Пути построения и методы анализа гибридных мультисервисных спутниковых систем связи

Задачей построения корпоративных территориально распределенных систем спутниковой связи является передача информации с интеграцией услуг, которая должна отвечать требованиям высокой надежности и качества, передачи данных различной природы — трафик локальных сетей, трафик финансовых транзакций, голосовой трафик и т. п. Очевидно, что для одновременной передачи таких разнородных по свойствам потоков данных необходимо различать природу информации и устанавливать приоритеты исходящим пакетам.

Мультисервисной, гибридной сетью спутниковой связи будем называть телекоммуникационную структуру, на базе спутниковых и наземных сетей связи, позволяющую оказывать пользователям разнообразные услуги связи, различающиеся как по качественным, так и по количественным характеристикам и позволяющие отказаться от многочисленных дублирующих друг друга сетей связи.

Ряд производителей программного и аппаратного обеспечения, телекоммуникационные операторы и системные интеграторы уже давно объявили о создании систем мультимедийной связи, обеспечивающих одновременную передачу всех видов трафика. Однако даже для относительно простой из этих проблем — совместной передачи голоса и данных по глобальным сетям связи — пока не найдено комплексного практического решения. Во-первых — слишком разнородны и противоречивы требования, предъявляемые к коммуникационной среде для передачи различных видов трафика. Во-вторых — возможности такой системы, как и любой цепи, ограничиваются возможностями ее слабейшего звена на всем протяжении от одного клиентского терминала (компьютера, телефона, видеофона и т. п.) до другого.

В такой сети данными могут быть весьма разнообразный трафик электронной почты и FTP, более требовательный HTTP-трафик при интерактивной работе в Интернет, чувствительный к задержкам трафик IP-телефонии, конфиденциальная внутрикорпоративная переписка или банковские транзакции, небольшая по объему, но срочная и важная информация от систем охраны, сигнализации, телеметрии и дистанционного управления. Аудиотрафик может включать в себя не только традиционную двустороннюю телефонную связь, но и одностороннее радиовещание, высококачественную трансляцию музыкальных программ (сегодня эта услуга весьма популярна во многих странах), многостороннюю конференц-связь. Наконец, передача видео подразумевает телевизионное вещание (в том числе в различных форматах — обычных, широкоэкранных, улучшенного качества и т. п.), двухи многосторонние видеоконференции, дистанционное наблюдение и мониторинг. При этом чаще всего будет требоваться интерактивное аудио-и видеовещание, которое позволит пользователю самостоятельно выбирать нужные ему каналы из числа имеющихся (чтобы не загружать сеть лишним трафиком) или, более того, — заказывать аудиои видеозаписи, воспроизводимые персонально для него. Каждый из этих типов информации предъявляет свои специфические требования к полосе пропускания и времени доставки, допустимому уровню потерь и степени защищенности.

Круг потенциальных пользователей такой телекоммуникационной сети весьма широк, а потому проблема создания мультисервисных, мультипротокольных, гибридных сетей связи — безусловно актуальна. Во-первых, это многочисленные индивидуальные пользователи, проживающие в частных домах или квартирах и желающие иметь качественную телефонную связь (в том числе несколько телефонных номеров), хороший выход в Интернет, большое число развлекательных и информационных аудиои видеопрограмм, удаленный доступ к бытовой аппаратуре и т. п. б.

Во-вторых, это групповые пользователи — бизнес-центры, многоквартирные жилые дома, фирмы, расположенные в одном здании. Корпоративным клиентам необходимо большое число телефонных линий, высокоскоростной доступ в Интернет, системы аудио — и видеоконференц-связи, сигнализации и телеметрии.

Третья категория пользователей — это распределенные корпорации, имеющие территориально удаленные офисы, филиалы, автоматические терминалы (банкоматы, торговые автоматы и т. п.).

Качество услуг в подобных телекоммуникационных структурах определяется двумя основными критериями: полосой пропускания и временем доставкинизкой стоимости услуг.

