

a

b

Czas przybycia pakietu

Przeł

ą

cznik pakietów

uwzgl

ę

dniaj

ą

cy QoS

Wyj

ś

ciowy strumie

ń

pakietów

Du

ż

y pakiet FTP

opó

ź

nia pakiety głosowe

w warunkach natłoku

a)

SAR

5

6

4

4

4

4

3

3

3

3

2

2

2

2

f

g

h

i

j

k

a

b

c

d

e

1

1

1

1

1

a

b

c

d

1

Wyj

ś

ciowy strumie

ń

pakietów

de-kolejkowanie

Po podzieleniu pakietów

na tej samej długo

ś

ci sub-pakiety

pakiet VoIP musi czeka

ć

nie dłu

ż

ej ni

ż

przez czas trwania jednego sub-pakietu

Pakiety VoIP (60 bajtów)

Pakiety N-RT np. FTP (1500 bajtów)

Czas przybycia pakietu

Przeł

ą

cznik pakietów

uwzgl

ę

dniaj

ą

cy QoS

Segmentacja i ł

ą

czenie SAR

b)

Rys. 4.2. a) Blokada pakietu VoIP przez pakiet FTP, b) podział pakietów FTP na mniejsze

sub-pakiety zmniejsza czas blokady [5]

Kolejnym rozwiązaniem, zmniejszającym charakterystyczne dla sieci pakietowych

zjawisko zmienności opóźnienia pakietów (Jitter) jest właściwe ich rozpraszanie w
szczelinach czasowych ramki transmisyjnej. W klasycznych systemach VSAT terminalowi
VSAT przypisywano, w zależności od priorytetu realizowanych usług, określoną liczbę
szczelin ramki transmisyjnej. Szczeliny te grupowano 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, co zmniejsza zjawisko jitteru (rys. 4.3).

Ostatnim z rozważanych zagadnień jest sposób zagwarantowania minimalnego pasma

transmisyjnego dla każdego terminala w systemie VSAT. Jedną ze skutecznych metod jest
zastosowanie tzw. odpytywania każdego terminala (Pooling). Dzięki tej metodzie można
zagwarantować każdemu terminalowi dostęp do łącza satelitarnego na minimalnym poziomie
CIR (Committed Information Rate). 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. Dzieki odpytywaniu można dynamicznie zmieniać ilość pasma
przypisanego każdemu terminalowi wielokrotnie w czasie 1s. Ilość tę można związać z
wielkością kolejki w każdym terminalu, wymaganiami CIR, wymaganiami QoS i priorytetami
kolejek oraz ograniczeniami związanymi z szybkościami transmisji każdego terminala VSAT.

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

75

12

13 14

R

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

75

12

13 14

R

1

1

Ramka 1

Ramka 2

Ramka 3

Pakiety VoIP

Pakiety VoIP

Pakiety VoIP

Opóźnienia

Opóźnienia

Opóźnienia

Pakiety VoIP

Pakiety VoIP

Pakiety VoIP

Szczeliny przypisane

do terminala R1

Rys. 4.3. Zmiejszenie fluktuacji opóźnienia poprzez równomierne rozmieszczanie pakietów [5]

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

8

5.

Modulacja, kodowanie sygnałów i kompresja

Systemy VSAT w przeważającej większości stosują modulację QPSK. Modulacja ta

zapewnia dobrą skuteczność widmową. Niewielkie są również wahania obwiedni amplitudy
sygnału na skutek zmian fazy. Wahania te można dodatkowo zmniejszyć, stosując modulację
OQPSK. Dzięki temu na granicy zmiany dwóch stanów faza nie może zmienić się o więcej
niż

±

90°. W przypadku modulacji QPSK faza może zmienić się o 180°, powodując większe

wahania amplitudy. Realizacja modulacji OQPSK jest prosta. Mniejsze wahania amplitudy
sygnału powodują, że w transponderze satelitarnym, pracującym w pobliżu punktu nasycenia,
powstają mniejsze zniekształcenia.

