Что такое VSAT

Что такое VSAT? Это небольшая станция спутниковой связи с антенной диаметром 0,9 — 3,7 м, предназначенная, главным образом, для надежного обмена данными по спутниковым каналам. Она не требует обслуживания и подключается напрямую к терминальному оборудованию пользователя, выполняя роль беспроводного модема. 

Как работает сеть VSAT

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы.

Центральная земная станция (ЦЗС)

Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, например, главный офис или вычислительный центр компании в корпоративных сетях, или же крупный город в региональной сети.  Приемо-передающая аппаратура и антенно-фидерное устройство обычно строится на базе стандартного оборудования, имеющегося на рынке.

Стоимость определяется размерами антенны и мощностью передатчика, которые существенно зависят от технических характеристик используемого спутника-ретранслятора. Для обеспечения надежности связи аппаратура обычно имеет 100% резервирование. Цена колеблется от 100 тыс. долл. для т.н. компактной простой ЦЗС без резервирования с антенной диаметром около 4,5 м и передатчиком 20 — 50 Вт до 0,5 — 1,5 млн. долл. для мощной системы с полным резервированием всех систем и антенной диаметром 9 м. Каналообразующая аппаратура обеспечивает формирование спутниковых радиоканалов и стыковку их с наземными линиями связи.

Каждый из поставщиков систем спутниковой связи применяет свои оригинальные решения этой части ЦЗС, что часто исключает возможность использования для построения сети аппаратуру и абонентские станции других фирм. Обычно эта подсистема строится по модульному принципу, что позволяет по мере роста трафика и количества абонентских станций в сети легко добавлять новые блоки для увеличения ее пропускной способности.

Стоимость каналообразующей аппаратуры существенно зависит от размеров сети и колеблется от 100 тыс. долл. для небольших сетей до 1,0 млн. долл. для больших сетей из нескольких тысяч VSAT.

Центр управления сетью обеспечивает контроль за работой сети, выявление неисправностей, перераспределение ее ресурсов между абонентами, тарификацию предоставляемых услуг и т.п. Стоимость подсистемы определяется объемом используемого программного обеспечения и колеблется от 100 до 500 тыс. долл.

Абонентская станция VSAT

Абонентский VSAT терминал обычно включает в себя антенно-фидерное устройство, наружный внешний радиочастотный блок и внутренний блок (модем). Внешний блок представляет собой небольшой приемопередатчик или приемник. Внутренний блок обеспечивает сопряжение спутникового канала с терминальным оборудованием пользователя (компьютер, сервер ЛВС, телефон, факс УАТС и т.д.).

Стоимость модемного блока для стандартной станции класса VSAT составляет около 8 тыс. долл. (в зависимости от комплектации), а внешнего — около 2 тыс. долл. при мощности передатчика 2 Вт. Цены на абонентские станции постоянно снижаются и сейчас простые приемные терминалы можно приобрести за 2-4 тыс. долл.

Спутник ретранслятор

Сети VSAT строятся на базе геостационарных спутников-ретрансляторов. Это позволяет максимально упрощать конструкцию абонентских терминалов и снабжать их простыми фиксированными антеннами без системы слежения за спутником. Спутник принимает сигнал от земной станции, усиливает его и направляет назад на Землю. Важнейшими характеристиками спутника являются мощность бортовых передатчиков и количество радиочастотных каналов (стволов или транспондеров) на нем. Стандартный ствол имеет полосу пропускания 36 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности около 40 Мбит/с. Мощность передатчиков колеблется от 20 до 100 и более ватт.

Для обеспечения работы через малогабаритные абонентские станции типа VSAT требуются передатчики с выходной мощностью около 40 Вт. Действующие российские спутники имеют передатчики меньшей мощности, поэтому большое количество российских сетей строятся на базе зарубежных спутников.

Топология

В зависимости от распределения трафика между абонентами архитектура сетей спутниковой связи различаются по следующим признакам: по конфигурации трафика и по структуре управления.

Конфигурация трафика

Топология типа «точка-точка»

Сеть «точка — точка» позволяет обеспечивать прямую дуплексную связь между двумя удаленными абонентскими станциями по выделенным каналам. Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30 — 40%). Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Кроме того, такая сеть не требует системы управления.

