1 Nowe techniki w systemach VSATRyszard J. Zieliński Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki wyb. Wyspiańskiego 27, Wrocław

2 Plan Wstęp Topologie sieci VSAT Optymalizacja ruchu TCP/IPZapewnienie 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 Greenwichtypowa 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) ETSI – 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 – VSAT odbiorczy ETS – VSAT nadawczo - odbiorczy ETS – system zarządzania - agent ETS – 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 innowacyjnościdynamiczne 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: Wady:Bilans energetyczny Zarządzanie Dołączenie do infrastruktury Wady: Duże opóźnienie

9 Topologie sieci VSAT Topologia kraty Topologia P - P Zalety: Wady: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 satelitówZastosowanie transmisji pakietowych i zaawansowanych modemów satelitarnych umożliwia:

11 Optymalizacja ruchu TCP/IPPodstawowe 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 SerwerTerminal 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 - dostępRozwiązanie klasyczne – zastosowanie protokołu ATDMA

20 Jakość usług QoS - dostępS-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 - dostępRozwiązanie gwarantujące jakość (minimalne CIR) i małe opóźnienie Odpytywanie bardzo krótką sekwencją Rezerwacja zasobów Obsługa ruchu …

22 Jakość usług QoS - dostępCzas 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 zmieniać wielkość 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 usługpowiązanie 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 pakietówPrzypisanie 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 danychKoszt 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, pojemność łącza będzie dzielona proporcjonalnie do kosztu pakietów znajdujących się w każdym z buforów

27 Hierarchizacja ruchu pakietowegoWstępny 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-RTZastosowanie 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 RTTimeslot Feathering Allocation - patent

32 Modulacja Systemy klasyczne - QPSK Nowsze rozwiązania – OQPSKzapewnia 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 mocąTrudności 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 zwiększyć Eb/N0. Przykładowo, by zachować taka samą stopę błedów równą 10-8, należy zwiększyć moc sygnału 8-PSK o około 3,2 dB

35 Dynamiczny dobór modulacji i kodowania

36 Kodowanie protekcyjneSystemy 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 protekcyjneGranica Shannona Porównanie RSV - TPC 0,973 TPC 0,806 RSV 1,3 dB

38 Kodowanie protekcyjnePorównanie RSV – TPC - LDPC LDPC TPC RSV

39 Kodowanie protekcyjneSkuteczność widmowa - porównanie

40 Kompresja informacji Kompresja stratnaStrony 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 wadyDominują 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 IPoSŁącze 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 50005IF 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 VSATDziękuję za uwagę

45 Ogródek antenowy na dachu budynku ITTA PWr