На мировом рынке спутниковой связи, в том числе и в России, отмечаются существенные перемены и рост. Основная тенденция в развитий сетей спутниковой связи заключается в переходе от соединений типа «точка-точка» или распространения телепрограмм с помощью больших и дорогостоящих земных станций к спутниковым системам связи, обеспечивающих такие приложения, как передача данных, телефония и мультимедиа (в том числе — доступ в Интернет).

Спутниковые сети становятся лучшим средством для быстрого наращивания сетей общего пользования, особенно в тех местах, где отсутствует наземная инфраструктура. Благодаря этой технологии сельские, удаленные районы России могут получить доступ куслугам связи по вполне приемлемым ценам. Кроме того, прогнозируется дальнейший рост сетей спутниковой связи, связанный с развитием таких традиционных рынков, как розничная торговля, автомобилестроение и связанные с этим отрасли, а также финансовая сфера (банки и биржи). Все большее значение приобретают приложения для широкополосной связи.

Интерактивные сети спутниковой связи (например, сети VSATVery Small aperture Terminal) являются эффективным инструментом для розничной торговли, автомобильной отрасли, банков и бирж. VSAT-приложения для этих рынков включают авторизацию кредитных карточек, инвентарный контроль, корректировку цен, дистанционное обучение и мультимедийное вещание для развлечений и рекламы.

На рынке широкополосных сетей основной сферой применения корпоративных сетей спутниковой связи является обслуживание различных групп пользователей. С их помощью последние получают доступ к адресно-рассылаемой информации для развлечений, дистанционного обучения, а также — к данным.

Обеспечивая работу таких приложений, как передача данных, телефония и доступ в Интернет, корпоративные сети спутниковой связи играют главную роль в области телекоммуникаций.

Принципиальное преодоление недостатков инфраструктуры Интернет из-за перегрузки наземных сетей, вызванной высоким темпом роста Сети и переходом к мультимедийным информационным ресурсам, может быть основано только на использовании огромного потенциала систем спутникового доступа в Интернет (СДИ). Это особенно характерно для России, в которой огромная территория (7 075 200 кв. км) и низкая плотность населения (8 человек на кв. км) приводят к гигантским затратам на увеличение пропускной способности наземных магистральных каналов. Настоящая революция в этой области связана с появлением европейского стандарта DVB/MPEG-2, который органично объединил транспортировку как цифровой видеои аудиоинформации, так и данных, используя в качестве сетевого стандарта передачи IP-протокол. В рамках указанного стандарта понятие «спутниковый Internet» трактуется как передача ГР/мультимедиа-данных через спутник (спутниковый IP-MM). Если бы требовалось использовать IP-MM только для мультивещания, то вполне могли бы удовлетвориться технологиями спутникового ТВ. Такие бизнес-приложения Internet, как.

• системы дистанционного образования,.

• информационные системы реального времени,.

• новостные каналы, а также.

• простая адресная рассылка данных из Internet (push-сервис) вполне укладываются в рамки этих технологий. Привлекательность их реализации через спутник связана с возможностью предоставления указанных услуг на значительных географически распределенных территориях, а рентабельность широкополосных каналов (свыше 40 Мбит/с) обеспечивается большим числом подписчиков. Но для настоящего Internet нужна интерактивность.

Привлекательность передачи речи через IP заключается в возможности конвергенции речи и данных на прикладном уровне. Возможность обработки речи на прикладном уровне позволяет предлагать такие новые услуги, как создание центров обработки звонков, когда речевые звонки и данные должны быть объединены и доставлены в один и тот же пункт назначения точно в одно и то же время.

В связи с вышеизложенным, основной задачей диссертационной работы является определение направлений развития гибридных, мулътисервисных, мультипротокольных систем спутниковой связи на пути интеграции связных и вещательных технологий, обеспечивающих передачу интегрированного трафика (телефонии, 1Р-телефонии, Интернет, трафика локальных сетей, цифрового телевидения) и разработка методов анализа как процессов передачи и распределения информации так и оценки их качества, учитывающих как статистические характеристики интегрируемых процессов (видео, голос, данные), так и особенности топологии спутникового и наземного сегментов многосредной системы связи.