Топология типа «звезда»

Сеть типа «звезда» является наиболее распространенной архитектурой построения ССС с абонентскими станциями класса VSAT. Такая сеть обеспечивает много направленный радиальный трафик между центральной земной станцией (ЦЗС или HUB в английской литературе) и удаленными периферийными станциями (терминалами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС — большая ЦЗС, оснащенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком. Недостатком архитектуры «звезда» является наличие двойного скачка при связи между терминалами сети, что приводит к заметным задержкам сигнала.

Сети VSAT подобной архитектуры широко используются для организации информационного обмена между большим числом удаленных терминалов, не имеющих существенного взаимного трафика, и центральным офисом фирмы, различными транспортными, производственными и финансовыми учреждениями.

Аналогично строятся сети телефонной связи для обслуживания удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС.

Функции контроля и управления в сети типа «звезда» обычно централизованы и сосредоточены в центральной управляющей станции (ЦУС) сети. ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети (как наземными, так и спутниковыми терминалами) и поддержания рабочего состояния всех периферийных устройств. Обычно функции ЦЗС/ЦУС совмещены в одном комплексе, который выполняет роль коммутатора трафика и интерфейса спутниковой сети с наземными каналами.

В сетях типа «звезда», создаваемых крупными операторами, ресурсу одой ЦУС могут предоставляться нескольким автономным подсетям VSAT. Такое решение оказывается экономически выгодным , поскольку одна ЦУС/ЦЗС стоит несколько миллионов долларов и может обслуживать до 10 тысяч и более терминалов, а средняя сеть одного клиента редко превышает 100 терминалов.

Топология типа «каждый-с каждым»

В сети «каждый с каждым» обеспечиваются прямые соединения между любыми абонентскими станциями (так называемый «одно-скачковый» режим связи). Количество требуемых дуплексных радиоканалов равно N x (N — 1), где N — число абонентских станций в сети. При этом каждая абонентская станция должна иметь N — 1 каналов приемо-передачи. Такая архитектура оптимальна для телефонных сетей, создаваемых в труднодоступных или удаленных районах, а также для сетей передачи данных с относительно небольшим числом удаленных терминалов. В связи с тем, что для работы между двумя малыми терминалами от VSAT требуются большие энергетические ресурсы в сравнении с сетью «звезда», в сетях типа «каждый с каждым» на абонентских станциях приходится использовать более мощные передатчики и антенны большего диаметра, что заметно отражается на их цене. Каждая из этих топологий имеет свои преимущества и недостатки. В реальных ситуациях часто требуется предоставление широкого спектра услуг, каждая из которых лучше реализуется в разных топологиях. Поэтому многие сети строятся по смешанным топологиям.

Тип управления

При централизованном управлении такой сетью центр управления сетью (ЦУС) выполняет служебные функции контроля и управления, необходимые для установления соединения между абонентами сети, но не участвует в передаче трафика. Обычно ЦУС устанавливается на одной из абонентских станций сети, на которую приходится наибольший трафик. В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой управления отличаются повышенной «живучестью» и гибкостью за счет усложнения оборудования, расширения его функциональных возможностей и удорожания VSAT терминалов. Эта схема управления целесообразна лишь при создании небольших сетей (до 30 терминалов ) с высоким трафиком между абонентами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Технология VSAT является очень гибкой и позволяет создавать сети, отвечающие самым жестким требованиям и предоставляющие широкий спектр услуг по передаче голоса, видео, данных в любой комбинации.

Во многих случаях они имеют неоспоримые преимущества перед наземными сетями:

• низкая себестоимость,
• быстрое развертывание,
• высокое качество связи,
• архитектуры «звезда» и «каждый — с каждым»,
• простота реконфигурации,
•  высокая надежность.

Применение:

• передача данных,
•  передача голоса,
•  передача изображений,
•  видеоконференции,
•  доступ в Интернет,
•  мультимедиа.

В настоящее время себестоимость одной минуты разговора по спутниковому каналу связи составляет от 3 до 15 центов, а современные терминалы VSAT стоят от 3 до 5 тыс. долл. в базовой конфигурации и обеспечивают скорость передачи от 16 кбит/с до 2 и более Мбит/с.