Systemy satelitarne stosujące satelity geostacjonarne pracowały zawsze z łączami

ograniczonymi mocą odebranego sygnału. Z tego względu trudno było stosować modulacje
fazy o większej liczbie stanów niż cztery, które wymagają większych poziomów sygnału, by
zapewnić odpowiednio małą bitową stopę błędów BER (Bit Error Ratio). Wraz z rozwojem
coraz doskonalszych odbiorników planuje się zastosowanie modulacji 8-PSK. Dzięki temu
możliwe będzie jeszcze skuteczniejsze wykorzystanie widma częstotliwościowego. Szybkość
transmisji może wzrosnąć o 50% w stosunku do szybkości uzyskanej przy użyciu modulacji
QPSK. By jednak zapewnić taką samą stopę błędów należy zwiększyć stosunek energii
przypadającej na bit (E

b

) do widmowej gęstości szumów (N

0

).

Pojawia się również możliwość dynamicznego przydziału typu modulacji i rodzaju

kodu protekcyjnego w zależności od zmieniających się warunków propagacji w łączu
satelitarnym (rys. 5.1). Wtedy modulację 8-PSK będzie można stosować tylko wtedy, gdy
warunki propagacyjne nie będą powodować problemów w zapewnieniu właściwego bilansu
energetycznego łącza.

Stacja centralna

TDM

Ł

ą

cze hub - terminale

Ł

ą

cze terminal - hub z dostepem MF-TDMA

Terminal A

Czyste niebo

Przykład: Modulacja

QPSK z 0,793 FEC

500 kb/s

Terminal B

Ś

rednie opady

Przykład: Modulacja

QPSK z 0,66 FEC

370 kb/s

Terminal C

Silny deszcz

Przykład: Modulacja

BPSK z 0,66 FEC

250 kb/s

hub

Rys. 5.1. Dynamiczny dobór modulacji i kodowania w zależności od warunków

atmosferycznych (tłumienia propagacyjnego) [5]

Kodowanie protekcyjne sygnału FEC (Forward Terror Protection) jest od dawna

stosowaną techniką w łączności satelitarnej. Dzięki zastosowaniu kodowania można było
znacznie zmniejszyć bitową stopę błędów BER przy tej samej wartości stosunku sygnału do
szumu i zakłóceń C/(N+I) lub obniżyć moc sygnału, zapewniającą tę samą stopę błędów.
Szczególnie ta druga właściwość jest cenna w łączności satelitarnej, w której zwykle
wystepuje ograniczenie mocy.

Podobnie jak w łączności naziemnej, w systemach satelitarnych stosowano

zaawansowane metody kodowania w oparciu o liniowe kody blokowe i kody splotowe.
Bardzo dobrym rozwiązaniem okazało się kaskadowe połączenie kodu cyklicznego Reeda-

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

9

Solomona z kodem splotowym i dekodowaniem przy użyciu dekodera Viterbiego [6]. Na
rysunku 5.2 przedstawiono zależność bitowej stopy błędów BER od stosunku E

b

/N

0

dla

kodowania Reed-Solomon-Viterbi (RSV). Biorąc pod uwagę, że protokół TCP jest bardzo
wrażliwy nie tylko na opóźnienia ale również na błędy, należy zapewnić bardzo niską stopę
błędów w łączu satelitarnym. Dla kodowania RSV o skuteczności 0,806 uzyskujemy BER na
poziomie 10

-9

dla stosunku E

b

/N

0

równego ok. 6,2 dB (rys.5.2). Kodowanie tego typu stosuje

się w systemach VSAT, wykorzystujących standard DVB-S (Digital Video Broadcasting -
Satellite) do transmisji do terminali VSAT i standard DVB-RCS (DVB - Return Channel via
Satellite) do transmisji z tych terminali. W najnowszych rozwiązaniach systemów VSAT
zastosowano turbo kody TPC (Turbo Produkt Code) o zmiennej sprawności. Przy użyciu
kodu TPC o sprawności 0,793 wymaganą stopę błędów 10

-9

otrzymujemy już przy 4,9 dB.

1,E-12

1,E-11

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Eb/No

B

E

R

.793 TPC I=32

Shannon limit for .8

.806 RSV

Rys. 5.2. Bitowa stopa błędów BER w funkcji E

b

/N

0

dla granicy Shannona, turbo kodów i

kodowania RSV [5]

Metody kodowania protekcyjnego rozwijają się obecnie bardzo szybko. Najlepsze wyniki
uzyskuje się przy zastosowaniu kodów LDPC (Low Density Parity Check). Porównanie
skuteczności kodowania wybranych kodów TPC, RSV i LDPC dla ustalonej wartości bitowej
stopy błędów BER=10