4.5. Выводы.

1. Рассмотрена структура проектируемой мультисервисной, мультипротокольной гибридной многосредной сети, включая наземную сетевую инфраструктуру, топология спутникового сегмента сети, а также схема организации мультисервисных услуг Показано, что топология сети имеет сложный радиально-узловой характер. На первом этапе предполагается развертывание сети типазвезда. На втором этапе, вокруг крупных центров планируется развертывание своих собственных фрагментов сети. В структуре предполагаются сетевые узлы пяти категорий: центральный (г. Хабаровск) — крупный районный (в т.ч. региональный) — малый районныйпоселковыйклиентский. Узлы 1−4 типов образуют собственно сеть провайдера, а узел пятого типа является примером типового решения устанавливающегося на территории заказчика и подключающегося к провайдерской сети с помощью беспроводной технологии Aironet, либо в отдельных случаях, по желанию заказчиков, по спутниковой технологии VSAT DAMA/PAMA.

2. Показано, что технология пакетной передачи информации FR обеспечивает передачу мультисервисного, мультипротокольного трафика (голос, передача данных, межкомпьютерный обмен и др.) и их динамическое перераспределение внутри заданной полосы частот PVC канала. В результате, любая, в том числе, радиально-узловая топология сети, реализуется на числе несущих (числе радиосигналов на одной несущей частоте) равном числу пунктов в сети.

3. Введенная в опытную эксплуатацию спутниковая сеть высокоскоростного доступа (ССВДИ) в Интернет на основе технологии FR с предоставлением услуг ЕР-телефонии и IP-видео на базе спутника-ретранслятора «Экспресс-бА» в т. е. 80гр. В.д.

Практически подтверждены возможности по: организации IP-видеоконференции с высоким качеством изображенияорганизации просмотра мультимедийных приложений (IP-видеофильмы, IP-видеоконференций в сети Интернет, обновление матобеспечения с помощью FTP-сервиров и др) — организации международной и междугородней IP-телефонии с высоким качеством передачи речи и малым временем ожидания соединения.

В качестве стека протоколов при работе с Интернет можно применять 1Р/ Ethernet / FrameRelay/ TCP /RTP/ RSVP. При необходимости отдельным потребителям, как в исходящем, так и во входящем каналах может быть зарезервирована минимальная скорость обмена (CIR-Committed Information Rate) в групповом FR-канале, что существенно отличает спутниковую сеть от чисто IP-сетей.

4. Практическая эксплуатация спутниковой сети с технологией пакетной передачи информации Frame Relay в Якутии подтвердила ряд неоспоримых ее преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время спутниковыми VSAT сетями. К числу наиболее значимых достоинств технологии FR можно отнести следующие: Каждая ЗС в данный момент излучает только одну несущую, в то время как в системах с множественным доступом и предоставлением каналов по требованию (технологии DAMA) каждая станция, как правило, излучает несколько несущих одновременно. Работа в односигнальном режиме позволяет снизить требования к мощности передатчиков как центральной, так и региональных земных станций, тем самым, удешевляя как саму ЗС, так и сеть в целом.

В связи с влиянием фазовых шумов в спутниковом радиоканале минимальная полоса частот в современных спутниковых каналах связи составляет около 20 кГц. В корпоративных сетях с DAMA технологией в этой полосе будет передаваться только один канал. В системах с пакетной коммутацией Frame Relay в такой полосе могут передаваться несколько речевых каналов одновременно.

Нет необходимости введения дополнительного оборудования для маршрутизации сообщений и организации соединения, которое необходимо в спутниковых системах с многостанционным доступом и DAMA. Все функции по адресации выполняет стандартное и, поэтому, более дешевое оборудование (например CISCO), используемое в наземных Frame Relay сетях.