Установка и включение в сеть терминала класса VSAT занимает несколько часов. Сети VSAT обеспечивают достоверность передачи цифровой информации на хуже 1* 10 -7,т.е. не более одной ошибки на 10 миллионов переданных бит информации, что соответствует примерно одной ошибке на 500 страниц текстовой информации. Современные терминалы класса VSAT позволяют строить сети связи различной архитектуры и назначения. Реконфигурация сети, включая смену протоколов обмена, добавление новых терминалов или изменение их географического положения осуществляется очень быстро. Терминалы класса VSAT обеспечивают надежность в течение работы до 100 тыс. часов.

Популярность VSAT в сравнении с другими видами связи при создании корпоративных сетей объясняются следующими соображениями: для сетей с большим количеством терминалов и при значительных расстояниях между абонентами эксплуатационные расходы значительно ниже, чем при использовании наземных сетей:

•  Полная независимость от операторов наземных сетей.
•  Быстрота развертывания и реконфигурации сети.
•  Высокая надежность, достигающая 99,9%.
•  Широкий спектр услуг (данные, голос, видео).

Недостатки

Спутниковая связь является разновидностью радиосвязи. Поэтому, теоретически, любая спутниковая станция, находящаяся в зоне обслуживания спутника, если она настроена на нужную частоту, на нужный временной интервал, поддерживает нужные протоколы и работает в нужном стандарте, могла бы перехватывать сигналы. Но, во-первых, необходимо выполнение всех перечисленных условий (одновременно!). Во вторых, в спутниковых системах связи используются мощные системы кодирования сигнала, что делает перехват практически невозможным.

Не следует также забывать, что те же самые проблемы возникают и в любом другом канале связи, а не только в спутниковом. Спутниковые сигналы, особенно высокочастотных диапазонов Ku и Ка, подвержены ослаблению во влажной атмосфере (дождь, туман, облачность). Этот недостаток легко преодолевается при проектировании системы, в результате средняя доступность канала спутниковой связи обычно составляет не хуже 99,9%. Надежность наземных каналов часто бывает ниже.

Как и любая другая система радиосвязи, спутниковая связь подвержена помехам от других радиосредств. Однако, с одной стороны, для спутниковой связи выделяются полосы частот, не используемые другими радиосистемами.

С другой стороны, в спутниковых системах используются узконаправленные антенны, позволяющие полностью избавиться от помех. Таким образом, большинство недостатков спутниковых систем связи устраняются путем грамотного проектирования сети, выбора технологии и места установки антенн. При этом следует отметить, что любая система связи имеет свои недостатки и преимущества, и выбор той или иной технологии зависит от многих факторов.

История сетей VSAT

История сетей начинается с запуска первых спутников связи. В конце 60-х годов в ходе экспериментов со спутником АТС-1 была создана экспериментальная сеть спутниковой телефонной связи на Аляске. Сеть состояла из 25 земных станций, установленных в небольших поселках. Эксперимент оказался успешным, и было принято решение о создании коммерческой сети телефонной спутниковой связи из 100 терминалов с использованием каналов на спутник Интелсат. В то время самая «маленькая» спутниковая станция имела антенну диаметром 9 м и стоила около 500 тыс. долл. Заказчики же поставили условие: антенны земных станций сети должны быть не более 4,5 м, а цена не превышать 50 тыс. долл. И такие земные станции были созданы фирмой California Microwaves. Идея создания еще более малогабаритных и дешевых станций спутниковой связи привлекла интерес группы разработчиков, работавших над проектом в Аляске. В 1979 году они создали фирму Equatorial Communications Company, ставшую первой в мире компанией по разработке систем VSAT.

При создании недорогой портативной земной станции VSAT требовалось решить две главнейших проблемы. Первая из них — это, собственно, ее габариты, в первую очередь — диаметр антенны. В то время коммерческие спутники связи имели недостаточную мощность, чтобы работать со стандартными земными станциями с диметром зеркала антенны менее 3 м. Вторая проблема — создание недорогого высокостабильного электронного оборудования. Инженеры фирмы справились с поставленными задачами весьма изящно, используя новейшие достижения в области электроники и телекоммуникаций. Первую проблему удалось решить, применив кодовое разделение каналов, использующее широкополосный шумоподобный сигнал. Проблема стабильности электронной аппаратуры была решена заменой обычных высокостабильных, а значит и дорогих, электронных компонент недорогой микропроцессорной схемой с системой автоматической подстройки частоты и фазы.