-8

przedstawiono na rys. 5.3. Jak widać kody LDPC są najbliżej granicy

Shannona. Turbo kody i kody LDPC pracują na zasadzie iteracyjnego dekodowania [6].
Wymagają dużej mocy obliczeniowej od dekodera. W najnowszym standardzie DVB-RCST
stosuje się turbo kody o siedmiu wartościach sprawności kodowania [7]

Rys. 5.3. Porównanie skuteczności kodowania różnych kodów dla BER=10

-8

[6]

Ryszard J. Zieliński: Nowe techniki w systemach VSAT

10

Oprócz stosowania optymalnych typów modulacji i kodowania w systemach VSAT

wprowadza się również techniki kompresji treści. Najczęściej stosuje się je przy realizacji
usług korzystających z sieci WWW. Stację centralną wyposaża się w serwer kompresji
wyłapujący obrazy w wysokiej rozdzielczości z sesji HTTP.

6.

Podsumowanie

Współczesne systemy VSAT przeszły długą drogę rozwoju. Obecnie kształtują się

dwa trendy rozwojowe. Pierwszy z nich rozwija techniki bezpośredniej transmisji pakietów IP
w łączu satelitarnym. Głównie tym technikom poświęcono ten dokument. Drugi trend opiera
się na kapsułkowaniu pakietów IP w kontenerach standardu DVB-S.

Bezpośrednia transmisja pakietów IP w systemach VSAT jest realizowana przy użyciu

różnorodnych firmowych rozwiązań, z których wiele jest opatentowanych. Najlepszym
przykładem może być system 5IF Infinity firmy iDirect Technologies. Brak norm dla tego
typu systemów jest bardzo poważną wadą. Zaletą jest doskonałość techniczna niektórych
rozwiązań, która dla wybranych usług czyni te systemy bezkonkurencyjnymi pod względem
wykorzystania zasobów transmisyjnych.

Stosowanie w systemach VSAT rozwiązań znormalizowanych, opartych o standardy

DVB-S, DVB-S2 i DVB-RCS [7] często nie jest tak samo skuteczne jak bezpośrednia
transmisja pakietów IP. Konieczność kapsułkowania pakietów jest procesem zmniejszającym
przepustowość kanału. W zamian uzyskujemy jednak bardzo uniwersalną platformę
transmisyjną, która rozwija się wraz z rozwojem standardów. Przykładem może być
powstanie standardu DVB-S2, w którym zastosowano techniki adaptacyjnego kodowania i
modulacji ACM (Adaptive Coding and Modulation) [8]. Z analizy rynku wynika, że
większość producentów skłania się do budowy systemów VSAT w oparciu o standard DVB
(np. model HX100 firmy Hughes).

W systemach zgodnych z DVB-S można dzierżawić nie tylko pasmo na transponderze

ale również przepustowość kanału DVB od operatora np. telewizji satelitarnej. Takie
rozwiązanie może okazać się tańsze i wygodniejsze i obecnie stosowane jest do dostarczania
dostępu do internetu dla masowego odbiorcy w systemach typu DirectPC (łacze zwrotne
realizowane jest dotychczas poprzez system naziemny a w najbliższej przyszłości poprzez
DVB-RCS).

7.

Literatura

[1]

Tom Shimabukuro (i inni), VSATs for IBM SNA Networks, GTE Spacenet Corporation,
lipiec 1991.

[2]

CCIR Recomendation 725, Technical characteristics for Very Small Aperture Terminals
(VSATs), 1992.

[3]

ETSI ETS 300 160, Satellite Earth Stations and Systems, Control and monitoring functions at
a Very Small Aperture Terminal (VSAT), 1992.

[4]

ETSI ETS 300 161, Satellite Earth Stations and Systems, Centralised control and monitoring
functions for VSAT networks, 1992.

[5]

iDirect, Presentation to Network Operator, materiał szkoleniowy firmy iDirect Technologies.

[6]

Dennis Roddy, Satellite Communication, McGrowe-Hill, 2006.

[7]

ETSI TS 102 402 v1.1.1: Satellite Earth Station and systems (SES); Broadband Satellite
Multimedia; Transparent Satellite Star - A (TSS-A); DVB-S and DVB-RCS for transparent
satellites; Sub-family 1 (TSS-A1).

[8]

ETSI EN 302 307 v1.1.1: Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing
structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services,
News Gathering and other broadband satellite applications.

[9]

The iDirect Series 1000 Network Acceleration, www. idirect.net