В сетях с одновременной передачей речи и данных режим DAMA начинает терять свои преимущества в сетях с 30-тью и более процентами трафика, приходящегося на передачу данных. При передаче данных приходится переходить в режим закрепленных каналов РАМА и использовать протоколы коммутации пакетов FR, Х.25, ATM. Вместе с тем, динамическое перераспределение выделенной полосы между каналами речи и данных с уменьшением скорости передачи речи (или данных) за счет использования алгоритмов статистического уплотнения (при передаче его в общем потоке) позволяет эффективно использовать ресурсы спутника-ретранслятора в сетях с FR-технологией. 5. Показано, что наиболее целесообразно создание гибридной, мультипротокольной, мультисервисной сети на базе объединения связной спутниковой технологии Frame Relay и вещательной технологии DVB-S, используя унифицированное телевизионное, спутниковое и сетевое оборудование.

На основе сравнительного анализа достоинств и недостатков существующего оборудования предложена структурная схема мультисервисной сети, организованной на базе центральной спутниковой станции (HUB) и региональных спутниковых станций (VSAT) в городах и поселках одного из регионов РФ. Все используемое сетевое и спутниковое оборудование (DVB-Modem, Modem, Demodulator, Encoder MPEG-2, DVB MUX, DVB Receiver) является унифицированным.

Показано, что технология FR, реализованная в связной части оборудования мультисервисной сети, позволяет существенно экономить полосу частот, арендуемую на спутнике-ретрансляторе, за счет статистического сжатия разнородной (речь, данные) информации при пакетной обработке, технология DVB-S, реализованная в вещательной части оборудовании мультисервисной сети, позволяет обеспечить объединение телевизионного и связного трафиков в единый транспортный поток.

6. Рассмотрена структура и назначение наземного сегмента сети, которым является мультисервисный центр. Разработана схема предоставления услуг мультисервисным центром. В состав мультисервисного центра входит информационный центр оказания услуг обеспечивающий следующие сервисные функции:

Сервисная система дебетно-кредитных карт (СПС) — Call-back сервис;

Коммутируемый доступ в ИнтернетКоммутируемые частные виртуальные сетиГолосовая почтаФакс — шлюз;

Шлюз IP телефонии с выбором и гарантией качестваCall — центрОператорский сервисИнформационный портал.

Аппаратная часть системы состоит из: сервера баз данныхречевого серверакомпьютера Администраторакомпьютера Оператора. Компоненты системы объединены в локальную вычислительную сеть (ЛВС), которая может подключаться в ЛВС предприятия (через маршрутизатор) для обслуживания и эксплуатации с удаленных рабочих мест.

7. В структуре телекоммуникационного сегмента мультисервисной, мультипротокольной сети можно выделить два компонента.

Первый компонент включает в себя необходимое оборудование для передачи традиционных видов информации voice, Fax, Video conferention, Data. Источниками этих видов информации являются телефонные сети общего пользования (PSTN), сети передачи данных.

Второй сегмент предназначен для передачи информации с пакетной коммутацией и современными видами протоколов. К наиболее распространенным протоколам, например TCP/1P.

Для эффективного спутникового доступа всех клиентов к сервису передачи голоса и данных система поддерживает полноценную функцию выделения полосы по требованию, поддерживая несколько режимов работы, включая DAMA, предварительное выделение и фиксированное выделение полосы (РАМА), резервирование и внутреннюю (внутрисхемную) полосу In-Circuit Bandwidth по требованию (IC-BoD). Реализуемая система обеспечивает услугами пользователей на базе топологии «звезда» для LAN, WAN, широкополосных и других услуг пакетной передачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена задача определения направлений развития гибридных, мулътисервисных, мультипротокольных систем связи по пути интеграции связных и вещательных технологий, обеспечивающих передачу интегрированного трафика (телефонии, IP-телефонии, Интернет, трафика локальных сетей, цифрового телевидения) и разработаны методы анализа процессов передачи и распределения информации, учитывающие как статистические характеристики интегрируемых процессов (видео, голос, данные), так и особенности топологии спутникового и наземного сегментов многосредной системы связи.

1. Анализ тенденций развития спутниковых систем связи показывает, что они развиваются по пути создания интегральных, гибридных систем связи, предназначенных для объединение локальных наземных компьютерных и радио сетей посредством спутниковой связи.