Опытный образец чисто приемной спутниковой станции, разработанной на этих принципах, был готов в 1979 году. Даже сегодня она представляет собой образец совершенства технической мысли. Она имела антенну диаметром всего 60 см и стоила около 2000 долл. Первые несколько тысяч таких приемных станций использовались в сети распределения биржевой и ценовой информации. Работы над интерактивными малогабаритными станциями спутниковой связи начались в 1982 году. Именно тогда и появился термин VSAT.

Первые прототипы были испытаны в конце 1983 года. В 1984 году была создана экспериментальная сеть VSAT, а в 1985 году начались коммерческие поставки VSAT. Первые интерактивные VSAT имели антенны диаметром 1,8 м и стоили около 6000 долларов. Они были спроектированы для поддержки транзакций, и первым заказчиком сети стала фермерская страховая компания Farmers Insurance. Первые успехи фирмы Equatorial в создании экономически эффективных систем спутниковой связи на базе VSAT дали толчок появлению нескольких новых фирм, предлагающих оборудование VSAT. Началось быстрое развитие рынка, и резко выросла конкуренция на нем. Наконец на рынок обратили внимание и киты телекоммуникационного бизнеса, которые, не мудрствуя лукаво, стали покупать фирмы, успешно развивающиеся на рынке. Американский телекоммуникационный гигант AT&T приобрел фирму Tridom. Пионер создания VSAT Ku-диапазона, фирма Linkabit, слилась с фирмой M/A-COM, которая стала ведущим поставщиком оборудования VSAT. В последствии Hughes Communications приобрела отделение у М/А-СОМ. Так появилась фирма Hughes Network Systems. Scientific-Atlanta, изготовитель больших станций спутниковой связи, включилась в производство оборудования VSAT, приобретя фирму Adcom. Первоначально GTE Spacenet предоставляла услуги VSAT, используя оборудование других поставщиков. Equatorial в 1987 году слилась с фирмой Contel, которая одновременно приобрела VSAT-отделение фирмы Comsat . А в 1991 году GTE Sapacenet приобрела фирму Contel. В 1987 году основатели фирмы создали новую фирму — Gilat Satellite Networks Ltd. по производству VSAT. Таким образом, сформировался основной пул игроков на рынке производства VSAT, который сохраняется и по сей день.

Поколения VSAT

Существует несколько типов земных станций VSAT. Их можно условно разделить на три поколения. Появление каждого нового поколения VSAT становилось возможным по мере появления новых технологий, создания более мощных спутников связи и освоения новых диапазонов частот.

VSAT первого поколения работали в С-диапазоне и использовались только в сетях вещательного типа, т.е. абонентские терминалы могли лишь принимать потоки данных от ЦЗС, и режим передачи в них не предусматривался. Сети вещательного типа до сих пор широко используются для распределения финансовой и деловой информации, биржевых сводок, передачи газетных полос, в системах асимметричного доступа в Интернет. Например, широко известная система высокоскоростного доступа в Интернет DirecPC по существу является спутниковой вещательной сетью.

Второе поколение земных станций VSAT характеризуется тем, что они могут поддерживать двустороннюю (дуплексную) связь. Эти терминалы используются банковскими и финансовыми организациями в различных компьютерных сетях для обмена данными, сетями розничной и оптовой торговли, промышленными предприятиями для связи с филиалами и поставщиками. Также они нашли широкое применение для организации высокоскоростного двустороннего доступа в Интернет. Еще VSAT станции используются операторами связи для создания выделенных магистральных каналов между удаленными узлами с большим объемом обмена данными между ними. Большинство из них работает в Ku-диапазоне, хотя в некоторых странах в сетях по-прежнему используется С-диапазон.

Широкое распространение получили терминалы третьего поколения, с антеннами диаметром 1,2 м и менее. Они используются в больших сетях, отличающихся низким уровнем трафика между ними. При этом трафик носит спорадический (непостоянный) характер. Такие терминалы просты по конструкции, отличаются низкой ценой и работают исключительно в Ku-диапазоне.

В последние годы на рынке появилось четвертое поколение VSAT для мультимедийных приложений. Они работают в Ku- и Ка-диапазонах и обеспечивают скорость до нескольких мегабит в секунду. При этом размер их антенн (в Ка- диапазоне) составляет, примерно, 70 см, а цена находится в пределах 500-1000 долларов.