Современные тенденции развития подобных спутниковых систем связи лежат на пути создания интерактивных мультимедийных сетей, работающих в двух направлениях, являющуюся экономичным, надежным, оперативным решением для обслуживания широкого спектра услуг таких, как доступ в Интернет, дистанционное обучение, проведение телеконференций, прямая видеотрансляция (DVB-S).

Применение технологии DVB-S для «линии вниз» увеличивает эффективность использования космического сегмента для многочисленных пользователей. Программное обеспечение обеспечивает качество обслуживания (Quality of Service) на канальном уровне на «линии вниз» и в режиме «по требованию (BODBandwith On Demand)».

В современных гибридных системах связи используются самые разнообразные и современные протоколы: TCP/IP, Frame Relay, ATM,.

MPLS, FTP, HTTP, IP/TV, технология передачи Audio/Video в реальном времени, технология передачи голоса через IP.

2. Анализ тенденций развития мультисервисных мультипротокольных услуг, показывает:

Рост числа и ассортимента предоставляемых услуг приводит к возрастанию объема трафика данных, с одновременным «перетеканием» голосового и видео трафиков в трафик данных. Использование технологий пакетной передачи информации является основной тенденцией развития мультисервисных телекоммуникационных систем;

Конвергенция услуг приводит к интеграции широкого спектра голосовых услуг в сетях IP, Frame Relay, ATMпередачи видео и мультимедиаобслуживание клиентов через Интернет включая все виды электронной коммерции, хостинг, Call — центры;

Конвергенция сетей связи приводит к увеличению их пропускной способности, мультипротокольности, экономической функциональности, гибридному характеру современных телекоммуникационных систем связи и сетей, их многосредному характеру.

3. Анализ видов трафика в мультисервисных системах спутниковой связи показывает, что можно выделить следующие, наиболее распространенные виды: передача коротких сообщений (данных), или одиночных пакетов данныхпередачу файловголосовые звонки.

4. Анализ качества пакетной передачи голосовой информации, видео и данных показал, что должны оцениваться следующие параметры: а) для трафика голоса и видео: вероятность потери пакета и скорость передачи пакетов, средняя величина времени запаздывания речевых и видео пакетовб) для трафика данных: задержка, скорость потери пакетов и скорость пакетов.

5. Оценки допустимого времени запаздывания речевых пакетов в каналах спутниковой связи (при пакетном способе коммутации) показывают, что экспоненциальное распределение хорошо согласуется с распределением задержки в канале и дает хорошее совпадение, даже для распределений пороговых значений задержки соответствующих вероятности превышения 0.05, 0.01, 0.001. Конечная емкость буфера вызывает уменьшение вероятности больших задержек за счет вероятности блокировки отдельных пакетовпри ограниченной емкости буфера, распределения задержки имеют существенно меньшие дисперсии и имеют более короткие, ограниченные «хвосты», так что большинство принятых пакетов могут быть обработаны с лучшими характеристиками, за счет пропуска некоторых пакетоввероятность блокировки пакетов увеличивается с уменьшением емкости буфера, однако, эти вероятности достаточно малы даже при малых емкостях буфера.

6. Оптимальное значение длины пакета слабо зависит от способа формирования полного пакета при одинаковой вероятности поступления пакета и существенно зависит от вероятности поступления пакета при одинаковом числе абонентов и любом способе формирования пакета.

Оптимальная длина информационной части пакета возрастает с увеличением количества абонентов.

7. В предположении, что структура мультимедийной сети подразумевает наличие только двух подсетей (наземной и спутниковой), полученные зависимости времени задержки пакета от количества УКС при различной интенсивности генерации пакетов, пропускной способности спутникового канала и длине пакета показывают, что даже при максимальном количестве УКС, равном 10, увеличение интенсивности генерации потоков приводит к незначительному возрастанию задержки.

Зависимости времени задержки пакета от количества УКС при разной пропускной способности спутникового канала, фиксированной интенсивности генерирования пакетов и равной длине пакета, показывают, что, задаваясь допустимой величиной запаздывания в канале связи, можно сформулировать требования к количеству УКС и допустимой длине пакета. С увеличением скорости передачи (увеличением пропускной способности спутникового канала связи) возрастает число УКС, при которых допустимое время запаздывания не превысит допустимой величины.

8. Сравнительный анализ оценок времени запаздывания в сетях с предоставлением каналов по требованию от числа канальных интервалов, через которое осуществляется повторная передачаинтенсивности нагрузки, определяемой видом доступа к спутниковому каналу, числа станций в сети для различных протоколов доступа к спутниковому сегменту в сетях с предоставлением каналов по требованию: простая («чистая») ALOHA, синхронная (слотированная) ALOHA-S, ALOHA с резервированием — ALOHA-R показал, что наибольшие абсолютные значения величины запаздывания дает простая ALOHA, а наименьшиеALOHA-S.

9. Оценки времени запаздывания голосовой информации и данных при пакетном способе коммутации и приоритете передачи речевых пакетов в системах спутниковой связи показывают, что (при одинаковых характеристиках обоих потоков) задержки голосовых пакетов значительно меньше чем у пакетов данных.

10. Сравнительный анализ способов построения наземного сегмента гибридной сети, представляющей собой распределенную сеть с передачей данных и буферизацией, и полученные при этом оценки задержки информации и вероятности блокировки голосового трафика в наземном сегменте сети показал, что (для заданной топологии сети) можно оценить показатели качества передачи речевых сообщений, а также максимально возможную скорость поступления звонков при заданных средней продолжительности звонка и числе голосовых каналов. И. Разработана структура проектируемой мультисервисной, мультипротокольной гибридной многосредной сети, включая наземную сетевую инфраструктуру, топология спутникового сегмента сети со сложным радиально-узловым характером, а также схема организации мультисервисных услуг связи.

В качестве стека протоколов при работе с Интернет целесообразно применять IP/ Ethernet / FrameRelay/ TCP /RTP/ RSVP. При необходимости отдельным потребителям, как в исходящем так и в нисходящем каналах, может быть зарезервирована минимальная гарантированная скорость обмена CIR в групповом FR-канале.

12. Наиболее целесообразно создание гибридных, мультипротокольных, мультисервисных сетей на базе объединения связной спутниковой технологии Frame Relay и вещательной технологии DVB-S, используя унифицированное телевизионное, спутниковое и сетевое оборудование.

Разработана структурная схема мультисервисной сети, организованной на базе центральной спутниковой станции (HUB) и региональных спутниковых станций (VSAT) в городах и поселках дальневосточного региона РФ. Все используемое сетевое и спутниковое оборудование (DVB-Modem, Modem, Demodulator, Encoder MPEG-2, DVB MUX, DVB Receiver) является унифицированным.

Статистическое сжатие разнородной (речь, данные) информации, при пакетной коммутации, технология FR, реализованная в связной части оборудования мультисервисной сети, позволяет существенно экономить полосу частот, арендуемую на спутнике-ретрансляторе, а технология DVB-S, реализованная в вещательной части оборудования мультисервисной сети, обеспечивает объединение телевизионного и связного трафиков в единый транспортный поток.

13. Разработана структура мультисервисного центра наземного сегмента сети, а также схема предоставления услуг. В структуре телекоммуникационного сегмента мультисервисной, мультипротокольной сети выделены два компонента. Первый включает в себя необходимое оборудование для передачи традиционных видов информации voice, Fax, Video conferention, Data. Второй предназначен для передачи информации с пакетной коммутацией и современными видами протоколов.

Для эффективного спутникового доступа всех клиентов к сервису передачи голоса и данных система поддерживает полноценную функцию выделения полосы по требованию, поддерживая несколько режимов работы, включая DAM А, предварительное выделение и фиксированное выделение полосы (РАМА), резервирование и внутреннюю (внутрисхемную) полосу In-Circuit Bandwidth по требованию (IC-BoD).

Реализуемая система обеспечивает услугами пользователей на базе топологии «звезда» для ЛВС, WAN (Wide Area Network), широкополосных и других услуг пакетной передачи.